利用先进的模拟前端和安全设备为床旁医疗检测设备带来 AI 优势

人工智能 (AI) 已能够从患者检查和试验数据中获取更深层次的洞察能力，从而提升了诊断水平，增强了预测与趋势分析能力。下一步是将 AI 驱动的医疗检测和样本分析从实验室迁移到医生办公室、诊所或家庭。这种床旁 (PoC) 监测方法能够快速评估医疗状况，减轻患者负担，并能更频繁地进行检测，以提供更精细的数据，更快地发现令人担忧的趋势。

要实现 AI 驱动的 PoC，就要使用具有先进模拟前端 (AFE) 的多功能应用优化型 IC，与各种生物传感器对接，以进行必要的数据采集测量。这些 IC 必须满足复杂的电化学、生物和相关测量的独有特性要求，包括精度、低功耗和高度集成的功能等。它们还必须依托先进的安全技术，以确保数据隐私。

本文将探讨 PoC 转变趋势及其对设计的影响，然后描述了广泛使用的 AFE 测量场景，并介绍了 Analog Devices 可满足 PoC 测量和安全要求的示例解决方案。

为什么现在需要 PoC？

增加 PoC 检测和样本处理的驱动因素包括：为改善个人健康状况而产生的对更多、更好医疗诊断的需求；开发出洞察基于人群的老龄化、疾病和病症变化的需求。监管规定鼓励甚至要求进行更多的检测，而这些检测必须以更低的成本完成，并减少检测和等待时间。此外，还有一种趋势是在诊所或家中建立更多本地 PoC，以尽量减少对病人的干扰和费用，这就需要简单而功能强大的仪器。

与此同时，AI 也在迅速发展，能够让这些数据用于更深入的分析和预测。

这些综合因素创造了对于复杂的基于 IC 的电路的需求和机遇，这些电路需要根据医疗测试数据采集和管理的独特要求进行优化。这类 IC 是连接患者体液与系统的前端接口，负责从各种传感器捕获、记录数据，然后对之进行评估并报告最终数据（图 1）。

图 1：模拟和相关电子设备充当了病人生命体征和体液及相关 PoC 仪器和数据系统之间的重要联络接口。（图片来源：Analog Devices）

以应用为导向的多样化 IC 应能应对各种挑战

我们用一些例子可以清楚地说明这种情况：

示例 1：脉搏氧饱和度和心率监测仪：

血氧饱和度 (SpO₂) 和心率是重要的基础健康测量指标之一。第一个参数提供了最生动的例子，说明了光学和电子技术是如何改变 PoC 预期的。一直以来，测量 SpO₂ 的唯一方法是由护士抽取血液样本并送往实验室进行测试。

现在，利用几十年前即已完善的电子光学技术，指尖上的 LED、光传感器和算法就可在几秒钟内提供快速的 DIY 读数。此外，相同的 LED 光电传感器排列还能提供心率信息。

更先进的 LED 加光电传感器系统则为我们提供了更多的性能和功能。有一些专为这些应用量身打造的 IC，如 MAX86171（图 2，上），它是一个具有发送和接收通道的超低功耗光学数据采集系统。尽管其内部十分复杂，但在应用中也只需配置几个分立元件（图 2，下）。

图 2：MAX86171 多通道、超低功耗、光学数据采集系统（上图）利用其高度集成的内部功能简化了外部接线以及对无源辅助元件的需求（下图）。（图片来源：Analog Devices）

在发射器侧，MAX86171 配备 9 个可编程 LED 驱动器输出引脚，分别连接 3 个大电流 8 位 LED 驱动器。在接收器侧，MAX86171 配备了两个低噪声、电荷积分前端和环境光消除 (ALC) 电路，从而形成了一个基于光学的、高度集成的高性能数据采集系统。

除了 SpO₂ 和心率数据外，该 IC 还能评估心率变异性、身体水合作用、肌肉和组织氧饱和度（SmO₂ 和 StO₂）以及最大耗氧量 (VO₂ max)。

请注意，医疗应用的性能指标和优先级有别于非医疗情况。由于光水平通常相对较低，因此光学前端的绝对本底噪声是关键参数，而非信噪比 (SNR)。

尽管在生物医学领域，信号带宽和采样率通常非常低，因为相关参数不会以数千赫兹的速率变化，所以患者和信号的复杂模拟性质要求在规格上有不同的优先次序。这些特性包括高灵敏度、宽动态范围和低噪声，以便成功应对不断变化的非固定环境。在这种环境下，病人的皮肤和内脏器官会不断移动，即使轻微移动也会导致会接触面积和接触力发生变化。此外，这些特性还会受各种干扰“噪声”和变化的影响，使问题变得更加复杂。

为满足应用要求，MAX86171 的动态范围介于 91 和 110 分贝 (dB) 之间，具体取决于测试布局，其分辨率为 19.5 位，暗电流噪声小于 50 皮安 (pA) (有效值)，且 120 赫兹 (Hz) 下环境光抑制系数优于 70 dB。

示例 2：电位测定法、电流分析法、伏安测量法和阻抗测量：

现在，电气工程师可通过各种各样的标准仪器熟练测量电压、电流和阻抗以及其相互关系。然而，这些测量在化学和生物环境中有独特的要求和限制，并呈现出不同的测量场景：

• 电位测定法：使用恒电位仪测量两个电极之间的电位，以确定溶液中的物质浓度
• 电流分析法：使用电流测定装置，根据电流或电流变化检测溶液中的离子
• 伏安测量法：在工作电极上施加一条随时间变化的特定电压曲线，并测量系统产生的电流，通常使用恒电位仪进行测量
• 阻抗：测量皮肤和身体的电压电流关系

为了评估这些参数，AD5940 在 3.6 × 4.2 毫米 (mm) 的 56 球 WLCSP 封装中提供了多种功能和接口选择（图 3）。这款低功耗 AFE 具有多种功能和接口，专为需要诸如安培、伏安或阻抗测量等高精度电化学测量技术的便携式应用而设计。

图 3：AD5940 AFE 集成了精密型低功耗安培、伏安或阻抗测量所需的各种复杂功能。（图片来源：Analog Devices）

AD5940 具有两个激励环路和一个通用测量通道。第一个环路由一个双输出串、一个数模转换器 (DAC) 和一个低噪声恒电位仪组成，可产生 0 Hz 至 200 Hz 的信号。

DAC 的一个输出控制恒电位仪的非反相输入，另一个输出控制跨阻放大器 (TIA) 的非反相输入。第二个环路由一个 12 位 DAC 组成，能够产生高达 200 千赫兹 (kHz) 的激励信号。

在输入侧，有一个 16 位、每秒 800 千次采样 (kS/s) 的模数转换器 (ADC)，带有输入缓冲器、抗混叠滤波器和可编程增益放大器 (PGA)。多路复用器为外部电流和电压输入选择输入通道，为供电电压、芯片温度和基准电压选择内部通道。

电流输入端包括两个 TIA，具有可编程增益和负载电阻，可用于测量不同类型的传感器。第一个 TIA 测量低带宽信号，第二个 TIA 测量高达 200 kHz 的高带宽信号。

这种集成度和多功能性 IC 的用户可以从 IC 本身以外的评估套件中获益。对于 AD5940 来说，EVAL-AD5940BIOZ 心电图 (ECG/EKG) 传感器 Arduino 平台评估扩展板提供了一个熟悉的开发环境（图 4）。

图 4：EVAL-AD5940BIOZ 心电图 (ECG/EKG) 传感器 Arduino 平台评估扩展板简化了在进行微弱低电平测量时，使用和评估 AD5490 所面临的挑战。其中，AD5490 专门用于进行微弱低电平测量。（图片来源：Analog Devices）

每块 AD5940 评估板都针对特定的终端应用测量目标。类似 Arduino 的电路板通过 SPI 外设对 AD5940 进行配置并与其通信。用于测量的图形用户界面 (GUI) 工具具有绘图和数据采集功能，可用于初始评估。许多用嵌入式 C 语言编写的示例项目都包含如何设置编程环境和运行示例的具体说明。

示例 3：数据安全和身份验证：

数据存储在不同的不安全地点，并使用无线近场通信 (NFC) 链路进行传输，这就产生了与数据安全、真实性、防止黑客攻击以及重复使用、滥用和伪造样品或试剂盒的风险有关的严重问题。

为了解决这些问题，可以采用 MAX66250 安全验证器（图 5，上），该器件提供了强大的应对措施，会对所有存储数据采取加密保护，以防被发现。它兼容支持 NFC 的嵌入式系统（图 5，下），在这种系统中，未经授权的访问风险更高。

图 5：MAX66250 安全验证器（上）可实现多级高级数据安全并提供验证支持；该器件还集成了用于无线数据传输的 NFC 接口（下）。（图片来源：Analog Devices）

该安全验证器将符合 FIPS 202 标准的安全哈希算法 (SHA-3) 质询和响应验证与安全 EEPROM 整合在一起。该器件提供了一组源自集成块的核心加密工具，包括了 SHA-3 引擎、256 位安全用户 EEPROM、仅递减计数器和唯一的 64 位 ROM 识别号 (ROM ID)。这个唯一的 ROM ID 用作加密操作的基本输入参数，也可用作应用内的电子序列号。该器件通过符合 ISO/IEC 15693 标准的射频接口进行通信。

示例 4：运动/电机控制：

许多 PoC 器件和工作站都需要精密控制运动，以便在工作站之间传送试纸或试管、混合和转移试剂、添加或释放精准定量的液体以及进行移液操作。这些应用通常需要精确的微步进运动、平稳的停止、启动和斜坡生成，以实现高分辨率和无振动移动，从而实现快速、精确、可靠、安静、可重复和节能的运动。

带有串行通信接口的 Trinamic TMC5072-LA-T 单/双通道步进电机控制器和驱动器 IC（图 6，上）就非常适合这些应用。并联运行时，每个电机的线圈电流驱动能力为 1.1 A/1.5 A（峰值），一个电机操作时线圈电流驱动能力为 2.2 A/3 A（峰值）。

对于基本操作，配套的TMC5072-BOB 评估套件（图 6，下）包括一个板载 TMC5072，使用单线通用异步接收器/发送器 (UART) 连接到 Arduino Mega。图形用户界面 (GUI) 提供了多个工具，可轻松设置参数、实时进行数据可视化以及进行独立应用开发和调试。

图 6：TMC5072-LA-T 单/双通道步进电机控制器和驱动器 IC（上）可实现高精度性能和平稳运行，并配套 TMC5072-BOB 评估套件（下）为其提供支持。（图片来源：Analog Devices）

TMC5072 结合了用于自动目标定位的灵活斜坡发生器，并可实现无噪声运行、最高效率和高电机扭矩。这款 7 × 7 mm IC 还具有更多先进功能：

• stealthChop2 用于实现静音操作和平稳运动
• SpreadCycle 高动态电机控制斩波器
• DCStep 用于根据负载情况进行速度控制
• StallGuard2 高精度无传感器电机负载检测
• CoolStep 电流控制可实现最高 75% 节能

结语

各种技术进步的结合有可能为本地化的医疗 PoC 设备带来 AI 优势。这就需要像高级 AFE 和数据安全模块这样的集成式、面向应用的 IC。Analog Devices 提供多种高性能、低功耗器件选择，这些器件针对这些应用进行了优化，能够满足相应的技术和法规要求。