即時(shí) （PoC） 醫(yī)學(xué)測試的趨勢正在從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到醫(yī)生辦公室、診所甚至家庭。這種遷移有可能加快診斷速度，從而加快患者護(hù)理速度、改善結(jié)果并降低成本。

實(shí)現(xiàn) PoC 從多功能、應(yīng)用優(yōu)化的 IC 開始，這些 IC 具有先進(jìn)的模擬前端 （AFE），可與各種生物傳感器連接，以進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)采集測量。每個(gè) IC 都必須滿足復(fù)雜電化學(xué)、生物和相關(guān)測量的獨(dú)特屬性，包括精度、低功耗和高度集成功能。成功的最終產(chǎn)品具有高性能、靈活性和可升級性，有助于使平臺(tái)面向未來。它們還必須由平穩(wěn)精確的運(yùn)動(dòng)控制和身份驗(yàn)證 IC 提供支持，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和隱私性。

本文探討了向 PoC 的轉(zhuǎn)變及其設(shè)計(jì)影響。然后，它描述了廣泛使用的 AFE 測量場景，并介紹了 Analog Devices 的靈活解決方案，以滿足 PoC 測量、運(yùn)動(dòng)控制和身份驗(yàn)證要求。

為什么現(xiàn)在進(jìn)行 PoC？

增加 PoC 檢測和樣本處理的驅(qū)動(dòng)力包括對更快醫(yī)療診斷以改善個(gè)人健康結(jié)果的需求。監(jiān)管要求鼓勵(lì)甚至要求進(jìn)行更多測試。在診所或家中進(jìn)行本地化 PoC 的趨勢是最大限度地減少對患者的干擾、費(fèi)用和時(shí)間。此類系統(tǒng)需要易于使用但功能強(qiáng)大的儀器來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

對于此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來說，AFE、運(yùn)動(dòng)控制和身份驗(yàn)證 IC 是患者液體和生命體征之間的前線接口，也是捕獲、記錄、評估和報(bào)告來自各種傳感器的結(jié)果數(shù)據(jù)所需的系統(tǒng)。它們是電化學(xué)和光學(xué)診斷解決方案的構(gòu)建塊，可提供測量引擎以補(bǔ)充各種生物傳感器和化學(xué)成分，同時(shí)實(shí)現(xiàn)可使用軟件升級的平臺(tái)（圖 1）。

圖 1：模擬和相關(guān)電子設(shè)備在患者的生命體征和體液與相關(guān)的 PoC 儀器和數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間提供了關(guān)鍵接口。（圖片來源：Analog Devices）

以應(yīng)用為中心的多樣化 IC 應(yīng)對挑戰(zhàn)

一些示例清楚地說明了這種情況：

示例 #1：光學(xué)熒光檢測 （FLD）：

該技術(shù)使研究人員能夠研究生物成分在細(xì)胞或組織內(nèi)的分布、定位和相互作用，從而提供對標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡通常不可見的細(xì)胞過程和功能的詳細(xì)見解。它使用熒光誘導(dǎo)熒光團(tuán)，而不是光吸收、散射或反射。

熒光團(tuán)吸收特定波長的光，將其一些電子激發(fā)到更高的能量狀態(tài)。當(dāng)電子返回其基態(tài)時(shí)，熒光團(tuán)以更長的特征發(fā)射波長發(fā)射光。這種發(fā)射的熒光被檢測和分析，提供生物結(jié)構(gòu)的高對比度、分子水平可視化。

LED 加光電傳感器系統(tǒng)的進(jìn)步提供了額外的性能和功能。MAX86171（圖 2，頂部）等 IC 是一種具有發(fā)射和接收通道的超低功耗光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，專為這些應(yīng)用量身定制。盡管它們內(nèi)部很復(fù)雜，但應(yīng)用中只需要幾個(gè)分立元件（圖 2，底部）。

圖 2：MAX86171 多通道、超低功耗、光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（上圖）利用其高水平的內(nèi)部集成來簡化外部布線和對無源支持元件的需求（下圖）。（圖片來源：Analog Devices）

在發(fā)射器側(cè)，MAX86171 具有 9 個(gè)可編程 LED 驅(qū)動(dòng)器輸出引腳，連接到 3 個(gè)大電流 8 位 LED 驅(qū)動(dòng)器。在接收器側(cè)，該 IC 具有兩個(gè)低噪聲、電荷積分前端，具有環(huán)境光消除 （ALC） 電路，從而形成高性能、高度集成、基于光學(xué)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

對于需要較少光通道的設(shè)計(jì)，MAX86178ENJ+ 是一款超低功耗、臨床級生命體征 AFE，支持多達(dá) 6 個(gè) LED 和 4 個(gè)光電二極管輸入。

請注意，醫(yī)療應(yīng)用的品質(zhì)因數(shù)和優(yōu)先級與非醫(yī)療情況（如光學(xué)數(shù)據(jù)通道）的品質(zhì)因數(shù)和優(yōu)先級不同。由于光照水平通常相對較低，因此光學(xué)前端的絕對本底噪聲是關(guān)鍵參數(shù)，而不是信噪比 （SNR）。

雖然帶寬和采樣率非常低，并且在生物世界中，感興趣的參數(shù)在數(shù) kHz 的速率下不會(huì)發(fā)生變化，但患者和信號(hào)的復(fù)雜模擬性質(zhì)要求在規(guī)格中設(shè)置不同的優(yōu)先級。這些特點(diǎn)包括高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍和低噪音，可在不斷變化的作環(huán)境中取得成功，在這種環(huán)境中，患者的皮膚和內(nèi)部器官會(huì)不斷移動(dòng)以改變接觸面積和力，即使是輕微的。它們還會(huì)在存在各種類型的干擾噪聲和變化的情況下這樣做，從而使問題進(jìn)一步復(fù)雜化。

為了滿足應(yīng)用要求，MAX86171 的動(dòng)態(tài)范圍在 91 到 110 分貝 （dB） 之間，具體取決于測試布置，分辨率為 19.5 位，暗電流噪聲小于 50 皮安 （pA） （RMS），在 120 赫茲 （Hz） 時(shí)的環(huán)境光抑制系數(shù)優(yōu)于 70 dB。

示例 #2：電位法、安培法、伏安法和阻抗測量：

電氣工程師可以從各種標(biāo)準(zhǔn)儀器中進(jìn)行選擇，從而輕松測量電壓、電流和阻抗及其關(guān)系。但是，這些測量在化學(xué)和生物環(huán)境中具有獨(dú)特的要求和限制，并呈現(xiàn)不同的情況：

• 電位儀：使用電化學(xué)工作站測量兩個(gè)電極之間的電位，以確定溶液中物質(zhì)的濃度
• 安培法：使用安培法裝置根據(jù)電流或電流變化檢測溶液中的離子
• 伏安法：將特定的電壓曲線作為時(shí)間的函數(shù)應(yīng)用于工作電極，并測量系統(tǒng)產(chǎn)生的電流，通常通過恒電位儀
• 阻抗：測量皮膚和身體的電壓和電流關(guān)系

為了評估這些參數(shù)，AD5940 在 3.6 × 4.2 毫米 （mm） 的 56 引腳 WLCSP 中提供了廣泛的功能和接口選項(xiàng)（圖 3）。這款低功耗 AFE 專為需要高精度電化學(xué)技術(shù)（如安培、伏安或阻抗測量）的便攜式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

圖 3：AD5940 AFE 集成了精確、低功耗安培、伏安或阻抗測量所需的復(fù)雜功能。（圖片來源：Analog Devices）

AD5940 具有兩個(gè)激勵(lì)環(huán)路和一個(gè)公共測量通道。第一個(gè)環(huán)路由一個(gè)雙輸出串、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 和一個(gè)低噪聲恒電位儀組成，它可以產(chǎn)生 0 Hz 至 200 Hz 的信號(hào)。

DAC 的一個(gè)輸出控制電化學(xué)工作站的同相輸入，另一個(gè)輸出控制跨阻放大器 （TIA） 的同相輸入。第二個(gè)環(huán)路由一個(gè) 12 位 DAC 組成，能夠生成高達(dá) 200 kHz 的激勵(lì)信號(hào)。

在輸入側(cè)，有一個(gè) 16 位、每秒 800 千克采樣 （kS/s） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），帶有輸入緩沖器、一個(gè)抗混疊濾波器和一個(gè)可編程增益放大器 （PGA）。多路復(fù)用器為外部電流和電壓輸入選擇輸入通道，為電源電壓、芯片溫度和基準(zhǔn)電壓選擇內(nèi)部通道。

電流輸入包括兩個(gè)具有可編程增益和負(fù)載電阻的 TIA，用于測量不同類型的傳感器。第一個(gè) TIA 測量低帶寬信號(hào)，而第二個(gè) TIA 測量高達(dá) 200 kHz 的高帶寬信號(hào)。

提供這種集成度和多功能性的 IC 用戶受益于超越 IC 的評估套件。對于 AD5940，EVAL-AD5940BIOZ 心電圖 （ECG/EKG） 傳感器 Arduino 平臺(tái)評估擴(kuò)展板提供了一個(gè)熟悉的開發(fā)環(huán)境（圖 4）。[](https://www.digikey.cn/zh/products/detail/analog-devices-inc/EVAL-AD5940BIOZ/10124784)當(dāng)添加新的測試要求時(shí)，該套件還有助于面向未來的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵撈脚_(tái)可以通過軟件進(jìn)行升級。

圖 4：EVAL-AD5940BIOZ 心電圖 （ECG/EKG） 傳感器 Arduino 平臺(tái)評估擴(kuò)展板簡化了 AD5490 在進(jìn)行其設(shè)計(jì)提供的細(xì)微低電平測量時(shí)使用和評估 AD5490 的挑戰(zhàn)。（圖片來源：Analog Devices）

每個(gè) AD5940 評估板都針對特定的終端應(yīng)用測量目標(biāo)。類似 Arduino 的電路板通過 SPI 外設(shè)對 AD5940 進(jìn)行配置和通信。圖形用戶界面 （GUI） 工具可用于具有繪圖和數(shù)據(jù)捕獲功能的測量，用于初始評估。許多用嵌入式 C 編寫的示例項(xiàng)目都包含有關(guān)如何設(shè)置編程環(huán)境和運(yùn)行示例的說明。

示例 #3：數(shù)據(jù)身份驗(yàn)證：

存儲(chǔ)在不同位置并使用無線近場通信 （NFC） 鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)引發(fā)與數(shù)據(jù)真實(shí)性相關(guān)的問題，甚至存在重復(fù)使用、誤用和偽造樣品或卡式瓶的風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決這些問題，MAX66250 Secure Authenticator（圖 5，頂部）提供了強(qiáng)大的對策，所有存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都經(jīng)過加密保護(hù)，防止被發(fā)現(xiàn)。它與支持 NFC 的嵌入式系統(tǒng)兼容（圖 5，底部），這些系統(tǒng)未經(jīng)授權(quán)訪問的風(fēng)險(xiǎn)更高。

圖 5：MAX66250 Secure Authenticator（上圖）提供多級高級數(shù)據(jù)安全和身份驗(yàn)證支持;它還包含一個(gè)用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?NFC 接口（底部）。（圖片來源：Analog Devices）

安全認(rèn)證器將符合 FIPS 202 標(biāo)準(zhǔn)的安全哈希算法 （SHA-3） 質(zhì)詢和響應(yīng)認(rèn)證與安全 EEPROM 相結(jié)合。該器件提供一組源自集成模塊的核心加密工具，包括 SHA-3 引擎、256 位安全用戶 EEPROM、僅遞減計(jì)數(shù)器和唯一的 64 位 ROM 標(biāo)識(shí)號(hào) （ROM ID）。唯一的 ROM ID 是加密作的基本輸入?yún)?shù)，在應(yīng)用程序中用作電子序列號(hào)。該器件通過符合 ISO/IEC 15693 標(biāo)準(zhǔn)的 RF 接口進(jìn)行通信。

對于有線鏈路，DS28E16Q+U 1-Wire Secure SHA-3 Authenticator 提供與 MAX66250 相同的加密工具，包括唯一的 ROM ID。

示例 #4：運(yùn)動(dòng)/電機(jī)控制：

許多 PoC 設(shè)備和工作站需要仔細(xì)控制運(yùn)動(dòng)，以便在工作站之間傳輸試紙或試管、混合和轉(zhuǎn)移試劑，或添加或釋放精確量的液體并進(jìn)行移液。這些應(yīng)用通常需要精確的微步進(jìn)和平穩(wěn)的停止、啟動(dòng)和斜坡生成，以提供高分辨率和無振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)快速、精確、可靠、安靜、可重復(fù)和節(jié)能的運(yùn)動(dòng)。

Trinamic TMC5072-LA-T 單/雙通道步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器 IC（圖 6，頂部）具有串行通信接口，適用于這些應(yīng)用。當(dāng)接線并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，它為每個(gè)電機(jī)提供 1.1/1.5 安培 （A） 峰值的線圈電流驅(qū)動(dòng)能力，為一個(gè)電機(jī)提供 2.2/3 A 峰值。

對于基本作，配套的 TMC5072-BOB 評估套件（圖 6，底部）包括一個(gè)板載TMC5072，并使用單線通用異步接收器/發(fā)射器 （UART） 連接到 Arduino Mega。圖形用戶界面 （GUI） 提供了用于輕松設(shè)置參數(shù)、實(shí)時(shí)可視化數(shù)據(jù)以及開發(fā)和調(diào)試獨(dú)立應(yīng)用程序的工具。

圖 6：TMC5072-LA-T 單/雙通道步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器 IC（頂部）提供精確的性能和平穩(wěn)的運(yùn)行;它由 TMC5072-BOB 評估試劑盒（底部）支持。（圖片來源：Analog Devices）

TMC5072 結(jié)合了靈活的斜坡發(fā)生器，用于自動(dòng)目標(biāo)定位，并提供無噪音運(yùn)行、最高效率和高電機(jī)扭矩。7 × 7 mm IC 提供額外的高級功能：

• StealthChop 可實(shí)現(xiàn)極其安靜的作和平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)
• SpreadCycle 高動(dòng)態(tài)電機(jī)控制斬波器
• DCStep 用于負(fù)載相關(guān)速度控制
• StallGuard2 高精度無傳感器電機(jī)負(fù)載檢測
• CoolStep 電流控制，節(jié)能高達(dá) 75%

當(dāng)然，單個(gè)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備并不能滿足所有 PoC 系統(tǒng)需求，無論功能多么豐富和功能豐富。因此，Analog Devices 為 PoC 提供了廣泛的電機(jī)相關(guān) IC 和支持功能，包括：

• TMC4671-LA：集成伺服控制器，為無刷直流/永磁同步電機(jī) （BLDC/PMSM） 和兩相步進(jìn)電機(jī)提供磁場定向控制 （FOC）
• TMC4671-LEV-REF：帶 BLDC 伺服驅(qū)動(dòng)器的 TMC4671 參考設(shè)計(jì)
• TMC5240ATJ+T：智能、高性能步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器 IC，帶串行通信接口（TMC5072 的單軸版本）
• TMC4361A-LA-T：用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制器，在快速和加加速度限制的運(yùn)動(dòng)曲線應(yīng)用中提供 S 形斜坡
• TMC2240ATJ-T：智能集成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，帶步進(jìn)/方向和 SPI 接口。

結(jié)論

多種因素的結(jié)合正在推動(dòng)許多醫(yī)學(xué)測試和評估朝著更加本地化、快速響應(yīng)的 PoC 模型發(fā)展。高度集成、以應(yīng)用為中心的 IC（如 AFE、運(yùn)動(dòng)控制和身份驗(yàn)證）使這一趨勢成為可能。Analog Devices 提供多種高性能、低功耗器件選擇，這些器件針對這些應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可滿足技術(shù)和監(jiān)管要求。它們還提供面向未來的平臺(tái)所需的靈活性和可升級性。