高性能模拟器件兼顾医疗设备诊断级精度需求

前不久，iPad2在全球苹果粉丝的期待中登场，有望续写苹果的传奇。而就在此前不久的一则消息让与苹果不搭界的医疗界也与苹果搭上关系：美国食品和药物管理局(FDA)首次批准了苹果iPad/iPhone作为医疗影像诊断放射学的辅助产品使用，可以用于实现计算机断层扫描(CT)，磁共振成像(MRI)的结果判读。其实，iPad的医疗应用早已有之且并不仅限于此，在iPad的3万多种应用程序有中，医疗类别的有504种（数据截止于2010年9月）。
 
对医疗设备、特别是便携式医疗保健设备制造商来说，与其将这些信息解读为一种市场竞争威胁倒不如作为对自己产品策略的借鉴，尤其是苹果在iPad产品的便携性能设计上的卓越之处（iPad2厚度缩减33%，重量减轻15%，而一次充电能够使用10个小时、待机一个月），因为医疗设备的便携性、低功耗已经成为一种趋势：原来只有在大医院使用的大型医疗设备将呈现小型化、低成本化以及更便于使用等发展趋势，以适应基层医疗机构建设的需求；随着人口老龄化问题的加剧，家用监护式的应用也是一个发展趋势。除了现在已经有较多应用的家用血糖、血压检测外，预计未来心电图等设备也许走入家庭，在您的产品设计中如果能像苹果一样把握住这种趋势的话必将占据先机。
 
在2011年深圳举办的国际集成电路展上，全球领先的高性能信号处理解决方案供应商及医疗设备行业的供应商ADI公司就展出了多个系列的医用产品解决方案，包括最新推出的低功耗、可实现诊断级心电图（ECG）应用模拟前端芯片ADAS1000和最新的备受赞誉的八通道医疗超声模拟前端AD9278和AD9279 。这些产品及解决方案除了具有ADI一直以来业界领先的高精度，更凭借对医疗系统设计的深度理解和客户需求的精准把握，以更高的集成度从芯片内部解决了以前分立解决方案设计中所面临的诸多技术挑战，高集成度、低功耗特性更引领了医疗设备便携化技术发展的趋势。
 
ADAS1000让ECG更小巧、更便携

ADAS1000是ADI公司于年初最新推出支持ECG系统实现监护级和诊断级性能的全集成模拟前端（AFE）系列芯片的首款产品，该器件还集成了起搏器脉搏检测和呼吸测量功能，以及多导联内核ECG测量与支持功能，包括导联断开检测和右腿驱动等，这些特性对于高性能ECG系统至关重要。该器件可有效用于各种ECG系统，包括诊断心电图仪、床边病人监护系统、动态监护仪和心脏除颤器。ADAS1000的高性能使其非常适合开发出帮助医生更精确地诊断各类影响人类心脏的病症的高端诊断设备，同时其高集成度和低功耗特性又使其符合便携式ECG产品。
 
ADAS1000 AFE在单封装中实现了完整的ECG系统，基于该芯片实现的信号链BOM（材料清单）明显缩减，从原来的多达50个器件减少到只需单芯片ADAS1000，外加几个分立器件，极大的简化了ECG系统的设计，并大大缩小了电路板面积。图1的左边电路是ECG模拟前端部分（右边深色电路板为DSP主控功能电路），其中采用了两块ADAS1000芯片（其中一块未贴片）以实现导连扩展。从图中可以看到，电路非常干净（事实上，该电路中为方便测试还增加了额外器件和布局考虑）。

 
图1：基于ADAS1000的开发评估板。
 
功耗是便携式ECG最重要的指标。通常病人需要随身携带便携式动态心电图监测仪连续一星期或几天，以了解心脏的跳动规律，准确判断心脏健康状况，一般至少要保证8到10个小时的设备续航能力。就目前常用的锂电池有限的容量来说对系统的低功耗设计提出了极大的挑战，设计工程师必须采用具有更低功耗预算的解决方案。ADAS1000在设计时充分进行了低功耗优化，并加入了可实现更低功耗的设计选项，可以最大程度地实现功耗和性能的均衡考虑。为降低功耗，您在使用ADAS1000时可以方便地禁用任何不用的通道或特性，可以关闭信号采集通道，降低采样速率，或采用不同的数据帧速率，从而可以使一个导联的最低功耗低至11mW，三导联测量的功耗为14mW，5个ECG电极测量的工作功耗为19mW。此外，ADAS1000采用了一种灵活的功耗/噪声调整选择，可以针对特定应用以容忍适当噪声来降低功耗，或以适当牺牲功耗为代价降低噪声。
 
第四代八通道超声接收器凸显低功耗、小尺寸优势
ADI公司在四年前曾推出业界首款在单芯片上集成完整八通道超声接收器的器件AD9271。ADI随后又陆续推出其它八通道超声接收器，包括用于中高端手推式超声系统的AD9272、用于便携式超声系统的AD9273、以及支持高质量连续波（CW）多普勒处理的AD9276和AD9277。而年前推出的新型八通道超声模拟前端AD9278和AD9279再次改写了八通道超声接收通道的性能：具有45dB的可变增益范围、全差分信号路径、有源输入前置放大器终端、最大52dB的增益以及转换速率高达80MSPS的模数转换器。

 
图2：完全集成解决方案大大简化了超声系统设计

AD927x的产品发展路径体现了ADI公司追求医疗电子设备的高性能、高集成度、低功耗设计的技术发展要求：AD9272集成了LNA/VGA、ADC和抗混叠滤波器，克服了分立解决方案可能面临的LNA/VGA、ADC和抗混叠滤波器器件间的匹配设计挑战以及PCB布局，大大缩小了PCB尺寸；AD9276/7集成了CW多普勒调制器帮助系统设计工程师进一步提高相对于分立解决方案的噪声性能；而AD9278和AD9279器件均集成了ADI公司全球领先的数据转换技术，可实现低噪声TGC（时间增益控制）模式性能，此外还具备高动态范围I/Q解调器，可减小实现连续波（CW）多普勒处理所需的功耗和面积。此外，新款八通道超声接收器提供最高水平的输出端折合大信号 SNR（最高可达6dB），有助于提高诊断超声系统的灵敏度，同时最多能将电路板空间缩减40%。
 
AD9278和AD9279这两款产品均针对动态性能与低功耗而优化，适合要求小封装尺寸的应用。在CW模式下，AD9278具有每通道25 mW 的超低功耗，AD9279提供每通道50mW 的低功耗。在TGC模式下，AD9278在40MSPS 时的每通道功耗仅为88mW，AD9279在40MSPS时的每通道功耗仅为139mW。AD9278八通道超声接收器设计用于便携式超声系统，AD9279则适合高端和中端系统。###分页##
 
一站式配套与技术支持提供完美解决方案

 
图3：ADI为超声解决方案提供完备的核心器件。
 
ADI在推出这些最新高性能模拟器件的同时，基于其完备的模拟和数字器件产品与技术，还为工程师提供业界领先性能的全套核心配套器件选择建议，并提供基于这些器件的完整评估系统。对于ADAS1000，配套器件包括Blackfin? DSP（数字信号处理器）、单芯片USB隔离器ADuM4160、四通道数字隔离器ADuM2401、5kV隔离 DC/DC转换器ADuM6000、无线ISM带宽收发器ADF7023、线性电源调节器ADP150和ADP151。八通道超声模拟前端AD9278和AD9279的配套器件包括：低噪声、高速放大器 AD8021；低功耗、低失真放大器 ADA4841-2；18位、1MSPS PulSARR ADC AD7982；3.0 V超低噪声基准电压源 ADR433；时钟发生器 AD9516；时钟发生器 AD9520；时钟扇出缓冲器 ADCLK946和ADCLK846

 图4：UM 300病人监护仪采用了ADI双核DSP BF561、AD7190（ADC）、AD8605（运放）和AD8220（仪表放大器）等关键器件。
 
医疗电子一直是ADI重点关注的领域之一，针对医疗成像、病人监护、医疗仪器仪表和消费/家庭护理产品，ADI公司提供丰富而全面的线性、混合信号、MEMS和数字信号处理技术。四年前率先成立了医疗保健事业部专注于医疗保健相关产品的技术研发以及对客户的技术支持。基于全球领先的模拟和数字技术，ADI产品和技术持续赢得全球医疗电子设备厂商的广泛应用，其一站式的高性能核心器件配套能力和技术支持能力赢得厂商的赞誉。