淺談如何滿足便攜式醫療設備的安全性設計

藍牙傳輸

心跳的記錄可以用無線傳送到電腦、移動電話或PDA中。藍牙技術穩定可靠、簡單易用，成本經濟，而且覆蓋范圍廣，因此在病人監視方面成為普遍采用的無線技術。美國國家半導體的LMX9838藍牙串行端口模塊是一款高度集成的器件，當中包含有藍牙2.0基帶控制器、2.4GHz的無線電機、晶體、天線、LDO和分立元件。該藍牙節點功能完整，而且體積小巧(10 mm x 17 mm x 2.0 mm)。

在這個完整的方案中包括硬件和軟件，適用于具有完整的高低藍牙堆疊層的天線、通用存取規范(GAP)、服務發現應用規范(SDAP)和串行端口規范(SPP)等的應用。該模塊包含有一個可配置的服務數據庫以便迎合主控上的附加服務規范要求。此外，LMX9838通過了藍牙終端產品認證，無需再通過任何測試或支付技術牌照費就可以直接使用到最終應用上。

基于美國國家半導體的CompactRISC 16位處理器架構和數字智能無線電技術，LMX9838作為一個優化解決方案可以完全滿足藍牙節點所需的數據處理和鏈路管理要求。

另一例子：血糖測量儀

血糖測量儀是針對患糖尿癥病人的重要設備。血糖控制無疑可有助于降低病患的風險，改善病人的生活品質。血糖測量通常有兩個方法：反射光度測量和電化學。在光學方法中，血糖與試紙上的另一化合物產生反應后會產生某種顏色記號，其顏色的深淺程度會與血糖的濃度成正比。反射光度測量的原理是通過量度LED的反射光線來量化顏色的深度：血糖濃度越高，反射出來的光線便越弱。LED會捕捉光線并把它轉換成電子信號。

然而，大多數的血糖測量儀都采用以氧化作用為基礎的電化學方法。在這一方法中，血糖傳感器是一張包含有酶和三個電極的試紙。其中的兩個電極用來作測量，另一個則用來作參考。當血液樣品放在試紙上時，電子會被傳送到電極。電化學會量化電子的數量：所產生的電子數量會與血糖的濃度成正比。

當一個參考電壓(典型為200mV)施加到試紙上時，電子會被轉換成一個與血糖濃度成比例的電流，這種方法被稱作電流分析法。不過，產生出來的電流相當微弱，一般介乎μA 到 nA級，并需要再轉換成一個可供處理的電壓。

圖5所示為一個完整方案的框圖，該系統是由電池供電并可使用LM2623來提供3.3V的電源電壓。通過電極量度出來的電流之后會經由一個運算放大器被轉換成一個電壓，這個電壓再被送到微控制器處理，最后顯示在LCD熒幕上。

R1= 47 kΩ and R2= 3 kΩ, RF= 25 kΩ

接下來再深入探討一下這個由一個跨阻放大器來實現的電流到電壓的轉換。這種拓撲的增益會以輸出電壓和輸入電流的比例來量度，意即反饋電阻器 Rf 必須夠大至可檢測到細小的電流。然而，放大器輸入的電容(Cin)加上反饋電阻器(Rf)便產生出一個相位落后，而這個落后會導致增益峰值出現并影響電路的穩定性。電容器Cf是用來產生一個極和增加相角的穩定裕度。

此外，此電容器亦可用來限制帶寬，從而實現對噪聲的抑制。正如前文提及的，傳感器輸出的電流是非常微弱的，這意味放大器必須有極高精度的規格。首先，使用中放大器的電流噪聲必須很低，因此帶有10 fA/sqrt(Hz)的LMP2232是最佳的選擇。

另一個需要注意的參數是放大器的偏置電流，尤其是當反饋電阻很大時，此參數顯得尤為重要。此外，偏移電壓的影響亦同樣重要，來自這兩個參數的誤差可計算成Verror = Vos + Ib x Rf。LM2232在工作溫度范圍下的偏移電壓和偏置電流分別為230μV (典型值為10μV) 和 50pA (典型值為20fA)。因此，LM2232可謂此類應用的最佳選擇。

正如上述指出的，這一放大器是一個微功率組件，雙通道型號只僅消耗13μA的電流。

結論

無論是心電圖還是血糖測量應用，對便攜醫療設備來說最重要的都是保證病人的安全和移動的便利性。在設計系統的時候，超低功耗和超高精度都是不可妥協的要求。上述兩個例子顯示出美國國家半導體產品在精度、功耗、尺寸和靈活性等方面具有優勢。