באלקטרוניקה רפואית, ה- אנלוגיה-דיגיטלית (ADC) הקצה הקדמי משמש כממשק הקריטי בין אותות ביולוגיים לבין שרשרת העיבוד הדיגיטלית.אם ניטור אלקטרוקרדיגרמה (ECG) גלפורציות, לכידת אלקטרונספלוגרמה (EEG) דפוסים, או מדידה של עוברי לחץ דם לא נכונים, השלמות של האות שנרכשה משפיעה ישירות על דיוק אבחון ובטיחות המטופל.

מאמר זה מזקק עשרות שנים של ניסיון מעשי ופורסם מחקר על שיטות הטובות ביותר עבור השגת חזית אולטרה-נמוך ADC מסתיימת במכשירים רפואיים. אנו הולכים באמצעות זיהוי מקור רעש, בחירת רכיב, אסטרטגיות פריסה PCB, ריצוף והגנת טכניקות, ניהול חשמל, וגישות אנלוגיות ודיגיטליות סינון.כל חלק בונה לקראת מתודולוגיה מקיפה שיכולה להיות מותאם יישומים רפואיים שונים, מעוקבים ועד מכשירים אבחון גבוה.

הבנת מקורות ב-ADC Front Ends

לפני להציע כל תרופה עיצובית, חיוני לקטגורי את הרעש שמגיפה מערכות ADC רפואיות.מקורות הרעש האלה יכולים להיות מחולקים באופן רחב לארבע קטגוריות:

  • (ב) [הרעש] ה[[1924]]:0] רעשי ג'ונסון-ניקוויסט (ג'ון-ניקוויסט): "הרעש הגובע" (המכונה "המילה של ג'ונסון-ניקוויסט"ד) (הראשונה ל"ה)"התתחילה" (ב"ה) היא בעלת דחיסה מרכזית של 4kvt) ו-[[ה"ב"ב[[ה"ב[[ה"ב"ב[[ה"ב[[ה"ב"ב[[1924]], ו[[1924]], ו[[1924]],]],]],]],]], ו[[1924]], ו[[1924]], [[1924]],]],]],]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]],]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]],
  • (FLT:0) התערבות אלקטרונית (EMI): ph1 , בשילוב קווי חשמל סמוכים (50/60 הרץ הרמוניים), החלפת ציוד חשמל, משדרים אלחוטיים, אוטובוסים דיגיטליים. אלקטרודות הגוף-המוחות פועלים כאנטנות, איסוף מתחים נפוצים-מו-היד שיכולים לעלות על האות השונה על ידי מספר פקודות של גודל.
  • (FLT:0) Power Supply רעש:FLT:1 Ripple והחלפת ספייקים מ הרגולטורים מתח, כמו גם רעש רחב שנוצר על ידי ממירי DC-DC. זה זוגות רעש דרך יחס דחיית כוח (PSRR) של מגברים ו- ADCs, מחריב את נתיב האות.
  • (ב) [15] רעשי הטיהור: ⁇ 1 (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מערכות בעולם האמיתי סובלות גם מ- flicker (1/FLT:0irf ;0irFLT:1) רעש ברכיבים פעילים, ירי רעש במוליכים למחצה, ורעש סביבתי מתנועת המטופל או אלקטרודה-שאין משתנה. תקציב רעש יסודי דורש אפיון כל מקור וניתוק תרומות מקובלות כדי לעמוד בראש המערכת הכוללת SNR היעד - לעתים קרובות קשקשים או יותר עבור הקלטות רפואיות גבוהות.

בחירה עבור ביצועים נמוכים

בחירת המגבר הנכון

המגבר הוא השלב הפעיל הראשון ולעיתים קרובות שולט בדמות הרעש הקדמית. עבור יישומים רפואיים, מגברי מכשירים (INAs) מועדפים בגלל יחס הדחייה המשותף שלהם (CMRR) ומבנה קלט שונה, אשר באופן טבעי דוחה התערבות משותפת של מוות מן המטופל והסביבה.

  • (FLT:0) אינץ 'דחיסות רעש מתח (nV / ⁇ Hz): לחפש ערכים מתחת 10 nV / ⁇ Hz ב 1 kHz עבור עיצובים רעש נמוך מאוד, לבחור מכשירים כגון התקנים Analog AD8429 או Texas Instruments INA188, שניהם עם דגני רעש סביב 1 nV / ⁇ .
  • (FLT:0) חישוב רעש נוכחי (pA / ⁇ Hz): חשוב כאשר אימפולסי מקור הם גבוה (למשל, אלקטרודות ECG) מגברי ביס קוטבי יכול להיות רעש נוכחי המייצר רעש מתח על פני הדחף המקור, כך לבחור JFET או CMOS עבור נתיבים מקודמים גבוה.
  • (FLT:0 CMRR לעומת תדירות:FLT:1 A CMRR של 90 dB ב 60 הרץ הוא הבסיס; גבוה יותר הוא לדחות התערבות קו ⁇ .
  • רוחב פס של FLT:0Gain וקצב הזחל: FIRLT:1 חייב להיות מספיק עבור רוחב הפס האות (למשל, 150 הרץ עבור ECG סטנדרטי) מבלי לגרום עיוות או חוסר יציבות.

עבור מערכות מרובות ערוצים, לשקול קדמית אנלוגית משולבת מסתיימת (AFEs) המשלב מספר רב של מגבר, מסננים ו- ADCs בחבילה אחת. אלה הם אופטימיזציה עבור רעש נמוך וטביעה קטנה, כפי שניתן לראות במקסימה מקס30001 עבור ECG ו bioimpedance.

בחירת ADC

ADC חייב להשלים את רצפת הרעש של המגבר. השתמש בקריטריונים הבאים:

  • (FLT:0) מספר bits (ENOBrough): FLT 1 עבור 10 μV שיא שיא-to-peak ECG אות עם 1 μV RMS רעש, ENOB של 16 סיביות הוא בדרך כלל מספיק.
  • (FLT:0) דגימת קצב ועודף: ההרחבה:ראהFLT:1) Oversampling יכול להפחית רעש קוונטי בפס על ידי הפצתו על פני טווח תדר רחב יותר.לדוגמה, דגימה ב 10 kHz במקום 500 הרץ עבור EEG ולאחר מכן דיגיטאלי יכול לשפר את SNR על ידי 3 dB ל 2.
  • (FLT:0) רזולוציה ללא רעש: 1 מעלות יצרנים מסוימים מציינים "פיסות ללא רעש", אשר מהוות את רעש התרמית והפניה של ADC. Aim for לפחות 16 ביטים ללא רעש.
  • (FLT:0) Power Supply:FLT:1 בדוק את ה-PSRR של ADC בתדרים מרכזיים (למשל, 100/120 הרץ) כדי להבטיח כי רצף אספקת החשמל אינו מהווה מטבעה לתוך להקות האות.

פופולרי זול sigma-delta ADCs כוללים את התקנים Analog מכשירים AD7175-2 (24 סיביות, 250 kSPS, 18 ביטים ללא רעש) ואת טקסס מכשירים ADS1299 (8 ערוצים, 24bit, המיועד למדידות ביופוטנטיות).

המונחים:

מתח ההתייחסות (VearFLT:0) משפיע ישירות על ADC מקבל טעות ורעש. הפניה רועשת יכולה להשחית את ההמרה כולה.בחר התייחסות מדויקת, התייחסות נמוכה-לא-רעש כגון התקנים Analog מכשירים ADR4520 (2.048 V, 1.0 μVFLT:2p-pFal3LT 3, 0.02% דיוק ראשוני) או ליתר דיוק (R5) ו-R) מסייע לשמור על קשרי דיוק (Vense) ו-V55%).

טכניקות PCBout עבור Noise Minimization

שכבת ריצוף ומיקום משותף

4- PCBlayer הוא המינימום עבור עיצובים רפואיים נמוכים.

  • שכבת Top: Analog איתות עקבות ורכיבים רגישים.
  • שכבת 2: מטוס קרקע מוצק (לא מחולק לפי סעיף אנלוגי).
  • שכבת 3 מטוס כוח (התחילה שקטה 5 V ו- 3.3 מסילות V).
  • שכבה תחתונה: אותות דיגיטליים וחיבורים פחות קריטיים.

הניחו את ADC ומגבר קרוב ככל האפשר למחברת ממשק המטופל. שמור על כל רכיבי אנלוגיים באזור אחד, מופרד פיזית מתהליכים דיגיטליים (מיקרובקר, אוטובוס SPI, זיכרון) על ידי לפחות 1-2 ס"מ על כל צד. השתמש טבעת שמירה מגן סביב אזור אנלוגי המחובר לקרקע אנלוגית שקטה (AGND).

טרגדיה וקרקע

  • (FLT:0) נתיבי אות קצרים ופנימיים:FLT:1 מזער אורך עקבות בין מחבר אלקטרודה, מגבר קלטות, ו- ADC קלטות.
  • (ב) ,0) ,2 מבדילים: ⁇ 1 (ב) כביש 1 (הופנה מהדף The Inverting and non-inverting) הוא זוג שונה עם אורך תואמים.זה משמר CMRR על ידי חשיפת שני ההיבטים לאותן שדות EMI.
  • (FLT:0) , עילה אנלוגית ודיגיטלית (AGND ו-DGND): הצטרפו אליהם בנקודה אחת מתחת ל- ADC באמצעות 0 ⁇ התנגדות או ferrite bead.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ בין סעיפים אנלוגיים ודיגיטליים: FIRLT:1) רוץ עקבות קרקעיים בין אזורים אנלוגיים ודיגיטליים כדי להפחית את ההפיכה הקפיטליסטית.

פיזור Capacitors ו- Power Distribution

[ה] μF רובה capacitor ו 0.1 μF קרמיקה capacitor בתוך 2 מ"מ של כל אחד מהתווי הכוח של רכיב פעיל סגסוגת.com או 0603) כדי למזער את הסדרה inductance. for the ADC, עוד 1 nF capaciance יכול לדכא החלפת רעש גבוה מתהליך ההמרה.

המונחים: Grounding Strategies

יום שישי קייג' ומחלה

מכשירים רפואיים דורשים לעתים קרובות מתחם התנהגותי (פלסטיק או מתכתי) המחובר לכדור הארץ מגן (PE) או קרקע מבודדת, בהתאם לסטנדרט הבטיחות (IEC 60601) כלוב פאראדיר הזה מזרז את EMI החיצוני ממכשירים סמוכים (MRI, מכונות הריסות, משאבות היתוך מוסמך) להבטיח כי כל הפתחים (מצטברות, רשומות כבל) הם מ 1/20 דוגמאות לבודדים רפואיים קצרים יותר מ- ARM, או RV.

Pair Wiring for Customer Leads

יש לסובב חוטים אלקטרודה כדי לבטל איסוף שדה מגנטי.בנוסף, להשתמש במעגל ימין (DRL) ביישומים ECG: DRL אלקטרודה מניע את הגוף של המטופל כדי להפחית את המתח המשותף, ביעילות להפחית 60 הרץ התערבות עד 20-40 dB. המגבר DRL חייב להיות נמוך-רעש יציב ואפילו יציב עם אלקטרודות גבוהות.

שטף קרקע וכוכבים

לולאות קרקעיות בלתי נלאות דרך המתחם, מגנים כבלים, או חיבורי אדמה מרובים יוצרים נתיב נוכחי המייצר טיפות מתח על פני נחיתות קרקעיות. השתמש בנקודה חד-כוכבת אחת לכל אזכורים אנלוגיים, ולהימנע מחיבור מקביל למסגר אלא אם נדרש חיבור של ייסורים, להציב התנגדות קטנה (10–100 ⁇ ) בסדרה כדי להחליק את המצב הקיים.

ניהול חשמל עבור נמוך-Noise

בחירת קונסולטור

(LDO) רגולטורים ליניאריים מועדפים על מעבר הרגולטורים עבור הרכבות האנלוגיות הקריטיות.מכשירים כמו ה- Analog מכשירים ADP7104 או Texas Instruments TPS7A47 להציג רעש מתחת ל 2 μVFLT:0RMSigFLT:1 מ 10 הרץ ל- 100 kHz.

פילטר Rail

הוסף מסנן LC מסדר שני (למשל, 100 ⁇ ferrite bead + 10 μF טנטלום capacitor) בפלט של כל LDO כדי להפחית רעש פס רחב ודכא rip גבוה ⁇ rip. תדירות לחתוך צריך להיות הרבה מתחת 1 kHz כדי להגביר את החלפת רעש מ DC-DC ממיר למעלהstream. עבור מכשירים מופעל סוללות, להשתמש נמוך נמוך של הרגולטור על ידי בנק ישירות.

מצבי שינה ודינמיקה של כוח duction

רבים רפואיים ADCs מציעים מצבי כוח או עמידה.במכשירים ניידים או מושתלים, מחזור ADC ומגבר רק כאשר יש צורך במדידות, אבל להבטיח כי זמן ההתעוררות הוא קצר מספיק כדי ללכוד אותות טרנסיים.אופניים כוח מהיר יכול להציג במברשת רעש הנוכחי, אז להשתמש במשכות-start מאפשר pins או רמפות כוח מנפח.

טכניקות סינון וטכנולוגיות סינון דיגיטליות

Analog Anti-Alias filter

לפני ADC, מסנן נמוך מסלק רעש מחוץ לפס ומונע זיהוי. עבור אותות ביופוטנטיים עם רוחב פס < 500 הרץ, מסנן Butterworth עם קיצוץ ב 10× תדירות האות המקסימלית (למשל, 1.5 kHz עבור 150 הרץ ECG) הוא נקודת התחלה טובה.שימוש ב- capacitors עם דיפר חשמלי נמוך (0) ו- C {\displaystyle to a פילטרים (x) כדי למנוע משוב בודד) או קרמיקה (xer) עם מסנן בודד (x) עם מסנן בודד (0) עם מסנן C.

פילטר ו-Averaging

ברגע שהאות הוא דיגיטלי, ליישם סינון דיגיטלי כדי להסיר רעש חי.

  • (FLT:0) מסנן ממוצע ממוצע: FLT:1 פשוט, יעיל לירידה ברעש נמוך קידוד, אבל מציג עיכוב קבוצתי.שימושי עבור אותות דמויי DC (מדידת חישה, מדידת לחץ).
  • (FLT:0)IIR Notch filter: FLT:1ir Remove 50/60 הרץ קו תדירות עם עומק של 40-60 dB. יישום עם הזמנה שנייה דו-קוהיד כדי למזער את עיוות בשלב סביב הנץ '.
  • (FLT:0)FIR נמוך-pass filter: FLT:1 שמורה שלב לינאריות עבור יישומים קריטיים בזמן (כמו זיהוי לב R-wave).
  • (FLT:0)Oversampling and decimation:cioFLT:1) בדגימה ב 4-10 - 10 × קצב Nyquist, מצטבר, decimate.כל הכפלת OSR מניבה שיפור של 3 dB SNR, שווה ל-0.5 ביטים נוספים.

תיקון שגיאות וקאליברציה

שגרות עצמיות יכולות לתקן שגיאות, מהפך, וסחף. רבים sigma-delta ADCs תכונה בנוי-במחזורי עצמי כי אפס חוסר התאמה פנימי. calibration חיצוני באמצעות מקור מתח מדויק (למשל, 10 mV או 100 mV ההתייחסות) יכול לתקן שגיאות ברמת המערכת. לבצע שיתוק נוסף ביחידות כוח ופרק זמן (מעקב אחר תקופות).

בדיקה ואימות של ADCs נמוך

לאחר עיצוב, בדיקות קפדניות מאמתות כי מטרות רעש נפגשות. השתמש בשיטות הבאות:

  • בדיקה קצרה של קלט:0 (FLT:1) , ADC קלט לקרקע אנלוגית ולמדד את רצפת הרעש פלט. בהשוואה למפרט רעש של גליון נתונים. השתמש בניתוח שלוטוגרם כדי לנפח סטייה סטנדרטית ורעש שיא-to-peak.
  • (FLT:0SNR ו-SINAD מדידת: FIRLT:1) החל גל נמוך של חטא (למשל, 50 הרץ, 200 מ"ר) וניתוק יחס אות לרעש וטווח דינמי ללא עוררין באמצעות FFT.וודא שהקלט מוגבל על ידי מסנן חיצוני כדי למנוע מאליות.
  • (ב) ⁇ :0) ,Crosstalk Assessment: FLT:1 במערכות מרובות ערוצים, מזרקת אות גדול לערוץ אחד ולתעד את רמת הרעש על ערוץ מעומק.
  • (FLT:0) ארוך טווח סחף ובדיקת טמפרטורה: FIRLT:1) תפוקה של מעל 24 שעות בתא תרמי (זמן חדר, 45 מעלות צלזיוס, 10 ° C) ד"ר אם צריך להישאר בתוך ±1 LSB לאחר השחית.

מסמך תקציב הרעש בגליון התפשטות עם כל רעש תרמה (RMS) המשולב על רוחב הפס האות.שווות עם רעש המערכת נמדד לזהות מקורות בלתי צפויים. Compliance with IEC 60601-2x (למשל, 60601-2-27 עבור ECG) דורש רמות רעש מתועדות מתחת לסף ספציפי - לעתים קרובות 30 מיקרו-Falve:0-pFLTralrated עבור התקנים אבחון של 1G.

מסקנה

(עיצוב קצה חזית ADC נמוך למכשירים רפואיים הוא אתגר רב תחומי הדורש תשומת לב בכל רמה - מספרי גיליון נתונים רכיב כדי לעקוב אחר גיאומטריה וסינון דיגיטלי פילטרים.על ידי טיפול שיטתי תרמי, EMI, כוח, וגילוי רעש באמצעות ניתוח מוכח ו- ADC, פריסה אסטרטגית, ריצוף מגן, ומהנדסים אנלוגיים ודיגיטליים, להשיג את הפחתת ה-Fightation הטובה ביותר עבור מדדים מדויקים יותר, אך ורק לאבחון של תרופות אוטומטיות, אך ורק ל-ADC, מאשר לתקני אבטחה מדויקים יותר, מאשר למינימום, מאשר לקביעת אמצעי זהירות, מאשר למינימום, מאשר לקביעת אמצעי זהירות, שיפור יעילותם של תרופות מדויקות יותר, מאשר לקביעת דיוק, מאשר להפחתה מדויקת יותר, מאשר לתקני אבטחה, מאשר למינימום של תרופות אוטומטיות, שיפור יעילות אבטחה מדויקת יותר, מאשר לשיטות בקרה, מאשר לתקני אבטחה מדויקת יותר, מאשר לתקני אבטחה מדויקת יותר, מאשר לתקני אבטחה מדויקת יותר, מאשר לתקני אבטחה מדויקת יותר, מאשר ל- ADC, מאשר לתקני אבטחה מדויקת יותר, מאשר לתקני אבטחה מדויקת יותר, מאשר לשיטות אבטחה מדויקת יותר, מאשר לתקני אבטחה מדויקת יותר, מאשר לתקני אבטחה מדויקת יותר, שיפור יעילות אבטחה מדויקת יותר, מאשר ל