Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №8

Комбинированные аналого-цифровые решения для медицинской аппаратуры высокой надежности

Стир Элисон (Steer Alison)


Прогресс в медицине в общем и терапевтическом лечении в частности несет в себе потенциал для повышения точности диагностики, разработки новых методов терапии и более комфортного медицинского обслуживания. Системы медицинской визуализации высокого разрешения и доставки лекарственных средств, электронные имплантаты — все это относится к сфере применения цифровых и аналоговых ИС, которые играют все более существенную роль в медицине. Требования к характеристикам, габаритным размерам и энергопотреблению этой аппаратуры постоянно повышаются — а это именно те области, в которых корпорация Linear Technology добилась успеха.

Рост стоимости медицинского обслуживания усиливает потребность в портативном оборудовании, позволяющем вести мониторинг состояния пациента за пределами стационара. Медицинские данные, хранящиеся в устройстве, загружаются в ПК или передаются в стационар в электронной форме. Для портативных решений нужны весьма точные и экономичные ИС аналого-цифрового преобразования. Эта статья знакомит читателя с некоторыми новыми линейками продукции корпорации Linear Technology. Они подходят для применения в различного рода медицинской аппаратуре, такой как электроэнцефалографы и электрокардиографы, пульсоксиметры, аппаратура анализа крови, позитронно-эмиссионные и однофотонные эмиссионные компьютерные томографы, инфузионные и инсулиновые насосы, аппараты диализа, мониторы показателей жизнедеятельности и аппаратура медицинской визуализации.

АЦП с последовательной аппроксимацией для медицинского мониторинга

Для медицинского мониторинга (ЭКГ, ЭЭГ, пульсоксиметрия, анализ крови и жидкостей) необходимо прецизионное аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации до 1 МГц. В зависимости от архитектуры системы имеет смысл применять АЦП с последовательной аппроксимацией разрядностью от 12 до 16 бит. Требования к портативности этих мониторов стимулируют спрос на экономичные решения и компактные устройства. Корпорация Linear Technology разработала несколько таких устройств.

Семейство 16-разрядных АЦП LTC2383 с частотой дискретизации от 250 кГц до 1 МГц — это сочетание быстродействия, высокого разрешения и экономичности (таблица). LTC2383 работает в диапазоне входных напряжений ±2,5 В в полностью дифференциальном режиме, что обеспечивает отношение сигнал/шум 92 дБ. При этом гарантируется номинальное значение полного коэффициента нелинейных искажений в промышленном и автомобильном диапазонах температур. Питание устройства автоматически выключается в промежутке между преобразованиями, а рассеиваемая мощность снижается линейно с уменьшением частоты дискретизации. LTC2383 потребляет всего 13 мВт при частоте дискретизации 1 МГц. АЦП этого семейства совместимы по цоколевке и программному обеспечению.

Таблица. Характеристики LTC238х-16 — семейства АЦП с последовательной аппроксимацией

Характеристики LTC2383-16 LTC2382-16 LTC2381-16
Разрешение, бит 16
Скорость 1 Мбит/с 500 кбит/с 250 кбит/с
Мощность, мВт 13 6,5 3,25
Корпус 4×3 мм DFN-16, 16-выводной MSOP

В семейство входят ИС LTC2382 (500 кГц, 6,5 мВт) и LTC2381 (250 кГц, 3,25 мВт) с фирменной архитектурой дискретизации, которая позволяет АЦП начинать следующую выборку во время текущего преобразования. Тем самым продлевается время выборки, что дает возможность использовать чрезвычайно маломощные драйверы АЦП и за счет этого снизить энергопотребление всего решения для регистрации данных. Микросхемы семейства LTC2383 также имеют выделенные контакты Busy («Занято») и Chain («Цепочка»), что упрощает цифровое сопряжение с микропроцессором. LTC2383 подходят для применения в многоканальных схемах, где критически важную роль играют экономичность и компактность, например в оптических датчиках положения, которые используются в хирургическом оборудовании.

Для устройств с широким динамическим диапазоном предназначено семейство 16-разрядных АЦП LTC2393 с частотой дискретизации от 250 кГц до 1 МГц, имеющее диапазон входных напряжений ±4,096 В в полностью дифференциальном режиме, отношение сигнал/шум 94 дБ и встроенный прецизионный источник опорного напряжения с температурной стабильностью 10 ppm/°C. LTC2393 подходят для применения в аппаратуре анализа крови и жидкостей, а также в пульсоксиметрах, требующих высокой степени интеграции. Рассеиваемая мощность составляет 135 мВт на частоте дискретизации 1 МГц. В семействе имеются компоненты как с последовательным, так и с параллельным интерфейсом.

Проектировщикам АЦП из корпорации Linear Technology удалось также достичь рекордных значений отношения сигнал/шум в LTC2379-18 — недавно анонсированном 18-разрядном АЦП с последовательной аппроксимацией на частоту дискретизации 1,6 МГц. Среди 18-разрядных АЦП с последовательной аппроксимацией, имеющих «нулевую задержку», он является не только самым быстродействующим, но и самым малошумящим: его отношение сигнал/шум составляет 101 дБ в основной полосе при потребляемой мощности всего 23 мВт. К тому же в нем применяется технология цифрового сжатия, позволяющая использовать драйверы АЦП без отрицательной шины питания.

Если установить диапазон входных напряжений на уровень ±500 мВ ниже максимума, АЦП интерпретирует соответствующие сигналы как максимальный входной сигнал, что позволяет использовать все цифровые коды с минимальным снижением отношения сигнал/шум. Эта технология дает возможность использовать формирователи сигналов АЦП с одним источником питания меньшего положительного напряжения и устраняет затраты, связанные с необходимостью вырабатывать отрицательное напряжение питания. В целом с помощью этой технологии можно снизить энергопотребление всего решения. Для достижения таких характеристик на переменном токе рекомендуется применять LT6350 — малошумящий драйвер 16- и 18-разрядного АЦП с малым временем установления.

Сигма-дельта АЦП для портативных мониторных устройств

Современный уровень развития техники делает возможным создание портативных систем медицинского самообслуживания, обеспечивающих мониторинг таких показателей жизнедеятельности, как кровяное давление, уровень сахара в крови и температура.

Домашние системы медицинского наблюдения и мониторинга позволяют людям контролировать свое здоровье, но такое оборудование должно быть быстродействующим, экономичным и надежным. С развитием портативных медицинских датчиков в сфере неинвазивной медицины все более насущной становится потребность в продлении автономной работы и уменьшении размеров аппаратуры.

Одни виды медицинских измерений требуют непрерывной работы аналоговых цепей с выполнением тысяч или даже миллионов измерений в секунду, а для других достаточно одного измерения в день. В последнем случае необходимо, чтобы аналоговые цепи включались единожды, выполняли измерение, а затем бездействовали, работая в экономичном режиме сна оставшуюся часть дня. Чтобы энергопотребление системы в период бездействия было низким, в ИС должны быть предусмотрены экономичные режимы сна или ожидания.

Корпорация Linear Technology предлагает семейство миниатюрных недорогих 16-разрядных сигма-дельта АЦП для применения в портативных приборах (рис. 1), таких как носимые электрокардиомониторы с беспроводным интерфейсом или мониторы температуры и уровня глюкозы в крови. Компоненты семейства LTC2470 имеют выходную частоту до 1 кГц с гарантированной работой в 16-разрядном режиме без пропуска кодов. Эти АЦП оборудованы интерфейсами SPI или I2C и оснащены встроенным источником опорного напряжения с температурной стабильностью 10 ppm/°C для оптимизации размеров конструкции.

Семейство миниатюрных сигма-дельта АЦП

Рис. 1. Семейство миниатюрных сигма-дельта АЦП корпорации Linear Technology

Быстродействующие АЦП для медицинской визуализации

В аппаратуре медицинской визуализации используется широкий спектр быстродействующих преобразователей данных. УЗИ, позитронно-эмиссионная и однофотонная эмиссионная компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, рентгенография — во всех этих видах медицинских исследований используются многоканальные системы регистрации данных изображения. Поскольку эта область применения требует очень широкого динамического диапазона, критическую важность приобретают динамические характеристики АЦП. Для оптимальной работы соответствующей аппаратуры необходимы высокие значения SINAD (отношения уровня сигнала к уровню шума и искажений) и динамического диапазона без паразитных составляющих (SFDR). Там же, где применяется субдискретизация (например, в магнитно-резонансной томографии), важна производительность схемы выборки и запоминания в широкой полосе частот.

Корпорация Linear Technology разработала линейку быстродействующих, экономичных 12- и 14-разрядных АЦП для применения в сфере визуализации. Это совместимое по цоколевке семейство четырехканальных (LTC2175) и двухканальных (LTC2268) АЦП с одновременной выборкой имеет частоту дискретизации от 25 до 125 МГц и потребляет всего 140 мВт/канал при наивысшей частоте дискретизации (рис. 2). Основными его особенностями являются отношение сигнал/шум (73,1 дБ) и динамический диапазон без паразитных составляющих (88 дБ в 14-разрядном режиме), полоса пропускания на полной мощности 800 МГц, наличие последовательных выходов низковольтной дифференциальной передачи сигналов (LVDS), а также экономичных режимов сна и ожидания.

Семейство 14- и 12-разрядных АЦП

Рис. 2. Семейство совместимых по цоколевке 4- и 2-канальных быстродействующих 14- и 12-разрядных АЦП

Для устройств, требующих более высокого разрешения, разработано новое экономичное семейство 16-разрядных одно- и двухканальных АЦП с гибкими цифровыми выходами, имеющих отношение сигнал/шум более 76,8 дБ и динамический диапазон без паразитных составляющих 90 дБ. Эти одноканальные (LTC2165) и двухканальные (LTC2185) АЦП выпускаются в модификациях с цифровыми выходами двух типов — полноскоростными CMOS или CMOS/LVDS с удвоенной скоростью передачи данных (DDR). Семейство LTC2195 включает в себя двухканальные АЦП с одновременной выборкой, которые имеют последовательные выходы LVDS. При частоте дискретизации 125 МГц эти АЦП потребляют всего 185 мВт на канал от источника питания напряжением 1,8 В (рис. 3) и около 1,5 мВт/МГц на канал на каждом шаге по частоте. Интерфейс SPI обеспечивает программирование временной синхронизации цифровых выходов, программирование выходного тока LVDS, а также включение выходной нагрузки LVDS по выбору.

Семейство одно- и двухканальных АЦП

Рис. 3. Семейство одно- и двухканальных быстродействующих 16-разрядных АЦП

Управление источниками питания для медицинской визуализации

Для современных высоконадежных медицинских систем необходимы сложные цифровые решения для управления питанием, обеспечивающие включение и выключение в заданной последовательности, наблюдение, контроль и резервирование для большого количества шин питания. Не является чем-то необычным, когда одна плата имеет десятки шин, к каждой из которых предъявляются собственные требования. Обычно это подразумевает установку в разных местах платы нескольких дискретных устройств с управлением от программируемой логической матрицы или микроконтроллера. При такой схеме разработка необходимого микропрограммного обеспечения требует много времени и усилий.

LTC2978, 8-канальная цифровая ИС управления питанием с ЭСППЗУ (рис. 4), представляет собой интегральное модульное решение для применения в медицинских системах, сокращающее время и снижающее трудоемкость отладки по сравнению с микропроцессорными вариантами. Микросхема LTC2978 обеспечивает включение и выключение в заданной последовательности, наблюдение, контроль, резервирование и подстройку до восьми источников питания. Несколько ИС LTC2978 можно легко объединить в каскадную схему, используя однопроводную шину с общим тактовым сигналом и один или несколько двунаправленных выводов сигнализации сбоя. В этом случае объектами управления могут быть до 72 шин питания на одной адресной шине I2C.

LTC2978 — 8-канальная цифровая ИС

Рис. 4. LTC2978 — 8-канальная цифровая ИС управления питанием с ЭСППЗУ

Кроме того, в LTC2978 используется защищенный блок энергонезависимой памяти для записи системной информации о напряжениях и сбоях на случай критического отказа системы. Сохранение важнейших системных данных в энергонезависимой памяти позволяет пользователю найти неисправную шину питания и изолировать причины отказов платы на этапах разработки системы, отладки или анализа отказов.

Для упрощения разработки микропрограммного обеспечения в LTC2978 используется стандартный командный протокол PMBus. Важнейшими конструктивными особенностями ИС LTC2978 являются интегрированный прецизионный источник опорного напряжения и 15-разрядный сигма-дельта АЦП, которые обеспечивают относительную погрешность ±0,25% при измерении или установке напряжений источников питания.

Ключом к успешному применению ИС LTC2978 является LTpowerPlay — программа с графическим интерфейсом для ПК, упрощающая взаимодействие с ИС в процессе проектирования и тестирования. LTpowerPlay представляет собой простое в использовании, но мощное средство конфигурирования, обеспечивающее доступ к функциональным возможностям LTC2978. В ней также предусмотрена поддержка будущих цифровых устройств Linear Technology для управления питанием. Программу LTpowerPlay можно бесплатно загрузить с сайта компании.

Требования к гальванической развязке для защиты пациентов

Одно из важных конструктивных требований к медицинским изделиям — необходимость обеспечить напряжение развязки 4 кВ согласно стандарту IEC 60601-1 для изделий, контактирующих с пациентами. Также необходима низкая барьерная емкость для минимизации токов утечки в медицинской аппаратуре. Пути утечки тока с корпуса, к которому может прикасаться пациент или оператор, известны под названием «токов прикосновения». Стандартом IEC 60601 установлены предельные токи в 100 А при нормальной работе и 500 А при одиночной неисправности. Еще один критерий ограничивает суммарный ток утечки на пациента — меру силы тока утечки в случае, когда все рабочие части медицинского устройства, необходимые для его работы, находятся в контакте с пациентом.

В соответствии со стандартом IEC60601-1 все компоненты на барьере развязки должны обеспечивать развязку в 4000 В переменного тока (или 5600 В постоянного тока) на протяжении 1 мин. Этот стандарт также определяет средства защиты пациента (MOPP) — меры по защите путем гальванической развязки, необходимые для снижения риска поражения пациента электрическим током. Такая защита включает соблюдение расстояния утечки и безопасного расстояния, изоляцию и защитное заземление.

Удовлетворить эти требования поможет линейка устройств развязки корпорации Linear Technology со встроенным источником питания, которые обеспечивают развязку до 5 кВэфф без использования внешних компонентов. К числу первых изделий в этом семействе относятся приемопередатчик интерфейса RS485 LTM2881 (рис. 5) и двухканальный приемопередатчик интерфейса RS232 LTM2882 с напряжением развязки 2,5 кВэфф, выполненные по технологии µModule. В состав обоих изделий входит развязывающий DC/DC-преобразователь мощностью 1 Вт с КПД до 65%, обеспечивающий повышенную мощность при стабилизированном выходном напряжении 5 В. Эти модули содержат в себе все необходимое — развязывающие конденсаторы, диоды и даже отключаемый нагрузочный резистор (LTM2881). Высокая степень защиты выводов приемопередатчика и барьера развязки от воздействия электростатических разрядов гарантирует невозможность фиксации состояния или повреждения. Эти новые устройства представляют собой чрезвычайно надежное решение, гарантирующее бесперебойную связь даже при переходных процессах с крутизной фронта до 30 кВ/мкс. Модули LTM2881 и LTM2882 — это решения с низким уровнем ЭМП, способные удовлетворить требования стандарта EN 55022 к излучению по классу B при условии соблюдений рекомендаций по компоновке.

LTM2881

Рис. 5. LTM2881 — выполненный по технологии μModule приемопередатчик интерфейса RS485/RS422 мощностью 1 Вт с полной гальванической развязкой

Выводы

Корпорация Linear Technology предлагает широкий ассортимент комбинированных аналого-цифровых изделий общего назначения с высокими характеристиками аналоговой части, КПД и гибкостью, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к компонентам медицинской аппаратуры. Поскольку до запуска в производство медицинских изделий может пройти много лет, проектировщики должны быть уверены, что используемые детали не будут сняты с продажи в будущем. В корпорации Linear Technology принята политика, согласно которой компоненты не снимаются с производства, а все ранее выпущенные изделия продолжают поддерживаться.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке