【導(dǎo)讀】集成光學(xué)前端接收機(jī)在醫(yī)療設(shè)備特別是針對(duì)脈搏血氧測(cè)量以及護(hù)理點(diǎn)即時(shí)檢測(cè)(PoC)等應(yīng)用中，有著廣泛的使用。本文介紹脈搏血氧測(cè)量應(yīng)用以及護(hù)理點(diǎn)即時(shí)檢測(cè)(PoC)應(yīng)用，光學(xué)前端的性能要求，來(lái)引出集成光學(xué)前端接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。
01 光學(xué)前端在體外診斷(IVD)系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例
1.1 脈搏血氧測(cè)量應(yīng)用
2020年的Covid-19帶來(lái)了健康世界的范式轉(zhuǎn)變。不同年齡段的人現(xiàn)在不斷跟蹤和監(jiān)測(cè)他們的生命體征，如血氧飽和度(SpO2)、心率(HR)和VOx水平，這是他們?nèi)粘Ｉ罘绞降囊徊糠帧?/p>
脈搏血氧測(cè)量原理：
脈搏血氧測(cè)量是一種無(wú)創(chuàng)的血氧合(SpO2)測(cè)量方法。這種測(cè)量是基于一種叫做PPG(Photoplethysmography)的技術(shù)。這種技術(shù)可以分為透射式或反射式:
● 在透射式脈搏血氧測(cè)量中，光電二極管和(發(fā)光二極管)LED分別放置在人體的相對(duì)兩側(cè)(例如手指)。人體組織吸收部分光線(xiàn)，而光電二極管則收集通過(guò)人體的剩余光線(xiàn)。
● 在反射式脈沖血氧儀中，光電二極管和LED在同一側(cè)。這里的光電二極管收集皮膚下方反射的光。
圖1. 用于脈搏血氧測(cè)量的透射式(左)以及反射式(右)技術(shù)（圖片來(lái)源ADI）
脈搏血氧測(cè)量主要基于三個(gè)原則:
● 脈搏動(dòng)脈血液對(duì)透射/反射光的吸光度。
● HbO2和RHb對(duì)不同光波長(zhǎng)(紅光vs紅外光)的不同吸光度特征。
● 透射/反射光與光電二極管產(chǎn)生的PPG信號(hào)電流之間的直接相關(guān)性。
1.2 熒光檢測(cè)應(yīng)用
在基于熒光檢測(cè)診斷技術(shù)的IVD測(cè)試中，含有熒光標(biāo)簽的樣本被特定波長(zhǎng)的光激發(fā)，如圖2中的綠色箭頭所示。如果樣本中含有感興趣的分析物，熒光標(biāo)簽會(huì)通過(guò)發(fā)射低能級(jí)的光對(duì)激發(fā)產(chǎn)生反應(yīng)。
例如，在圖2中，樣本中的熒光標(biāo)簽通過(guò)發(fā)射紅外線(xiàn)進(jìn)行反應(yīng)。這種發(fā)出的光就是需要檢測(cè)的熒光信號(hào)，以確定樣本中分析物的存在，可能還有數(shù)量。
圖2. IVD熒光檢測(cè)系統(tǒng)
基于熒光的診斷測(cè)試將有一個(gè)被認(rèn)為是可報(bào)告的熒光的閾值。低于閾值水平的熒光信號(hào)，不能確定地表明樣本中存在被分析物。
診斷檢測(cè)儀器中的電子元件，以及其他因素，都會(huì)造成背景噪聲，從而迫使閾值更高。
為了降低閾值水平，從而在不犧牲選擇性的情況下獲得更好的靈敏度，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，以確保信號(hào)鏈不會(huì)造成背景噪聲水平。
02 光學(xué)前端的性能要求
我們以典型的PoC診斷熒光檢測(cè)系統(tǒng)舉例。
采用 發(fā)光二極管（LED）來(lái)產(chǎn)生激發(fā)光，并采用 光電二極管（PD）來(lái)檢測(cè)來(lái)自樣本的熒光發(fā)射。PD產(chǎn)生與熒光信號(hào)強(qiáng)度成比例的電流，該電流可能非常微弱。相對(duì)于本底噪聲，PD電流通常非常小，需要仔細(xì)的電子設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)而不犧牲選擇性。
圖3. 典型的PoC診斷熒光檢測(cè)系統(tǒng)
圖3顯示了典型的PoC熒光檢測(cè)系統(tǒng)的主要元件。來(lái)自PD的電流信號(hào)被跨阻放大器（TIA）轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電壓信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)字化并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的熒光水平。
PoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要盡量在不犧牲選擇性的情況下實(shí)現(xiàn)最高的診斷靈敏度。因此，提出了對(duì)于光學(xué)前端的性能要求：
● 響應(yīng)LED勵(lì)磁可靠地識(shí)別非常低的PD電流
關(guān)于PoC系統(tǒng)，如何在不犧牲選擇性的情況下實(shí)現(xiàn)最大的診斷靈敏度，這一目標(biāo)轉(zhuǎn)化為響應(yīng)LED勵(lì)磁可靠地識(shí)別非常低的PD電流的要求。例如，高靈敏度系統(tǒng)必須能夠在響應(yīng)100 mA數(shù)量級(jí)的LED激勵(lì)電流時(shí)檢測(cè)到皮安培量級(jí)的PD電流。也就是說(shuō)，在給定大約140 dB的光學(xué)衰減的情況下，系統(tǒng)必須能夠檢測(cè)到PD熒光。
要實(shí)現(xiàn)這樣的性能，必須結(jié)合電子和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的考慮。
● PD的模擬前端(AFE)設(shè)計(jì)尤為重要。
由于PD電流通常相對(duì)于本底噪聲非常弱，TIA需要具有高增益和低輸入偏置電流。其他重要的參數(shù)是低TIA輸入偏置電壓以及PD和TIA之間的最小距離。
● 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)也是非常重要的。
熒光檢測(cè)必須與LED激發(fā)同步，因此需要一個(gè)控制器來(lái)確保這種同步性。為了從本底噪聲識(shí)別微弱的PD電流信號(hào)，通常需要對(duì)多個(gè)熒光讀數(shù)求平均。這種平均技術(shù)是系統(tǒng)控制器的一項(xiàng)重要功能。環(huán)境光和LED照明中的漂移會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。允許拒絕環(huán)境光并考慮LED照明中漂移影響的控制器可以實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)。
03 集成光學(xué)前端的優(yōu)點(diǎn)
為PoC讀取器設(shè)計(jì)信號(hào)鏈時(shí)，有兩種不同的架構(gòu)選擇:如圖2所示的完全離散解決方案或使用集成光學(xué)前端，如圖3所示。
圖4. 采用集成光學(xué)前端的PoC檢測(cè)系統(tǒng)
集成解決方案的明顯好處：
● 提供的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化。
● 同步熒光檢測(cè)與LED激發(fā)的挑戰(zhàn)被消除了，因?yàn)檫@是由光學(xué)前端內(nèi)部處理的。
● 集成光學(xué)前端還提供了更緊湊的解決方案，電子元件更少。
● 降低了BOM和供應(yīng)管理的復(fù)雜性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更小的終端設(shè)備。
最關(guān)鍵的是，能夠通過(guò)固件調(diào)整關(guān)鍵配置參數(shù)
如光電二極管PD、LED驅(qū)動(dòng)器和光學(xué)濾鏡配置。在沒(méi)有開(kāi)發(fā)新的硬件的情況下，離散解決方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)可編程性。當(dāng)試圖隨著時(shí)間的推移，調(diào)整平臺(tái)以使用新的或修改的分析方法時(shí)，這種類(lèi)型的可配置性是至關(guān)重要的。由于病原體的新變異株和新的疾病經(jīng)常被添加到測(cè)試菜單中，創(chuàng)建一個(gè)可以修改以適應(yīng)新的分析方法的平臺(tái)，而不需要修改硬件，是非常有利的。
集成光學(xué)前端具有明顯的優(yōu)勢(shì)，然而，在弱光熒光應(yīng)用中確定光學(xué)前端的性能并不是一件微不足道的任務(wù)。比較集成光學(xué)前端之間的信噪比(SNR)數(shù)字并不能真正了解光學(xué)接收機(jī)的實(shí)際性能。由于光通量通常較低，因此光學(xué)前端的絕對(duì)本底噪聲是關(guān)鍵參數(shù)，而不是信噪比。盡管1/f噪聲分量會(huì)限制均值方法對(duì)本底噪聲的改善程度，但我們還是可以基于熒光測(cè)量的時(shí)標(biāo)采用均值方法降低本底噪聲。因此，絕對(duì)暗電流噪聲，特別是閃爍噪聲，是主導(dǎo)因素。包括PD在內(nèi)的完整系統(tǒng)的暗電流噪聲在許多集成光學(xué)前端的數(shù)據(jù)表中并沒(méi)有描述，必須單獨(dú)測(cè)量。
ADI 集成光學(xué)前端
ADI的集成光學(xué)前端，如 MAX86171非常適合PoC熒光應(yīng)用。模擬信號(hào)鏈與數(shù)字控制器的集成使實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)的單個(gè)IC解決方案成為可能。MAX86171 包含信號(hào)調(diào)理光電二極管輸入，19位電荷集成ADC，低噪聲LED驅(qū)動(dòng)器和FIFO緩沖串行接口。
圖5. MAX86171的框圖 （來(lái)自于ADI）
● AFE具有9個(gè)LED通道和4個(gè)PD通道
● 足夠通道支持多種檢測(cè)方法并支持未來(lái)的檢測(cè)擴(kuò)展而無(wú)需進(jìn)行硬件升級(jí)。
● 可通過(guò)SPI或I2C進(jìn)行編程
● 允許對(duì)例如積分時(shí)間、均值范圍和動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)進(jìn)行微調(diào)
● FIFO支持在MCU的休眠模式下進(jìn)行測(cè)量，從而延長(zhǎng)手持式PoC系統(tǒng)的電池壽命。
更重要的是，該器件具有高性能和低噪聲的特性，能夠助力構(gòu)建高靈敏度的檢測(cè)系統(tǒng)。借助均值功能和低1/f噪聲的特性，面積為7.5 mm2的光電二極管構(gòu)成的信號(hào)鏈的暗電流噪聲僅為11 pA rms，能夠可靠檢測(cè)1 pA至10 pA范圍內(nèi)的低光電二極管電流，尤其適用于低光度的熒光應(yīng)用。此外，該器件出色的PSRR和環(huán)境光抑制特性能夠減輕系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)電源和機(jī)械外殼的負(fù)擔(dān)。
圖6. 用MAX86171進(jìn)行的弱光探測(cè)器測(cè)量
我們使用MAX86171驅(qū)動(dòng)LED通過(guò)多層中性密度(ND)光學(xué)濾波器再經(jīng)光電二極管接收以驗(yàn)證性能。通過(guò)增大ND濾波器的密度，光學(xué)衰減可在40 dB (ND2)至140 dB (ND7)之間變化，由此模擬PCR或LAMP檢測(cè)過(guò)程中熒光含量減少的行為。當(dāng)衰減低于140 dB時(shí)，MAX86171能夠可靠檢測(cè)高于本底暗電流的光電二極管電流，并且分辨率好于10 pA。MAX86171之所以具有如此高的靈敏度，是因?yàn)楣怆姸O管連接至光學(xué)前端時(shí)的暗電流噪聲很低，僅為11 pA rms。
圖7. MAX86171的性能結(jié)果(來(lái)源于ADI)
這一性能水平超過(guò)了PoC系統(tǒng)的典型要求，充分適配各種生化目標(biāo)分析物的檢測(cè)。
總結(jié)
在快速發(fā)展的體外診斷(IVD)系統(tǒng)市場(chǎng)中，選擇合適的光學(xué)傳感器特別重要。集成光學(xué)前端可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了BOM和供應(yīng)管理的復(fù)雜性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更小的終端設(shè)備。
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