致力於開發醫療診斷設備公司正面臨著一項挑戰，亦即為消費者提供多功能而售價合宜的產品。現今的人口老化問題日趨嚴重，在降低護理成本和改善病人護理方面，最重要的要求就是能減少這些醫療工具的體積和提高精確度。從IMS調查公司的InMedica報告來看，消費類醫療設備的銷售總值到2011年時，預計會超過50億美元。

醫療設備功能的不斷改善，遠端護理供應商能夠更加針對人們健康的幾個主要範疇，為居家病人、急診室救護員以至醫院提供更佳的診斷工具。至於監視類的儀器，從血壓計以至血糖儀(glucose meter)和電擊器(defibrillator)等，都需要清晰的類比訊號以進行準確的測量，否則便可能危及病人生命。一個設計良好的類比訊號路徑可幫助設計人員克服多種的挑戰，包括降低外來雜訊的干擾、擴寬動態範圍和加強精確度。此外，在元件的選擇方面，設計人員亦必須小心謹慎，才能符合產品所要求的嚴格標準。

小封裝發揮大功效

在此之前，醫院和診所的醫療設備一向被認為是比家用的可攜式儀器更為精確。但新的趨勢現正迅速打破這個窠臼。現今的家用儀器不單只針對一般的消費者，同時也考慮到了解科技應用的病患，他們不會僅滿足於測量溫度和心臟血壓，而是考量多方面的護理及測量功能。

為了配合人們對家用醫療診斷儀器的急遽需求，這些設備的供應商正憑藉尖端的存貨管理和創新設計來增強競爭力，並讓產品具備更多功能。在開發家用醫療儀器的領域內，一個重要的因素是產品從最初設計到真正投入市場所需要的開發時間。縮短上市時間，可協助廠商的產品搶占市場；而能否將開發週期縮短，便取決於系統設計人員的設計是否夠靈活和具成本效益。

影響設計的製程技術

雖然電氣規格是設計人員選擇元件的主要因素，但用來製造積體電路的製程亦同樣重要。例如，典型的血糖計均需配合一個帶有極低輸入偏壓電流的運算放大器，而大多數的設計人員都會選用JFET放大器，但在作出決定前應考慮有關溫度的問題。

由於JFET擁有一個很低的初始輸入偏壓，因此它很易受到溫度變化的影響，而每上升10°C ，輸入偏壓便會大約增加一倍。要計算出輸入偏壓的漂移，可使用下列的算式(公式一)。

《公式一 Ib(T) Ib(T0) x 2(T-T0)/10 》

例如一個JFET輸入運算放大器(NS的LF411)在25 °C下的輸入偏壓電流為50pA，而NS的LMP7731是一個更佳的選擇，它是一款雙極輸入運算放大器，其輸入偏壓電流為1.5nA。透過上述的算式，可以很快地計算出在85°C下，LF411的輸入偏壓電流變成3.2nA，超出LMP7731的兩倍。

評估系統的取捨

速度、雜訊和功耗對於設計來說同樣重要，一個低雜訊裝置會消耗比較多的電流，而一個低功耗的裝置則僅提供有限的頻寬。克服這個問題的方法是在適當的應用中使用反補償放大器。與單位增益穩定和速度較高的對手比較，反補償放大器的優點除了成本較低之外，也可在不影響功耗的情況下提供較大的頻寬。

反補償運算放大器最適合使用在電流-電壓轉換（轉阻）電路。在醫療儀器中，其中一個最普遍的應用是測量血細胞中的含氧量，稱為SPO2或飽和或週邊氧氣。圖一所示為SPO2模組的方塊圖，當中的反補償放大器(TIA)目的是將來自光電二極體的電流轉化成電壓。

《圖一 SPO2模組的典型方塊圖》

利用捷徑縮短設計時間

雜訊是醫療儀器中最重要的參數之一，它會導致電路本身和旁邊的設備產生嚴重的干擾。計算雜訊是一項比較沉悶的工作，尤其是要計算出訊號路徑對訊號/雜訊比的整體影響時，包括了電源、放大器、資料轉換器以外的元件。

一般說來，醫療儀器電路都傾向採用較低的頻率運作，因此這些系統的設計人員通常會比較關心處於0.1到10Hz頻帶以內的雜訊，亦稱為峰值至峰值雜訊。但不幸地，有些資料表並沒有提供時域雜訊（峰值到峰值, peak-to-peak）的資料，而只提供電壓或電流雜訊密度的典型圖表。除了等待電路的供應商提供測量資料外，有一個快速的方法可幫助推算出峰值至峰值的雜訊量。

假設使用者打算利用NS的LMP7731來推算峰值到峰值(0.1到10Hz)電壓的雜訊量。首先在指定頻帶內的頻率範圍中選擇出一個點，例如是1Hz，對比曲線時的數值便是5.1nV/√Hz（圖二），然後用下列的算式來計算雜訊的均方根(Root Mean Square, RMS)：

《公式二 enrms=enf√ln(10/0.1), 當中 enf 是在 1Hz 下的雜訊》

《圖二 LMP7731的輸入電壓雜訊與頻率的關係》

透過以上的算式可得出10.9nV的總根均方值雜訊，如要計算出峰值到峰值雜訊，只需將此根均方值乘以6.6，便可得出72.2nV。這個估算的結果很不錯，它與資料表中列出的規格78nV很接近。

假如資料表中的電壓雜訊密度圖沒有表示在1Hz下的雜訊值，便可採用下列簡單的方程式(公式二)來推算某頻率下的數值。

《公式三 en=enb*√(fce/f)》

當中enb是寬頻雜訊（通常是在1kHz時的數值），而fce 是1/f轉點，至於f是所關注的頻率，在此個案為1Hz。

舉例而言，NS的LMV851在10kHz下的寬頻雜訊為10nV/√Hz。為了計算出均方根值雜訊，首先要從圖表決定出1/f轉點(fce)的數值。方法是使用資料表中的電壓雜訊密度圖，便可找到fce大約等於300Hz。之後，採用以上的算式便可計算出en=10*√(300/1)=173nV√Hz，而這便是在1Hz下的電壓雜訊，最後將此數值代入算式1中並將結果乘以6.6，便得出2.4μV的峰值到峰值雜訊量。

另一個需要考慮的是電流雜訊。一般來說，假如電源的阻抗不是很大(>100kΩ)，可以在不理會電流雜訊的情形下仍可獲得一個很接近的推算結果，正如上述例子一般。但如果電源的阻抗很大，必須使用相同的技巧來推算電流雜訊，並且將電壓和電流雜訊以均方根值的形式相加。

決定速度上的要求

正如運算放大器的雜訊對ADC的解析度的重要，頻寬對維持系統的精確度亦同樣重要。為了將誤差限制在1/2個最低有效位元(LSB)，有需要進行快速的檢查以決定放大器的頻寬是否足夠。除了使用複雜和冗長的引導外，還可以使用類比/數位轉換器的解析度來迅速推算出結果。方法是使用1/2(N/2)並且將結果乘以-3dB時的放大器頻率。

透過以上的捷徑和一個14位元的ADC，這例子表示出feff= 0.007813*f-3dB。對於圖三中可配置增益為10的運算放大器(LMP7711)，在-3dB時的頻率為1.7MHz。這表示最大頻寬(處於1/2個LSB誤差)等於0.007813*1.7E6=13.3kHz。

《圖三 可攜式心電圖儀 的方塊圖》 - BigPic:611x215

監視裝置和通訊裝置

大多數較新的醫療診斷儀器都設有無線通訊功能。現代的心電圖儀(EKG或ECG)都可透過 PDA或其他的電腦週邊設備，將病人的資料於數分鐘內傳送到診所或醫院。除了無線資料傳輸所帶來的好處，這類設備的缺點就是會對醫療裝置構成嚴重的干擾，使讀數出現錯誤。

為了避免這種干擾，便必須採用濾波器。但加入濾波器不單會擴大設備的體積，而且還會增加設計的成本。一個比較符合經濟效益和快捷的方法是使用可以抑制無線電頻率(RF)雜訊的元件（包括濾波器）。

總結

現今醫療設備業的趨勢是為消費者提供更高價值的產品，即為價廉物美而且能夠迅速提供診斷結果的家用護理儀器。隨著技術不斷進步，將會有更多的醫療設備透過電腦把資料即時從病人的住所傳送到診所。此外，隨著用戶要求更多的功能，可攜式醫療設備的精確度要求將進一步提高以達到更準確的診斷，而這些全都依賴設計人員不斷的創新、長期開發和對全面解決方案所作出的承諾。

參考資料:

1. Sergio Franco, Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits, (New York: McGraw-Hill, 1998)

2. Walter Bacharowski, “Decompensating amplifiers improve performance,” Electronic Design News (EDN), December 3, 2007.