【導(dǎo)讀】集成光學(xué)前端接收機在醫(yī)療設(shè)備特別是針對脈搏血氧測量以及護理點即時檢測(PoC)等應(yīng)用中，有著廣泛的使用。本文介紹脈搏血氧測量應(yīng)用以及護理點即時檢測(PoC)應(yīng)用，光學(xué)前端的性能要求，來引出集成光學(xué)前端接收機的優(yōu)點。
01 光學(xué)前端在體外診斷(IVD)系統(tǒng)中的應(yīng)用實例
1.1 脈搏血氧測量應(yīng)用
2020年的Covid-19帶來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>
脈搏血氧測量原理：
脈搏血氧測量是一種無創(chuàng)的血氧合(SpO2)測量方法。這種測量是基于一種叫做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兩側(cè)(例如手指)。人體組織吸收部分光線，而光電二極管則收集通過人體的剩余光線。
● 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. 用于脈搏血氧測量的透射式(左)以及反射式(右)技術(shù)（圖片來源ADI）
脈搏血氧測量主要基于三個原則:
● 脈搏動脈血液對透射/反射光的吸光度。
● HbO2和RHb對不同光波長(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信號電流之間的直接相關(guān)性。
1.2 熒光檢測應(yīng)用
在基于熒光檢測診斷技術(shù)的IVD測試中，含有熒光標簽的樣本被特定波長的光激發(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，熒光標簽會通過發(fā)射低能級的光對激發(fā)產(chǎn)生反應(yīng)。
例如，在圖2中，樣本中的熒光標簽通過發(fā)射紅外線進行反應(yīng)。這種發(fā)出的光就是需要檢測的熒光信號，以確定樣本中分析物的存在，可能還有數(shù)量。
圖2. IVD熒光檢測系統(tǒng)
基于熒光的診斷測試將有一個被認為是可報告的熒光的閾值。低于閾值水平的熒光信號，不能確定地表明樣本中存在被分析物。
診斷檢測儀器中的電子元件，以及其他因素，都會造成背景噪聲，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，需要仔細設(shè)計光學(xué)檢測系統(tǒng)，以確保信號鏈不會造成背景噪聲水平。
02 光學(xué)前端的性能要求
我們以典型的PoC診斷熒光檢測系統(tǒng)舉例。
采用 發(fā)光二極管（LED）來產(chǎn)生激發(fā)光，并采用 光電二極管（PD）來檢測來自樣本的熒光發(fā)射。PD產(chǎn)生與熒光信號強度成比例的電流，該電流可能非常微弱。相對于本底噪聲，PD電流通常非常小，需要仔細的電子設(shè)計以實現(xiàn)高靈敏度檢測而不犧牲選擇性。
圖3. 典型的PoC診斷熒光檢測系統(tǒng)
圖3顯示了典型的PoC熒光檢測系統(tǒng)的主要元件。來自PD的電流信號被跨阻放大器（TIA）轉(zhuǎn)換成電壓信號。電壓信號由模數(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)計人員需要盡量在不犧牲選擇性的情況下實現(xiàn)最高的診斷靈敏度。因此，提出了對于光學(xué)前端的性能要求：
● 響應(yīng)LED勵磁可靠地識別非常低的PD電流
關(guān)于PoC系統(tǒng)，如何在不犧牲選擇性的情況下實現(xiàn)最大的診斷靈敏度，這一目標轉(zhuǎn)化為響應(yīng)LED勵磁可靠地識別非常低的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)量級的LED激勵電流時檢測到皮安培量級的PD電流。也就是說，在給定大約140 dB的光學(xué)衰減的情況下，系統(tǒng)必須能夠檢測到PD熒光。
要實現(xiàn)這樣的性能，必須結(jié)合電子和系統(tǒng)設(shè)計方面的考慮。
● PD的模擬前端(AFE)設(shè)計尤為重要。
由于PD電流通常相對于本底噪聲非常弱，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)計對于實現(xiàn)高靈敏度檢測也是非常重要的。
熒光檢測必須與LED激發(fā)同步，因此需要一個控制器來確保這種同步性。為了從本底噪聲識別微弱的PD電流信號，通常需要對多個熒光讀數(shù)求平均。這種平均技術(shù)是系統(tǒng)控制器的一項重要功能。環(huán)境光和LED照明中的漂移會導(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現(xiàn)整體系統(tǒng)性能優(yōu)勢。
03 集成光學(xué)前端的優(yōu)點
為PoC讀取器設(shè)計信號鏈時，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檢測系統(tǒng)
集成解決方案的明顯好處：
● 提供的系統(tǒng)設(shè)計的簡化。
● 同步熒光檢測與LED激發(fā)的挑戰(zhàn)被消除了，因為這是由光學(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，同時實現(xiàn)了更小的終端設(shè)備。
最關(guān)鍵的是，能夠通過固件調(diào)整關(guān)鍵配置參數(shù)
如光電二極管PD、LED驅(qū)動器和光學(xué)濾鏡配置。在沒有開發(fā)新的硬件的情況下，離散解決方案無法實現(xiàn)可編程性。當試圖隨著時間的推移，調(diào)整平臺以使用新的或修改的分析方法時，這種類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)常被添加到測試菜單中，創(chuàng)建一個可以修改以適應(yīng)新的分析方法的平臺，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，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)接收機的實際性能。由于光通量通常較低，因此光學(xué)前端的絕對本底噪聲是關(guān)鍵參數(shù)，而不是信噪比。盡管1/f噪聲分量會限制均值方法對本底噪聲的改善程度，但我們還是可以基于熒光測量的時標采用均值方法降低本底噪聲。因此，絕對暗電流噪聲，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)表中并沒有描述，必須單獨測量。
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。模擬信號鏈與數(shù)字控制器的集成使實現(xiàn)光接收機的單個IC解決方案成為可能。MAX86171 包含信號調(diào)理光電二極管輸入，19位電荷集成ADC，低噪聲LED驅(qū)動器和FIFO緩沖串行接口。
圖5. MAX86171的框圖 （來自于ADI）
● AFE具有9個LED通道和4個PD通道
● 足夠通道支持多種檢測方法并支持未來的檢測擴展而無需進行硬件升級。
● 可通過SPI或I2C進行編程
● 允許對例如積分時間、均值范圍和動態(tài)范圍等參數(shù)進行微調(diào)
● FIFO支持在MCU的休眠模式下進行測量，從而延長手持式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)成的信號鏈的暗電流噪聲僅為11 pA rms，能夠可靠檢測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)計電源和機械外殼的負擔。
圖6. 用MAX86171進行的弱光探測器測量
我們使用MAX86171驅(qū)動LED通過多層中性密度(ND)光學(xué)濾波器再經(jīng)光電二極管接收以驗證性能。通過增大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檢測過程中熒光含量減少的行為。當衰減低于140 dB時，MAX86171能夠可靠檢測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，是因為光電二極管連接至光學(xué)前端時的暗電流噪聲很低，僅為11 pA rms。
圖7. MAX86171的性能結(jié)果(來源于ADI)
這一性能水平超過了PoC系統(tǒng)的典型要求，充分適配各種生化目標分析物的檢測。
總結(jié)
在快速發(fā)展的體外診斷(IVD)系統(tǒng)市場中，選擇合適的光學(xué)傳感器特別重要。集成光學(xué)前端可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低了BOM和供應(yīng)管理的復(fù)雜性，同時實現(xiàn)了更小的終端設(shè)備。
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