使用彈性 AFE、動作控制、安全驗證 IC，設計定點照護診斷系統

作者：Bill Schweber

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2025-04-22

定點照護 (PoC) 醫療檢驗正朝向從實驗室轉移到醫療院所，甚至是居家。這種轉換可能可以加速診斷，進而更快為病患提供照護、提升治療結果，並降低花費。

實作定點照護，首先需具備多功能、應用最佳化的 IC，其先進的類比前端 (AFE)，可與各種生物感測器介接，進行必要的數據採集量測。各個 IC 都必須滿足精細的電化學、生物，以及相關量測的獨特屬性，包括準確度、低功率、高度整合的功能。成功的最終產品須具備高效能、彈性、可升級的特點，促成平台的前瞻性。此外，還必須由順暢且精準的動作控制和安全驗證 IC 支援，以確保資料的準確度和隱私性。

本文探討定點照護的轉移及其設計相關事項。接著，描述廣泛使用的類比前端量測情境，並介紹 Analog Devices 提供的彈性解決方案，如何滿足定點照護測量、動作控制、安全驗證的要求。

定點照護為何成為趨勢？

定點照護檢驗和樣本處理增加的趨勢源於要求更快的醫療診斷，以改善個人健康狀況。監管單位鼓勵甚至要求進行更多檢驗。此外，目前的趨勢朝向在診所或居家進行定點照護檢驗，可盡量減少對病患的干擾，以及花費和時間。此類系統需要簡單、易用但功能強大的儀器。

在設計此類系統時，類比前端、動作控制、安全驗證 IC 是病患和系統之間的第一線介面，連接病患的體液和生命徵象與必要系統，該系統用於擷取、記錄、評估、報告由各種感測器取得的結果資料。這些是建立電化學和光學診斷解決方案的基石，提供的量測資料可補足各種生物感測器和化學方法得到的結果，同時也是一個可使用軟體升級的平台 (圖 1)。

病患生命徵象和體液與相關定點照護儀器和資料系統的介面圖 圖 1：類比和相關電子元件為病患的生命徵象和體液與相關的定點照護儀器和資料系統之間提供關鍵介面。(圖片來源：Analog Devices)

運用各式應用導向 IC 因應挑戰

以下範例可清楚說明：

範例 1：光學螢光偵測 (FLD)：

此技術可讓研究人員研究細胞或組織內生物成分的分佈、定位、相互作用，可深入瞭解標準光學顯微鏡通常無法看到的細胞活動和功能。使用螢光產生的螢光團，而不是由光吸收、散射、反射。

螢光團吸收特定波長的光，激發部分電子至更高的能態。當電子回到基態時，螢光團會以更長的特徵發射波長發光。對發射的螢光進行偵測和分析，可讓生物結構達到高對比、分子等級的視覺化。

LED 與光感測器組合系統的進展，也提供額外的效能和能力。MAX86171 IC (圖 2，上方) 係針對這些應用打造，是一款具有發送和接收通道的超低功率光學數據採集系統。其內部雖然很複雜，但在應用中只需要幾個離散組件 (圖 2，下方)。

圖 2：MAX86171 多通道、超低功率、光學數據採集系統 (上) 利用其高等級的內部整合，簡化外部佈線和對被動支援組件的需求 (下)。(圖片來源：Analog Devices)

在發射器端，MAX86171 有九個可編程 LED 驅動器輸出引腳，連接到三個高電流、8 位元 LED 驅動器。在接收器端，此 IC 具有兩個低雜訊、電荷積分前端和環境光消除 (ALC) 電路，形成高效能、高度整合的光學架構數據採集系統。

若設計需要較少光學通道，可選用 MAX86178ENJ+。此超低功率、臨床級生命徵象類比前端，支援多達六個 LED 和四個光電二極體輸入。

請注意，醫療和非醫療應用的效能指數和優先順序 (例如光學資料通道) 有所不同。由於光照位準通常相對較低，因此光學前端的絕對背景雜訊是比訊噪比 (SNR) 更重要的關鍵參數。

雖然頻寬和採樣率非常低，且在生物環境中所需的參數不會以幾千赫茲的速率變化，但病患和訊號具有的複雜類比性質，使得要求的規格有不同的優先順序。在手術環境中，病患的皮膚和內臟器官會持續移動，不斷改變接觸面積和力道，即使是輕微的改變，也需考量高靈敏度、寬廣動態範圍、低雜訊等特性，以促進手術成功。此外，還存在各種干擾雜訊和變化，使得情況更加複雜。

MAX86171 可滿足應用要求，其動態範圍介於 91 至 110 dB (取決於測試配置)，解析度為 19.5 位元，暗電流雜訊小於 50 pA (RMS)，環境光抑制係數在 120 Hz 時優於 70 dB。

範例 2：電位法、安培法、伏安法和阻抗值測量：

電機工程師可以透過各種標準儀器輕鬆測量電壓、電流、阻抗值及其關係。然而，這些測量在化學和生物環境中有獨特的要求和限制，並呈現不同的情景：

電位法：使用恆電位器測量兩個電極之間的電位，判定溶液中物質的濃度
安培法：使用安培法裝置依據電流或電流的變化偵測溶液中的離子
伏安法：將特定電壓曲線以時間函數施加到工作電極上，並測量系統產生的電流 (通常透過恆電位器)
阻抗值：測量皮膚和身體的電壓和電流關係

可使用 AD5940 評估這些參數。此元件採用 56 焊球 WLCSP 封裝，尺寸為 3.6 × 4.2 mm，並提供豐富的功能和介面選項 (圖 3)。此低功率 AFE 專為需要高精密度電化學技術 (如電流測量、伏安測量或阻抗值測量) 的可攜式應用所設計。

Analog Devices 的 AD5940 類比前端圖片 圖 3：AD5940 類比前端涵蓋精密、低功率電流測量、伏安測量或阻抗值測量所需的複雜功能。(圖片來源：Analog Devices)

AD5940 具有兩個激磁迴路和一個共用測量通道。第一個迴路由一個雙輸出串、一個數位類比轉換器 (DAC)、一個低雜訊恆電位器組成，可以產生 0 Hz 至 200 Hz 的訊號。

數位類比轉換器的一個輸出控制恆電位器的同相輸入，另一個輸出控制轉阻放大器 (TIA) 的同相輸入。第二個迴路涵蓋一個 12 位元數位類比轉換器，能夠產生高達 200 kHz 的激磁訊號。

輸入端有一個 16 位元、 800 kS/s 的類比數位轉換器 (ADC)，搭載輸入緩衝器、抗交疊濾波器、可編程增益放大器 (PGA)。由一個多工器選擇外部電流和電壓輸入的輸入通道，以及電源電壓、晶片溫度和參考電壓的內部通道。

其電流輸入包括兩個具有可編程增益和負載電阻的轉阻放大器，用於測量不同類型的感測器。第一個轉阻放大器測量低頻寬訊號，第二個轉阻放大器則測量高頻寬訊號 (高達 200 kHz)。

若要使用此款高整合性和多功能 IC，可選用其功能更強大的評估套件。針對 AD5940，其 EVAL-AD5940BIOZ心電圖 (ECG/EKG) 感測器 Arduino 平台評估擴充板，可提供熟悉的開發環境 (圖 4)。由於此平台可以透過軟體升級，因此在增加新的測試要求時，此套件有助於符合前瞻性設計。

Analog Devices 的 EVAL-AD5940BIOZ 心電圖 (ECG/EKG) 感測器評估板圖片圖 4：EVAL-AD5940BIOZ 心電圖 (ECG/EKG) 感測器 Arduino 平台評估擴充板，簡化使用和評估 AD5490 時所面臨的挑戰，使其能夠進行精細的低階測量。(圖片來源：Analog Devices)

每個 AD5940 評估板都針對特定的最終應用測量目標所設計。此板件類似 Arduino 板，透過 SPI 週邊裝置配置 AD5940 並與之通訊。提供圖形使用者介面 (GUI) 測量工具，其繪圖和資料擷取功能可用於初步評估。有許多以嵌入式 C 語言編寫的範例專案，包含編程環境設定和範例執行的說明。

範例 3：資料驗證：

將資料儲存在不同位置並使用無線近場通訊 (NFC) 鏈路傳輸，會引發資料真實性的相關問題，甚至存在重複使用、誤用，以及偽造樣本或試劑匣的風險。

以上問題可由 MAX66250 安全驗證器 (圖 5，上方) 提供強大對策，其所有儲存的資料都受到加密保護，防止被窺看。此元件與支援 NFC 的嵌入式系統相容 (圖 5，下方)；此類系統有更高的未經授權存取風險。

Analog Devices 的 MAX66250 安全驗證器示意圖 圖 5：MAX66250 安全驗證器 (上) 提供多層進階資料安全性和認證支援；還包含一個 NFC 介面 (下)，用於進行無線資料傳輸。(圖片來源：Analog Devices)

安全驗證器將符合 FIPS 202 的安全雜湊演算法 (SHA-3) 挑戰-回應式驗證與安全 EEPROM 結合。此元件提供一組從整合式模塊中衍生出加密工具的核心組合，包括 SHA-3 引擎、256 位元安全使用者 EEPROM、僅遞減計數器、一組獨特 64 位元 ROM 識別碼 (ROM ID)。此獨特的 ROM ID 在加密運算中是基礎的輸入參數，並且在應用中能當作電子序號。本元件透過符合 ISO/IEC 15693 的 RF 介面進行通訊。

對於有線鏈路，DS28E16Q+U 1-Wire 安全 SHA-3 驗證器提供與 MAX66250 相同的加密工具，包括獨特 ROM ID。

範例 4：動作／馬達控制：

許多定點照護裝置和站點需要精細的控制動作，以便在站點之間傳送試紙或試管、混合和轉移試劑、添加或釋放精確份量的液體及移液。這些應用通常需要精準的微步進和順暢的停止、啟動、斜坡生成，以提供高解析度和無振動的動作，達到快速、精準、可靠、安靜、可重複、節能的動作。

Trinamic 的 TMC5072-LA-T 單／雙通道步進馬達控制器和驅動器 IC (圖 6，上方) 含序列通訊介面，適合這些應用。進行並聯操作時，可提供每台馬達 1.1/1.5 A 峰值線圈電流驅動能力，以及單一馬達 2.2/3 A 峰值線圈電流驅動能力。

針對基本操作，配套的 TMC5072-BOB 評估套件 (圖 6，下方) 包括一個板載 TMC5072，並使用單線通用非同步接收器／發射器 (UART) 連接到 Arduino Mega。可使用圖形使用者介面 (GUI) 工具，輕鬆設定參數、即時視覺化資料，以及開發和偵錯獨立應用程式。

圖 6：TMC5072-LA-T 單／雙通道步進馬達控制器和驅動器 IC (上) 提供精準的效能和順暢的運作；由 TMC5072-BOB 評估套件 (下) 支援。(圖片來源：Analog Devices)

TMC5072 結合彈性的斜坡產生器，用於自動目標定位，並提供無雜訊作業、最高效率、高馬達扭力。7×7 mm IC 提供其他進階功能：

StealthChop 可達到極安靜的運作和順暢的動作
SpreadCycle 高動態馬達控制截波器
DCStep 用於負載相關速度控制
StallGuard2 高精密度無感測器馬達負載偵測
CoolStep 電流控制，可節能高達 75%

當然，無論有多麼豐富的特點和功能，單一動作控制裝置都無法滿足定點照護系統的所有需求。因此，Analog Devices 為定點照護提供豐富的馬達相關 IC 及支援功能，包括：

TMC4671-LA：整合式伺服控制器，為無刷直流／永磁同步馬達 (BLDC/PMSM) 和雙相步進馬達提供磁場導向控制 (FOC)
TMC4671-LEV-REF：搭配 BLDC 伺服驅動器的 TMC4671 公版設計
TMC5240ATJ+T：智慧型、高效能步進馬達控制器和驅動器 IC，具有序列通訊介面 (TMC5072 的單軸版本)
TMC4361A-LA-T：用於步進馬達驅動器的動作控制器，在快速和抖動受限的動作曲線應用中提供 S 形斜坡
TMC2240ATJ-T：具有步進／方向和 SPI 介面的智慧型整合步進驅動器。

結論

由於各種因素相結合，推動許多醫學測試和評估走向更在地化、快速反應的定點照護模型。高度整合的應用導向 IC (例如類比前端、動作控制、安全驗證) 可因應這一趨勢。Analog Devices 提供多種高效能、低功率元件，針對這些應用經過最佳化，符合技術和監管要求。此外，還提供前瞻性平台所需的彈性和可升級能力。