即時 （PoC） 醫學測試的趨勢正在從實驗室轉移到醫生辦公室、診所甚至家庭。這種遷移有可能加快診斷速度，從而加快患者護理速度、改善結果并降低成本。

實現 PoC 從多功能、應用優化的 IC 開始，這些 IC 具有先進的模擬前端 （AFE），可與各種生物傳感器連接，以進行必要的數據采集測量。每個 IC 都必須滿足復雜電化學、生物和相關測量的獨特屬性，包括精度、低功耗和高度集成功能。成功的最終產品具有高性能、靈活性和可升級性，有助于使平臺面向未來。它們還必須由平穩精確的運動控制和身份驗證 IC 提供支持，以確保數據準確性和隱私性。

本文探討了向 PoC 的轉變及其設計影響。然后，它描述了廣泛使用的 AFE 測量場景，并介紹了 Analog Devices 的靈活解決方案，以滿足 PoC 測量、運動控制和身份驗證要求。

為什么現在進行 PoC？

增加 PoC 檢測和樣本處理的驅動力包括對更快醫療診斷以改善個人健康結果的需求。監管要求鼓勵甚至要求進行更多測試。在診所或家中進行本地化 PoC 的趨勢是最大限度地減少對患者的干擾、費用和時間。此類系統需要易于使用但功能強大的儀器來實現這些目標。

對于此類系統的設計人員來說，AFE、運動控制和身份驗證 IC 是患者液體和生命體征之間的前線接口，也是捕獲、記錄、評估和報告來自各種傳感器的結果數據所需的系統。它們是電化學和光學診斷解決方案的構建塊，可提供測量引擎以補充各種生物傳感器和化學成分，同時實現可使用軟件升級的平臺（圖 1）。

圖 1：模擬和相關電子設備在患者的生命體征和體液與相關的 PoC 儀器和數據系統之間提供了關鍵接口。（圖片來源：Analog Devices）

以應用為中心的多樣化 IC 應對挑戰

一些示例清楚地說明了這種情況：

示例 #1：光學熒光檢測 （FLD）：

該技術使研究人員能夠研究生物成分在細胞或組織內的分布、定位和相互作用，從而提供對標準光學顯微鏡通常不可見的細胞過程和功能的詳細見解。它使用熒光誘導熒光團，而不是光吸收、散射或反射。

熒光團吸收特定波長的光，將其一些電子激發到更高的能量狀態。當電子返回其基態時，熒光團以更長的特征發射波長發射光。這種發射的熒光被檢測和分析，提供生物結構的高對比度、分子水平可視化。

LED 加光電傳感器系統的進步提供了額外的性能和功能。MAX86171（圖 2，頂部）等 IC 是一種具有發射和接收通道的超低功耗光學數據采集系統，專為這些應用量身定制。盡管它們內部很復雜，但應用中只需要幾個分立元件（圖 2，底部）。

圖 2：MAX86171 多通道、超低功耗、光學數據采集系統（上圖）利用其高水平的內部集成來簡化外部布線和對無源支持元件的需求（下圖）。（圖片來源：Analog Devices）

在發射器側，MAX86171 具有 9 個可編程 LED 驅動器輸出引腳，連接到 3 個大電流 8 位 LED 驅動器。在接收器側，該 IC 具有兩個低噪聲、電荷積分前端，具有環境光消除 （ALC） 電路，從而形成高性能、高度集成、基于光學的數據采集系統。

對于需要較少光通道的設計，MAX86178ENJ+ 是一款超低功耗、臨床級生命體征 AFE，支持多達 6 個 LED 和 4 個光電二極管輸入。

請注意，醫療應用的品質因數和優先級與非醫療情況（如光學數據通道）的品質因數和優先級不同。由于光照水平通常相對較低，因此光學前端的絕對本底噪聲是關鍵參數，而不是信噪比 （SNR）。

雖然帶寬和采樣率非常低，并且在生物世界中，感興趣的參數在數 kHz 的速率下不會發生變化，但患者和信號的復雜模擬性質要求在規格中設置不同的優先級。這些特點包括高靈敏度、寬動態范圍和低噪音，可在不斷變化的作環境中取得成功，在這種環境中，患者的皮膚和內部器官會不斷移動以改變接觸面積和力，即使是輕微的。它們還會在存在各種類型的干擾噪聲和變化的情況下這樣做，從而使問題進一步復雜化。

為了滿足應用要求，MAX86171 的動態范圍在 91 到 110 分貝 （dB） 之間，具體取決于測試布置，分辨率為 19.5 位，暗電流噪聲小于 50 皮安 （pA） （RMS），在 120 赫茲 （Hz） 時的環境光抑制系數優于 70 dB。

示例 #2：電位法、安培法、伏安法和阻抗測量：

電氣工程師可以從各種標準儀器中進行選擇，從而輕松測量電壓、電流和阻抗及其關系。但是，這些測量在化學和生物環境中具有獨特的要求和限制，并呈現不同的情況：

• 電位儀：使用電化學工作站測量兩個電極之間的電位，以確定溶液中物質的濃度
• 安培法：使用安培法裝置根據電流或電流變化檢測溶液中的離子
• 伏安法：將特定的電壓曲線作為時間的函數應用于工作電極，并測量系統產生的電流，通常通過恒電位儀
• 阻抗：測量皮膚和身體的電壓和電流關系

為了評估這些參數，AD5940 在 3.6 × 4.2 毫米 （mm） 的 56 引腳 WLCSP 中提供了廣泛的功能和接口選項（圖 3）。這款低功耗 AFE 專為需要高精度電化學技術（如安培、伏安或阻抗測量）的便攜式應用而設計。

圖 3：AD5940 AFE 集成了精確、低功耗安培、伏安或阻抗測量所需的復雜功能。（圖片來源：Analog Devices）

AD5940 具有兩個激勵環路和一個公共測量通道。第一個環路由一個雙輸出串、一個數模轉換器 （DAC） 和一個低噪聲恒電位儀組成，它可以產生 0 Hz 至 200 Hz 的信號。

DAC 的一個輸出控制電化學工作站的同相輸入，另一個輸出控制跨阻放大器 （TIA） 的同相輸入。第二個環路由一個 12 位 DAC 組成，能夠生成高達 200 kHz 的激勵信號。

在輸入側，有一個 16 位、每秒 800 千克采樣 （kS/s） 模數轉換器 （ADC），帶有輸入緩沖器、一個抗混疊濾波器和一個可編程增益放大器 （PGA）。多路復用器為外部電流和電壓輸入選擇輸入通道，為電源電壓、芯片溫度和基準電壓選擇內部通道。

電流輸入包括兩個具有可編程增益和負載電阻的 TIA，用于測量不同類型的傳感器。第一個 TIA 測量低帶寬信號，而第二個 TIA 測量高達 200 kHz 的高帶寬信號。

提供這種集成度和多功能性的 IC 用戶受益于超越 IC 的評估套件。對于 AD5940，EVAL-AD5940BIOZ 心電圖 （ECG/EKG） 傳感器 Arduino 平臺評估擴展板提供了一個熟悉的開發環境（圖 4）。[](https://www.digikey.cn/zh/products/detail/analog-devices-inc/EVAL-AD5940BIOZ/10124784)當添加新的測試要求時，該套件還有助于面向未來的設計，因為該平臺可以通過軟件進行升級。

圖 4：EVAL-AD5940BIOZ 心電圖 （ECG/EKG） 傳感器 Arduino 平臺評估擴展板簡化了 AD5490 在進行其設計提供的細微低電平測量時使用和評估 AD5490 的挑戰。（圖片來源：Analog Devices）

每個 AD5940 評估板都針對特定的終端應用測量目標。類似 Arduino 的電路板通過 SPI 外設對 AD5940 進行配置和通信。圖形用戶界面 （GUI） 工具可用于具有繪圖和數據捕獲功能的測量，用于初始評估。許多用嵌入式 C 編寫的示例項目都包含有關如何設置編程環境和運行示例的說明。

示例 #3：數據身份驗證：

存儲在不同位置并使用無線近場通信 （NFC） 鏈路傳輸的數據會引發與數據真實性相關的問題，甚至存在重復使用、誤用和偽造樣品或卡式瓶的風險。

為了解決這些問題，MAX66250 Secure Authenticator（圖 5，頂部）提供了強大的對策，所有存儲的數據都經過加密保護，防止被發現。它與支持 NFC 的嵌入式系統兼容（圖 5，底部），這些系統未經授權訪問的風險更高。

圖 5：MAX66250 Secure Authenticator（上圖）提供多級高級數據安全和身份驗證支持;它還包含一個用于無線數據傳輸的 NFC 接口（底部）。（圖片來源：Analog Devices）

安全認證器將符合 FIPS 202 標準的安全哈希算法 （SHA-3） 質詢和響應認證與安全 EEPROM 相結合。該器件提供一組源自集成模塊的核心加密工具，包括 SHA-3 引擎、256 位安全用戶 EEPROM、僅遞減計數器和唯一的 64 位 ROM 標識號 （ROM ID）。唯一的 ROM ID 是加密作的基本輸入參數，在應用程序中用作電子序列號。該器件通過符合 ISO/IEC 15693 標準的 RF 接口進行通信。

對于有線鏈路，DS28E16Q+U 1-Wire Secure SHA-3 Authenticator 提供與 MAX66250 相同的加密工具，包括唯一的 ROM ID。

示例 #4：運動/電機控制：

許多 PoC 設備和工作站需要仔細控制運動，以便在工作站之間傳輸試紙或試管、混合和轉移試劑，或添加或釋放精確量的液體并進行移液。這些應用通常需要精確的微步進和平穩的停止、啟動和斜坡生成，以提供高分辨率和無振動的運動，從而實現快速、精確、可靠、安靜、可重復和節能的運動。

Trinamic TMC5072-LA-T 單/雙通道步進電機控制器和驅動器 IC（圖 6，頂部）具有串行通信接口，適用于這些應用。當接線并聯運行時，它為每個電機提供 1.1/1.5 安培 （A） 峰值的線圈電流驅動能力，為一個電機提供 2.2/3 A 峰值。

對于基本作，配套的 TMC5072-BOB 評估套件（圖 6，底部）包括一個板載TMC5072，并使用單線通用異步接收器/發射器 （UART） 連接到 Arduino Mega。圖形用戶界面 （GUI） 提供了用于輕松設置參數、實時可視化數據以及開發和調試獨立應用程序的工具。

圖 6：TMC5072-LA-T 單/雙通道步進電機控制器和驅動器 IC（頂部）提供精確的性能和平穩的運行;它由 TMC5072-BOB 評估試劑盒（底部）支持。（圖片來源：Analog Devices）

TMC5072 結合了靈活的斜坡發生器，用于自動目標定位，并提供無噪音運行、最高效率和高電機扭矩。7 × 7 mm IC 提供額外的高級功能：

• StealthChop 可實現極其安靜的作和平穩的運動
• SpreadCycle 高動態電機控制斬波器
• DCStep 用于負載相關速度控制
• StallGuard2 高精度無傳感器電機負載檢測
• CoolStep 電流控制，節能高達 75%

當然，單個運動控制設備并不能滿足所有 PoC 系統需求，無論功能多么豐富和功能豐富。因此，Analog Devices 為 PoC 提供了廣泛的電機相關 IC 和支持功能，包括：

• TMC4671-LA：集成伺服控制器，為無刷直流/永磁同步電機 （BLDC/PMSM） 和兩相步進電機提供磁場定向控制 （FOC）
• TMC4671-LEV-REF：帶 BLDC 伺服驅動器的 TMC4671 參考設計
• TMC5240ATJ+T：智能、高性能步進電機控制器和驅動器 IC，帶串行通信接口（TMC5072 的單軸版本）
• TMC4361A-LA-T：用于步進電機驅動器的運動控制器，在快速和加加速度限制的運動曲線應用中提供 S 形斜坡
• TMC2240ATJ-T：智能集成步進驅動器，帶步進/方向和 SPI 接口。

結論

多種因素的結合正在推動許多醫學測試和評估朝著更加本地化、快速響應的 PoC 模型發展。高度集成、以應用為中心的 IC（如 AFE、運動控制和身份驗證）使這一趨勢成為可能。Analog Devices 提供多種高性能、低功耗器件選擇，這些器件針對這些應用進行了優化，可滿足技術和監管要求。它們還提供面向未來的平臺所需的靈活性和可升級性。