Geringer Stromverbrauch Ultrakleine A/D-Wandler für die Medizintechnik

Da medizinische Geräte immer präziser, kostengünstiger und einfacher zu bedienen sind, wird auch die medizinische Betreuung zu Hause unkomplizierter und schneller. Ausschlaggebend für diesen Wandel ist die analoge Signalkette. Mit seriellen A/D-Wandlern, die ständig schneller werden und immer mehr Strom sparen, können medizinische Geräte in puncto Präzision, Geschwindigkeit und Bedienfreundlichkeit noch weiter verbessert werden.

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Medizinische Geräte revolutionieren derzeit den Bereich der häuslichen Gesundheitspflege. Der Gesundheitszustand ist in vielen Fällen diagnostizierbar, ohne dass die Patienten dafür ihr Haus oder ihre Wohnung verlassen müssen. Moderne Entwicklungen führen zu tragbaren Selbstdiagnosesystemen, mit denen die Patienten Werte wie Blutdruck, Blutzuckerspiegel und Körpertemperatur selbst überwachen können.

Voraussetzung für diese Entwicklung ist, dass die medizinischen Geräte schnell, effizient und zuverlässig arbeiten. Durch die Weiterentwicklung medizinischer Sensoren werden eine immer längere Akkulaufzeit sowie immer kompaktere Formate für eine nicht invasive Gesundheitsvorsorge wichtig.

Für medizinische Messgräte ist üblicherweise eine Kombination aus Signalüberwachung mit Verstärkern, Filtern und einer Referenzquelle sowie mit einem Analog/Digital-Wandler zur Auflösung des Sensorsignals erforderlich. Neben der geringen Größe müssen die analogen Schaltkreise, die den Sensorausgang erfassen, auch Strom sparend arbeiten, um die Akkulaufzeit zu verlängern und möglichst viele Messungen zu ermöglichen. Kleine und Strom sparende medizinische Geräte mit Netzstrombetrieb werden ebenfalls beliebter, da immer kleinere und schnellere analoge ICs verfügbar werden.

Beispiele für medizinische Geräte, die kompakte Abmessungen und eine geringe Verlustleistung aufweisen, sind Blutanalysesysteme, Pulsoximeter, Digitalröntgensysteme und Digitalthermometer.

Analogschaltkreise für medizinische Messgeräte

Einige medizinische Messgeräte erfordern einen Dauerbetrieb der Analogschaltkreise mit Tausenden oder Millionen Messvorgängen pro Sekunde. Andere Anwendungen erfordern dagegen nur eine einzige Messung pro Tag. Für solche gelegentlichen Messungen müssen die Analogschaltkreise nur einmal aktiviert werden, um die Messung vorzunehmen. Danach können sie für den Rest des Tages wieder in einem stromsparenden Ruhemodus laufen.

Die Auswahl der analogen ICs hängt davon ab, wie oft die Sensoren eine Messung durchführen müssen. Den Kern der Analogschaltkreise bildet der A/D-Wandler, der den analogen Messwert des Sensors in einen digitalen Wert verwandelt, der in einem Speicher archiviert oder auf einem Bildschirm angezeigt werden kann. Bei den meisten medizinischen Sensoranwendungen bietet sich ein A/D-Wandler mit Datenregister (Successive Approximation Register, SAR) als Datenwandler an.

Vorteile von SAR-Wandlern

Es gibt eine Vielzahl von Gründen, einen solchen Wandlertyp einzusetzen. SAR-ADCs eignen sich ideal, um Signale zwischen 0 Hz (stetiger Zustand) und einigen wenigen MHz zu messen. Diese A/D-Wandler bieten außerdem rasche Reaktionszeiten mit geringer Latenz, womit sie problemlos einen Eingang oder mehrere Eingänge messen können.

Ein weiteres entscheidendes Kriterium ist die Leistung. Die Verlustleistung eines SAR-ADC variiert je nach Abtastrate, im Gegensatz zu Flash- oder Pipeline-ADCs. Daher fällt die Verlustleistung eines A/D-Wandlers bei 10.000 Messungen pro Sekunde (10 kS/s) niedriger aus als bei einem Betrieb mit 100 kS/s. Dies kann enorme Energieeinsparungen bedingen. Wenn beispielsweise ein SAR-ADC Daten mit einigen Millionen Messvorgängen pro Sekunde (MS/s) umwandelt, können einige mA abgestrahlt werden, während die Abstrahlung desselben SAR-ADC bei einem Betrieb mit 1 kS/s oder weniger nur einige Dutzende µA betragen kann.

Tragbare Elektroniksysteme basieren auf Strom sparenden Komponenten und geringen Abmessungen. Der geringe Stromverbrauch ist besonders wichtig, weil immer mehr Geräte mit Niederspannung arbeiten und immer weniger Leistung zur Verfügung steht. Da auch immer weniger Platz auf der Leiterplatte verfügbar ist, ist auch eine kompakte Form entscheidend.

Beispiel Pulsoximeter

Ein Beispiel für eine medizinische Anwendung, für die sich ein SAR-A/D-Wandler als Kern eignet, ist ein Pulsoximeter, das den Sauerstoffgehalt im Verhältnis zum Hämoglobin im Blut eines Patienten misst. Das Pulsoximeter erfasst den Blutpuls in den Arterien und berechnet somit auch die Herzfrequenz des Patienten.

Ein Paar LEDs wird an einer lichtdichtlässigen Stelle am Körper des Patienten platziert, meist an den Fingerspitzen, wobei sich auf der gegenüberliegenden Seite eine Fotodiode befindet. Ein optischer Sender löst eine rote LED mit einer Wellenlänge von 660 nm sowie eine infrarote LED mit einer Wellenlänge von 940 nm aus. Die Fotodiode empfängt die beiden Signale und wandelt den Strom des Lichts in eine Spannung um. Dann misst ein A/D-Wandler die Spannung und erfasst somit den Anteil des Blutsauerstoffs ausgehend von der Absorptionsrate für jede Wellenlänge des Lichts, das durch den Körper des Patienten strahlt (Bild 1). Als Nächstes werden die digitalen Daten an das Datenerfassungssystem übertragen, häufig über eine Isolationsbarriere, wo sie gespeichert oder auf einem Bildschirm angezeigt werden können.

Der in Bild 1 dargestellte Verstärker LT6202 von Linear Technology bietet eine gute Kombination aus Verstärkungsbandbreite (100 MHz) und geringem Spannungsrauschen (1,9 nV/√Hz) bei einem Stromverbrauch von 2,5 mA. Er weist außerdem ein Stromrauschen von 0,75 pA/√Hz auf und liefert so niedrige Werte für Gesamtrauschen und Verzerrung bei Anwendungen mit schwachem Signal. Der Verstärker ist für einen Betrieb mit 3-, 5- und ±5-V-Quellen vorgesehen.

Ausgang unterschiedlich abtasten

Um den Ausgang des LT6202 abzutasten, wird ein SAR-ADC mit 12 Bit und 3 MS/s eingesetzt. Der LTC2366 gehört zu einer Familie aus kleinen A/D-Wandlern mit Abtastraten von 100 kS/s bis 3 MS/s, die Pin- und Software-kompatibel sind. Die A/D-Wandler strahlen 7,8 mW bei 3 MS/s, 1,5 mW bei 100 kS/s und 0,3 mW im Ruhemodus ab. Der Baustein weist keine Datenlatenz am A/D-Wandler auf, so dass die gemessenen Daten innerhalb desselben Taktzyklus verfügbar sind. Eine 3-Draht-, SPI/Microwire-kompatible Schnittstelle bietet Zugriff auf das gemessene Resultat.

Gesamtgröße des Pulsoximeters begrenzen

Der SAR-Wandler, der in einem Thin SOT-6-Pin- oder -8-Pin-Gehäuse (8,1 mm2) angeboten wird, trägt dazu bei, die Gesamtgröße eines Pulsoximeters zu begrenzen. Bei 3 MS/s bietet er genug Messbandbreite, um die Spannung über den Verstärker- und Fotodiodenstrom korrekt zu messen. Der von einer einzelnen 3-V-Quelle gespeiste Wandler kann über einen einzelnen Lithium-Ion-Akku, mehrere AA-Batterien oder ein netzstrombetriebenes System versorgt werden, das für den Betrieb mit einer niedrigen Versorgungsleistung ausgelegt ist.

Die fünf A/D-Wandler der LTC236x-Familie sind: LTC2366 mit 3 MS/s, LTC2365 mit 1 MS/s, LTC2362 mit 500 kS/s, LTC2361 mit 250 kS/s und LTC2360 mit 100 kS/s. Die angegebenen Abtastraten für die A/D-Wandler stellen die jeweils maximalen Abtastraten dar. Für Anwendungen, die nicht bei 3 MS/s ausgeführt werden müssen, bietet jeder Wandler der Familie mit einer geringeren Abtastrate weitere Stromeinsparungen. Bild 2 zeigt den Versorgungsstrom im Verhältnis zur Abtastrate für die drei langsameren Versionen, wobei die Verlustleistung bei langsamerer Abtastrate aufgrund des grundlegenden Designs des jeweiligen SAR-ADC rasch abnimmt.

Beispiel Digitalröntgensysteme

Ein weiteres Beispiel für eine medizinische Anwendung, die einen schnellen A/D-Wandler erfordert, sind digitale Röntgenbilder, wie sie im Bereich der Zahnheilkunde, bei Computertomographien (CAT-Scans) oder Magnetresonanztomographien (MRI) für Scans des gesamten Körpers zum Einsatz kommen. Statt das Bild auf einer Folie wiederzugeben, werden die Röntgenaufnahmen nun digital gespeichert. So müssen nicht mehr Tausende von Röntgenfolien aufbewahrt werden, die Ärzte oder Krankenhäuser können die Aufnahmen auf Speichermedien archivieren und rasch auf eine Patientenakte zugreifen.

Ein weiterer Vorteil dieser Umstellung auf digitale Röntgenbilder besteht im erhöhten Komfort für den Patienten. Mit dem Aufkommen schnellerer A/D-Wandler, Sensoren und Signalkonditionierungseinheiten kann der schmerzende Zahn oder gebrochene Knochen des Patienten viel schneller lokalisiert werden. Mit einem schnelleren Röntgenverfahren kann eine Arztpraxis oder ein Krankenhaus zudem mehr Patienten in kürzerer Zeit betreuen.

Fotodiode, Verstärker und ADC zum Abtasten

Digitalröntgensysteme benötigen in der Regel einen A/D-Wandler mit einer Auflösung von mindestens 12 Bit und 1 MS/s oder mehr. Der ADC muss eine Abtastrate aufweisen, die größer oder gleich der Array-Größe multipliziert mit der Auffrischungsrate ist. Für eine solche Anwendung sind zumeist mehrere A/D-Wandler erforderlich, um alle Fotodioden- oder CMOS-Imaging-Ströme, die vom Szintillator erzeugt werden, aufzulösen.

Ein Array aus Fotodioden, Verstärkern und A/D-Wandlern wird zum Abtasten des kompletten Arrays genutzt (Bild 3). Ein SAR-ADC niedriger Leistung mit schneller serieller Datenkommunikation ist unerlässlich, wenn mehrere A/D-Wandler auf begrenztem Raum untergebracht werden. Somit sind der LTC2366 (3 MS/s) und der LTC2365 (1 MS/s) gut geeignet für digitale Röntgenaufnahmen, da sie ein Signal-Rausch-Verhältnis von 73 dB sowie keine Datenlatenz bieten. Der geringe Leistungsbedarf des LTC2366 (7,8 mW bei 3 MS/s) bedeutet, dass die Entwickler mehrere ADCs nahe beieinander platzieren können, ohne dass sich das System überhitzt. Bei ähnlichen Abtastraten verbraucht z.B. ein A/D-Wandler mit Pipeline-Architektur bis zu 10-mal so viel Leistung.

Beispiel Digitalthermometer

Das Digitalthermometer ist ein weiteres kleines und preiswertes Gerät, das zu Hause oder in einem Krankenhaus zur Patientenbetreuung eingesetzt werden kann. Es ermöglicht eine rasche Messung der Körpertemperatur einer Person am Trommelfell oder in der Achselhöhle. Die Analogschaltkreise, die die Körpertemperatur erfassen und in digitale Daten umwandeln, können recht einfach aufgebaut sein. Hier kommt häufig ein Thermistor zum Einsatz, also ein Widerstand, der sich mit der Temperatur verändert, da er die höchste Empfindlichkeit für die Körpertemperatur aufweist.

Der LTC2450-1 ist ein 16-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler, der ein wenig an einen SAR-ADC erinnert, da seine Leistung mit der Abtastrate variiert. Diese Art von Delta-Sigma-ADCs eignet sich hervorragend für bestimmte medizinische Anwendungen. Zum Beispiel kann der Wandler direkt mit einem Thermistor verbunden werden (Bild 4) und so eine exakte digitale Ablesung der Temperatur ermöglichen.

In diesem Beispiel wird ein fester 10-kΩ-Widerstand in Reihe mit einem Thermistor geschaltet, dessen Widerstand je nach Temperatur zwischen 1 und 10 kΩ variiert, so dass der ADC einen breiten analogen Eingangsbereich messen kann. Die Eingangsarchitektur des Wandlers versetzt ihn in die Lage, Sensoren mit hohem Widerstand zu messen, so dass ein Verstärker umgangen werden kann. Das Widerstandsnetzwerk kann zusammen mit dem Entstörkondensator direkt mit dem Analogeingang verbunden werden.

Wandler mit niedrigem Versorgungsstrom

Der LTC2450-1 bietet einen sehr niedrigen Versorgungsstrom (max. 0,5 mA über den Temperaturbereich garantiert) und ist somit eine ideale Lösung für ein Digitalthermometer, das mit einer einzelnen Batterie betrieben wird. Die meisten Digitalthermometer für den Hausgebrauch kommen nur selten zum Einsatz und laufen daher zumeist nur mit Ruhestrom.

Der Delta-Sigma-Wandler liefert eine Ausgangsrate von 60 Messungen pro Sekunde, was für das Digitalthermometer mehr als ausreichend ist. Er ist in einem 2 mm × 2 mm großen Gehäuse untergebracht und verwendet zur Kommunikation das SPI-Protokoll. Dank der geringen Gehäuseabmessungen und der direkten Verbindung zum Thermistor kann die Gesamtgröße der Analoglösung extrem klein gehalten werden. Für Entwickler, die das 2-Draht-Protokoll verwenden möchten, sind auch unsymmetrische und differentielle I2C-Versionen erhältlich.

*Steve Logan arbeitet als Product Marketing Engineer bei Linear Technology in Milpitas, USA.

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