整合光學前端接收器在醫療裝置特別是針對脈搏血氧測量以及護理點即時檢測（PoC）等應用中，有著廣泛的使用。本文介紹脈搏血氧測量應用以及護理點即時檢測（PoC）應用，光學前端的性能要求，來引出整合光學前端接收器的優點。
整合光學前端接收器在醫療裝置特別是針對脈搏血氧測量以及護理點即時檢測（PoC）等應用中，有著廣泛的使用。本文介紹脈搏血氧測量應用以及護理點即時檢測（PoC）應用，光學前端的性能要求，來引出整合光學前端接收器的優點。
1. 光學前端在體外診斷（ IVD ）系統中的應用實例
1.1 脈搏血氧測量應用
2020 年的 Covid-19 帶來了健康世界的典範式轉變。不同年齡段的人現在不斷追蹤和監測他們的生命體徵，如血氧飽和度（SpO2）、心率（HR）和 VOx 水準，這是他們日常生活方式的一部分。
脈搏血氧測量原理：
脈搏血氧測量是一種無創傷的血氧飽合度（SpO2）測量方法。這種測量是基於一種叫做 PPG（Photoplethysmography）的技術。這種技術可以分為透射式或反射式：
-
在透射式脈搏血氧測量中，光電二極體和（發光二極體）LED 分別放置在人體的相對兩側（例如手指）。人體組織吸收部分光線，而光電二極體則收集通過人體的剩餘光線。
-
在反射式脈衝血氧儀中，光電二極體和 LED 在同一側。這裡的光電二極體收集皮膚下方反射的光。
脈搏血氧測量主要基於三個原則：
- 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 v s紅外光）的不同吸光度特徵。
- 透射／反射光與光電二極體產生的 PPG 訊號電流之間的直接相關性。
1.2 螢光檢測應用
在基於螢光檢測診斷技術的 IVD 測試中，含有螢光標籤的樣本被特定波長的光激發，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，螢光標籤會透過發射低能級的光對激發產生反應。
例如，在圖2 中，樣本中的螢光標籤透過發射紅外線進行反應。這種發出的光就是需要檢測的螢光訊號，以確定樣本中分析物的存在，可能還有數量。
採用螢光的診斷測試將有一個被認為是可報告的螢光的閾值。低於閾值水平的螢光訊號，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，都會造成背景雜訊，進而迫使閾值更高。
為了降低閾值水準，進而在不犧牲選擇性的情況下獲得更好的靈敏度，需要仔細設計光學檢測系統，以確保訊號鏈路不會造成背景雜訊水平。
2. 光學前端的性能要求
我們以典型的 PoC 診斷螢光檢測系統舉例。
採用 發光二極體（LED） 來產生激發光，並採用 光電二極體（PD）來檢測來自樣本的螢光發射。PD產生與螢光訊號強度成比例的電流，該電流可能非常微弱。相對於背景雜訊，PD 電流通常非常小，需要仔細的電子設計，以實現高靈敏度檢測而不犧牲選擇性。
圖3 顯示了典型的 PoC 螢光檢測系統的主要元件。來自PD的電流訊號被跨阻放大器（TIA）轉換成電壓訊號。電壓訊號由類比數位轉換器（ADC）數位化，並轉換成相應的螢光水平。
PoC 系統的設計人員需要儘量在不犧牲選擇性的情況下，實現最高的診斷靈敏度。因此，提出了對於光學前端的性能要求：
回應 LED 勵磁可靠地識別非常低的 PD 電流
關於 PoC 系統，如何在不犧牲選擇性的情況下實現最大的診斷靈敏度，這一個目標轉化為響應 LED 勵磁可靠地識別非常低的 PD 電流的要求。例如，高靈敏度系統必須能夠在響應 100mA 數量級的 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 140dB 的光學衰減的情況下，系統必須能夠檢測到 PD 螢光。
要實現這樣的性能，必須結合電子和系統設計方面的考慮。
PD 的類比前端（ AFE ）設計尤為重要。
由於 PD 電流通常相對於背景雜訊非常弱，TIA 需要具有高增益和低輸入偏置電流。其他重要的參數是低 TIA 輸入偏置電壓以及 PD 和 TIA 之間的最小距離。
統設計對於實現高靈敏度檢測也是非常重要的。
螢光檢測必須與 LED 激發同步，因此需要一個控制器來確保這種同步性。為了從背景雜訊識別微弱的 PD 電流訊號，通常需要對多個螢光讀數求平均。這種平均技術是系統控制器的一項重要功能。環境光和 LED 照明中的漂移會導致系統誤差，允許拒絕環境光並考慮 LED 照明中漂移影響的控制器，可以實現整體系統性能優勢。
3. 整合光學前端的優點
為 PoC 讀取器設計訊號鏈時，有兩種不同的架構選擇：如圖2 所示的完全離散解決方案或使用整合光學前端，如圖3 所示。
整合解決方案的明顯好處：
- 提供的系統設計的簡化。
同步螢光檢測與LED激發的挑戰被消除了，因為這是由光學前端內部處理的。 - 整合光學前端還提供了更緊湊的解決方案，電子元件更少。
- 降低了BOM和供應管理的複雜性，同時實現了更小的終端裝置。
- 最關鍵的是，能夠透過韌體調整關鍵配置參數
如光電二極體 PD、LED 驅動器和光學濾鏡配置。在沒有開發新的硬體的情況下，離散解決方案無法實現可程式化。當試圖隨著時間的推移，調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重要的。由於病原體的新變異株和新的疾病經常被添加到測試功能表中，創建一個可以修改以適應新的分析方法的平臺，而不需要修改硬體，是非常有利的。
整合光學前端具有明顯的優勢，然而，在弱光螢光應用中確定光學前端的性能並不是一件微不足道的任務。比較整合光學前端之間的訊噪比（SNR）數字並不能真正瞭解光學接收器的實際性能。由於光通量通常較低，因此光學前端的絕對背景雜訊是關鍵參數，而不是訊噪比。儘管1/f雜訊分量會限制均值方法對背景雜訊的改善程度，但我們還是可以基於螢光測量的時標採用均值方法降低背景雜訊。因此，絕對暗電流雜訊，特別是閃爍雜訊，是主導因素。包括 PD 在內的完整系統的暗電流雜訊在許多整合光學前端的規格表中並沒有描述，必須單獨測量。
相關產品：
血氧計／心率應用相關的 ADI 專用感測器
ADI 整合光學前端
ADI 的整合光學前端，如 MAX86171 非常適合 PoC 螢光應用。類比訊號鏈路與數位控制器的整合使實現光接收器的單個IC解決方案成為可能。MAX86171 包含訊號調理光電二極體輸入、19位元電荷整合 ADC、低雜訊 LED 驅動器和 FIFO 緩衝序列介面。
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，並支持未來的檢測擴展而無需進行硬體升級。
可透過 SPI 或 I2C 進行設定
允許對例如積分時間、均值範圍和動態範圍等參數進行微調
FIFO 支援在 MCU 的休眠模式下進行測量，進而延長掌上型 PoC 系統的電池壽命。
更重要的是，該元件具有高性能和低雜訊的特性，能夠助力建構高靈敏度的檢測系統。借助均值功能和低 1/f 雜訊的特性，面積為 7.5 mm2 的光電二極體構成的訊號鏈路的暗電流雜訊僅為 11pA rms，能夠可靠檢測 1pA 至 10pA 範圍內的低光電二極體電流，尤其適用於低光度的螢光應用。此外，該元件出色的 PSRR 和環境光抑制特性，能夠減輕系統工程師設計電源和機械外殼的負擔。
我們使用 MAX86171 驅動 LED 通過多層中性密度（ND）光學濾波器，再經光電二極體接收以驗證性能。透過增大 ND 濾波器的密度，光學衰減可在 40dB（ND2）至 140dB（ND7）之間變化，由此模擬 PCR 或 LAMP 檢測過程中螢光含量減少的行為。當衰減低於 140dB 時，MAX86171 能夠可靠檢測高於背景暗電流的光電二極體電流，並且解析度好於 10pA。MAX86171 之所以具有如此高的靈敏度，是因為光電二極體連接至光學前端時的暗電流雜訊很低，僅為 11pA rms。
這一個性能水平超過了 PoC 系統的典型要求，充分適配各種生化目標分析物的檢測。
總結：
在快速發展的體外診斷（IVD）系統市場中，選擇合適的光學感測器特別重要。整合光學前端可以簡化系統設計，降低了 BOM 和供應管理的複雜性，同時實現了更小的終端裝置。
小編的話：
正如文中所言，光學前端是脈搏血氧測量這類體外診斷系統的重要元件。瞭解整合光學前端的特性和優點，有助於我們更好地選擇合適的元件進行系統設計。您是否正在設計體外診斷系統？您是否瞭解或選用了整合光學前端？您有哪些應用工程方面的心得和經驗？歡迎留言、分享和交流！