【導讀】集成光學前端接收機在醫療設備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，來引出集成光學前端接收機的優點。
01 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帶來了健康世界的范式轉變。不同年齡段的人現在不斷跟蹤和監測他們的生命體征，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。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，光電二極管和(發光二極管)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。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（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生的PPG信號電流之間的直接相關性。
1.2 熒光檢測應用
在基于熒光檢測診斷技術的IVD測試中，含有熒光標簽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，熒光標簽會通過發射低能級的光對激發產生反應。
例如，在圖2中，樣本中的熒光標簽通過發射紅外線進行反應。這種發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，可能還有數量。
圖2. IVD熒光檢測系統
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，需要仔細設計光學檢測系統，以確保信號鏈不會造成背景噪聲水平。
02 光學前端的性能要求
我們以典型的PoC診斷熒光檢測系統舉例。
采用 發光二極管（LED）來產生激發光，并采用 光電二極管（PD）來檢測來自樣本的熒光發射。PD產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，需要仔細的電子設計以實現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
圖3顯示了典型的PoC熒光檢測系統的主要元件。來自PD的電流信號被跨阻放大器（TIA）轉換成電壓信號。電壓信號由模數轉換器（ADC）數字化并轉換成相應的熒光水平。
PoC系統的設計人員需要盡量在不犧牲選擇性的情況下實現最高的診斷靈敏度。因此，提出了對于光學前端的性能要求：
● 響應LED勵磁可靠地識別非常低的PD電流
關于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100 mA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140 dB的光學衰減的情況下，系統必須能夠檢測到PD熒光。
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的模擬前端(AFE)設計尤為重要。
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。其他重要的參數是低TIA輸入偏置電壓以及PD和TIA之間的最小距離。
● 系統設計對于實現高靈敏度檢測也是非常重要的。
熒光檢測必須與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。允許拒絕環境光并考慮LED照明中漂移影響的控制器可以實現整體系統性能優勢。
03 集成光學前端的優點
為PoC讀取器設計信號鏈時，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集成光學前端，如圖3所示。
圖4. 采用集成光學前端的PoC檢測系統
集成解決方案的明顯好處：
● 提供的系統設計的簡化。
● 同步熒光檢測與LED激發的挑戰被消除了，因為這是由光學前端內部處理的。
● 集成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和供應管理的復雜性，同時實現了更小的終端設備。
最關鍵的是，能夠通過固件調整關鍵配置參數
如光電二極管PD、LED驅動器和光學濾鏡配置。在沒有開發新的硬件的情況下，離散解決方案無法實現可編程性。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。由于病原體的新變異株和新的疾病經常被添加到測試菜單中，創建一個可以修改以適應新的分析方法的平臺，而不需要修改硬件，是非常有利的。
集成光學前端具有明顯的優勢，然而，在弱光熒光應用中確定光學前端的性能并不是一件微不足道的任務。比較集成光學前端之間的信噪比(SNR)數字并不能真正了解光學接收機的實際性能。由于光通量通常較低，因此光學前端的絕對本底噪聲是關鍵參數，而不是信噪比。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，是主導因素。包括PD在內的完整系統的暗電流噪聲在許多集成光學前端的數據表中并沒有描述，必須單獨測量。
ADI 集成光學前端
ADI的集成光學前端，如 MAX86171非常適合PoC熒光應用。模擬信號鏈與數字控制器的集成使實現光接收機的單個IC解決方案成為可能。MAX86171 包含信號調理光電二極管輸入，19位電荷集成ADC，低噪聲LED驅動器和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、均值范圍和動態范圍等參數進行微調
● 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，能夠助力構建高靈敏度的檢測系統。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范圍內的低光電二極管電流，尤其適用于低光度的熒光應用。此外，該器件出色的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。
圖6. 用MAX86171進行的弱光探測器測量
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管接收以驗證性能。通過增大ND濾波器的密度，光學衰減可在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前端時的暗電流噪聲很低，僅為11 pA rms。
圖7. MAX86171的性能結果(來源于ADI)
這一性能水平超過了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，選擇合適的光學傳感器特別重要。集成光學前端可以簡化系統設計，降低了BOM和供應管理的復雜性，同時實現了更小的終端設備。
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