浅谈集成光学前端在体外诊断(IVD)系统中的应用

1, 光学前端在体外诊断(IVD)系统中的应用实例

1.1 脉搏血氧测量应用

2020年的Covid-19带来了健康世界的范式转变。不同年龄段的人现在不断跟踪和监测他们的生命体征，如血氧饱和度(SpO2)、心率(HR)和VOx水平，这是他们日常生活方式的一部分。

脉搏血氧测量原理：

脉搏血氧测量是一种无创的血氧合(SpO₂)测量方法。这种测量是基于一种叫做PPG(Photoplethysmography)的技术。这种技术可以分为透射式或反射式:

• 在透射式脉搏血氧测量中，光电二极管和(发光二极管)LED分别放置在人体的相对两侧(例如手指)。人体组织吸收部分光线，而光电二极管则收集通过人体的剩余光线。
• 在反射式脉冲血氧仪中，光电二极管和LED在同一侧。这里的光电二极管收集皮肤下方反射的光。

图1 用于脉搏血氧测量的透射式(左)以及反射式(右)技术（图片来源ADI）

脉搏血氧测量主要基于三个原则:

• 脉搏动脉血液对透射/反射光的吸光度。
• HbO2和RHb对不同光波长(红光vs红外光)的不同吸光度特征。
• 透射/反射光与光电二极管产生的PPG信号电流之间的直接相关性。

1.2 荧光检测应用

在基于荧光检测诊断技术的IVD测试中，含有荧光标签的样本被特定波长的光激发，如图2中的绿色箭头所示。如果样本中含有感兴趣的分析物，荧光标签会通过发射低能级的光对激发产生反应。

例如，在图2中，样本中的荧光标签通过发射红外线进行反应。这种发出的光就是需要检测的荧光信号，以确定样本中分析物的存在，可能还有数量。

图2 IVD荧光检测系统

基于荧光的诊断测试将有一个被认为是可报告的荧光的阈值。低于阈值水平的荧光信号，不能确定地表明样本中存在被分析物。

诊断检测仪器中的电子元件，以及其他因素，都会造成背景噪声，从而迫使阈值更高。

为了降低阈值水平，从而在不牺牲选择性的情况下获得更好的灵敏度，需要仔细设计光学检测系统，以确保信号链不会造成背景噪声水平。

2. 光学前端的性能要求

我们以典型的PoC诊断荧光检测系统举例。

采用 发光二极管（LED） 来产生激发光，并采用 光电二极管（PD）来检测来自样本的荧光发射。PD产生与荧光信号强度成比例的电流，该电流可能非常微弱。相对于本底噪声，PD电流通常非常小，需要仔细的电子设计以实现高灵敏度检测而不牺牲选择性。

图3 典型的PoC诊断荧光检测系统

图3显示了典型的PoC荧光检测系统的主要元件。来自PD的电流信号被跨阻放大器（TIA）转换成电压信号。电压信号由模数转换器（ADC）数字化并转换成相应的荧光水平。

PoC系统的设计人员需要尽量在不牺牲选择性的情况下实现最高的诊断灵敏度。因此，提出了对于光学前端的性能要求：

• 响应LED励磁可靠地识别非常低的PD电流

关于PoC系统，如何在不牺牲选择性的情况下实现最大的诊断灵敏度，这一目标转化为响应LED励磁可靠地识别非常低的PD电流的要求。例如，高灵敏度系统必须能够在响应100 mA数量级的LED激励电流时检测到皮安培量级的PD电流。也就是说，在给定大约140 dB的光学衰减的情况下，系统必须能够检测到PD荧光。

要实现这样的性能，必须结合电子和系统设计方面的考虑。

• PD的模拟前端(AFE)设计尤为重要。

由于PD电流通常相对于本底噪声非常弱，TIA需要具有高增益和低输入偏置电流。其他重要的参数是低TIA输入偏置电压以及PD和TIA之间的最小距离。

• 系统设计对于实现高灵敏度检测也是非常重要的。

荧光检测必须与LED激发同步，因此需要一个控制器来确保这种同步性。为了从本底噪声识别微弱的PD电流信号，通常需要对多个荧光读数求平均。这种平均技术是系统控制器的一项重要功能。环境光和LED照明中的漂移会导致系统误差。允许拒绝环境光并考虑LED照明中漂移影响的控制器可以实现整体系统性能优势。

3. 集成光学前端的优点

为PoC读取器设计信号链时，有两种不同的架构选择:如图2所示的完全离散解决方案或使用集成光学前端，如图3所示。

图4 采用集成光学前端的PoC检测系统

集成解决方案的明显好处：

• 提供的系统设计的简化。

  同步荧光检测与LED激发的挑战被消除了，因为这是由光学前端内部处理的。

• 集成光学前端还提供了更紧凑的解决方案，电子元件更少。
• 降低了BOM和供应管理的复杂性，同时实现了更小的终端设备。
• 最关键的是，能够通过固件调整关键配置参数

如光电二极管PD、LED驱动器和光学滤镜配置。在没有开发新的硬件的情况下，离散解决方案无法实现可编程性。当试图随着时间的推移，调整平台以使用新的或修改的分析方法时，这种类型的可配置性是至关重要的。由于病原体的新变异株和新的疾病经常被添加到测试菜单中，创建一个可以修改以适应新的分析方法的平台，而不需要修改硬件，是非常有利的。

集成光学前端具有明显的优势，然而，在弱光荧光应用中确定光学前端的性能并不是一件微不足道的任务。比较集成光学前端之间的信噪比(SNR)数字并不能真正了解光学接收机的实际性能。由于光通量通常较低，因此光学前端的绝对本底噪声是关键参数，而不是信噪比。尽管1/f噪声分量会限制均值方法对本底噪声的改善程度，但我们还是可以基于荧光测量的时标采用均值方法降低本底噪声。因此，绝对暗电流噪声，特别是闪烁噪声，是主导因素。包括PD在内的完整系统的暗电流噪声在许多集成光学前端的数据表中并没有描述，必须单独测量。

相关产品：

血氧计/心率应用相关的ADI专用传感器

ADI 集成光学前端

ADI 的集成光学前端，如 MAX86171 非常适合PoC荧光应用。模拟信号链与数字控制器的集成使实现光接收机的单个IC解决方案成为可能。MAX86171 包含信号调理光电二极管输入，19位电荷集成ADC，低噪声LED驱动器和FIFO缓冲串行接口。

图5 MAX86171的框图 （来自于ADI）

• lAFE具有9个LED通道和4个PD通道
• l足够通道支持多种检测方法并支持未来的检测扩展而无需进行硬件升级。
• l可通过SPI或I2C进行编程
• l允许对例如积分时间、均值范围和动态范围等参数进行微调
• lFIFO支持在MCU的休眠模式下进行测量，从而延长手持式PoC系统的电池寿命。

更重要的是，该器件具有高性能和低噪声的特性，能够助力构建高灵敏度的检测系统。借助均值功能和低1/f噪声的特性，面积为7.5 mm2的光电二极管构成的信号链的暗电流噪声仅为11 pA rms，能够可靠检测1 pA至10 pA范围内的低光电二极管电流，尤其适用于低光度的荧光应用。此外，该器件出色的PSRR和环境光抑制特性能够减轻系统工程师设计电源和机械外壳的负担。

图6 用MAX86171进行的弱光探测器测量

我们使用MAX86171驱动LED通过多层中性密度(ND)光学滤波器再经光电二极管接收以验证性能。通过增大ND滤波器的密度，光学衰减可在40 dB (ND2)至140 dB (ND7)之间变化，由此模拟PCR或LAMP检测过程中荧光含量减少的行为。当衰减低于140 dB时，MAX86171能够可靠检测高于本底暗电流的光电二极管电流，并且分辨率好于10 pA。MAX86171之所以具有如此高的灵敏度，是因为光电二极管连接至光学前端时的暗电流噪声很低，仅为11 pA rms。

图7 MAX86171的性能结果(来源于ADI)

这一性能水平超过了PoC系统的典型要求，充分适配各种生化目标分析物的检测。

总结：

在快速发展的体外诊断(IVD)系统市场中，选择合适的光学传感器特别重要。集成光学前端可以简化系统设计，降低了BOM和供应管理的复杂性，同时实现了更小的终端设备。

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小编的话：

正如文中所言，光学前端是脉搏血氧测量这类体外诊断系统的重要组件。了解集成光学前端的特性和优点有助于我们更好地选择合适的器件进行系统设计。您是否正在设计体外诊断系统？您是否了解或选用了集成光学前端？您有哪些应用工程方面的心得和经验？欢迎留言，分享和交流！