Mehr Spannung, bitte Operationsverstärker für Medizinanwendungen

Keine anderen ICs sind in so vielen verschiedenen Anwendungen und Konfigurationen anzutreffen wie Operationsverstärker (OPV). Neben ihrer Eigenschaft als Verstärker lässt sich mit OPVs eine Reihe von Funktionen wie Summierung, Pufferung, Subtraktion, Integration, Differenzierung, Filterung, Invertierung und Strom/Spannungs-Wandlung ausführen. Der folgende Beitrag konzentriert sich speziell auf medizinische Anwendungen, die hier gemachten Aussagen können jedoch leicht auch auf Industrie-, Konsumer- oder Kommunikationsanwendungen übertragen werden, da in vielen Systemen die gleichen OPV-Funktionsblöcke üblich sind.

Zunächst wird ein tragbares Pulsoximeter mit geringer Stromaufnahme betrachtet. Im Anschluss daran werden einige weitere Anwendungen besprochen, welche den Einsatz von Spezial-Operationsverstärkern, also Derivaten herkömmlicher OPVs benötigen.

Ein Pulsoximeter ist ein Gerät, welches nicht-invasiv den prozentualen Anteil von Hämoglobin, das mit Sauerstoff gesättigt ist (SpO2), und die Pulsfrequenz des Patienten misst. Normalerweise mit einem Clip am Finger oder Ohr des Patienten befestigt, kann ein Pulsoximeter in vielen Einrichtungen vom Operationssaal bis hin zu Räumen für ambulante Operationen verwendet werden. Zahlreiche OPVs werden in Pulsoximetern eingesetzt.

Ein Pulsoximeter misst die Lichtabsorption oder Reflexion von Hämoglobin, welches Licht je nach Sauerstoffgehalt (Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin) unterschiedlich absorbiert. Rot- oder Infrarot-Lichtquellen (R, IR) werden zusammen mit einem Photodiodendetektor verwendet, um die Menge des Lichts zu messen, welches das Gewebe des menschlichen Körpers an einer bestimmten Stelle passiert oder reflektiert wird. Mit Sauerstoff gesättigtes Hämoglobin absorbiert IR-Licht, während Hämoglobin mit geringem Anteil an Sauerstoff das Rotlicht absorbiert. Über das Verhältnis von R und IR wird mit Hilfe einer Vergleichstabelle der SpO2-Wert ermittelt. Ein typischer Wert von 0,5 bedeutet etwa 100 % SpO2, während ein Verhältnis von 2 einem SpO2-Wert von 0 % entspricht.

Aus Bild 1, das die typische Blockschaltung eines Pulsoximeters zeigt, ist ersichtlich, dass in dieser Anwendung zahlreiche OPVs und andere Bauteile eingesetzt werden. OPVs werden verwendet, um Strom in Spannung zu wandeln (I in U) sowie einen A/D-Wandler zu treiben. Außerdem treiben OPVs LED-Anregungsquellen, puffern einen Mikroprozessoreingang und verarbeiten Audiosignale. Die gleichen OPV-Funktionsblöcke sind in fast allen Elektronikgeräten anzutreffen.

Das Licht für das Pulsoximeter wird von zwei LEDs erzeugt. Eine rote LED emittiert Licht mit 600 bis 700 nm Wellenlänge, während eine IR-LED Licht mit 800 bis 900 nm abstrahlt. Das übertragene oder reflektierte Licht wird von der Photodiode D3 erfasst. D3 produziert einen kleinen Strom, welcher proportional zum detektierten Licht ist. Dieser Strom wird über einen Präzisionsverstärker mit FET-Eingang, ein Bauteil, welches normalerweise in Photodiodendetektoren oder Strom/Spannungs-Wandlern verwendet wird, in eine Spannung gewandelt. OPVs mit FET-Eingang benötigen nur einen sehr kleinen Eingangsruhestrom. Dies stellt sicher, dass der größte Teil des Photodiodenstromes durch den Rückkopplungswiderstand gelangt und exakte Daten liefert.

Der Ausgang des Strom/Spannungs-Wandlers wird dann aktiv oder passiv gefiltert. Ein aktives Filter bietet eine weitere Einsatzmöglichkeit für einen OPV. Das Signal wird anschließend in einen Pufferverstärker eingespeist, der mit dem Mikroprozessor verbunden ist. Fehlerhafte Verbindungen, falls sich etwa der Befestigungsclip vom Finger des Patienten löst und der Messkreis somit unterbrochen wird, werden vom Mikroprozessor signalisiert.

Das Signal gelangt auch in den A/D-Wandler-Treiber U5. Dieser stellt das Signal entsprechend des verwendeten A/D-Wandlers auf die geeigneten Werte für Amplitude und Offset ein. Je nach Systemanforderungen kann der Treiber mit herkömmlichen oder mit differenziellen OPVs realisiert werden. Für die hier beschriebene tragbare Anwendung eignet sich am besten ein OPV mit geringer Stromaufnahme. Das Signal wird anschließend digitalisiert und vom Prozessor analysiert.

U1 und U2, Präzisions-Micropower-OPVs, bilden den Kern der Stromquellen, welche die R- und IR-LEDs treiben, die unterschiedliche Ströme benötigen. Damit lassen sich auch Platz auf der Leiterplatte und Kosten sparen. Die Spannung vom D/A-Wandler wird über den Analogschalter SW1 nach U1 und U2 geleitet. Die Ausgangsströme der OPV sind begrenzt. Daher kommen externe FET-Durchlasstransistoren (Q1 und Q2) zum Einsatz. Die Spannung über RISET1 und RISET2 ist für den Strom durch die LEDs zuständig.

Operationsverstärker U6 stellt das Treibersignal für einen Lautsprecher bereit. Dies ermöglicht die Abgabe akustischer Überwachungssignale. Diese Anwendung zeigt als gutes Beispiel, wo und wie sich OPVs in der Medizinelektronik nutzen lassen. Trotz seiner geringen Baugröße enthält ein Pulsoximeter beachtlich viel Elektronik sozusagen an einem Finger.

Egal, ob die Anwendung ein digitales Röntgensystem, ein Durchflussmesser für die Industrie, Weiße Ware oder ein Gerät für die Durchflusszytometrie ist (Bild 2) - es sind in all diesen Anwendungen die gleichen OPV-Funktionsblöcke wie in einem Pulsoximeter enthalten.