選擇具有最佳平衡點的電化學AFE用于連續(xù)血糖監(jiān)測

糖尿病患者必須持續(xù)監(jiān)測他們的血糖水平，以幫助他們決定何時服用他們需要的藥物來控制他們的病情。直到最近，這通常是使用手持式血糖監(jiān)測儀來完成的，這個過程既具有破壞性又具有侵入性。一種新型的連續(xù)血糖監(jiān)測儀（CGM），位于一次性可穿戴貼片中，監(jiān)測皮膚下的葡萄糖水平。這種技術侵入性較小，可以在需要藥物時立即向佩戴者發(fā)送警報。在本設計解決方案中，我們解釋了CGM中使用的電化學傳感器AFE的作用和功能。然后，我們提出了一種滿足這些要求的微型低功耗電化學AFE IC，使其適用于CGM和其他體液分析應用。

介紹

“追求完美與...糖尿病是不可能的。有太多的東西是你無法控制的，并找到一種方法來保持 在糖尿病打斷你生活的時刻，冷靜和耐心是關鍵。毫無疑問，國際上的話 著名歌手/演員尼克喬納斯，患有1型糖尿病，與其他30+百萬人大聲共鳴 美國所有類型的糖尿病患者 柳葉刀、試紙、血糖監(jiān)測儀、注射器和胰島素泵 只是困擾他們日常生活的一些用具。

值得慶幸的是，最近連續(xù)血糖監(jiān)測儀（CGM）的出現有望在未來進行糖尿病管理 將變得侵入性小得多。在這個設計解決方案中，我們簡要描述了不同類型的糖尿病和 解釋為什么血糖監(jiān)測對患者如何管理病情至關重要。接下來，我們概述主要 CGM的組件，并解釋為什么并非所有電化學傳感器模擬前端IC都適合用于 在最終提出不僅滿足所需標準的電化學傳感器AFE之前，此應用將呈現 用于這種新興的醫(yī)療技術，但具有一些額外的安全性和其他有益功能， 將進一步加強其應用。

什么是糖尿??？

糖尿病（通常簡稱為“糖尿病”）是一種慢性代謝紊亂，由 胰島素的產生或使用不足，胰島素是一種由胰腺產生的激素，允許身體使用和 儲存葡萄糖。隨著時間的推移，未經治療的糖尿病會導致高血糖癥（或血糖升高），從而 對體內的神經、器官和血管造成嚴重損害。該疾病有兩種主要變體。 1型糖尿病（以前稱為胰島素依賴型糖尿?。┩ǔＴ趦和?，青少年和年輕人中診斷出來 成年人，但它可以在任何年齡發(fā)展。在1型糖尿病中，胰腺產生很少或沒有胰島素。 1型糖尿病患者需要每天注射胰島素（或佩戴胰島素泵）以調節(jié) 他們用于能量生產的血糖水平。只有約5%的糖尿病患者患有1型糖尿病。類型 2 糖尿病最常發(fā)生在 45 歲以上的人群中，但越來越多的兒童、青少年和年輕人 成年人也在開發(fā)它。它是由生活方式因素引起的（年齡、飲食、缺乏運動、超重、 藥物），這會干擾身體有效生產和使用胰島素的能力。雖然它可以 通過改變飲食和改變生活方式來管理，它可以發(fā)展到像1型一樣的地步 糖尿病，必須給予胰島素。百分之九十五的糖尿病患者患有2型糖尿病。

血糖監(jiān)測

為了確定何時應該給予胰島素，患者需要監(jiān)測他們的血糖水平。 通常，患者間歇性地收集少量血液樣本（通常通過針刺指尖）并放置 它在“試紙”上，然后將其插入手持式血糖儀（BGM）中。儀表上的結果 顯示器幫助患者確定他們是否需要胰島素。

或者，一種稱為“連續(xù)血糖監(jiān)測儀”的最新創(chuàng)新已被批準 供糖尿病患者用于跟蹤他們的血糖水平。

這種“貼片型”裝置由患者連續(xù)佩戴，通常戴在手臂或腹部（貼片被處理掉） 并在幾天后更換）。它不是使用血液來測量葡萄糖水平，而是通過監(jiān)測 皮膚間質液中的葡萄糖水平。如圖4所示，一個小探頭放置在正下方 皮膚表面進行測量，然后將其無線傳輸到手持式閱讀器或 智能手機。

圖4.CGM 與皮膚接觸的橫截面圖。

該設備的主要優(yōu)點是它允許患者不間斷地連續(xù)監(jiān)測他們的血糖水平，并在他們需要胰島素時通過警報發(fā)出警報。直到最近，這些設備還只是 批準用于手持式監(jiān)護儀的“輔助”（即患者仍需要采集血液樣本） 并使用血糖儀確認CGM的讀數以進行校準）。但是，此要求 此后，一些監(jiān)視器已被移除，這些監(jiān)視器現在被描述為“非輔助”，這意味著 可以僅依靠 CGM 的讀數。預計今后，來自CGM的讀數將是 無線傳輸到胰島素泵，然后胰島素泵將自動從 患者佩戴的便攜式儲液罐，采用閉環(huán)式系統。（盡管胰島素泵目前是 可用，它們通常只有努力控制血糖水平的糖尿病患者才能佩戴 單獨使用注射）。

CGM 組件

CGM 的簡化框圖如圖 6 所示。

圖6.CGM 框圖。

盡管BGM和CGM都通過電化學手段測量葡萄糖水平，但它們需要不同類型的AFE。 BGM中使用的電化學試紙具有電極，其中施加精確的偏置電壓，并帶有 數模轉換器（DAC）和與血液中葡萄糖成比例的電流測量為 試紙上電化學反應的結果。可以有一個或多個通道，并且 電流通常由跨阻放大器（TIA）轉換為電壓，以便用 模數轉換器 （ADC）。試紙的滿量程電流測量值為10μA 至 50μA 范圍，分辨率小于 10nA。需要測量環(huán)境溫度，因為 試紙與溫度有關。最簡單的配置是自偏置試紙（圖 7） 它有兩個電極，其電流在工作電極 （WE） 處測量，公共（或計數器） 電極 （CE） 接地。單個試紙上可以有多個通道，還有其他通道 用于參考測量、初始血液檢測，或確保血液已飽和 反應部位。另一種配置主動驅動兩個電極，并在公共電極處進行測量。

圖7.簡化的自偏置配置的電化學試紙。

電化學阻抗譜

與BGM不同，CGM使用一種稱為電化學阻抗譜（EIS）的技術，該技術增加了交流電壓 到直流電壓以記錄實數和虛部測量值。EIS通常與具有以下傳感器的傳感器一起實現 三個電極，以計數器配置構建（圖8）。在工作時測量電流 電極 （WE），而力檢測電路驅動對電極 （CE） 和參比電極 （RE）。 這種配置有一個重要的優(yōu)點：測試中反應部位的偏置電壓 在整個測量過程中，帶材的設置和維護更加精確。

圖8.簡化的三端子計數器配置。

選擇電化學傳感器AFE

圖9所示的IC可用于雙通道或三通道、交流或直流檢測應用，與類似器件相比具有多個優(yōu)勢。采用單三電極方案時，該AFE的直流偏置電流僅為3.5μA（典型值），直流測量轉換電流僅為7.3μA（典型值），EIS AC測量電流僅為950μA（典型值為80Hz）。它的工作功率（在電池供電中至關重要 CGM應用）比其他電化學AFE低50%至70%。它還在 最寬電源電壓范圍（1.71V 至 5.5V）。該 IC 的其他優(yōu)點包括它來了 為此類器件提供最精確的集成溫度傳感器（±0.5°C，+30°C至+50°C范圍），并具有傳感器檢測模式（確保IC在未檢測到傳感器時以低功耗模式等待）。 獨特的安全功能包括開路測量模式（允許ADC測量通道的三電極電壓，以確保合規(guī)性，同時獨立于傳感器）以及電壓和溫度 監(jiān)視電池。該器件還支持可編程循環(huán)伏安模式和方波 伏安法模式。它采用 25 凸 WLP 和 8.6mm2與類似IC相比，占位面積可節(jié)省近50%的空間，在貼片式器件的有限范圍內至關重要。

圖9.MAX30131超低功耗電化學傳感器AFE。

它還提供雙通道（MAX30132）和四通道（MAX30134）兩種選擇。對于不 需要所有可用通道，未使用的端子可以配置為保護環(huán)（通過 最小化漏電流），如圖10所示。

圖 10.3 端子電化學傳感器，帶可選保護環(huán)、可選熱敏電阻和無線 由紐扣電池供電的接口。

總結

我們已經展示了血糖監(jiān)測在糖尿病患者疾病管理中的重要性，并展示了與BGM相比CGM如何大大簡化這一過程。我們表明CGM需要電化學 傳感器AFE，可以實現稱為EIS的測量技術。最后，我們展示了最小、最低的 提供此功能的功率電化學傳感器AFE IC（及其變體）。帶有一系列額外的 安全特性，這些部件也適用于其他可穿戴電化學傳感應用 （例如汗液傳感器）。

審核編輯：郭婷