ADI電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)在醫(yī)療保健應(yīng)用中的應(yīng)用

近年來(lái)，電子技術(shù)的進(jìn)步使醫(yī)療保健行業(yè)的許多創(chuàng)新和改進(jìn)成為可能。醫(yī)療設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)包括開(kāi)發(fā)新的診斷和治療方法，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和家庭醫(yī)療保健設(shè)備，提高質(zhì)量和可靠性，以及增強(qiáng)靈活性和易用性。

40多年來(lái)，ADI公司全面的線性、混合信號(hào)、MEMS和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)品組合幫助儀器儀表、成像和患者監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域的醫(yī)療保健設(shè)計(jì)有所作為。本文將重點(diǎn)介紹電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）技術(shù)，該技術(shù)可在醫(yī)療保健應(yīng)用中使用高性能電容檢測(cè)。

電容式觸摸傳感器控制器——一種新穎的用戶(hù)輸入法

電容式觸摸傳感器以按鈕、滑塊、滾輪或其他類(lèi)似于圖 1 所示示例的形式提供用戶(hù)界面。

圖1.觸摸傳感器布局示例。

每個(gè)藍(lán)色幾何區(qū)域代表印刷電路板 （PCB） 上的傳感器電極，該電極形成虛擬電容器的一個(gè)板。另一塊板由用戶(hù)的手指形成，該手指相對(duì)于傳感器輸入基本上接地。AD7147/AD7148電容觸摸?控制器系列設(shè)計(jì)用于激活電容式觸摸傳感器并與之連接，可測(cè)量單電極傳感器的電容變化。該器件首先輸出激勵(lì)信號(hào)，為電容器的極板充電。當(dāng)用戶(hù)的手指等物體靠近傳感器時(shí)，將形成虛擬電容器，用戶(hù)充當(dāng)?shù)诙€(gè)電容器板（圖 2）。電容使用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）測(cè)量。

圖2.電容感應(yīng)圖示和典型響應(yīng)。

CDC能夠感測(cè)外部傳感器的電容變化，并使用此信息來(lái)記錄傳感器激活。AD7147和AD7148分別具有13個(gè)和8個(gè)電容傳感器輸入，具有片內(nèi)校準(zhǔn)邏輯，可補(bǔ)償周?chē)h(huán)境變化引起的測(cè)量變化，從而確保外部傳感器上不會(huì)因溫度或濕度變化而產(chǎn)生誤觸發(fā)。

AD7147和AD7148提供各種工作模式、用戶(hù)可編程轉(zhuǎn)換序列和非常靈活的控制功能。這些功能使其成為高分辨率觸摸傳感器功能（如滑塊或滾輪）的理想選擇，軟件要求最低。此外，按鈕傳感器應(yīng)用可以完全由片上數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)，無(wú)需任何軟件。

電容檢測(cè)和測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)

電容是電容器在電場(chǎng)中存儲(chǔ)能量的能力。在其標(biāo)稱(chēng)形式（平行板電容器）中，電容C是給定電壓V下存儲(chǔ)在電容器中的電荷Q的量度，計(jì)算公式為：

電容檢測(cè)和測(cè)量技術(shù)的本質(zhì)如圖3所示，用于平行板電容器。

圖3.測(cè)量平行板電容器的電容。

平行板電容器由兩個(gè)導(dǎo)體（金屬板）組成，其特點(diǎn)是

導(dǎo)體面積，a × b

兩個(gè)導(dǎo)體板之間的距離 d

兩個(gè)導(dǎo)體之間的介電材料，其特征在于介電常數(shù)，εr

基于此幾何形狀的電容計(jì)算公式為

哪里ε0是自由空間的介電常數(shù)。

CDC器件對(duì)電容器的一板施加激勵(lì)并測(cè)量電容器中存儲(chǔ)的電荷;然后，數(shù)字結(jié)果可用于外部主機(jī)。四種類(lèi)型的電容傳感器（如圖4所示）根據(jù)施加激勵(lì)的方式進(jìn)行區(qū)分。

圖4.傳感器電氣配置。

因?yàn)閭鞲衅麟娙萦?a、b、d 和εr，改變這些參數(shù)的值，或觀察其值的變化，使CDC技術(shù)可用于直接電容值測(cè)量，以及許多其他類(lèi)型的應(yīng)用，具體取決于傳感器類(lèi)型。例如，如果 a、b 和εr是恒定的，CDC輸出與兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離成反比。

應(yīng)用

AD714x、AD715x和AD774x系列CDC產(chǎn)品適合各種應(yīng)用，涉及各種采樣速率、分辨率、輸入范圍和輸入傳感器類(lèi)型。雖然電容傳感的可能應(yīng)用僅受用戶(hù)創(chuàng)造力的限制，但這里有一些在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用想法。

液位監(jiān)測(cè)

在許多應(yīng)用中，例如輸血，必須測(cè)量使用的液體量，或者必須在輸液瓶清空之前關(guān)閉流量。為了節(jié)省醫(yī)務(wù)人員的時(shí)間，自動(dòng)液位傳感可以幫助消除手動(dòng)檢查的需要。

液位傳感的基本原理如圖5所示。構(gòu)建一個(gè)平行板電容器，其板緊緊地粘附在輸液瓶的外壁上，并延伸到瓶子底部附近。隨著輸液液位的變化，板之間的介電材料量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電容的變化。為了允許使用具有不同介電常數(shù)的各種輸液物質(zhì)，位于底部附近的第二個(gè)電容式傳感器充當(dāng)參考通道以產(chǎn)生比率測(cè)量。

圖5.液位傳感。

24位AD7746具有兩個(gè)電容測(cè)量通道，可用于此類(lèi)應(yīng)用。

電極與人體之間的連接檢測(cè)

對(duì)于打算在人體皮膚附近運(yùn)行的設(shè)備，例如圖6所示的設(shè)備，在激活設(shè)備或進(jìn)行測(cè)量之前，獲得有關(guān)設(shè)備表面積與患者皮膚之間接觸質(zhì)量的信息通常是有益的。最終用途的范圍可能包括需要齊平放在皮膚上的醫(yī)用探頭、生物電勢(shì)電極傳感器或?qū)?dǎo)管固定到位的外殼。為了獲得這些額外的信息，可以在制造過(guò)程中的注塑階段將幾個(gè)電容式傳感器電極（以藍(lán)色顯示）直接嵌入設(shè)備的塑料外殼中。一旦電極信息可用，就可以應(yīng)用在主控制器上運(yùn)行的簡(jiǎn)單算法來(lái)確定所有傳感器電極是否與皮膚正確接觸。

圖6.使用電容式傳感器電極的設(shè)備。

圖6所示的示例以非常規(guī)方式使用電容式傳感器：用戶(hù)將包含電容式傳感電極的設(shè)備放置在人體上，與傳統(tǒng)的電容式傳感人機(jī)界面應(yīng)用相反，在傳統(tǒng)的電容式傳感人機(jī)界面應(yīng)用中，人通常通過(guò)手指觸摸開(kāi)始與傳感器電極接觸。使用AD7147/AD7148開(kāi)發(fā)圖6所示的應(yīng)用類(lèi)型相當(dāng)簡(jiǎn)單。

汗液檢測(cè)

在一些醫(yī)療和健身測(cè)試設(shè)備中，需要測(cè)量人體的汗液。這通常通過(guò)測(cè)量皮膚的電導(dǎo)率來(lái)完成。但是，如果需要在沒(méi)有電接觸的情況下進(jìn)行測(cè)量，則可以通過(guò)使用電容傳感器檢測(cè)人體附近的濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。

當(dāng)人們出汗時(shí)，靠近人體皮膚的濕度（介電常數(shù)）增加;該附近的非接觸式電極可用于測(cè)量由此產(chǎn)生的電容變化。

添加第二個(gè)電容傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境濕度并將其用于共模補(bǔ)償可能很有用。

呼吸頻率測(cè)量

呼吸頻率測(cè)量是患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)重要模塊。

在一種方法中，如圖7所示，將激發(fā)板放在患者的背部，而傳感器電極帶固定在患者胸部的右側(cè)。當(dāng)肺部充滿(mǎn)和排空時(shí)，由此產(chǎn)生的胸部運(yùn)動(dòng)會(huì)改變兩個(gè)板之間的距離。介電常數(shù)也會(huì)因?yàn)楹粑^(guò)程中復(fù)雜的生理活動(dòng)而發(fā)生變化。這些電容變化可以通過(guò)CDC設(shè)備測(cè)量。

圖7.呼吸頻率測(cè)量。

傳感器電極放置在受試者胸部右側(cè)的原因是，這個(gè)位置受到其他生理活動(dòng)的影響最小。然而，通過(guò)將多個(gè)傳感器電極放在患者胸部的不同位置，可以獲得有關(guān)身體機(jī)能的更多信息。這可能是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的有趣話題。

血壓測(cè)量

在使用充氣袖帶的血壓測(cè)量應(yīng)用中，一項(xiàng)重要任務(wù)是測(cè)量空氣閥處的壓力。電容式傳感器可以很容易地用于這種壓力傳感應(yīng)用。

如圖8所示，壓力傳感器的隔膜基本上由兩個(gè)電容板制成。當(dāng)壓力施加到傳感器時(shí)，電容板會(huì)靠得更近。板之間的距離減小增加了電容。

溫度傳感器可用于檢測(cè)傳感器的溫度變化，以補(bǔ)償其特性隨溫度的變化。AD774x系列內(nèi)置一個(gè)用于測(cè)量片內(nèi)溫度的溫度傳感器，以及一個(gè)額外的ADC電壓通道，可用于測(cè)量傳感器現(xiàn)場(chǎng)的溫度。

圖8.使用電容式傳感器進(jìn)行壓力感應(yīng)。

結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了ADI公司CDC技術(shù)的進(jìn)步，暗示了CDC技術(shù)在醫(yī)療保健應(yīng)用中的巨大潛力。然而，傳感器設(shè)計(jì)（包括圖案、尺寸和位置）、相關(guān)的詳細(xì)電子電路設(shè)計(jì)，以及對(duì)深入研究、綜合實(shí)驗(yàn)和有效測(cè)試的需求，都嚴(yán)重依賴(lài)于每個(gè)應(yīng)用的性質(zhì)，因此我們只是希望通過(guò)提出一些可能性來(lái)激發(fā)創(chuàng)造力。

審核編輯：郭婷