醫(yī)療用途的流體測(cè)量、阻抗測(cè)量應(yīng)用及多功能性

作者：Christoph K?mmerer

液體成分和質(zhì)量的測(cè)定在各種應(yīng)用中至關(guān)重要。最突出的例子是水，這是世界上最珍貴的原材料。清潔水和濾水器技術(shù)在世界各地發(fā)揮著重要作用，是生活所必需的。獲得不斷減少的清潔水資源是一個(gè)日益重要的話題。然而，液體測(cè)量的例子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了水——醫(yī)學(xué)中的液體，如血液、唾液和糞便，必須能夠檢測(cè)可能的疾病，因?yàn)樗鼈儗?duì)健康有直接影響。所有這些測(cè)量的共同點(diǎn)是基本的測(cè)量原理 - 阻抗測(cè)量。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹醫(yī)療用途的流體測(cè)量，從而描述阻抗測(cè)量的各個(gè)應(yīng)用以及多功能性。

醫(yī)學(xué)中的流體測(cè)量

醫(yī)學(xué)上最廣為人知的液體測(cè)量是血糖測(cè)量。在這里，試紙上的一滴血足以得出血液中血糖水平的結(jié)論。根據(jù)這個(gè)值，患者可以調(diào)整他或她的藥物或飲食。未來(lái)，發(fā)展應(yīng)從單個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)向持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖水平的連續(xù)測(cè)量方法。這里迫切需要高精度、省電的阻抗測(cè)量。

液體測(cè)量的另一個(gè)應(yīng)用是透析。對(duì)于慢性腎功能衰竭，血液必須過(guò)濾。透析液電導(dǎo)率測(cè)量也通過(guò)阻抗分析完成。例如，通過(guò)這種方式，可以測(cè)量pH、電導(dǎo)率、成分和飽和度。

最后，還測(cè)量患者的糞便和尿液。在這里，對(duì)身體排泄物進(jìn)行調(diào)查，以便得出有關(guān)疾病和違規(guī)行為的結(jié)論。這是一個(gè)相對(duì)較新的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有許多不同的方法和各種各樣的方法。然而，其基礎(chǔ)是通過(guò)電極進(jìn)行阻抗測(cè)量，從而可以得出有關(guān)各種疾病的結(jié)論。例如，除了pH測(cè)量之外，還要進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量。

當(dāng)然，前面描述的測(cè)量并不詳盡。還有更多的流體測(cè)量可用于人類和動(dòng)物的醫(yī)療技術(shù)，例如激素測(cè)量或藥劑測(cè)量。在這里，阻抗方法也很重要。

盡管所有測(cè)量都確定不同的參數(shù)，但它們始終基于阻抗分析。盡管它們有許多面孔，但它們都有一個(gè)共同點(diǎn)——對(duì)支持可穿戴設(shè)備的節(jié)能和節(jié)省空間的解決方案的需求是巨大的。下面介紹不同的阻抗測(cè)量方法。它們部分組合使用，部分單獨(dú)使用，以實(shí)現(xiàn)完整的分析。

不同的阻抗測(cè)量原理

雖然阻抗測(cè)量的基本原理對(duì)于所有應(yīng)用都保持不變，但各個(gè)測(cè)量功能之間仍然存在很大差異。下面將討論最相關(guān)的流體測(cè)量方法。

恒電位儀

最基本和最常用的測(cè)量原理是基于恒電位儀。如圖1所示，恒電位儀測(cè)量和控制工作電極（WE）和參比電極（RE）之間的電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)計(jì)數(shù)器或輔助電極的電流，WE的電位相對(duì)于參比電極保持恒定。

圖1.恒電位儀測(cè)量的測(cè)量原理。

安培

最簡(jiǎn)單的安培測(cè)量形式是對(duì)傳感器施加偏置電壓并測(cè)量響應(yīng)電流。在這里，在RE和WE之間施加恒定電壓，并使用電流-電壓轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將電流曲線轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該電流曲線取決于傳感器和測(cè)量變量。該電路如圖2所示，采用ADuCM355。

圖2.電化學(xué)測(cè)量。

循環(huán)伏安法

伏安法測(cè)量以電化學(xué)方式起作用，電化學(xué)電池的電位緩慢增加，然后線性降低。因此，電位跟隨三角形波形，同時(shí)測(cè)量流過(guò)WE的電流。例如，伏安法用于測(cè)量分析物的半細(xì)胞反應(yīng)性。這種方法是電解的一種形式，產(chǎn)生的電流是還原和氧化的結(jié)果。有了它，可以對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量研究。

電導(dǎo)率測(cè)量

電導(dǎo)率測(cè)量基于液體中歐姆電阻的測(cè)定。為了實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量，將兩個(gè)彼此平行放置的惰性電極浸入液體中，以使用交流電測(cè)量電阻。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，現(xiàn)在可以估計(jì)電解質(zhì)的遷移率、顆粒密度和氧化狀態(tài)，以便對(duì)溶液的濃度得出結(jié)論。

酸堿度測(cè)量

pH測(cè)量基于半電池反應(yīng)的原理，半電池反應(yīng)發(fā)生在電極膜上，與H+離子濃度直接相關(guān)。由此產(chǎn)生電壓，其與pH值呈線性關(guān)系。pH測(cè)量的一個(gè)主要問(wèn)題是pH傳感器具有非常高的串聯(lián)電阻，這對(duì)分析電子設(shè)備提出了很高的要求。

電化學(xué)阻抗分析

電化學(xué)阻抗分析是一種測(cè)量，其中電化學(xué)電池或傳感器的阻抗在整個(gè)系列的不同頻率上測(cè)量。通過(guò)不同頻率上阻抗的變化，可以測(cè)量傳感器的磨損，并相應(yīng)地自動(dòng)調(diào)整信號(hào)鏈。傳感器精度隨時(shí)間（幾天到幾周）的下降在這里是有問(wèn)題的。這會(huì)對(duì)各種測(cè)量的整體精度產(chǎn)生強(qiáng)烈的負(fù)面影響。例如，連續(xù)血糖測(cè)量（CGM）就是這種情況。由于測(cè)量對(duì)健康至關(guān)重要，因此必須持續(xù)檢查傳感器的精度。示例電路如圖3所示。

圖3.電化學(xué)阻抗分析。

前面描述的醫(yī)學(xué)測(cè)量在要求和參數(shù)方面有很大不同，因此分別使用的測(cè)量方法不同。除此之外，還必須執(zhí)行用于補(bǔ)償?shù)臏囟葴y(cè)量以實(shí)現(xiàn)溫度校準(zhǔn)。必須使用多個(gè)傳感器來(lái)補(bǔ)充或提高精度。在分立設(shè)計(jì)中，所有這些測(cè)量都需要較大的電路板面積，并且功耗很高。

如今，特別是在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，人們正在尋求小型、省電和低成本的解決方案，以便將它們插入可穿戴和可用的設(shè)備中。ADI公司開(kāi)發(fā)的ADuCM355正是針對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

ADuCM355—一種尺寸適合所有產(chǎn)品

一種可以整合所有測(cè)量的解決方案是ADuCM355。這種高度集成的芯片由一個(gè)省電模擬前端（AFE）和一個(gè)微控制器組成，微控制器承擔(dān)內(nèi)務(wù)管理和安全功能，如循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。ADuCM355關(guān)鍵元件的框圖如圖4所示。

圖4.ADuCM355的框圖

它以極低的功耗控制電化學(xué)和生物傳感器?；?ARM Cortex-M3 處理器技術(shù)的芯片具有電流、電壓和電阻測(cè)量功能。除了具有輸入緩沖器的16位、400 kSPS多通道SAR ADC、集成抗混疊濾波器（AAF）和可編程增益放大器（PGA）外，它還具有該ADC。電流輸入中的跨阻放大器（TIA）具有可編程增益和負(fù)載電阻，以適應(yīng)不同的傳感器類型。AFE還包含專門為恒電位儀開(kāi)發(fā)的放大器，用于保持相對(duì)于外部電化學(xué)傳感器的恒定偏置電壓。相應(yīng)的輸入通道可通過(guò)ADC上游的輸入多路復(fù)用器進(jìn)行選擇。這些輸入通道包括三個(gè)外部電流輸入、多個(gè)外部電壓輸入和內(nèi)部通道。三個(gè)電壓DAC中的兩個(gè)是雙輸出DAC。DAC上的第一個(gè)輸出控制恒電位儀放大器的同相輸入，而另一個(gè)控制TIA的同相輸入。第三個(gè)DAC（有時(shí)稱為高速DAC）專為用于阻抗測(cè)量的高性能TIA而設(shè)計(jì)。該DAC的輸出頻率范圍高達(dá)200 kHz。ARM Cortex-M3 處理器還具有靈活的多通道直接內(nèi)存訪問(wèn) （DMA） 控制器，該控制器支持兩個(gè)獨(dú)立的串行外設(shè)接口 （SPI） 端口、一個(gè)通用異步接收器/發(fā)射器 （UART） 和一個(gè) I??2C 通信外設(shè)?？梢愿鶕?jù)需要為特定應(yīng)用配置一系列通信外設(shè)。這些外設(shè)包括UART，I2C、兩個(gè) SPI 端口和通用輸入/輸出 （GPIO） 端口。GPIO可以與通用定時(shí)器結(jié)合使用，形成脈寬調(diào)制（PWM）輸出。

進(jìn)一步測(cè)量

用于上述測(cè)量的大多數(shù)傳感器都可以通過(guò)ADuCM355輸入直接操作。例如，這適用于恒電位儀測(cè)量，例如葡萄糖測(cè)量。相比之下，更精確的測(cè)量（如電導(dǎo)率或pH值）需要一個(gè)擴(kuò)展的信號(hào)鏈，因此需要一個(gè)外部芯片，如LTC6078。它增加了輸入阻抗，使其適應(yīng)傳感器的高輸出阻抗，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的讀數(shù)。除了前面描述的測(cè)量之外，還需要測(cè)量溫度，以便補(bǔ)償傳感器的波動(dòng)。擴(kuò)展測(cè)量原理如圖5所示。通過(guò)更大的信號(hào)鏈，ADuCM355可以讀取電壓和電流。如圖所示電路所示，可以檢測(cè)到小于100 Ω至10 MΩ的阻抗。大測(cè)量范圍可以覆蓋醫(yī)學(xué)所需的完整阻抗譜。高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于電導(dǎo)率測(cè)量尤其重要，以便可以測(cè)量各種濃度。

圖5.使用ADuCM355測(cè)量pH、溫度和電導(dǎo)率的電路。

結(jié)論

雖然各種液體的測(cè)量以阻抗測(cè)量為基本原理，但它們?nèi)匀槐舜瞬煌?。例如，必須連接不同的傳感器才能記錄不同的參數(shù)。一方面，為了滿足這種多功能性，另一方面又適應(yīng)小型節(jié)能設(shè)備的增長(zhǎng)趨勢(shì)，迫切需要一種智能解決方案。ADuCM355不僅滿足所有這些要求，而且還充當(dāng)了用于醫(yī)學(xué)阻抗測(cè)量的瑞士軍刀。事實(shí)上，除了流體測(cè)量之外，該IC還可以進(jìn)行醫(yī)學(xué)中的其他阻抗測(cè)量，例如體脂分析或皮膚阻抗。此外，由于其多功能性，它還可以測(cè)量電化學(xué)氣體，如CO或CO2使用正確的傳感器。這使得ADuCM355成為用于阻抗測(cè)量的一體化封裝。

審核編輯：郭婷