醫療領域的液體測量

 

醫(yi)療(liao)領(ling)域(yu)最(zui)廣(guang)為(wei)人(ren)知(zhi)的(de)液(ye)體(ti)測(ce)量(liang)是(shi)血(xue)糖(tang)測(ce)量(liang)。在(zai)試(shi)紙(zhi)上(shang)滴(di)一(yi)滴(di)血(xue)就(jiu)能(neng)夠(gou)測(ce)出(chu)血(xue)液(ye)中(zhong)的(de)血(xue)糖(tang)水(shui)平(ping)。患(huan)者(zhe)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)這(zhe)個(ge)值(zhi)來(lai)調(tiao)節(jie)自(zi)身(shen)的(de)藥(yao)物(wu)或(huo)飲(yin)食(shi)。未(wei)來(lai)
，測(ce)量(liang)會(hui)逐(zhu)步(bu)從(cong)單(dan)次(ci)測(ce)量(liang)向(xiang)持(chi)續(xu)測(ce)量(liang)發(fa)展(zhan)，以(yi)不(bu)斷(duan)監(jian)測(ce)血(xue)糖(tang)水(shui)平(ping)。因(yin)此(ci)
，急(ji)需(xu)高(gao)度(du)準(zhun)確(que)且(qie)節(jie)能(neng)的(de)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)。

 

另(ling)一(yi)項(xiang)液(ye)體(ti)測(ce)量(liang)應(ying)用(yong)是(shi)透(tou)析(xi)。慢(man)性(xing)腎(shen)衰(shuai)竭(jie)患(huan)者(zhe)需(xu)要(yao)過(guo)濾(lv)血(xue)液(ye)。透(tou)析(xi)液(ye)體(ti)電(dian)導(dao)率(lv)測(ce)量(liang)也(ye)是(shi)通(tong)過(guo)阻(zu)抗(kang)分(fen)析(xi)來(lai)完(wan)成(cheng)。通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)，可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)pH值、電導率、成分和飽和度。

 

最(zui)後(hou)，測(ce)量(liang)患(huan)者(zhe)的(de)糞(fen)便(bian)和(he)尿(niao)液(ye)。通(tong)過(guo)檢(jian)查(zha)人(ren)體(ti)排(pai)泄(xie)物(wu)，可(ke)以(yi)確(que)定(ding)是(shi)否(fou)患(huan)病(bing)和(he)出(chu)現(xian)異(yi)常(chang)。這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)相(xiang)對(dui)較(jiao)新(xin)的(de)醫(yi)療(liao)領(ling)域(yu)
，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)多(duo)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)方(fang)式(shi)方(fang)法(fa)。但(dan)是(shi)，這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)都(dou)是(shi)基(ji)於(yu)對(dui)電(dian)極(ji)實(shi)施(shi)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)，從(cong)而(er)得(de)出(chu)關(guan)於(yu)各(ge)種(zhong)疾(ji)病(bing)的(de)結(jie)論(lun)。例(li)如(ru)，除(chu)了(le)實(shi)施(shi)pH值測量外，還會進行電導率測量。

 

dangran，zhiqianmiaoshudeceliangbingbuquanmian。zaimianxiangrenleihedongwudeyiliaojishuzhong
，haikeshiyongduozhongyeticeliang，lirujisucelianghuoyaojiceliang。duiyuzhexieceliang，zukangceliangfangfayehenzhongyao。

 

雖然所有測量都用於確定不同的參數，但它們始終以阻抗分析為基礎。這些測量雖然各有不同，但有一點是共同的：都迫切需要節能、節(jie)省(sheng)空(kong)間(jian)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，以(yi)支(zhi)持(chi)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)。下(xia)麵(mian)介(jie)紹(shao)幾(ji)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)。它(ta)們(men)一(yi)部(bu)分(fen)組(zu)合(he)使(shi)用(yong)，一(yi)部(bu)分(fen)單(dan)獨(du)使(shi)用(yong)，以(yi)便(bian)進(jin)行(xing)完(wan)整(zheng)分(fen)析(xi)。

 

不同的阻抗測量原理

 

雖(sui)然(ran)對(dui)於(yu)所(suo)有(you)應(ying)用(yong)，阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)都(dou)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)

，但(dan)單(dan)次(ci)測(ce)量(liang)的(de)功(gong)能(neng)仍(reng)然(ran)存(cun)在(zai)很(hen)大(da)差(cha)別(bie)。下(xia)麵(mian)
，我(wo)們(men)將(jiang)討(tao)論(lun)與(yu)液(ye)體(ti)測(ce)量(liang)最(zui)為(wei)相(xiang)關(guan)的(de)方(fang)法(fa)。

 

恒電勢器

 

最基本和常用的測量原理是基於恒電勢器。如圖1所示，恒電勢器測量和控製工作電極(WE)和參考電極(RE)之間的電壓。通過調節流過計數器或輔助電極的電流，工作電極的電勢相對於參考電極保持恒定。

 

圖1.恒電勢器測量的測量原理

 

電流測量

 

最簡單的電流測量方法是對傳感器施加偏置電壓並測量響應電流。其中，在RE和WE之間施加一個恒定電壓
，然後使用電流-電壓轉換器和模數轉換器(ADC)將電流剖麵轉換為數字信號。這個電流剖麵取決於傳感器和被測變量。圖2利用ADuCM355描述了這個電路。

 

圖2.電流測量

 

循環伏安法

 

伏安法測量為電化學測量，其中電化學電池的電勢緩慢上升，然後呈線性下降。因此，測量流經WEdedianliushi
，dianweichengsanjiaoxingboxingbianhua。liru
，fuanfabeiyongyuceliangfenxiwudebanxibaofanyinghuoxing。zhezhongfangfashiyizhongdianjiexingshi，chanshengdedianliuyuanyuyanghuahehaiyuan。caiyongzhezhongfangfakeyiduiyangbenjinxingdingxinghedingliangyanjiu。

 

電導率測量

 

電(dian)導(dao)率(lv)測(ce)量(liang)以(yi)液(ye)體(ti)中(zhong)確(que)定(ding)的(de)歐(ou)姆(mu)電(dian)阻(zu)為(wei)基(ji)礎(chu)。實(shi)施(shi)這(zhe)種(zhong)測(ce)量(liang)時(shi)

，需(xu)要(yao)將(jiang)兩(liang)個(ge)並(bing)行(xing)放(fang)置(zhi)的(de)惰(duo)性(xing)電(dian)極(ji)浸(jin)入(ru)液(ye)體(ti)之(zhi)中(zhong)

，以(yi)測(ce)量(liang)交(jiao)流(liu)電(dian)阻(zu)。在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)，可(ke)以(yi)估(gu)算(suan)電(dian)解(jie)液(ye)的(de)流(liu)動(dong)性(xing)、顆粒密度和氧化狀態
，從而得出溶液的濃度。

 

pH值測量

 

pH值測量基於半電池反應原理，半電池反應發生在電極膜上，與H+離子的濃度直接相關。這種勢差導致產生電壓，後者與pH值呈線性關係。對於pH值測量
，存在的主要問題是pH傳感器具有非常高的串聯電阻，因此對分析電子設備的要求非常高。

 

電化學阻抗分析

 

duiyudianhuaxuezukangfenxi，qizhongdianhuaxuedianchihuochuanganqidezukangshizaisuoyoubutongpinlvzhongceliang。tongguobutongpinlvxiazukangdebianhua，celiangchuanganqimosun，bingzidongtiaozhengxinhaolian。caiyongzhezhongceliangshi，chuanganqijingdusuishijian（幾天至幾周）下降
，這是個問題。這可能嚴重影響到各種測量值的整體精度。例如，連續血糖測量(CGM)就會出現這種問題。由於測量對健康至關重要，所以需要不斷檢查傳感器的精度。示例電路如圖3所示。

 

圖3.電化學阻抗分析

 

前(qian)麵(mian)描(miao)述(shu)的(de)醫(yi)療(liao)測(ce)量(liang)在(zai)要(yao)求(qiu)和(he)參(can)數(shu)方(fang)麵(mian)有(you)很(hen)大(da)的(de)不(bu)同(tong)，因(yin)此(ci)分(fen)別(bie)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)。此(ci)外(wai)，還(hai)必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)
，以(yi)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)並(bing)校(xiao)準(zhun)溫(wen)度(du)。為(wei)了(le)補(bu)充(chong)或(huo)提(ti)高(gao)精(jing)度(du)，必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)。在(zai)離(li)散(san)設(she)計(ji)中(zhong)，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)都(dou)需(xu)要(yao)很(hen)大(da)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)和(he)很(hen)高(gao)的(de)功(gong)耗(hao)。

 

如今
，尤其是在醫療技術領域
，人們都在尋求體積小、節能和低成本的解決方案
，以便將它們植入可穿戴設備和可用設備中。ADI針對這些設計挑戰開發了ADuCM355。

 

ADuCM355—通用解決方案

 

ADuCM355解決方案可以統一實施所有測量。這種高度集成的芯片包含一個節能模擬前端(AFE)和一個微控製器

，後者承擔管理和安全功能
，例如循環冗餘校驗(CRC)。圖4所示的框圖顯示了ADuCM355的關鍵組件。

 

圖4.ADuCM355框圖

 

它以極低的功耗控製電化學和生物傳感器。這款基於ARM® Cortex®-M3處理器技術的芯片具有電流、電壓和電阻測量功能。除了一個具有帶輸入緩衝器的16位400 kSPS多通道SAR ADC以外
，還具有集成式抗混疊濾波器(AAF)和可編程增益放大器(PGA)。電流輸入中的跨阻放大器(TIA)具有可編程增益和負載電阻，支持不同的傳感器類型。AFE還包含專門針對恒電勢器設計的放大器

，以相對於外部電化學傳感器保持恒定的偏置電壓。可以通過ADC上遊的輸入多路選擇模塊選擇相應的輸入通道。這些輸入通道包括三個外部電流輸入、多個外部電壓輸入和內部通道。三個電壓DAC中有兩個是雙輸出DAC。DAC的第一個輸出可控製恒電勢器放大器的同相輸入，另一個控製TIA的同相輸入。第三個DAC（有時被稱為高速DAC）針對用於阻抗測量的高性能TIA而設計。此DAC的輸出頻率範圍高達200 kHz。ARM Cortex-M3處理器還具有靈活的多通道直接存儲器訪問(DMA)控製器，支持兩個獨立的串行外設接口(SPI)端口、通用異步接收器/發射器(UART)和I2C通信外設。可以根據需要為特定應用配置一係列通信外設。這些外設包括UART、I2C
、兩個SPI端口和通用輸入/輸出(GPIO)端口。這些GPIO可以與通用定時器相結合，生成脈衝寬度調製(PWM)輸出。

 

進一步測量

 

大多數用於所述測量的傳感器可以通過ADuCM355輸入直接操作。例如
，用於恒電勢器測量，如血糖測量。與此相對，實現更準確的測量（例如電導率和pH值）需要用到擴展信號鏈，所以也需要采用外部芯片，例如LTC6078。它ta增zeng加jia了le輸shu入ru阻zu抗kang，以yi適shi應ying傳chuan感gan器qi的de高gao輸shu出chu阻zu抗kang，從cong而er獲huo得de準zhun確que的de讀du數shu。除chu了le前qian麵mian描miao述shu的de測ce量liang以yi外wai，還hai需xu要yao測ce量liang溫wen度du，以yi補bu償chang傳chuan感gan器qi的de波bo動dong。擴kuo展zhan測ce量liang原yuan理li如ru圖tu5所示。借助較大的信號鏈

，ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中，可以檢測到範圍小於100 Ω至10 MΩ的阻抗。較大的測量範圍可以覆蓋醫療領域所需的整個阻抗圖譜。對於電導率測量，高動態範圍特別重要，如此可以測量多種濃度。

 

圖5.使用ADuCM355測量pH值、溫度和電導率的電路

 

結論

 

雖sui然ran不bu同tong的de液ye體ti測ce量liang都dou以yi阻zu抗kang測ce量liang為wei基ji本ben原yuan理li，但dan它ta們men之zhi間jian仍reng然ran存cun在zai差cha異yi。例li如ru，必bi須xu連lian接jie不bu同tong的de傳chuan感gan器qi來lai記ji錄lu不bu同tong的de參can數shu。一yi方fang麵mian要yao滿man足zu這zhe種zhong通tong用yong性xing
，另ling一yi方fang麵mian又you要yao適shi應ying采cai用yong小xiao型xing節jie能neng設she備bei的de發fa展zhan趨qu勢shi，所suo以yi迫po切qie需xu要yao一yi種zhong智zhi能neng解jie決jue方fang案an。ADuCM355不僅滿足所有這些要求，還可以在醫療領域用來測量阻抗，就像瑞士軍刀一樣，具備多種用途。事實上，這個IC除(chu)了(le)進(jin)行(xing)液(ye)體(ti)測(ce)量(liang)外(wai)，還(hai)支(zhi)持(chi)在(zai)醫(yi)療(liao)領(ling)域(yu)進(jin)行(xing)其(qi)他(ta)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)，例(li)如(ru)
，體(ti)脂(zhi)分(fen)析(xi)或(huo)皮(pi)膚(fu)阻(zu)抗(kang)。此(ci)外(wai)，因(yin)為(wei)具(ju)有(you)通(tong)用(yong)性(xing)，它(ta)還(hai)可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)電(dian)化(hua)學(xue)氣(qi)體(ti)，例(li)如(ru)采(cai)用(yong)正(zheng)確(que)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)CO或CO2。因此
，ADI公司的ADuCM355是一款實施阻抗測量的通用解決方案。

 

作者簡介

 

自2015年2月至今，Christoph Kämmerer一直在德國ADI公司任職。他於2014年畢業於埃爾朗根-紐倫堡大學，獲得物理學碩士學位。他曾在利默裏克市ADI公司擔任工藝開發實習生。2016年12月培訓生項目結束後，Christoph正式成為ADI公司的現場應用工程師
，專門針對新興應用領域。聯係方式：christoph.kaemmerer@analog.com。

 

 

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