作者：Jan-Hein Broeders
誰不熟悉歐姆定律？對於直流電壓，它指出通過兩點之間導體的電流與這兩點上的電壓成正比。換句話說，導體的電阻是恆定的，與電流無關。對於交流電壓，情況完全改變並變得更加複雜。電阻變為阻抗，定義為頻域中的電壓和電流比。幅度或實部表示電壓和電流之間的比率，其中相位或虛部是電壓和電流之間相移的量度。
在醫療行業中，有許多應用阻抗測量的用例。該技術可用於廣泛的應用，例如檢索某些人體參數、檢測疾病或分析血液或唾液等液體。儘管這些用例具有共同的阻抗測量，但它們都有自己的一組關鍵要求。
Analog Devices 開發了一個名為 AD594x 的新阻抗測量系列。它非常準確，並具有多種功率模式，可支援抽查或連續測量。在本文中，您將瞭解該晶元的特性及其主要應用。
引言和重點
用於阻抗分析的晶元相對較新。大約 15 年前，Analog Devices 推出了 AD5933 / AD5934 ，這是第一個阻抗分析晶片系列。第二代產品稱為 ADuCM350，於 2015 年推出。這兩個系列都在大批量銷售，但它們並不總是支援當今較新應用的最佳解決方案。隨著可穿戴設備和電池供電系統的趨勢，主要挑戰是以盡可能小的外形尺寸和非常低的功耗滿足所需的性能水準。AD594x 的開發旨在支援當今的可穿戴市場，並滿足所有關鍵要求，包括高精度、小尺寸和低功耗。
AD594x（圖 1）是一款多功能阻抗分析儀，專為醫療和工業類型應用量身定製。類比前端是完全可配置的，並且可以進行修改以支援各種不同的用例，包括皮膚電活動 （EDA） 或皮膚電反應 （GSR）、身體阻抗分析、水合作用測量和生化測量。本文重點介紹醫療相關應用，但 AD594x 也可用於工業應用，例如有毒氣體分析、PH 測量、電導率或水質測量。
圖 1.AD594x的高級框圖。
EDA/GSR 的相對測量
可以採用 2 線測量原理來測量相對阻抗或阻抗變化。其中一個目標應用是通過皮膚電活動或皮膚電反應來監測壓力或心理健康。監測精神狀態或壓力很重要，因為隨著時間的推移，壓力情況可能會導致糖尿病、心臟病或癌症等慢性疾病。在精神變化或人們感到壓力時，人體的交感神經系統會激活皮膚中的汗腺。這種效應會增加皮膚電導率，從而導致阻抗下降。
皮膚阻抗監測是一種伏安法測量。在未知阻抗（在本例中為皮膚）上施加激勵信號，並測量阻抗兩端的電壓。交替測量通過阻抗的電流，並對 ADC 結果執行 DFT 以計算阻抗變化。圖 2 顯示了 EDA 或 GSR 測量的高電平測量原理。此測量是在接近直流的激勵頻率下進行的。建議使用低頻激勵而不是使用直流電壓進行測量，以防止電極極化並消除對人體組織的傷害。通常，採用最高 200 Hz 的激勵頻率，因為更高的頻率會滲透到體內，而不僅僅是在皮膚表面進行測量。根據電極在人體上的位置，電導率的變化會隨著某人的情緒或精神狀態而變化。
圖 2.EDA 或 GSR 測量原理。
阻抗變化與精神壓力沒有直接的方程式，因此通常這種測量與其他測量（如心率和/或心率變異性）同時進行。需要一種演算法來獲取各種測量的結果，以將其轉換為應力水準的測量。應力 EDA/GSR 技術需要 24/7 全天候連續測量，而 AD59xx 就是為此而設計的。在 4 Hz 的輸出數據速率下，功耗為 <80 μA。EDA/GSR 測量還用於睡眠分析等應用。
用於體阻抗分析的 4 線測量
在醫療應用中，一種流行的阻抗測量類型是生物阻抗分析 （BIA）。BIA 是一種 4 線測量原理，這種配置支援需要絕對精度的應用。AD59xx 能夠支援接收頻寬高達 50 kHz、信噪比 （SNR） 為 100 dB 的應用。最常見的 4 線 BIA 應用之一是身體成分測量，其中測量無脂肪品質。然而，這種設置也可用於監測人體中的水量或通過生物阻抗譜測量心臟行為。測量原理都是相同的，但是我們可以通過改變交流激勵頻率和電極在人體上的位置來改變用例。圖 3 顯示了 4 線測量原理的設置。此設置中的未知 Z 代表人體。將電壓推至被測阻抗，使其達到一定的共模電位，同時施加交流激勵電壓，並使用高速跨阻放大器測量回應電流。阻抗最終可以計算為 Z = VCOMMON /I。
圖 3.用於人體阻抗分析的 4 線測量。
在圖 3 的框圖中，您可以看到阻抗通過電阻器和電容器與測量前端隔離。電阻器限制了可以流過身體的最大電流。CISO 確保不會在電極和接地之間或與其他電極之間產生直流信號。這是達到醫療安全標準（如 IEC 60601）的要求之一。
如前所述，電極在人體上的位置以及激發頻率將代表所進行的測量。高達幾百赫茲的低頻留在皮膚表面，而高頻則深入人體內部。對於一個健康人來說，他們總體重的大約 60% 由水組成。體內總水分的三分之一是細胞外液 （ECF），其餘的存在於細胞結構（細胞間液）內。由於細胞結構的電氣模型，將通過細胞外液測量高達 50 kHz 的交流電。較高的頻率超出細胞範圍，可以測量細胞內液。根據電極位置、激發頻率和用於解釋阻抗測量的演算法，可以確定身體成分，例如全身脂肪的百分比或體內水分量（用於測量脫水）。AD59xx 能夠支援這些應用中的每一個。在某些用例中，使用單頻激勵，而在其他應用中，則使用多個頻率或頻率掃描。此外，測量次數的頻率可能不同。如果每天或每周測量一次身體成分，通常會連續測量脫水。對於連續測量，功耗非常關鍵，這就是為什麼 AD59xx 的靈活性具有很大優勢的原因。
AD59xx 的其他應用包括根據胸阻抗測量呼吸速率、通過經胸阻抗測量進行逐次心輸出量監測，或阻抗測量以估計膀胱容量。
AD59xx 用於生化測量
生化分析是AD59xx的另一項應用。該技術在感測器上使用安培/恆電位儀類型的測量，該感測器類比典型的電化學電池。感測器通常是帶有試劑的試紙，您可以在其中應用被測材料的樣品。任何可以被氧化或還原的分析物都是安培測量的候選物。對於醫療應用，可以分析各種人體液體樣本，例如血液、尿液或唾液。該系統需要一個（可程式設計的）電流源和一個恒電位儀放大器。最簡單的安培測量形式是通過在感測器上施加階躍回應電壓來完成的，這會導致化學反應。使用跨阻放大器，測量電流作為反應的參考。除了前面提到的 2 線技術外，AD59xx 還能夠支援 3 線和 4 線安培測量技術。
由於測量技術始終相同，因此試紙可確定被測樣品。血糖測量是最受歡迎的一種，常用於糖尿病患者的生化測量。在 3 線配置中，電化學池由一個發生反應的工作電極 （WE）、一個保持恆定電位的參比電極 （RE） 和一個提供反應電流的對電極 （CE） 組成。圖 4 顯示了此設定的框圖。
圖 4.3 線生化分析儀的框圖。
電化學工作站在 WE 和 RE 之間提供所需的電池電位 VCELL，並測量 WE 和 CE 之間的反應電流。一種趨勢是擺脫血糖抽查測量，轉而使用連續血糖監測 （CGM）。該血糖儀持續測量血糖水準並將數據發送到胰島素泵。然後，泵將所需劑量的胰島素分配到體內。這種人工胰腺技術改善了糖尿病患者的生活。該系統不是由人在白天觀察血糖水準，而是完全獨立運行，無需任何人工參與。AD59xx 非常適合這種應用，因為它具有非常高的精度和超低功耗，並且可以執行所有必需的安全檢查。圖 4 中的系統具有三個主要功能：生化 AFE、微控制器和專用電源管理晶片。在不久的將來，AFE 將整合到 MCU 中，以減少整體電路板空間。
除了糖尿病，許多其他疾病以及藥物和激素都可以用這項技術進行測試。在工業應用中，該技術主要用於氣體感測和流體分析。
AD59xx 特性和主要規格
AD59xx 是一款高精度類比前端 （AFE），專為基於電化學的測量技術而設計，例如電流、電壓和阻抗測量。前端具有超低功耗模式，可支援便攜式和電池供電系統。與此同時，該晶元能夠支援主要在臨床和實驗室環境中找到的高性能和基於診斷的應用。
AD59xx 圍繞三個主要構建模塊設計：輸入接收信號鏈、波形發生器和發射通道，以及具有離散傅里葉變換 （DFT） 引擎的定序器，用於測量複數阻抗。根據用例，帶有接收器通道的激勵環路可以進行不同的配置。對於需要感測器激勵範圍為 DC 至 200 Hz 的應用，可以使用低功耗 DAC 和低雜訊恒電位儀放大器。對於需要更高激勵頻率（高達 200 kHz）的應用，使用集成的高速 DAC。DAC 可以生成正弦和梯形激勵波形。對於每種模式，低功耗或高速，都集成了專用的跨阻放大器。每個都有一個可程式設計跨阻放大器，以支援各種感測器，這些感測器可以連接到 AFE。TIA 的輸出可以多路復用到輸入接收通道的第二級。此時，還可以測量輔助通道，例如外部電壓和電流或內部診斷信號，例如電源電壓、晶元溫度或參考電壓。該多路複用器用作通道選擇器，其輸出通過緩衝器、可程式設計增益放大器和抗混疊濾波器連接到16位、800 kSPS逐次逼近寄存器 （SAR） ADC。
結論
可穿戴電子產品、醫療領域中雲連接系統和物聯網是我們幾乎每天都會遇到的術語。感測是所有這些系統中非常重要的方面，而阻抗測量是更值得注意的感測類型之一。AD59xx 專為滿足當今需求而開發。它是一個高性能和靈活的類比前端，專為阻抗分析、生化和電化學應用而設計。高精度、超低功耗和小尺寸的組合開闢了過去難以解決的廣泛新市場和應用。特別是對於便攜式和電池供電的系統，該系列微型設備帶來了巨大的優勢。AD59xx 系列可與單導聯心電圖前端 AD8233 無縫協作。兩種晶元都可以在主/從配置中工作，其中可以通過對人體使用同一組電極來執行阻抗和 ECG 測量。作為處理器，建議將超低功耗 ADuCM3029 Cortex® -M3 與 ADP5350 電源管理和鋰離子充電器器件結合使用。
針對不同用例的評估板組合可用，以簡化設計週期並縮短上市時間。
關於作者
Jan-Hein Broeders
醫療保健業務開發經理
Jan-Hein Broeders 是 Analog Devices 在歐洲、中東和非洲地區的醫療保健業務開發經理。他與醫療保健行業非常緊密地合作，將他們現在和未來的需求轉化為解決方案，基於ADI市場領先的線性和數據轉換器技術以及數位信號處理和電源產品。Jan-Hein 於 20 多年前開始在半導體行業工作，擔任模擬現場應用工程師，自 2008 年以來一直擔任目前的醫療保健職位。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學的電氣工程學士學位。
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