阻抗測(cè)量中的萬(wàn)能法寶

作者/Jan-Hein Broeders(ADI公司 醫(yī)療健康業(yè)務(wù)部)

　　摘要：對(duì)于交流電，電阻變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/阻抗">阻抗。在醫(yī)療行業(yè)中有許多應(yīng)用阻抗測(cè)量的用例。ADI公司了開(kāi)發(fā)了AD594x系列的新型阻抗測(cè)量芯片，精確且有多種功率模式，可實(shí)現(xiàn)按需測(cè)量或連續(xù)測(cè)量。

　　關(guān)鍵詞：阻抗;測(cè)量;分析儀

　　誰(shuí)不知道歐姆定律?對(duì)于直流電壓來(lái)說(shuō)，它表述為通過(guò)導(dǎo)體兩點(diǎn)之間的電流與這兩點(diǎn)之間的電壓成正比。換言之，導(dǎo)體的電阻是恒定的，與電流無(wú)關(guān)。對(duì)于交流電壓來(lái)說(shuō)，情況則完全改變了，而且變得更加復(fù)雜。電阻變?yōu)樽杩?，其定義為電壓與電流在頻域中的比率。幅度(或?qū)嵅?代表電壓和電流之間的比率，而相位(或虛部)則是電壓與電流之間的相移值。

　　在醫(yī)療行業(yè)中有許多應(yīng)用阻抗測(cè)量的用例。該技術(shù)可用于廣泛的應(yīng)用，例如獲取某些特定人體參數(shù)、檢測(cè)疾病或分析血液或唾液等人體液體。雖然這些應(yīng)用的共同之處是進(jìn)行阻抗測(cè)量，但每個(gè)應(yīng)用又都有各自的一系列關(guān)鍵要求。

　　ADI公司了開(kāi)發(fā)了一個(gè)稱(chēng)為AD594x系列的新型阻抗測(cè)量芯片。該芯片非常精確，并具有多種功率模式，可實(shí)現(xiàn)按需測(cè)量或連續(xù)測(cè)量。在本文中，您將了解該芯片的特性及其主要應(yīng)用。

　　1 簡(jiǎn)介和重點(diǎn)

　　用芯片做阻抗測(cè)量的技術(shù)相對(duì)較新。大約15年前，ADI公司推出了AD5933/AD5934，這是首個(gè)阻抗分析芯片系列。第二代產(chǎn)品ADuCM350于2015年推出。這兩個(gè)系列目前仍在大量銷(xiāo)售，但對(duì)于目前更新的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它們并不總是最佳解決方案。隨著可穿戴設(shè)備和電池供電系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢(shì)，主要挑戰(zhàn)是在盡可能小的外形尺寸內(nèi)滿(mǎn)足所需的性能水平，并且功耗極低。AD594x旨在支持當(dāng)今的可穿戴市場(chǎng)，并滿(mǎn)足所有關(guān)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(zhuān)為醫(yī)療和工業(yè)類(lèi)應(yīng)用量身定制。該模擬前端完全可配置，可以進(jìn)行修改以支持各種不同的用例，包括皮膚電活動(dòng)(EDA)或皮膚電反應(yīng)(GSR)、身體阻抗分析、水分測(cè)量和生化測(cè)量。本文重點(diǎn)介紹與醫(yī)療相關(guān)的應(yīng)用，但AD594x也可用于工業(yè)應(yīng)用，如有毒氣體分析、PH值測(cè)量、電導(dǎo)率或水質(zhì)測(cè)量。

　　2 EDA/GSR的相對(duì)測(cè)量

　　相對(duì)阻抗(或阻抗的變化值)可以直接采用2線(xiàn)測(cè)量法來(lái)測(cè)量。一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用是通過(guò)皮膚電活動(dòng)或皮膚電反應(yīng)監(jiān)測(cè)壓力或心理健康。精神狀態(tài)或壓力監(jiān)測(cè)非常重要，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，壓力可能導(dǎo)致慢性疾病，如糖尿病、心臟病或癌癥。在精神狀態(tài)改變期間或當(dāng)人們變得緊張時(shí)，人體的交感神經(jīng)系統(tǒng)激活皮膚中的汗腺。這種效應(yīng)會(huì)增加皮膚導(dǎo)電性，從而使阻抗下降。

　　皮膚阻抗監(jiān)測(cè)采用伏安法測(cè)量。在未知阻抗(本例中為皮膚)上施加激勵(lì)信號(hào)，并測(cè)量阻抗兩端的電壓。然后測(cè)量通過(guò)未知阻抗的電流。對(duì)ADC結(jié)果執(zhí)行DFT計(jì)算以得到阻抗的變化值。

　　圖2顯示了EDA或GSR的整體測(cè)量原理。該測(cè)量的激勵(lì)信號(hào)頻率接近直流。建議使用低頻激勵(lì)(而非直流電壓)進(jìn)行測(cè)量，以防止電極極化并消除對(duì)人體組織的傷害。通常，最大激勵(lì)信號(hào)頻率可達(dá)200 Hz，因?yàn)檩^高的頻率可穿透進(jìn)入人體，而不會(huì)僅測(cè)量皮膚表面。將電極在人體上的某些位置，電導(dǎo)率會(huì)隨著人的情緒或精神狀態(tài)變化而變化。

　　阻抗變化與精神壓力之間的關(guān)系并沒(méi)有直接公式，因此該測(cè)量通常與心率和/或心率變異性等其他測(cè)量并行進(jìn)行。需要開(kāi)發(fā)一種算法來(lái)將各種測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為心理壓力水平。將EDA/GSR技術(shù)用于壓力監(jiān)測(cè)需要連續(xù)的全天候測(cè)量，AD594x就是為此而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。輸出數(shù)據(jù)速率為4 Hz時(shí)，功耗<80μA。EDA/GSR測(cè)量也可以用于睡眠分析等應(yīng)用。

　　3 用于人體阻抗分析的4線(xiàn)測(cè)量法

　　在醫(yī)療應(yīng)用中，經(jīng)常將阻抗測(cè)量用于生物阻抗分析(BIA)。BIA是一種4線(xiàn)阻抗測(cè)量，可用于需要絕對(duì)精度的應(yīng)用。AD594x接收帶寬高達(dá)50 kHz且信噪比(SNR)為100 dB。最常見(jiàn)的4線(xiàn)BIA應(yīng)用之一是人體成分測(cè)量，以測(cè)量去脂體重。此外，這種設(shè)置也可用于監(jiān)測(cè)人體內(nèi)的含水量或通過(guò)生物阻抗譜測(cè)量心臟行為。其測(cè)量原理都是一樣的，但是我們可以通過(guò)改變交流激勵(lì)頻率和電極在人體的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。圖3顯示了4線(xiàn)測(cè)量法的原理。此設(shè)置中的未知量Z代表人體。對(duì)人體施加交流激勵(lì)電壓，在此之上疊加一合適的共模電壓并用電壓表測(cè)量，利用高速跨阻放大器測(cè)量響應(yīng)電流。最終阻抗可通過(guò)下式計(jì)算：Z = VM/I。

　　在圖3的功能框圖中，可以看到阻抗通過(guò)電阻和電容與測(cè)量前端隔離。電阻限制了可流過(guò)人體的最大電流。CISO確保在電極與地或其他電極之間不會(huì)產(chǎn)生直流信號(hào)。這是滿(mǎn)足醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)(如IEC 60601)的要求之一。

　　如前所述，人體上的電極位置和激勵(lì)頻率將代表所執(zhí)行的測(cè)量。低至幾百赫茲的低頻電流只停留在皮膚表面，而較高頻率的電流則會(huì)深入人體內(nèi)部。對(duì)于一個(gè)健康人來(lái)說(shuō)，水約占其總體重的60%。人體水分的三分之一是細(xì)胞外液(ECF)，而其余部分位于細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)(細(xì)胞間液)。鑒于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的電模型，高達(dá)50 kHz的交流電流可進(jìn)行細(xì)胞外液測(cè)量。更高頻率的電流則穿透細(xì)胞，從而可以測(cè)量細(xì)胞間液。根據(jù)電極位置、激勵(lì)頻率和用于解譯阻抗測(cè)量的算法，可以確定人體的組成成分，例如總體脂百分比或人體含水量(測(cè)量脫水)。AD594x能夠支持所有這些應(yīng)用。在某些應(yīng)用中，采用單頻激勵(lì)，而在其他應(yīng)用中則采用多個(gè)頻率或頻率掃描。另外，測(cè)量的頻次可以不同。對(duì)于人體組成成分，通常每天測(cè)量一次或每周測(cè)量一次;對(duì)于人體脫水監(jiān)測(cè)，通常需要連續(xù)測(cè)量。對(duì)于連續(xù)測(cè)量而言，功耗非常關(guān)鍵，因此AD594x的靈活性在這里具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

　　AD594x的其他應(yīng)用包括基于胸阻抗測(cè)量呼吸速率、利用經(jīng)胸阻抗監(jiān)測(cè)逐搏心排血量或用于估算膀胱容量的阻抗測(cè)量。

　　4 AD594x用于生化測(cè)量

　　AD594x的另一個(gè)應(yīng)用是生化分析。該技術(shù)將電流/恒電位儀類(lèi)型的測(cè)量應(yīng)用于傳感器上，此傳感器可作為一個(gè)典型電化學(xué)電池的模型。傳感器通常是帶有試劑的測(cè)試條，在傳感器上放置待測(cè)材料的樣本。任何可被氧化或被還原的分析物都可能拿來(lái)做電流測(cè)量。在醫(yī)療應(yīng)用中，可以對(duì)各種人體液體樣品(如血液、尿液或唾液)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)需要一個(gè)(可編程)電流源和恒電位儀放大器。電流測(cè)量最簡(jiǎn)單的方式是通過(guò)在傳感器上施加一個(gè)階躍響應(yīng)電壓來(lái)引起化學(xué)反應(yīng)。使用跨阻放大器，測(cè)量得到的電流可以代表反應(yīng)的強(qiáng)度。除了前述的2線(xiàn)技術(shù)，AD594x還能支持3線(xiàn)和4線(xiàn)電流測(cè)量技術(shù)。

　　測(cè)量技術(shù)都是一樣的，測(cè)試條決定了可測(cè)量的樣本。血糖測(cè)量是最常用的一種，它通常用于糖尿病患者的生化測(cè)量。在3線(xiàn)配置中，電化學(xué)電池由發(fā)生反應(yīng)的工作電極(WE)、保持恒定電位的參比電極(RE)和提供反應(yīng)電流的對(duì)電極(CE)組成。圖4顯示了該配置的功能框圖。

　　恒電位儀在WE和RE之間提供所需的電池電位VCELL，并測(cè)量WE和CE之間的反應(yīng)電流。血糖檢測(cè)有一種趨勢(shì)是從按需檢測(cè)轉(zhuǎn)向使用連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)(CGM)。測(cè)量?jī)x持續(xù)測(cè)量血糖濃度并將數(shù)據(jù)發(fā)送到胰島素泵。然后泵將所需劑量的胰島素注射到體內(nèi)。這種人工胰腺技術(shù)改善了糖尿病患者的生活。不再需要專(zhuān)人整日觀察血糖水平，該系統(tǒng)可以完全獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)需任何人為干預(yù)。AD594x非常適合此應(yīng)用，因?yàn)樗哂蟹浅８叩木群统凸?，并且可以?zhí)行所有必需的安全檢查。圖4中的系統(tǒng)具有三個(gè)主要功能：生化AFE、微控制器和專(zhuān)用電源管理芯片。

　　除糖尿病外，該技術(shù)還可用來(lái)測(cè)試許多其他疾病以及藥物和激素。在工業(yè)應(yīng)用中，該技術(shù)主要用于氣體檢測(cè)和流體分析。

　　5 AD594x的特性和主要規(guī)格

　　AD594x是一款高精度模擬前端(AFE)，專(zhuān)為基于電化學(xué)的測(cè)量技術(shù)而設(shè)計(jì)，如電流、伏安和阻抗測(cè)量。該前端具有超低功耗模式，支持便攜式和電池供電系統(tǒng)。與此同時(shí)，該芯片還能夠支持高性能和基于診斷的應(yīng)用，這些應(yīng)用主要用于臨床和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。

　　AD594x圍繞三個(gè)主要模塊而設(shè)計(jì)：輸入接收信號(hào)鏈、波形發(fā)生器和發(fā)送通道，以及用于測(cè)量復(fù)阻抗的帶有離散傅里葉變換(DFT)引擎的時(shí)序控制器。根據(jù)不同應(yīng)用，激勵(lì)回路及其接收通道可以進(jìn)行不同配置。對(duì)于要求傳感器激勵(lì)信號(hào)頻率從直流變化到200 Hz的應(yīng)用，可以使用低功耗DAC和低噪聲恒電位儀放大器。對(duì)于需要更高激勵(lì)頻率(高達(dá)200 kHz)的應(yīng)用，可使用集成的高速DAC。DAC可以生成正弦曲線(xiàn)和梯形激勵(lì)波形。所有模式(低功耗或高速)均已集成了專(zhuān)用跨阻放大器。每種模式均具有一個(gè)可編程跨阻放大器，支持連接到AFE的各種傳感器。TIA的輸出可多路復(fù)用到輸入接收通道的第二級(jí)。此時(shí)，還可以測(cè)量輔助通道，例如外部電壓和電流或內(nèi)部診斷信號(hào)(如電源電壓、芯片溫度或基準(zhǔn)電壓源)。該多路復(fù)用器可用作通道選擇器，其輸出通過(guò)緩沖器、可編程增益放大器和抗混疊濾波器連接到一個(gè)16位、800 kSPS逐次逼近寄存器(SAR) ADC。

　　6 結(jié)論

　　可穿戴電子產(chǎn)品、基于云的即時(shí)監(jiān)測(cè)以及RE、物聯(lián)網(wǎng)是我們幾乎每天都會(huì)見(jiàn)到的術(shù)語(yǔ)。檢測(cè)是這些系統(tǒng)非常重要的功能之一，阻抗測(cè)量則是更為重要的檢測(cè)類(lèi)型之一。AD594x的開(kāi)發(fā)旨在滿(mǎn)足當(dāng)前的需求目標(biāo)。它是一款高性能且靈活的模擬前端，專(zhuān)為阻抗分析、生物化學(xué)和電化學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。高精度、超低功耗和小尺寸的組合開(kāi)辟了各種新市場(chǎng)和應(yīng)用，而這些應(yīng)用和市場(chǎng)在過(guò)去則難以實(shí)現(xiàn)。特別是對(duì)于便攜式和電池供電的系統(tǒng)而言，該微型器件系列帶來(lái)了巨大的優(yōu)勢(shì)。AD594x系列可與單導(dǎo)聯(lián)ECG前端AD8233無(wú)縫配合使用。兩個(gè)芯片都可以在主/從配置下工作，該配置可以共用連接到人體的電極來(lái)進(jìn)行阻抗和ECG測(cè)量。至于處理器，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配合使用。

　　現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了針對(duì)不同用例的評(píng)估板，可用于縮短設(shè)計(jì)周期和產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　Jan-Hein Broeders，是ADI公司負(fù)責(zé)歐洲、中東和非洲市場(chǎng)醫(yī)療健康業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)經(jīng)理。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作，將他們現(xiàn)在和將來(lái)的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案，這些方案基于ADI公司市場(chǎng)領(lǐng)先的線(xiàn)性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理和電源產(chǎn)品。20多年前，Jan-Hein開(kāi)始從事半導(dǎo)體行業(yè)，擔(dān)任模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，自2008年起開(kāi)始擔(dān)任目前的醫(yī)療健康部門(mén)職務(wù)。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第20頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處