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
，例如獲取某些特定人體參數、檢測疾病或分析血液或唾液等人體液體。雖然這些應用的共同之處是進行阻抗測量
，但每個應用又都有各自的一係列關鍵要求。

 

ADI 開發了一個稱為 AD594x 係(xi)列(lie)的(de)新(xin)型(xing)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)芯(xin)片(pian)。該(gai)芯(xin)片(pian)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)，並(bing)具(ju)有(you)多(duo)種(zhong)功(gong)率(lv)模(mo)式(shi)，可(ke)實(shi)現(xian)按(an)需(xu)測(ce)量(liang)或(huo)連(lian)續(xu)測(ce)量(liang)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，您(nin)將(jiang)了(le)解(jie)該(gai)芯(xin)片(pian)的(de)特(te)性(xing)及(ji)其(qi)主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)。

 

用芯片做阻抗測量的技術相對較新。大約 15 年前，ADI 公司推出了AD5933/AD5934
，這是首個阻抗分析芯片係列。第二代產品 ADuCM350 於 2015 年nian推tui出chu。這zhe兩liang個ge係xi列lie目mu前qian仍reng在zai大da量liang銷xiao售shou，但dan對dui於yu目mu前qian更geng新xin的de應ying用yong來lai說shuo，它ta們men並bing不bu總zong是shi最zui佳jia解jie決jue方fang案an。隨sui著zhe可ke穿chuan戴dai設she備bei和he電dian池chi供gong電dian係xi統tong成cheng為wei發fa展zhan趨qu勢shi
，主zhu要yao挑tiao戰zhan是shi在zai盡jin可ke能neng小xiao的de外wai形xing尺chi寸cun內nei滿man足zu所suo需xu的de性xing能neng水shui平ping
，並bing且qie功gong耗hao極ji低di。AD594x 旨在支持當今的可穿戴市場，並滿足所有關鍵要求
，包括高精度、小尺寸和低功耗。

 

AD594x（圖1）shiyikuanduogongnengzukangfenxiyi，zhuanweiyiliaohegongyeleiyingyongliangshendingzhi。gaimoniqianduanwanquankepeizhi
，keyijinxingxiugaiyizhichigezhongbutongdeyongli


，baokuopifudianhuodong (EDA) 或皮膚電反應 (GSR)
、身體阻抗分析
、水分測量和生化測量。本文重點介紹與醫療相關的應用，但 AD594x 也可用於工業應用
，如有毒氣體分析、PH 值測量
、電導率或水質測量。

 

圖1. AD594x的高級功能框圖

 

EDA / GSR 的相對測量
 

相對阻抗（或阻抗的變化值）可以直接采用2線xian測ce量liang法fa來lai測ce量liang。一yi個ge目mu標biao應ying用yong是shi通tong過guo皮pi膚fu電dian活huo動dong或huo皮pi膚fu電dian反fan應ying監jian測ce壓ya力li或huo心xin理li健jian康kang。精jing神shen狀zhuang態tai或huo壓ya力li監jian測ce非fei常chang重zhong要yao
，因yin為wei隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi，壓ya力li可ke能neng導dao致zhi慢man性xing疾ji病bing，如ru糖tang尿niao病bing

、心髒病或癌症。在精神狀態改變期間或當人們變得緊張時
，人體的交感神經係統激活皮膚中的汗腺。這種效應會增加皮膚導電性
， 從而使阻抗下降。

 

皮膚阻抗監測采用伏安法測量。在未知阻抗（本例中為皮膚）上施加激勵信號，並測量阻抗兩端的電壓。然後測量通過未知 阻抗的電流。對 ADC 結果執行 DFT 計算以得到阻抗的變化變化 值。圖 2 顯示了 EDA 或 GSR 的整體測量原理。該測量的激勵信號頻率接近直流。建議使用低頻激勵（而非直流電壓）進行測量，以防止電極極化並消除對人體組織的傷害。通常
，最大激勵信號頻率可達 200 Hz，因為較高的頻率可穿透進入人體，而不會 僅測量皮膚表麵。將電極在人體上的某些位置，電導率會隨著人的情緒或精神狀態變化而變化。

 

圖2. EDA或GSR的測量原理

 

阻抗變化與精神壓力之間的關係並沒有直接公式，因此該測量通常與心率和/或心率變異性等其他測量並行進行。需要開發一種算法來將各種測量結果轉化為心理壓力水平。將 EDA/GSR 技術用於壓力監測需要連續的全天候測量，AD594x 就是為此而專門設計的。輸出數據速率為 4 Hz時，功耗 <80 μA。EDA/GSR 測量也可以用於睡眠分析等應用。

 

用於人體阻抗分析的 4 線測量法

 

在醫療應用中


，經常將阻抗測量用於生物阻抗分析(BIA)。BIA 是一種4線阻抗測量，可用於需要絕對精度的應用。AD594x接收帶寬高達50 kHz且信噪比(SNR)為100 dB。最常見的4線BIA應(ying)用(yong)之(zhi)一(yi)是(shi)人(ren)體(ti)成(cheng)分(fen)測(ce)量(liang)
，以(yi)測(ce)量(liang)去(qu)脂(zhi)體(ti)重(zhong)。此(ci)外(wai)，這(zhe)種(zhong)設(she)置(zhi)也(ye)可(ke)用(yong)於(yu)監(jian)測(ce)人(ren)體(ti)內(nei)的(de)含(han)水(shui)量(liang)或(huo)通(tong)過(guo)生(sheng)物(wu)阻(zu)抗(kang)譜(pu)測(ce)量(liang)心(xin)髒(zang)行(xing)為(wei)。其(qi)測(ce)量(liang)原(yuan)理(li)都(dou)是(shi)一(yi)樣(yang)的(de)
，但(dan)是(shi)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)交(jiao)流(liu)激(ji)勵(li)頻(pin)率(lv)和(he)電(dian)極(ji)在(zai)人(ren)體(ti)的(de)位(wei)置(zhi)來(lai)實(shi)現(xian)不(bu)同(tong)的(de)應(ying)用(yong)。

 

圖 3 顯示了 4 線測量法的原理。此設置中的未知量Z代dai表biao人ren體ti。對dui人ren體ti施shi加jia交jiao流liu激ji勵li電dian壓ya，在zai此ci之zhi上shang疊die加jia一yi合he適shi的de共gong模mo電dian壓ya並bing用yong電dian壓ya表biao測ce量liang，利li用yong高gao速su跨kua阻zu放fang大da器qi測ce量liang響xiang應ying電dian流liu。最zui終zhong阻zu抗kang可ke通tong過guo下xia式shi計ji算suan：Z = VM/I。

 

圖3. 用於人體阻抗分析的4線測量

 

在圖3的功能框圖中，可以看到阻抗通過電阻和電容與測量前端隔離。電阻限製了可流過人體的最大電流。CISO確保在電極與地或其他電極之間不會產生直流信號。這是滿足醫療安全標準（如IEC 60601）的要求之一。

 

如ru前qian所suo述shu
，人ren體ti上shang的de電dian極ji位wei置zhi和he激ji勵li頻pin率lv將jiang代dai表biao所suo執zhi行xing的de測ce量liang。低di至zhi幾ji百bai赫he茲zi的de低di頻pin電dian流liu隻zhi停ting留liu在zai皮pi膚fu表biao麵mian，而er較jiao高gao頻pin率lv的de電dian流liu則ze會hui深shen入ru人ren體ti內nei部bu。對dui於yu一yi個ge健jian康kang人ren來lai說shuo，水shui約yue占zhan其qi總zong體ti重zhong的de60%。人體水分的三分之一是細胞外液(ECF)，而其餘部分位於細胞結構內（細胞間液）。鑒於細胞結構的電模型，高 達50 kHz的交流電流可進行細胞外液測量。更高頻率的電流則穿 透細胞，從而可以測量細胞間液。根據電極位置、激勵頻率和用於解譯阻抗測量的算法
，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（測量脫水）。AD594x能(neng)夠(gou)支(zhi)持(chi)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)。在(zai)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)，采(cai)用(yong)單(dan)頻(pin)激(ji)勵(li)
，而(er)在(zai)其(qi)他(ta)應(ying)用(yong)中(zhong)則(ze)采(cai)用(yong)多(duo)個(ge)頻(pin)率(lv)或(huo)頻(pin)率(lv)掃(sao)描(miao)。另(ling)外(wai)
，測(ce)量(liang)的(de)頻(pin)次(ci)可(ke)以(yi)不(bu)同(tong)。對(dui)於(yu)人(ren)體(ti)組(zu)成(cheng)成(cheng)分(fen)，通(tong)常(chang)每(mei)天(tian)測(ce)量(liang)一(yi)次(ci)或(huo)每(mei)周(zhou)測(ce)量(liang)一(yi)次(ci)
；對於人體脫水監測，通常需要連續測量。對於連續測量而言，功耗非常關鍵，因此AD594x的靈活性在這裏具有巨大的優勢。

 

AD594x的其他應用包括基於胸阻抗測量呼吸速率、利用經胸阻抗監測逐搏心排血量或用於估算膀胱容量的阻抗測量。

 

AD594x用於生化測量

 

AD594x的另一個應用是生化分析。該技術將電流/恒電位儀類型的測量應用於傳感器上(shang)
，此(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)電(dian)化(hua)學(xue)電(dian)池(chi)的(de)模(mo)型(xing)。傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)是(shi)帶(dai)有(you)試(shi)劑(ji)的(de)測(ce)試(shi)條(tiao)，在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)放(fang)置(zhi)待(dai)測(ce)材(cai)料(liao)的(de)樣(yang)本(ben)。任(ren)何(he)可(ke)被(bei)氧(yang)化(hua)或(huo)被(bei)還(hai)原(yuan)的(de)分(fen)析(xi)物(wu)都(dou)可(ke)能(neng)拿(na)來(lai)做(zuo)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)。在(zai)醫(yi)療(liao)應(ying)用(yong)中(zhong)
，可(ke)以(yi)對(dui)各(ge)種(zhong)人(ren)體(ti)液(ye)體(ti)樣(yang)品(pin)（如血液、尿液或唾液）進行分析。該係統需要一個（可編程）dianliuyuanhehengdianweiyifangdaqi。dianliuceliangzuijiandandefangshishitongguozaichuanganqishangshijiayigejieyuexiangyingdianyalaiyinqihuaxuefanying。shiyongkuazufangdaqi
，celiangdedaodedianliukeyidaibiaofanyingdeqiangdu。chuleqianshude2線技術
，AD594x還能支持3線和4線電流測量技術。

 

恒電位儀在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。血糖檢測有一種趨勢是從按需檢測轉向使用連續血糖監測 (CGM)。celiangyichixuceliangxuetangnongdubingjiangshujufasongdaoyidaosubeng。ranhoubengjiangsuoxujiliangdeyidaosuzhushedaotinei。zhezhongrengongyixianjishugaishanletangniaobinghuanzhedeshenghuo。buzaixuyaozhuanrenzhengriguanchaxuetangshuiping，gaixitongkeyiwanquanduliyunxing，wuxurenherenweiganyu。AD594x非常適合此應用，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中的係統具有三個主要功能：生化AFE
、微控製器和專用電源管理芯片。

 

 

圖4. 3線生化分析儀的功能框圖

 

除糖尿病外
，該技術還可用來測試許多其他疾病以及藥物和激素。在工業應用中，該技術主要用於氣體檢測和流體分析。

 

AD594x的特性和主要規格

 

AD594x是一款高精度模擬前端(AFE)，專為基於電化學的測量技術而設計，如電流、伏(fu)安(an)和(he)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)。該(gai)前(qian)端(duan)具(ju)有(you)超(chao)低(di)功(gong)耗(hao)模(mo)式(shi)，支(zhi)持(chi)便(bian)攜(xie)式(shi)和(he)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)，該(gai)芯(xin)片(pian)還(hai)能(neng)夠(gou)支(zhi)持(chi)高(gao)性(xing)能(neng)和(he)基(ji)於(yu)診(zhen)斷(duan)的(de)應(ying)用(yong)
，這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)臨(lin)床(chuang)和(he)實(shi)驗(yan)室(shi)環(huan)境(jing)中(zhong)。

 

AD594x圍繞三個主要模塊而設計：輸入接收信號鏈、波形發生器和發送通道

，以及用於測量複阻抗的帶有離散傅裏葉變換 (DFT)引擎的時序控製器。根據不同應用，激勵回路及其接收通道可以進行不同配置。對於要求傳感器激勵信號頻率從直流變化到200 Hz的應用，可以使用低功耗DAC和低噪聲恒電位儀放大器。對於需要更高激勵頻率（高達200 kHz）的應用
，可使用集成的高速DAC。DAC可以生成正弦曲線和梯形激勵波形。所有模 式（低功耗或高速）均已集成了專用跨阻放大器。每種模式均具有一個可編程跨阻放大器，支持連接到AFE的各種傳感器。 TIA的輸出可多路複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（如電源電壓
、芯片溫度或基準電壓源）。該多路複用器可用作通道選擇器，其輸出通過緩衝器
、可編程增益放大器和抗混疊濾波器連接到一個16位
、800 kSPS逐次逼近寄存器(SAR) ADC。

 

結論

 

可穿戴電子產品、基於雲的即時監測以及RE、物聯網是我們幾乎每天都會見到的術語。檢測是這些係統非常重要的功能之一

，阻抗測量則是更為重要的檢測類型之一。AD594x的開發旨在滿足當前的需求目標。它是一款高性能且靈活的模擬前端
，專為阻抗分析、生物化學和電化學應用而設計。高精度、超chao低di功gong耗hao和he小xiao尺chi寸cun的de組zu合he開kai辟pi了le各ge種zhong新xin市shi場chang和he應ying用yong
，而er這zhe些xie應ying用yong和he市shi場chang在zai過guo去qu則ze難nan以yi實shi現xian。特te別bie是shi對dui於yu便bian攜xie式shi和he電dian池chi供gong電dian的de係xi統tong而er言yan，該gai微wei型xing器qi件jian係xi列lie帶dai來lai了le巨ju大da的de優you勢shi。AD594x 係列可與單導聯 ECG 前端 AD8233 無縫配合使用。兩個芯片都可以在主/從配置下工作，該配置可以共用連接到人體的電極來進行阻抗和 ECG 測量。至於處理器，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。

 

現已經開發了針對不同用例的評估板
，可用於縮短設計周期和產品上市時間。

 

 

推薦閱讀：