醫療領域的液體測量

 

yiliaolingyuzuiguangweirenzhideyeticeliangshixuetangceliang。zaishizhishangdiyidixuejiunenggoucechuxueyezhongdexuetangshuiping。huanzhekeyigenjuzhegezhilaitiaojiezishendeyaowuhuoyinshi。weilai，celianghuizhubucongdanciceliangxiangchixuceliangfazhan，yibuduanjiancexuetangshuiping。yinci，jixugaoduzhunqueqiejienengdezukangceliang。

 

lingyixiangyeticeliangyingyongshitouxi。manxingshenshuaijiehuanzhexuyaoguolvxueye。touxiyetidiandaolvceliangyeshitongguozukangfenxilaiwancheng。tongguocaiyongzhezhongfangfa，keyiceliangpH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shipH值測量外
，還會進行電導率測量。

 

當(dang)然(ran)
，之(zhi)前(qian)描(miao)述(shu)的(de)測(ce)量(liang)並(bing)不(bu)全(quan)麵(mian)。在(zai)麵(mian)向(xiang)人(ren)類(lei)和(he)動(dong)物(wu)的(de)醫(yi)療(liao)技(ji)術(shu)中(zhong)，還(hai)可(ke)使(shi)用(yong)多(duo)種(zhong)液(ye)體(ti)測(ce)量(liang)，例(li)如(ru)激(ji)素(su)測(ce)量(liang)或(huo)藥(yao)劑(ji)測(ce)量(liang)。對(dui)於(yu)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)，阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)也(ye)很(hen)重(zhong)要(yao)。

 

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。tazengjialeshuruzukang，yishiyingchuanganqidegaoshuchuzukang
，congerhuodezhunquededushu。chuleqianmianmiaoshudeceliangyiwai，haixuyaoceliangwendu
，yibuchangchuanganqidebodong。kuozhanceliangyuanlirutu5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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