医疗用途的流体测量、阻抗测量应用及多功能性

作者：Christoph Kämmerer

液体成分和质量的测定在各种应用中至关重要。最突出的例子是水，这是世界上最珍贵的原材料。清洁水和滤水器技术在世界各地发挥着重要作用，是生活所必需的。获得不断减少的清洁水资源是一个日益重要的话题。然而，液体测量的例子远远超出了水——医学中的液体，如血液、唾液和粪便，必须能够检测可能的疾病，因为它们对健康有直接影响。所有这些测量的共同点是基本的测量原理 - 阻抗测量。在本文中，我们将重点介绍医疗用途的流体测量，从而描述阻抗测量的各个应用以及多功能性。

医学中的流体测量

医学上最广为人知的液体测量是血糖测量。在这里，试纸上的一滴血足以得出血液中血糖水平的结论。根据这个值，患者可以调整他或她的药物或饮食。未来，发展应从单个测量转向持续监测血糖水平的连续测量方法。这里迫切需要高精度、省电的阻抗测量。

液体测量的另一个应用是透析。对于慢性肾功能衰竭，血液必须过滤。透析液电导率测量也通过阻抗分析完成。例如，通过这种方式，可以测量pH、电导率、成分和饱和度。

最后，还测量患者的粪便和尿液。在这里，对身体排泄物进行调查，以便得出有关疾病和违规行为的结论。这是一个相对较新的医学领域，有许多不同的方法和各种各样的方法。然而，其基础是通过电极进行阻抗测量，从而可以得出有关各种疾病的结论。例如，除了pH测量之外，还要进行电导率测量。

当然，前面描述的测量并不详尽。还有更多的流体测量可用于人类和动物的医疗技术，例如激素测量或药剂测量。在这里，阻抗方法也很重要。

尽管所有测量都确定不同的参数，但它们始终基于阻抗分析。尽管它们有许多面孔，但它们都有一个共同点——对支持可穿戴设备的节能和节省空间的解决方案的需求是巨大的。下面介绍不同的阻抗测量方法。它们部分组合使用，部分单独使用，以实现完整的分析。

不同的阻抗测量原理

虽然阻抗测量的基本原理对于所有应用都保持不变，但各个测量功能之间仍然存在很大差异。下面将讨论最相关的流体测量方法。

恒电位仪

最基本和最常用的测量原理是基于恒电位仪。如图1所示，恒电位仪测量和控制工作电极（WE）和参比电极（RE）之间的电压。通过调节流过计数器或辅助电极的电流，WE的电位相对于参比电极保持恒定。

图1.恒电位仪测量的测量原理。

安培

最简单的安培测量形式是对传感器施加偏置电压并测量响应电流。在这里，在RE和WE之间施加恒定电压，并使用电流-电压转换器和模数转换器（ADC）将电流曲线转换为数字信号。该电流曲线取决于传感器和测量变量。该电路如图2所示，采用ADuCM355。

图2.电化学测量。

循环伏安法

伏安法测量以电化学方式起作用，电化学电池的电位缓慢增加，然后线性降低。因此，电位跟随三角形波形，同时测量流过WE的电流。例如，伏安法用于测量分析物的半细胞反应性。这种方法是电解的一种形式，产生的电流是还原和氧化的结果。有了它，可以对样品进行定性和定量研究。

电导率测量

电导率测量基于液体中欧姆电阻的测定。为了实现这种测量，将两个彼此平行放置的惰性电极浸入液体中，以使用交流电测量电阻。通过这个过程，现在可以估计电解质的迁移率、颗粒密度和氧化状态，以便对溶液的浓度得出结论。

酸碱度测量

pH测量基于半电池反应的原理，半电池反应发生在电极膜上，与H+离子浓度直接相关。由此产生电压，其与pH值呈线性关系。pH测量的一个主要问题是pH传感器具有非常高的串联电阻，这对分析电子设备提出了很高的要求。

电化学阻抗分析

电化学阻抗分析是一种测量，其中电化学电池或传感器的阻抗在整个系列的不同频率上测量。通过不同频率上阻抗的变化，可以测量传感器的磨损，并相应地自动调整信号链。传感器精度随时间（几天到几周）的下降在这里是有问题的。这会对各种测量的整体精度产生强烈的负面影响。例如，连续血糖测量（CGM）就是这种情况。由于测量对健康至关重要，因此必须持续检查传感器的精度。示例电路如图3所示。

图3.电化学阻抗分析。

前面描述的医学测量在要求和参数方面有很大不同，因此分别使用的测量方法不同。除此之外，还必须执行用于补偿的温度测量以实现温度校准。必须使用多个传感器来补充或提高精度。在分立设计中，所有这些测量都需要较大的电路板面积，并且功耗很高。

如今，特别是在医疗技术领域，人们正在寻求小型、省电和低成本的解决方案，以便将它们插入可穿戴和可用的设备中。ADI公司开发的ADuCM355正是针对这些设计挑战。

ADuCM355—一种尺寸适合所有产品

一种可以整合所有测量的解决方案是ADuCM355。这种高度集成的芯片由一个省电模拟前端（AFE）和一个微控制器组成，微控制器承担内务管理和安全功能，如循环冗余校验（CRC）。ADuCM355关键元件的框图如图4所示。

图4.ADuCM355的框图

它以极低的功耗控制电化学和生物传感器。基于 ARM Cortex-M3 处理器技术的芯片具有电流、电压和电阻测量功能。除了具有输入缓冲器的16位、400 kSPS多通道SAR ADC、集成抗混叠滤波器（AAF）和可编程增益放大器（PGA）外，它还具有该ADC。电流输入中的跨阻放大器（TIA）具有可编程增益和负载电阻，以适应不同的传感器类型。AFE还包含专门为恒电位仪开发的放大器，用于保持相对于外部电化学传感器的恒定偏置电压。相应的输入通道可通过ADC上游的输入多路复用器进行选择。这些输入通道包括三个外部电流输入、多个外部电压输入和内部通道。三个电压DAC中的两个是双输出DAC。DAC上的第一个输出控制恒电位仪放大器的同相输入，而另一个控制TIA的同相输入。第三个DAC（有时称为高速DAC）专为用于阻抗测量的高性能TIA而设计。该DAC的输出频率范围高达200 kHz。ARM Cortex-M3 处理器还具有灵活的多通道直接内存访问 （DMA） 控制器，该控制器支持两个独立的串行外设接口 （SPI） 端口、一个通用异步接收器/发射器 （UART） 和一个 I®®2C 通信外设。可以根据需要为特定应用配置一系列通信外设。这些外设包括UART，I2C、两个 SPI 端口和通用输入/输出 （GPIO） 端口。GPIO可以与通用定时器结合使用，形成脉宽调制（PWM）输出。

进一步测量

用于上述测量的大多数传感器都可以通过ADuCM355输入直接操作。例如，这适用于恒电位仪测量，例如葡萄糖测量。相比之下，更精确的测量（如电导率或pH值）需要一个扩展的信号链，因此需要一个外部芯片，如LTC6078。它增加了输入阻抗，使其适应传感器的高输出阻抗，从而实现准确的读数。除了前面描述的测量之外，还需要测量温度，以便补偿传感器的波动。扩展测量原理如图5所示。通过更大的信号链，ADuCM355可以读取电压和电流。如图所示电路所示，可以检测到小于100 Ω至10 MΩ的阻抗。大测量范围可以覆盖医学所需的完整阻抗谱。高动态范围对于电导率测量尤其重要，以便可以测量各种浓度。

图5.使用ADuCM355测量pH、温度和电导率的电路。

结论

虽然各种液体的测量以阻抗测量为基本原理，但它们仍然彼此不同。例如，必须连接不同的传感器才能记录不同的参数。一方面，为了满足这种多功能性，另一方面又适应小型节能设备的增长趋势，迫切需要一种智能解决方案。ADuCM355不仅满足所有这些要求，而且还充当了用于医学阻抗测量的瑞士军刀。事实上，除了流体测量之外，该IC还可以进行医学中的其他阻抗测量，例如体脂分析或皮肤阻抗。此外，由于其多功能性，它还可以测量电化学气体，如CO或CO2使用正确的传感器。这使得ADuCM355成为用于阻抗测量的一体化封装。

审核编辑：郭婷