阻抗測量中的萬能法寶

Jan-Hein Broeders ADI公司

誰不知道歐姆定律？對于直流電壓來說，它表述為通過導(dǎo)體兩點之間的電流與這兩點之間的電壓成正比。換言之，導(dǎo)體的電阻是恒定的，與電流無關(guān)。對于交流電壓來說，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)嵅浚┐黼妷汉碗娏髦g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)用的共同之處是進行阻抗測量，但每個應(yīng)用又都有各自的一系列關(guān)鍵要求。

ADI公司了開發(fā)了一個稱為AD594x系列的新型阻抗測量芯片。該芯片非常精確，并具有多種功率模式，可實現(xiàn)按需測量或連續(xù)測量。在本文中，您將了解該芯片的特性及其主要應(yīng)用。

簡介和重點

用芯片做阻抗測量的技術(shù)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系列。第二代產(chǎn)品ADuCM350于2015年推出。這兩個系列目前仍在大量銷售，但對于目前更新的應(yīng)用來說，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，主要挑戰(zhàn)是在盡可能小的外形尺寸內(nèi)滿足所需的性能水平，并且功耗極低。AD594x旨在支持當今的可穿戴市場，并滿足所有關(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，專為醫(yī)療和工業(yè)類應(yīng)用量身定制。該模擬前端完全可配置，可以進行修改以支持各種不同的用例，包括皮膚電活動(EDA)或皮膚電反應(yīng)(GSR)、身體阻抗分析、水分測量和生化測量。本文重點介紹與醫(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值測量、電導(dǎo)率或水質(zhì)測量。

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線測量法來測量。一個目標應(yīng)用是通過皮膚電活動或皮膚電反應(yīng)監(jiān)測壓力或心理健康。精神狀態(tài)或壓力監(jiān)測非常重要，因為隨著時間的推移，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)改變期間或當人們變得緊張時，人體的交感神經(jīng)系統(tǒng)激活皮膚中的汗腺。這種效應(yīng)會增加皮膚導(dǎo)電性，從而使阻抗下降。

皮膚阻抗監(jiān)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，并測量阻抗兩端的電壓。r然后測量通過未知阻抗的電流。對ADC結(jié)果執(zhí)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，以防止電極極化并消除對人體組織的傷害。通常，最大激勵信號頻率可達200Hz，因為較高的頻率可穿透進入人體，而不會僅測量皮膚表面。將電極在人體上的某些位置，電導(dǎo)率會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并行進行。需要開發(fā)一種算法來將各種測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為心理壓力水平。將EDA/GSR技術(shù)用于壓力監(jiān)測需要連續(xù)的全天候測量，AD594x就是為此而專門設(shè)計的。輸出數(shù)據(jù)速率為4 Hz時，功耗

用于人體阻抗分析的4線測量法

在醫(yī)療應(yīng)用中，經(jīng)常將阻抗測量用于生物阻抗分析(BIA)。BIA是一種4線阻抗測量，可用于需要絕對精度的應(yīng)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(yīng)用之一是人體成分測量，以測量去脂體重。此外，這種設(shè)置也可用于監(jiān)測人體內(nèi)的含水量或通過生物阻抗譜測量心臟行為。其測量原理都是一樣的，但是我們可以通過改變交流激勵頻率和電極在人體的位置來實現(xiàn)不同的應(yīng)用。圖3顯示了4線測量法的原理。此設(shè)置中的未知量Z代表人體。對人體施加交流激勵電壓，在此之上疊加一合適的共模電壓并用電壓表測量，利用高速跨阻放大器測量響應(yīng)電流。最終阻抗可通過下式計算：Z = VM/I。

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。電阻限制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(chǎn)生直流信號。這是滿足醫(yī)療安全標準（如IEC 60601）的要求之一。

如前所述，人體上的電極位置和激勵頻率將代表所執(zhí)行的測量。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深入人體內(nèi)部。對于一個健康人來說，水約占其總體重的60％。人體水分的三分之一是細胞外液(ECF)，而其余部分位于細胞結(jié)構(gòu)內(nèi)（細胞間液）。鑒于細胞結(jié)構(gòu)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(jù)電極位置、激勵頻率和用于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能夠支持所有這些應(yīng)用。在某些應(yīng)用中，采用單頻激勵，而在其他應(yīng)用中則采用多個頻率或頻率掃描。另外，測量的頻次可以不同。對于人體組成成分，通常每天測量一次或每周測量一次；對于人體脫水監(jiān)測，通常需要連續(xù)測量。對于連續(xù)測量而言，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。

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

AD594x用于生化測量

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

測量技術(shù)都是都是一樣的，測試條決定了可測量的樣本。血糖測量是最常用的一種，它通常用于糖尿病患者的生化測量。在3線配置中，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，并測量WE和CE之間的反應(yīng)電流。血糖檢測有一種趨勢是從按需檢測轉(zhuǎn)向使用連續(xù)血糖監(jiān)測(CGM)。測量儀持續(xù)測量血糖濃度并將數(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。不再需要專人整日觀察血糖水平，該系統(tǒng)可以完全獨立運行，無需任何人為干預(yù)。AD594x非常適合此應(yīng)用，因為它具有非常高的精度和超低功耗，并且可以執(zhí)行所有必需的安全檢查。圖4中的系統(tǒng)具有三個主要功能：生化AFE、微控制器和專用電源管理芯片。

除糖尿病外，該技術(shù)還可用來測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)主要用于氣體檢測和流體分析。

AD594x的特性和主要規(guī)格

AD594x是一款高精度模擬前端(AFE)，專為基于電化學(xué)的測量技術(shù)而設(shè)計，如電流、伏安和阻抗測量。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，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驗室環(huán)境中。

AD594x圍繞三個主要模塊而設(shè)計：輸入接收信號鏈、波形發(fā)生器和發(fā)送通道，以及用于測量復(fù)阻抗的帶有離散傅里葉變換(DFT)引擎的時序控制器。根據(jù)不同應(yīng)用，激勵回路及其接收通道可以進行不同配置。對于要求傳感器激勵信號頻率從直流變化到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。對于需要更高激勵頻率（高達200 kHz）的應(yīng)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的輸出可多路復(fù)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(nèi)部診斷信號（如電源電壓、芯片溫度或基準電壓源）。該多路復(fù)用器可用作通道選擇器，其輸出通過緩沖器、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(jié)論

可穿戴電子產(chǎn)品、基于云的即時監(jiān)測以及RE、物聯(lián)網(wǎng)是我們幾乎每天都會見到的術(shù)語。檢測是這些系統(tǒng)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(fā)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(xué)和電化學(xué)應(yīng)用而設(shè)計。高精度、超低功耗和小尺寸的組合開辟了各種新市場和應(yīng)用，而這些應(yīng)用和市場在過去則難以實現(xiàn)。特別是對于便攜式和電池供電的系統(tǒng)而言，該微型器件系列帶來了巨大的優(yōu)勢。AD594x系列可與單導(dǎo)聯(lián)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)開發(fā)了針對不同用例的評估板，可用于縮短設(shè)計周期和產(chǎn)品上市時間。

作者簡介

Jan-Hein Broeders是ADI公司負責歐洲、中東和非洲市場醫(yī)療健康業(yè)務(wù)的開發(fā)經(jīng)理。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作，將他們現(xiàn)在和將來的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案，這些方案基于ADI公司市場領(lǐng)先的線性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)以及數(shù)字信號處理和電源產(chǎn)品。20多年前，Jan-Hein開始從事半導(dǎo)體行業(yè)，擔任模擬現(xiàn)場應(yīng)用工程師，自2008年起開始擔任目前的醫(yī)療健康部門職務(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。聯(lián)系方式： jan.broeders@analog.com m , 。