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 xiliedexinxingzukangceliangxinpian。gaixinpianfeichangjingque，bingjuyouduozhonggonglvmoshi，keshixiananxucelianghuolianxuceliang。zaibenwenzhong，ninjianglejiegaixinpiandetexingjiqizhuyaoyingyong。

 

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 niantuichu。zhelianggexiliemuqianrengzaidaliangxiaoshou
，danduiyumuqiangengxindeyingyonglaishuo，tamenbingbuzongshizuijiajiejuefangan。suizhekechuandaishebeihedianchigongdianxitongchengweifazhanqushi，zhuyaotiaozhanshizaijinkenengxiaodewaixingchicunneimanzusuoxudexingnengshuiping，bingqiegonghaojidi。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）是(shi)一(yi)款(kuan)多(duo)功(gong)能(neng)阻(zu)抗(kang)分(fen)析(xi)儀(yi)，專(zhuan)為(wei)醫(yi)療(liao)和(he)工(gong)業(ye)類(lei)應(ying)用(yong)量(liang)身(shen)定(ding)製(zhi)。該(gai)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)完(wan)全(quan)可(ke)配(pei)置(zhi)，可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)修(xiu)改(gai)以(yi)支(zhi)持(chi)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)用(yong)例(li)，包(bao)括(kuo)皮(pi)膚(fu)電(dian)活(huo)動(dong) (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2xianceliangfalaiceliang。yigemubiaoyingyongshitongguopifudianhuodonghuopifudianfanyingjianceyalihuoxinlijiankang。jingshenzhuangtaihuoyalijiancefeichangzhongyao，yinweisuizheshijiandetuiyi，yalikenengdaozhimanxingjibing，rutangniaobing、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BIAyingyongzhiyishirentichengfenceliang

，yiceliangquzhitizhong。ciwai，zhezhongshezhiyekeyongyujiancerentineidehanshuilianghuotongguoshengwuzukangpuceliangxinzangxingwei。qiceliangyuanlidoushiyiyangde，danshiwomenkeyitongguogaibianjiaoliujilipinlvhedianjizairentideweizhilaishixianbutongdeyingyong。

 

圖 3 顯示了 4 線測量法的原理。此設置中的未知量Zdaibiaorenti。duirentishijiajiaoliujilidianya，zaicizhishangdiejiayiheshidegongmodianyabingyongdianyabiaoceliang，liyonggaosukuazufangdaqiceliangxiangyingdianliu。zuizhongzukangketongguoxiashijisuan：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。

 

ruqiansuoshu，rentishangdedianjiweizhihejilipinlvjiangdaibiaosuozhixingdeceliang。dizhijibaihezidedipindianliuzhitingliuzaipifubiaomian
，erjiaogaopinlvdedianliuzehuishenrurentineibu。duiyuyigejiankangrenlaishuo，shuiyuezhanqizongtizhongde60%。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）電(dian)流(liu)源(yuan)和(he)恒(heng)電(dian)位(wei)儀(yi)放(fang)大(da)器(qi)。電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)最(zui)簡(jian)單(dan)的(de)方(fang)式(shi)是(shi)通(tong)過(guo)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)施(shi)加(jia)一(yi)個(ge)階(jie)躍(yue)響(xiang)應(ying)電(dian)壓(ya)來(lai)引(yin)起(qi)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)。使(shi)用(yong)跨(kua)阻(zu)放(fang)大(da)器(qi)
，測(ce)量(liang)得(de)到(dao)的(de)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)代(dai)表(biao)反(fan)應(ying)的(de)強(qiang)度(du)。除(chu)了(le)前(qian)述(shu)的(de)2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)。測(ce)量(liang)儀(yi)持(chi)續(xu)測(ce)量(liang)血(xue)糖(tang)濃(nong)度(du)並(bing)將(jiang)數(shu)據(ju)發(fa)送(song)到(dao)胰(yi)島(dao)素(su)泵(beng)。然(ran)後(hou)泵(beng)將(jiang)所(suo)需(xu)劑(ji)量(liang)的(de)胰(yi)島(dao)素(su)注(zhu)射(she)到(dao)體(ti)內(nei)。這(zhe)種(zhong)人(ren)工(gong)胰(yi)腺(xian)技(ji)術(shu)改(gai)善(shan)了(le)糖(tang)尿(niao)病(bing)患(huan)者(zhe)的(de)生(sheng)活(huo)。不(bu)再(zai)需(xu)要(yao)專(zhuan)人(ren)整(zheng)日(ri)觀(guan)察(cha)血(xue)糖(tang)水(shui)平(ping)，該(gai)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)完(wan)全(quan)獨(du)立(li)運(yun)行(xing)，無(wu)需(xu)任(ren)何(he)人(ren)為(wei)幹(gan)預(yu)。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。

 

 

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