醫療領域的液體測量

 

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

 

另ling一yi項xiang液ye體ti測ce量liang應ying用yong是shi透tou析xi。慢man性xing腎shen衰shuai竭jie患huan者zhe需xu要yao過guo濾lv血xue液ye。透tou析xi液ye體ti電dian導dao率lv測ce量liang也ye是shi通tong過guo阻zu抗kang分fen析xi來lai完wan成cheng。通tong過guo采cai用yong這zhe種zhong方fang法fa，可ke以yi測ce量liangpH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

 

suiranduiyusuoyouyingyong
，zukangceliangdejibenyuanlidoushixiangtongde，dandanciceliangdegongnengrengrancunzaihendachabie。xiamian


，womenjiangtaolunyuyeticeliangzuiweixiangguandefangfa。

 

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

 

diandaolvceliangyiyetizhongquedingdeoumudianzuweijichu。shishizhezhongceliangshi
，xuyaojianglianggebingxingfangzhideduoxingdianjijinruyetizhizhong
，yiceliangjiaoliudianzu。zaizhegeguochengzhong，keyigusuandianjieyedeliudongxing、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

 

對dui於yu電dian化hua學xue阻zu抗kang分fen析xi，其qi中zhong電dian化hua學xue電dian池chi或huo傳chuan感gan器qi的de阻zu抗kang是shi在zai所suo有you不bu同tong頻pin率lv中zhong測ce量liang。通tong過guo不bu同tong頻pin率lv下xia阻zu抗kang的de變bian化hua
，測ce量liang傳chuan感gan器qi磨mo損sun，並bing自zi動dong調tiao整zheng信xin號hao鏈lian。采cai用yong這zhe種zhong測ce量liang時shi，傳chuan感gan器qi精jing度du隨sui時shi間jian（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。它ta增zeng加jia了le輸shu入ru阻zu抗kang
，以yi適shi應ying傳chuan感gan器qi的de高gao輸shu出chu阻zu抗kang
，從cong而er獲huo得de準zhun確que的de讀du數shu。除chu了le前qian麵mian描miao述shu的de測ce量liang以yi外wai

，還hai需xu要yao測ce量liang溫wen度du，以yi補bu償chang傳chuan感gan器qi的de波bo動dong。擴kuo展zhan測ce量liang原yuan理li如ru圖tu5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ICchulejinxingyeticeliangwai，haizhichizaiyiliaolingyujinxingqitazukangceliang，liru，tizhifenxihuopifuzukang。ciwai，yinweijuyoutongyongxing，tahaikeyiceliangdianhuaxueqiti，lirucaiyongzhengquedechuanganqiceliangCO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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