阻抗量測中的萬能法寶

作者: ADI 歐洲、中東和非洲市場醫療健康業務開發經理Jan-Hein Broeders

誰不知道歐姆定律?對於直流電壓來說,它表述為通過導體兩點之間的電流與這兩點之間的電壓成正比。換言之,導體的電阻是恒定的,與電流無關。對於交流電壓來說,情況則完全改變了,而且變得更加複雜。電阻變為阻抗,其定義為電壓與電流在頻域中的比率。幅度(或實部)代表電壓和電流之間的比率,而相位(或虛部)則是電壓與電流之間的相移值。

在醫療產業中有許多應用阻抗量測的實例。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量測,但每個應用又都有各自的一系列關鍵要求。

ADI公司已開發了一個稱為AD594x系列的新型阻抗量測晶片。該晶片非常精準,並具有多種功率模式,可實現按需量測或連續量測。在本文中,您將瞭解該晶片的特性及其主要應用。

簡介和重點

用晶片做阻抗量測的技術相對較新。大約15年前,ADI推出了 AD5933/AD5934,這是首個阻抗分析晶片系列。第二代產品ADuCM350於2015年推出。這兩個系列目前仍在大量銷售,但對於目前更新的應用來說,它們並不總是最佳解決方案。隨著穿戴式裝置和電池供電系統成為發展趨勢,主要挑戰是在盡可能小的外形尺寸內滿足所需的性能水準,並且功耗極低。AD594x旨在支援目前的穿戴式市場,並滿足所有關鍵要求,包括高精度、小尺寸和低功耗。

AD594x(圖1)是一款多功能阻抗分析儀,專為醫療和工業類應用量身定制。該類比前端完全可配置,可以進行修改以支援各種不同的用途,包括膚電活動(EDA)或膚電反應(GSR)、身體阻抗分析、水分量測和生化量測。本文之重點雖主要將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)可以直接採用2線量測法來量測。一個目標應用是透過膚電活動或膚電反應監測壓力或心理健康。精神狀態或壓力監測非常重要,因為隨著時間的推移,壓力可能導致慢性疾病,如糖尿病、心臟病或癌症。在精神狀態改變期間或當人們變得緊張時,人體的交感神經系統啟動皮膚中的汗腺。這種效應會增加皮膚導電性,從而使阻抗下降。

皮膚阻抗監測採用伏安法量測。在未知阻抗(本例中為皮膚)上施加激勵訊號,並量測阻抗兩端的電壓。然後量測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的整體量測原理。該量測的激勵訊號頻率接近直流。建議使用低頻激勵(而非直流電壓)進行量測,以防止電極極化並消除對人體組織的傷害。通常,最大激勵訊號頻率可達200Hz,因為較高的頻率可穿透進入人體,而不會僅量測皮膚表面。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的量測原理

阻抗變化與精神壓力之間的關係並沒有直接公式,因此該量測通常與心率和/或心率變異性等其他量測並行進行。需要開發一種演算法來將各種量測結果轉化為心理壓力水準。將EDA/GSR技術用於壓力監測需要連續的全天候量測,AD594x就是為此而專門設計的。輸出資料速率為4 Hz時,功耗<80μA。EDA/GSR量測也可以用於睡眠分析等應用。

用於人體阻抗分析的4線量測法

I在醫療應用中,經常將阻抗量測用於生物阻抗分析(BIA)。BIA是一種4線阻抗量測,可用於需要絕對精度的應用。AD594x接收頻寬高達50 kHz且訊號雜訊比(SNR)為100 dB。最常見的4線BIA應用之一是人體成分量測,以量測去脂體重。此外,這種設定也可用於監測人體內的含水量或透過生物阻抗譜量測心臟行為。其量測原理都是一樣的,但是我們可以透過改變交流激勵頻率和電極在人體的位置來實現不同的應用。圖3顯示了4線量測法的原理。此設置中的未知量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並用電壓表量測,利用高速跨阻放大器量測回應電流。最終阻抗可透過下列公式計算:Z = VM/I。

圖3.用於人體阻抗分析的4線量測。

在圖3的功能框圖中,可以看到阻抗透過電阻和電容與量測前端隔離。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生直流訊號。這是滿足醫療安全標準(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行的量測。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部。對於一個健康的人來說,水約佔其總體重的60%。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量測。更高頻率的電流則穿透細胞,從而可以量測細胞間液。根據電極位置、激勵頻率和用於解譯阻抗量測的演算法,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(量測脫水)。AD594x能夠支援所有這些應用。在某些應用中,採用單頻激勵,而在其他應用中則採用多個頻率或頻率掃描。另外,量測的頻次可以不同。對於人體組成成分,通常每天測量一次或每週測量一次;對於人體脫水監測,通常需要連續量測。對於連續量測而言,功耗非常關鍵,因此AD594x的靈活性在這裡具有巨大的優勢。

AD594x的其他應用包括基於胸阻抗量測呼吸速率、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量測。

AD594x用於生化量測

AD594x的另一個應用是生化分析。該技術將電流/恒電位儀類型的量測應用於感測器上,此感測器可作為一個典型電化學電池的模型。感測器通常是帶有試劑的測試條,在感測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量測。在醫療應用中,可以對各種人體液體樣品(如血液、尿液或唾液)進行分析。該系統需要一個(可編程)電流源和恒電位儀放大器。電流量測最簡單的方式是透過在感測器上施加一個階躍回應電壓來引起化學反應。使用跨阻放大器,量測得到的電流可以代表反應的強度。除了前述的2線技術,AD594x還能支援3線和4線電流量測技術。

量測技術都是都是一樣的,測試條決定了可量測的樣本。血糖量測是最常用的一種,它通常用於糖尿病患者的生化量測。在3線配置中,電化學電池由發生反應的工作電極(WE)、保持恒定電位的參比電極(RE)和提供反應電流的對電極(CE)組成。圖4顯示了該配置的功能框圖。

圖4.3線生化分析儀的功能框圖。

恒電位儀在WE和RE之間提供所需的電池電位VCELL,並量測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)。量測儀持續量測血糖濃度並將資料發送到胰島素泵。然後泵將所需劑量的胰島素注射到體內。這種人工胰腺技術改善了糖尿病患者的生活。不再需要專人整日觀察血糖水準,該系統可以完全獨立運行,無需任何人為干預。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中的系統具有三個主要功能:生化AFE、微控制器和專用電源管理晶片。

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),專為基於電化學的量測技術而設計,如電流、伏安和阻抗量測。該前端具有超低功耗模式,支援可攜式和電池供電系統。與此同時,該晶片還能夠支援高性能和基於診斷的應用,這些應用主要用於臨床和實驗室環境中。

AD594x圍繞三個主要模組而設計:輸入接收訊號鏈、波形產生器和發送通道,以及用於量測複阻抗的帶有離散傅裡葉變換(DFT)引擎的時序控制器。根據不同應用,激勵迴路及其接收通道可以進行不同配置。對於要求感測器激勵訊號頻率從直流變化到200 Hz的應用,可以使用低功耗DAC和低雜訊恒電位儀放大器。對於需要更高激勵頻率(高達200 kHz)的應用,則可使用整合式的高速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)均已整合了專用的跨阻放大器。每種模式均具有一個可編程跨阻放大器,支援連接到AFE的各種感測器。TIA的輸出可多工到輸入接收通道的第二級。此時,還可以量測次要通道,例如外部電壓和電流或內部診斷訊號(如電源電壓、晶片溫度或基準電壓源)。該多工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位元、800 kSPS逐次漸近暫存器(SAR) ADC。

結論

穿戴式電子產品、基於雲端的即時監測以及物聯網是我們幾乎每天都會見到的術語。感測是這些系統非常重要的功能之一,阻抗量測則是更為重要的感測類型之一。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類比前端,專為阻抗分析、生物化學和電化學應用而設計。高精度、超低功耗和小尺寸的組合開闢了各種新市場和應用,而這些應用和市場在過去則難以實現。特別是對於可攜式和電池供電的系統而言,該微型元件系列帶來了龐大的優勢。AD594x系列可與單導聯ECG前端AD8233無縫配合使用。兩個晶片都可以在主/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量測。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元件搭配使用。現更已經開發了針對不同用例的評估板,可用於縮短設計週期和產品上市時間。

Author

Jan-Hein-Broeders_121x151

Jan-Hein Broeders

Jan-Hein Broeders is HealthCare Business Development Manager for Analog Devices in EMEA. He works very closely with the healthcare industry to translate their present and future requirements into solutions, based on Analog Devices market leading linear- & data converter technology as well as products for Digital Signal Processing and power. Jan-Hein started in the semiconductor Industry more than 20 years ago as an Analog Field Application Engineer and is in his current Healthcare role since 2008. He holds a Bachelor in Electrical Engineering from the University of 's-Hertogenbosch, the Netherlands.