为连续血糖监测仪选择合适的电化学传感器AFE

摘要

糖尿病患者必须持续监测自己的血糖水平,以便决定何时服药来控制病情。直到最近,人们通常还是使用手持式血糖监测仪,检测过程有创且具有侵入性。一种新型连续血糖监测仪(CGM)可以通过一次性可穿戴贴片监测皮下血糖水平。这项技术侵入性更小,并且在每次需要用药时都可立即向佩戴者发出警报。在此设计解决方案中,我们将介绍CGM中所用电化学传感器AFE必须具备的作用和功能。然后,我们会推荐一款满足这些要求的微型低功耗电化学AFE IC,适用于CGM和其他体液分析应用。

简介

“患上糖尿病后,就别想追求完美了。很多事情都会超出您的掌控范围,糖尿病会打乱您的生活,这时找到一种方式保持平和与淡定很重要。”毫无疑问,国际知名歌手/演员Nick Jonas(患有1型糖尿病)的这些肺腑之言也道出了美国其他3000多万各类糖尿病患者的心声。采血针、试纸、血糖监测仪、注射器和胰岛素泵,这些只是困扰他们日常生活的部分随身用具 (图 1).

图1.糖尿病患者的世界

图1.糖尿病患者的世界

值得庆幸的是,连续血糖监测仪(CGM)新近面世,预示着未来糖尿病护理的侵入性将会明显减小。此设计解决方案中,我们将简要介绍不同类型的糖尿病,并解释为什么血糖监测对于患者如何控制病情至关重要。然后,我们将概述CGM的主要元件,并解释为什么并非所有电化学传感器模拟前端IC都适用于此应用,最终将介绍一款适用的电化学传感器AFE。该器件不仅符合这种新兴医疗技术要求的使用标准,而且还具有额外的安全特性和其他有益特性,能够进一步增强其应用。

什么是糖尿病?

高血糖多尿症(通常简称为“糖尿病”)是一种因胰岛素分泌或作用不足而造成的慢性代谢性疾病。胰岛素是胰腺分泌的一种激素,可促进机体使用和储存葡萄糖。随着时间推移,未经治疗的糖尿病会导致高血糖(或血糖升高),从而对人体神经、器官和血管造成严重损害。这种疾病主要有两种类型。1型糖尿病(以前称为胰岛素依赖型糖尿病)多见于儿童、青少年和年轻人,但也可能发生于任何年龄。在1型糖尿病中,胰腺分泌的胰岛素极少或根本不分泌胰岛素。1型糖尿病患者需要每天注射胰岛素(或佩戴胰岛素泵),从而控制血糖水平来为机体供给能量。糖尿病患者中只有大约5%为1型糖尿病。2型糖尿病常发于45岁以上的人群,但如今越来越多的儿童、青少年和年轻人也患上此疾病。它由各种生活方式因素(年龄、饮食、缺乏锻炼、超重、药物)导致,这些因素会干扰机体有效分泌和使用胰岛素的能力。此疾病虽然可以通过调整饮食和生活方式加以控制,但也可能会出现进展,而要像1型糖尿病一样必须注射胰岛素。95%的糖尿病患者为2型糖尿病。

血糖监测

为了确定何时应注射胰岛素,患者需要监测自己的血糖水平。通常,患者要间歇性地采集少量血液样本(通常采取针刺指尖),滴到“试纸”上,然后将试纸插入手持式血糖仪(BGM)。仪表显示屏上的结果 (图2) 会协助患者确定是否需要使用胰岛素。

图2.手持式血糖仪

图2.手持式血糖仪

另外,最近一项称为“连续血糖监测仪” (图 3) 的创新发明已经获批,可供糖尿病患者跟踪自己的血糖水平。

图3.连续血糖监测仪(CGM)

图3.连续血糖监测仪(CGM)

患者一般在手臂或腹部持续佩戴这种“贴片型”设备(贴片使用数天后应丢弃并更换)。这种方式不通过血液来测量血糖水平,其工作原理是监测皮肤间质液中的葡萄糖水平。如 图 4所示,在表皮下方置入一个小探针即可进行此测量,然后数据通过无线方式传输到手持式读取器或智能手机。

图4.CGM接触皮肤的剖面示意图

图4.CGM接触皮肤的剖面示意图

此设备的主要优点是,患者可以不间断地持续监测血糖水平,并在需要使用胰岛素时收到警报。直到不久前,这些设备仅获批用于“辅助”手持式监测仪(即患者仍需采血并使用血糖仪确认CGM读数以进行校准)。而现在,一些标为“非辅助性”的监测仪已无此要求,也就是说,患者可以仅依赖CGM的读数。在未来,CGM读数预计可以无线传输至胰岛素泵 (图 5),然后胰岛素泵通过患者佩戴的便携储药器自动注射胰岛素,形成一个闭环系统。(尽管胰岛素泵目前已投入市场,但往往只有难以通过单独注射调控血糖水平的糖尿病患者才会佩戴胰岛素泵)。

图5.胰岛素泵

图5.胰岛素泵

CGM元件

CGM图6所示。

图6.CGM框图

图6.CGM框图

虽然BGM和CGM都采用电化学方法测量血糖水平,但是它们需要使用不同类型的AFE。BGM中使用的电化学试纸具有电极,检测时使用数模转换器(DAC)对试纸施加精确的偏置电压,然后测量试纸上电化学反应产生的电流,此电流与血液中的葡萄糖成比例。试纸上可能存在一路或多路通道,并通常由跨阻放大器(TIA)将电流转换为电压,以便使用模数转换器(ADC)进行测量。试纸的满量程电流测量范围为10µA至50µA,分辨率可达到10nA以下。需要测量环境温度,因为这些试纸的结果与温度相关。最简单的配置是具有两个电极的自偏置试纸(图7),在工作电极(WE)处测量电流,而公共电极(或反电极)(CE)接地。一个试纸上可能存在多路通道,其他通道用于参考测量、初始血液检测或确保血液已充满反应区。另一种配置是有源驱动两个电极并在公共电极处测量。

图7.采用简化自偏置配置的电化学试纸

图7.采用简化自偏置配置的电化学试纸

电化学阻抗谱分析

与BGM不同,CGM采用称为电化学阻抗谱(EIS)的技术,通过将交流电压加在直流电压上,以记录实部和虚部测量结果。EIS通常由一个采用反向配置(图8)的三电极传感器来实现。在驱动/检测电路驱动反电极(CE)和参考电极(RE)期间,从工作电极(WE)处测量电流。这种配置有个重要优势:在整个测量过程中,能够更准确地建立和保持试纸反应区的偏置电压。

图8.简化的三端反向配置

图8.简化的三端反向配置

选择电化学传感器AFE

图9所示的IC可用于两通道或三通道交流/直流检测应用,在多个方面优于类似器件。该AFE采用单个三电极部署方案,直流偏置电流仅为3.5µA(典型值),直流测量转换电流仅为7.3µA(典型值),EIS交流测量电流仅为950µA(80Hz时典型值)。其工作功耗(在电池供电的CGM应用中至关重要)比其他电化学AFE低50%到70%。并且,它可以在很宽的电源电压范围(1.71V至5.5V)内工作。此IC的其他优点包括,集成高精度的温度传感器(±0.5°C,+30°C至+50°C范围)并具有传感器检测模式(确保IC在未检测到传感器时以低功耗模式等待)。独特的安全特性包括开路测量模式(允许ADC独立于传感器测量通道的三电极电压,以确保合规性)以及电池的电压和温度监视器。该器件还支持可编程循环伏安模式和方波伏安模式。它采用25引脚WLP封装,尺寸为8.6mm2。与类似IC相比,它可节省近50%的空间,这对于空间受限的贴片型穿戴设备来说非常重要。

图9 MAX30131低功耗电化学传感器AFE

图9 MAX30131低功耗电化学传感器AFE

该器件还提供两通道(MAX30132)和四直流通道 (MAX30134)型号。如果应用中无需使用所有可用的通道,可将不用的端子配置为保护环(通过尽可能降低漏电流来提高精度),如如图10所示。

图10.由纽扣电池供电且带有可选保护环、可选热敏电阻和无线接口的3端电化学传感器

图10.由纽扣电池供电且带有可选保护环、可选热敏电阻和无线接口的3端电化学传感器

结语

我们介绍了血糖监测在糖尿病患者疾病控制中的重要性,并对照BGM解释了CGM如何显著简化此过程。我们说明了CGM需要一种可实现EIS测量技术的电化学传感器AFE。最后,我们介绍了具备此特性的小尺寸、低功耗电化学传感器AFE IC(及其变体)。这些器件还具有一系列额外安全特性,并也适用于其他可穿戴式电化学检测应用(如汗液传感器)。