阻抗測量中的萬能法寶

作者/Jan-Hein Broeders(ADI公司 醫療健康業務部)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201902/397960.htm

　　摘要：對於交流電，電阻變為阻抗。在醫療行業中有許多應用阻抗測量的用例。ADI公司了開發了AD594x系列的新型阻抗測量晶片，精確且有多種功率模式，可實現按需測量或連續測量。

　　關鍵詞：阻抗;測量;分析儀

　　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，導體的電阻是恆定的，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系列關鍵要求。

　　ADI公司了開發了一個稱為AD594x系列的新型阻抗測量晶片。該晶片非常精確，並具有多種功率模式，可實現按需測量或連續測量。在本文中，您將了解該晶片的特性及其主要應用。

　　1 簡介和重點

　　用晶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。隨著可穿戴設備和電池供電系統成為發展趨勢，主要挑戰是在儘可能小的外形尺寸內滿足所需的性能水平，並且功耗極低。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)是一款多功能阻抗分析儀，專為醫療和工業類應用量身定製。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(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。

　　2 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線測量法來測量。一個目標應用是通過皮膚電活動或皮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。

　　皮膚阻抗監測採用伏安法測量。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。

　　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<80μA。EDA/GSR測量也可以用於睡眠分析等應用。

　　3 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BIA應用之一是人體成分測量，以測量去脂體重。此外，這種設置也可用於監測人體內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不同的應用。圖3顯示了4線測量法的原理。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測量，利用高速跨阻放大器測量響應電流。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生直流信號。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部。對於一個健康人來說，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)。鑑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能夠支持所有這些應用。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，測量的頻次可以不同。對於人體組成成分，通常每天測量一次或每周測量一次;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的靈活性在這裡具有巨大的優勢。

　　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。

　　4 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/恆電位儀類型的測量應用於傳感器上，此傳感器可作為一個典型電化學電池的模型。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)電流源和恆電位儀放大器。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電壓來引起化學反應。使用跨阻放大器，測量得到的電流可以代表反應的強度。除了前述的2線技術，AD594x還能支持3線和4線電流測量技術。

　　測量技術都是一樣的，測試條決定了可測量的樣本。血糖測量是最常用的一種，它通常用於糖尿病患者的生化測量。在3線配置中，電化學電池由發生反應的工作電極(WE)、保持恆定電位的參比電極(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。

　　恆電位儀在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)。測量儀持續測量血糖濃度並將數據發送到胰島素泵。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平，該系統可以完全獨立運行，無需任何人為幹預。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。

　　5 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、伏安和阻抗測量。該前端具有超低功耗模式，支持可攜式和電池供電系統。與此同時，該晶片還能夠支持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，以及用於測量復阻抗的帶有離散傅立葉變換(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和低噪聲恆電位儀放大器。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的輸出可多路復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、晶片溫度或基準電壓源)。該多路復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。

　　6 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。檢測是這些系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，該微型器件系列帶來了巨大的優勢。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。

　　作者簡介：

　　Jan-Hein Broeders，是ADI公司負責歐洲、中東和非洲市場醫療健康業務的開發經理。他與醫療健康行業密切合作，將他們現在和將來的需求轉化為各種解決方案，這些方案基於ADI公司市場領先的線性和數據轉換器技術以及數位訊號處理和電源產品。20多年前，Jan-Hein開始從事半導體行業，擔任模擬現場應用工程師，自2008年起開始擔任目前的醫療健康部門職務。他擁有荷蘭斯海爾託亨博斯大學的電氣工程學士學位。

本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第3期第20頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處