導讀基於阻抗分析儀的生物醫學應用包括皮膚電活動(EDA)或皮膚電反應(GSR)、身體阻抗分析、水分測量和生化測量。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。
最簡單也許是最有效的?阻抗測試在醫學上的應用分析
只需要用最簡單的工具——萬用表，測試最簡單的參數——電阻，你就可以輕鬆判定一個電路是否損壞。這大概是最不值得一提的技能，但這個技能在很多行業可以有大用，事實上電阻/阻抗測試是很多系統工作的基本原理，物理特性(甚至生物特性)的變化很多時候都會對應著阻抗的變化。
例如，不同的病毒株會使血液中發生不同的化學反應，通過在一定頻率下測量這些化學反應的阻抗，依此量化這些反應，研究人員就能通過其阻抗特徵來識別不同的病毒珠。血液凝固時間可以通過測量血液凝固時的阻抗來確定。凝血監測對於心臟搭橋手術患者的術後恢復至關重要，醫生可以通過凝血監測來維持流血和凝血之間的平衡。
生物阻抗測量系統框圖。
基於阻抗測試的生物電測試原理分析
基於阻抗分析儀的生物醫學應用包括皮膚電活動(EDA)或皮膚電反應(GSR)、身體阻抗分析、水分測量和生化測量。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(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。下圖顯示了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。
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，AD5940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。
從ADI的幾代產品看阻抗測試技術演進路線圖
用晶片做阻抗測量的技術相對較新。大約16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。
一年前ADI再次宣布推出一款新型電化學和阻抗測量前端，可實現下一代生命體徵監測裝置和智能電化學傳感器——AD5940，該模擬前端在單個晶片內集成了恆電位儀和電化學阻抗譜 (EIS) 功能，從而可在時域和頻域中實現傳感器測量。該器件具有用於先進傳感器診斷的集成化硬體加速器、用於完成準確傳感器測量的同類最佳低噪聲性能，並專為"始終保持開機"的可穿戴式應用而設計。
與那些有局限性、並且需要使用多個 IC 方可實現相似性能的傳統分立式解決方案相比，AD5940的單晶片解決方案在系統準確度和尺寸靈活性方面擁有優勢，可測量2引腳、3引腳和4引腳電化學傳感器。對於那些將高精度生物和化學感測作為關鍵任務的應用 (如工業氣體檢測、液體分析、材料感測、生命體徵監測、阻抗譜和疾病管理等)來說，這是一款理想的解決方案。
基於高精度模擬前端AD5940的生物阻抗分析
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。AD5940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。
下圖顯示了採用四線配置將AD5940用於人體絕對阻抗測量的連接方式。對於這種類型的測量，使用高頻環路;可編程交流電壓發生器提供激勵信號。第二個發生器可提供共模電壓，以實現正確測量。通過跨阻放大器測量由人體阻抗產生的電流，並採用16位ADC進行轉換。該系統能夠在最高200 kHz的頻率下進 行測量，在50 kHz下可提供100 dB的信噪比(SNR)。將數字數據發送到硬體加速器以提取所需數值;即阻抗的實數部分和虛數部分。
AD5940用於生物電阻抗分析的四線連接
生物阻抗測量是一種快速無創評估人體組成和診斷某些類型疾病的低成本通用方法。由於使用AD5940等器件，當前的技術可以實現緊湊、高性能、低功耗的生物阻抗分析儀，並且該分析儀可以使用電池供電。AD5940的高集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特別適合可穿戴應用。
本文結論
電阻抗譜測試在生物醫療應用，可以說「只有想不到，沒有做不到」，目前運用到包括病毒檢測、凝血監測、電阻抗譜和揚聲器優化的一些應用中，更多的應用開發值得探索。事實上，在更廣泛的領域也在獲得更多的應用：採用阻抗來測量基礎設施、汽車、飛機和輪船中的鋁和鋼的腐蝕狀態，從而防止早期故障和不必要的維修;阻抗測量晶片能放置在難以到達的偏遠地區，在出現腐蝕或早期磨損的最初跡象時，這個持續工作的「結構化監控」信號使維護人員及時獲知情況;測量聽覺聲音頻率範圍內的揚聲器阻抗使設計工程師能夠積極地匹配揚聲器阻抗與音頻驅動器，從而獲得最理想的性能和功率傳輸。
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阻抗測試[4]
[整理編輯：CK365測控網]
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