作者/Jan-Hein Broeders(ADI公司 医疗健康事务部)
摘要：关于沟通电，电阻变为阻抗。在医疗职业中有许多运用阻抗丈量的用例。ADI公司了开发了AD594x系列的新式阻抗丈量芯片，准确且有多种功率形式，可完成按需丈量或接连丈量。
要害词：阻抗;丈量;剖析仪
谁不知道欧姆定律?关于直流电压来说，它表述为经过导体两点之间的电流与这两点之间的电压成正比。换言之，导体的电阻是稳定的，与电流无关。关于沟通电压来说，状况则彻底改动了，而且变得愈加杂乱。电阻变为阻抗，其界说为电压与电流在频域中的比率。起伏(或实部)代表电压和电流之间的比率，而相位(或虚部)则是电压与电流之间的相移值。
在医疗职业中有许多运用阻抗丈量的用例。该技能可用于广泛的运用，例如获取某些特定人体参数、检测疾病或剖析血液或唾液等人体液体。尽管这些运用的共同之处是进行阻抗丈量，但每个运用又都有各自的一系列要害要求。
ADI公司了开发了一个称为AD594x系列的新式阻抗丈量芯片。该芯片十分准确，并具有多种功率形式，可完成按需丈量或接连丈量。在本文中，您将了解该芯片的特性及其首要运用。
1 简介和要点
用芯片做阻抗丈量的技能相对较新。大约15年前，ADI公司推出了AD5933/AD5934，这是首个阻抗剖析芯片系列。第二代产品ADuCM350于2015年推出。这两个系列现在仍在很多出售，但关于现在更新的运用来说，它们并不总是最佳解决计划。跟着可穿戴设备和电池供电体系成为发展趋势，首要应战是在尽或许小的外形尺度内满意所需的功用水平，而且功耗极低。AD594x旨在支撑当今的可穿戴商场，并满意一切要害要求，包含高精度、小尺度和低功耗。
AD594x(图1)是一款多功用阻抗剖析仪，专为医疗和工业类运用量身定制。该模仿前端彻底可装备，能够进行修改以支撑各种不同的用例，包含皮肤电活动(EDA)或皮肤电反响(GSR)、身体阻抗剖析、水分丈量和生化丈量。本文要点介绍与医疗相关的运用，但AD594x也可用于工业运用，如有毒气体剖析、PH值丈量、电导率或水质丈量。
2 EDA/GSR的相对丈量
相对阻抗(或阻抗的改动值)能够直接选用2线丈量法来丈量。一个方针运用是经过皮肤电活动或皮肤电反响监测压力或心理健康。精神状态或压力监测十分重要，由于跟着时刻的推移，压力或许导致缓慢疾病，如糖尿病、心脏病或癌症。在精神状态改动期间或当人们变得严重时，人体的交感神经体系激活皮肤中的汗腺。这种效应会添加皮肤导电性，然后使阻抗下降。
皮肤阻抗监测选用伏安法丈量。在不知道阻抗(本例中为皮肤)上施加鼓励信号，并丈量阻抗两头的电压。然后丈量经过不知道阻抗的电流。对ADC成果履行DFT核算以得到阻抗的改动值。
图2显现了EDA或GSR的全体丈量原理。该丈量的鼓励信号频率挨近直流。主张运用低频鼓励(而非直流电压)进行丈量，以避免电极极化并消除对人体安排的损伤。一般，最大鼓励信号频率可达200
Hz，由于较高的频率可穿透进入人体，而不会仅丈量皮肤外表。将电极在人体上的某些方位，电导率会跟着人的心情或精神状态改动而改动。
阻抗改动与精神压力之间的联系并没有直接公式，因而该丈量一般与心率和/或心率变异性等其他丈量并行进行。需求开发一种算法来将各种丈量成果转化为心理压力水平。将EDA/GSR技能用于压力监测需求接连的全天候丈量，AD594x便是为此而专门规划的。输出数据速率为4
Hz时，功耗<80μA。EDA/GSR丈量也能够用于睡觉剖析等运用。
3 用于人体阻抗剖析的4线丈量法
在医疗运用中，经常将阻抗丈量用于生物阻抗剖析(BIA)。BIA是一种4线阻抗丈量，可用于需求肯定精度的运用。AD594x接纳带宽高达50
kHz且信噪比(SNR)为100
dB。最常见的4线BIA运用之一是人体成分丈量，以丈量去脂体重。此外，这种设置也可用于监测人体内的含水量或经过生物阻抗谱丈量心脏行为。其丈量原理都是相同的，可是咱们能够经过改动沟通鼓励频率和电极在人体的方位来完成不同的运用。图3显现了4线丈量法的原理。此设置中的不知道量Z代表人体。对人体施加沟通鼓励电压，在此之上叠加一适宜的共模电压并用电压表丈量，运用高速跨阻放大器丈量呼应电流。终究阻抗可经过下式核算：Z
= VM/I。
在图3的功用框图中，能够看到阻抗经过电阻和电容与丈量前端阻隔。电阻约束了可流过人体的最大电流。CISO保证在电极与地或其他电极之间不会产生直流信号。这是满意医疗安全规范(如IEC
60601)的要求之一。
如前所述，人体上的电极方位和鼓励频率将代表所履行的丈量。低至几百赫兹的低频电流只停留在皮肤外表，而较高频率的电流则会深化人体内部。关于一个健康人来说，水约占其整体重的60%。人体水分的三分之一是细胞外液(ECF)，而其余部分坐落细胞结构内(细胞间液)。鉴于细胞结构的电模型，高达50
kHz的沟通电流可进行细胞外液丈量。更高频率的电流则穿透细胞，然后能够丈量细胞间液。依据电极方位、鼓励频率和用于解译阻抗丈量的算法，能够确认人体的组成成分，例如整体脂百分比或人体含水量(丈量脱水)。AD594x能够支撑一切这些运用。在某些运用中，选用单频鼓励，而在其他运用中则选用多个频率或频率扫描。别的，丈量的频次能够不同。关于人体组成成分，一般每天丈量一次或每周丈量一次;关于人体脱水监测，一般需求接连丈量。关于接连丈量而言，功耗十分要害，因而AD594x的灵敏性在这里具有巨大的优势。
AD594x的其他运用包含依据胸阻抗丈量呼吸速率、运用经胸阻抗监测逐搏心排血量或用于预算膀胱容量的阻抗丈量。
4 AD594x用于生化丈量
AD594x的另一个运用是生化剖析。该技能将电流/恒电位仪类型的丈量运用于传感器上，此传感器可作为一个典型电化学电池的模型。传感器一般是带有试剂的测验条，在传感器上放置待测资料的样本。任何可被氧化或被复原的剖析物都或许拿来做电流丈量。在医疗运用中，能够对各种人体液体样品(如血液、尿液或唾液)进行剖析。该体系需求一个(可编程)电流源和恒电位仪放大器。电流丈量最简略的方法是经过在传感器上施加一个阶跃呼应电压来引起化学反响。运用跨阻放大器，丈量得到的电流能够代表反响的强度。除了前述的2线技能，AD594x还能支撑3线和4线电流丈量技能。
丈量技能都是相同的，测验条决议了可丈量的样本。血糖丈量是最常用的一种，它一般用于糖尿病患者的生化丈量。在3线装备中，电化学电池由产生反响的作业电极(WE)、坚持稳定电位的参比电极(RE)和供给反响电流的对电极(CE)组成。图4显现了该装备的功用框图。
恒电位仪在WE和RE之间供给所需的电池电位VCELL，并丈量WE和CE之间的反响电流。血糖检测有一种趋势是从按需检测转向运用接连血糖监测(CGM)。丈量仪继续丈量血糖浓度并将数据发送到胰岛素泵。然后泵将所需剂量的胰岛素注射到体内。这种人工胰腺技能改进了糖尿病患者的日子。不再需求专人整日调查血糖水平，该体系能够彻底独立运转，无需任何人为干涉。AD594x十分合适此运用，由于它具有十分高的精度和超低功耗，而且能够履行一切必需的安全查看。图4中的体系具有三个首要功用：生化AFE、微控制器和专用电源办理芯片。
除糖尿病外，该技能还可用来测验许多其他疾病以及药物和激素。在工业运用中，该技能首要用于气体检测和流体剖析。
5 AD594x的特性和首要标准
AD594x是一款高精度模仿前端(AFE)，专为依据电化学的丈量技能而规划，如电流、伏安和阻抗丈量。该前端具有超低功耗形式，支撑便携式和电池供电体系。与此同时，该芯片还能够支撑高功用和依据确诊的运用，这些运用首要用于临床和实验室环境中。
AD594x环绕三个首要模块而规划：输入接纳信号链、波形产生器和发送通道，以及用于丈量复阻抗的带有离散傅里叶变换(DFT)引擎的时序控制器。依据不同运用，鼓励回路及其接纳通道能够进行不同装备。关于要求传感器鼓励信号频率从直流改动到200
Hz的运用，能够运用低功耗DAC和低噪声恒电位仪放大器。关于需求更高鼓励频率(高达200
kHz)的运用，可运用集成的高速DAC。DAC能够生成正弦曲线和梯形鼓励波形。一切形式(低功耗或高速)均已集成了专用跨阻放大器。每种形式均具有一个可编程跨阻放大器，支撑连接到AFE的各种传感器。TIA的输出可多路复用到输入接纳通道的第二级。此刻，还能够丈量辅佐通道，例如外部电压和电流或内部确诊信号(如电源电压、芯片温度或基准电压源)。该多路复用器可用作通道选择器，其输出经过缓冲器、可编程增益放大器和抗混叠滤波器连接到一个16位、800
kSPS逐次迫临寄存器(SAR) ADC。
6 定论
可穿戴电子产品、依据云的即时监测以及RE、物联网是咱们简直每天都会见到的术语。检测是这些体系十分重要的功用之一，阻抗丈量则是更为重要的检测类型之一。AD594x的开发旨在满意当时的需求方针。它是一款高功用且灵敏的模仿前端，专为阻抗剖析、生物化学和电化学运用而规划。高精度、超低功耗和小尺度的组合拓荒了各种新商场和运用，而这些运用和商场在曩昔则难以完成。特别是关于便携式和电池供电的体系而言，该微型器材系列带来了巨大的优势。AD594x系列可与单导联ECG前端AD8233无缝合作运用。两个芯片都能够在主/从装备下作业，该装备能够共用连接到人体的电极来进行阻抗和ECG丈量。至于处理器，主张将超低功耗ADuCM3029
Cortex®-M3与ADP5350电源办理和锂离子充电器器材合作运用。
现现已开发了针对不同用例的评价板，可用于缩短规划周期和产品上市时刻。
作者简介：
Jan-Hein
Broeders，是ADI公司担任欧洲、中东和非洲商场医疗健康事务的开发司理。他与医疗健康职业密切合作，将他们现在和将来的需求转化为各种解决计划，这些计划依据ADI公司商场抢先的线性和数据转换器技能以及数字信号处理和电源产品。20多年前，Jan-Hein开端从事半导体职业，担任模仿现场运用工程师，自2008年起开端担任现在的医疗健康部分职务。他具有荷兰斯海尔托亨博斯大学的电气工程学士学位。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第20页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
