作者：Jan-Hein Broeders

誰不熟悉歐姆定律？對于直流電壓，它指出通過兩點之間導體的電流與這兩點兩點上的電壓成正比。換句話說，導體的電阻是恒定的，與電流無關。對于交流電壓，情況完全改變并變得更加復雜。電阻成為阻抗，定義為頻域中的電壓和電流比。幅度或實部表示電壓和電流之間的比率，其中相位或虛部是電壓和電流之間相移的量度。

在醫療行業中有許多應用阻抗測量的用例。該技術可用于廣泛的應用，例如檢索某些人體參數、檢測疾病或分析血液或唾液等液體。盡管這些用例具有共同的阻抗測量，但它們中的每一個都有自己的一套關鍵要求。

ADI公司開發了一款名為AD594x的新型阻抗測量系列。它非常精確，并具有多種功率模式，以支持抽查或連續測量。在本文中，您將了解該芯片的功能及其主要應用。

簡介和重點

用于阻抗分析的芯片相對較新。大約15年前，ADI公司推出了AD5933/AD5934，這是第一個阻抗分析芯片系列。第二代產品ADuCM350于2015年推出。這兩個系列都在大批量銷售，但它們并不總是支持當今新應用的最佳解決方案。隨著可穿戴設備和電池供電系統的趨勢，主要挑戰是以盡可能小的外形尺寸和極低的功耗滿足所需的性能水平。AD594x專為支持當今的可穿戴市場而開發，可滿足所有關鍵要求，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。模擬前端是完全可配置的，可以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、水合測量和生化測量。本文重點介紹醫療相關應用，但AD594x也可用于有毒氣體分析、PH測量、電導率或水質測量等工業應用。

圖1.AD594x的高級框圖

EDA/GSR 的相對測量

可以執行2線測量原理來測量相對阻抗或阻抗變化。這方面的一個目標應用是通過皮膚電活動或皮膚電反應來監測壓力或心理健康。監測精神狀態或壓力很重要，因為隨著時間的推移，壓力情況可能會導致糖尿病、心臟病或癌癥等慢性疾病。在精神變化或人們感到壓力時，人體的交感神經系統會激活皮膚中的汗腺。這種效應增加了皮膚的導電性，從而導致阻抗下降。

皮膚阻抗監測是一種伏安法測量。在未知阻抗（在本例中為皮膚）上施加激勵信號，并測量阻抗兩端的電壓。交替測量通過阻抗的電流，并對ADC結果執行DFT以計算阻抗變化。圖2顯示了EDA或GSR測量的高級測量原理。該測量以接近直流的激勵頻率進行。建議使用低頻激勵而不是用直流電壓測量，以防止電極極化并消除對人體組織的傷害。通常，應用最大200 Hz的激勵頻率，因為更高的頻率會滲透到體內，并且不會僅在皮膚表面進行測量。根據電極在人體上的位置，電導率的變化會隨著某人的情緒或精神狀態而變化。

圖2.EDA或GSR測量原理。

阻抗變化與精神壓力沒有直接方程，因此通常此測量與其他測量（如心率和/或心率變異性）并行進行。需要一種算法來獲取各種測量的結果，以將其轉換為應力水平的測量值。針對應力的EDA/GSR技術需要24/7連續測量，AD59xx就是為此而設計的。輸出數據速率為 4 Hz 時，功耗為 <80 μA。 EDA/GSR 測量也用于睡眠分析等應用。

用于人體阻抗分析的 4 線測量

在醫療應用中，一種流行的阻抗測量類型是生物阻抗分析（BIA）。BIA是一種4線測量原理，這種配置支持需要絕對精度的應用。AD59xx能夠支持接收帶寬高達50 kHz、信噪比（SNR）為100 dB的應用。最常見的 4 線 BIA 應用之一是身體成分測量，其中測量無脂肪質量的量。然而，這種設置也可用于監測人體中的水量或通過生物阻抗譜測量心臟行為。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上的位置來改變用例。圖3顯示了4線測量原理的設置。此設置中的未知 Z 代表人體。將電壓推至被測阻抗，使其達到一定的共模電位，同時施加交流激勵電壓，并使用高速跨阻放大器測量響應電流。阻抗最終可以計算為 Z = V常見/我。

圖3.用于人體阻抗分析的 4 線測量。

在圖3的框圖中，您可以看到阻抗通過電阻和電容與測量前端隔離。電阻器限制了可以流過身體的最大電流。C.ISO確保電極與地之間或其他電極之間不會產生直流信號。這是達到醫療安全標準（如IEC 60601）的要求之一。

如前所述，電極在人體上的位置以及激勵頻率將代表所執行的測量。高達幾百赫茲的低頻停留在皮膚表面，而高頻則深入體內。對于一個健康的人來說，大約60%的體重由水組成。體內總水分的三分之一是細胞外液（ECF），其余的則存在于細胞結構內（細胞間液）。由于細胞結構的電模型，高達50 kHz的交流將通過細胞外液進行測量。更高的頻率超越細胞，可以測量細胞內液。根據電極位置、激勵頻率和用于解釋阻抗測量的算法，可以確定身體成分，例如全身脂肪的百分比或身體水分（用于測量脫水）。AD59xx能夠支持上述每種應用。在某些用例中，使用單頻激勵，而在其他應用中使用多個頻率或頻率掃描。此外，測量次數的頻率可能不同。如果每天或每周測量一次身體成分，通常會連續測量脫水。對于連續測量，功耗非常關鍵，這就是AD59xx的靈活性具有巨大優勢的原因。

AD59xx的其他應用包括基于胸阻抗測量呼吸速率、通過經胸阻抗測量進行心輸出量監測，或通過阻抗測量來估計膀胱容積。

AD59xx用于生化測量

生化分析是AD59xx的另一個應用。該技術在傳感器上使用電化學/恒電位儀類型的測量，該傳感器模擬典型的電化學電池。傳感器通常是帶有試劑的試紙，您可以在其中應用被測材料的樣品。任何可被氧化或還原的分析物都是安培測量的候選者。對于醫療應用，可以分析各種人體液體樣本，例如血液、尿液或唾液。該系統需要一個（可編程）電流源和一個恒電位儀放大器。最簡單的安培測量形式是通過在傳感器上施加階躍響應電壓來完成的，這會引起化學反應。使用跨阻放大器時，測量電流作為反應的參考。除了前面提到的2線技術外，AD59xx還能夠支持3線和4線電化學測量技術。

由于測量技術始終相同，因此試紙確定被測樣品。血糖測量是最受歡迎的一種，它通常用于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 顯示了此配置的框圖。

圖4.3線生化分析儀框圖。

恒電位儀提供所需的電池電位V細胞在WE和RE之間，并測量WE和CE之間的反應電流。一種趨勢是放棄葡萄糖抽查測量，并使用連續血糖監測（CGM）。該儀表持續測量血糖水平并將數據發送到胰島素泵。然后泵將所需劑量的胰島素分配到身體。這種人工胰腺技術改善了糖尿病患者的生活。該系統不是一個人在白天觀察血糖水平，而是完全獨立運行，沒有任何人為參與。AD59xx非常適合此應用，因為它具有極高的精度和超低功耗，并可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芯片。在不久的將來，AFE將被集成到MCU中，以減少整體電路板空間。

除了糖尿病，許多其他疾病，以及藥物和激素，都可以用這項技術進行測試。在工業應用中，該技術主要用于氣體傳感和流體分析。

AD59xx特性和主要規格

AD59xx是一款高精度模擬前端（AFE），專為基于電化學的測量技術而設計，如安培、伏特和阻抗測量。前端具有超低功耗模式，支持便攜式和電池供電系統。與此同時，該芯片還能夠支持高性能和基于診斷的應用，這些應用主要存在于臨床和實驗室環境中。

AD59xx圍繞三個主要構建模塊設計：輸入接收信號鏈、波形發生器和發射通道，以及帶有分立式傅里葉變換（DFT）引擎的時序控制器，用于測量復阻抗。根據用例的不同，可以對帶有接收器通道的激勵環路進行不同的配置。對于需要直流至200 Hz傳感器激勵的應用，可以使用低功耗DAC和低噪聲恒電位儀放大器。對于需要更高激勵頻率（高達200 kHz）的應用，使用集成高速DAC。DAC可以產生正弦波和梯形激勵波形。對于每種模式，低功耗或高速，都集成了一個專用的跨阻放大器。每個都有一個可編程跨阻放大器，以支持各種傳感器，這些傳感器可以連接到AFE。TIA的輸出可以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，例如電源電壓、芯片溫度或基準電壓。該多路復用器的輸出用作通道選擇器，通過緩沖器、可編程增益放大器和抗混疊濾波器連接到16位、800 kSPS逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

結論

可穿戴電子產品、護理點云連接系統和物聯網是我們幾乎每天都會遇到的術語。傳感是所有這些系統中非常重要的方面，阻抗測量是更值得注意的傳感類型之一。AD59xx專為滿足當今需求而開發。它是一款高性能、靈活的模擬前端，專為阻抗分析、生化和電化學應用而設計。高精度、超低功耗和小尺寸的結合開辟了過去難以解決的廣泛新市場和應用。特別是對于便攜式和電池供電系統，該系列微型設備帶來了巨大的優勢。AD59xx系列可與單導聯ECG前端AD8233無縫配合使用。兩個芯片都可以在主/從配置下工作，其中阻抗和ECG測量可以通過使用同一組電極對人體進行。作為處理器，建議將超低功耗ADuCM3029 Cortex-M3與ADP5350電源管理和鋰離子電池充電器器件結合使用。

審核編輯：郭婷