電化學傳感技術(shù)與遠程醫(yī)療監(jiān)控提供更好的患者護理質(zhì)量

在當今先進的技術(shù)時代，電化學傳感器的普及和重要性正在迅速增長，量化化學物質(zhì)可提高醫(yī)學和環(huán)境科學、工業(yè)材料和食品加工等不同領(lǐng)域的安全性、效率和認知。當您將這種傳感能力與低功耗模擬前端（AFE）器件和低功耗藍牙技術(shù)相結(jié)合，并搭配物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行遠程監(jiān)控時，可以進一步提高這些解決方案的有效性。本文將為您介紹電化學傳感器的設計原理，以及結(jié)合遠程醫(yī)療監(jiān)控應用的發(fā)展，還有安森美（onsemi）所推出的相關(guān)解決方案。

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電化學傳感器可促進科學理解

并提高生活質(zhì)量

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聯(lián)網(wǎng)的電化學傳感器將可促進科學理解并提高我們的生活質(zhì)量，諸如監(jiān)測糖尿病患者血糖水平的可穿戴設備、用于評估環(huán)境污染物的氣體檢測器、用于改善食品安全的組胺傳感器，或是工業(yè)恒電位儀與腐蝕傳感器等解決方案，都在現(xiàn)代世界中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

電子工程中電化學傳感器的典型設置涉及三電極系統(tǒng)，傳感器的核心包含三個主要部分，其中的工作電極（WE）是發(fā)生電化學反應的地方，從而產(chǎn)生電子流動和電流。對應電極（CE）平衡工作電極處的氧化還原反應以實現(xiàn)精確感應，而參比電極（RE）測量工作電極的電位，并為對應電極的電壓提供反饋。最后，工作電極產(chǎn)生的電流被轉(zhuǎn)換成電壓。通過額外的數(shù)字處理和無線通信，可以構(gòu)建強大的連接解決方案，從而洞察我們周圍的環(huán)境，以及我們自己的身體狀況。

電化學傳感器在許多遠程患者監(jiān)測應用中至關(guān)重要，例如連續(xù)血糖監(jiān)測（CGM）是糖尿病管理的重要組成部分，糖尿病是一種影響全球1/11人的慢性疾病。CGM設備市場預計將從2023年到2032年以9%的復合年增長率（CAGR）增長。

在環(huán)境設置中，包括空氣污染／質(zhì)量測量等應用，電化學傳感器可用于檢測包括一氧化碳、硫化氫和氮氧化物和硫氧化物在內(nèi)的氣體。而在食品生產(chǎn)中，手持式便攜式設備和更大的自動電化學檢測解決方案，用于確保味道是否正常，以及有沒有過敏原或有害化學物質(zhì)。

AFE器件與電化學傳感器的配對可實現(xiàn)精確測量，不僅對醫(yī)療保健和工業(yè)過程至關(guān)重要，而且還有助于我們推進科學知識。例如，可穿戴或便攜式醫(yī)療設備可以持續(xù)遠程監(jiān)測血糖水平，為研究人員提供前所未有的洞察力，從而加速創(chuàng)新并造福全球人類。

遠程監(jiān)控提供更便利的患者護理服務

隨著人口老齡化，我們越來越關(guān)注自己的健康和福利，醫(yī)療保健專業(yè)人員面臨著越來越大的診斷、監(jiān)控和治療壓力。到目前為止，接受診斷或持續(xù)監(jiān)測病情仍需要前往醫(yī)生辦公室、診所或醫(yī)院等醫(yī)療機構(gòu)。然而，對于人們忙碌的生活來說，在時間與交通上，并不是那么方便，尤其是對于需要長期監(jiān)測而言，更是一項負擔。

聯(lián)網(wǎng)便攜式監(jiān)視器等現(xiàn)代技術(shù)正在迅速改變這種情況。現(xiàn)在無需前往醫(yī)療機構(gòu)即可進行簡單、非侵入式的監(jiān)測。事實上，一些高度便攜的設備可以在患者正常生活的同時記錄關(guān)鍵的醫(yī)療信息，這除了可減輕醫(yī)療機構(gòu)的壓力外，這項技術(shù)的應用還降低了成本，并為那些必須依據(jù)病情來決定是否親自就診的患者，釋放了醫(yī)院的負荷量。

在許多較不發(fā)達地區(qū)，可能沒有合適的醫(yī)療機構(gòu)可供就診，或者現(xiàn)有的醫(yī)療機構(gòu)已經(jīng)人滿為患。在這些地方，遠程監(jiān)控可能是獲得改變?nèi)松脑\斷結(jié)果的唯一可行方法。遠程監(jiān)控使患者能夠在自己舒適安全的家中就醫(yī)，也減少了患者到醫(yī)院與其他人接觸造成的交叉感染風險。

此外，隨著醫(yī)療保健水平的提高，全球人民的壽命越來越長。再加上癌癥、糖尿病和慢性呼吸系統(tǒng)疾病等非傳染性疾病的患病率不斷上升（目前占世界十大死因中的7個），對身體遠程監(jiān)控的需求增長速度比以往任何時候都要來得快。

安森美的電化學測量與無線傳輸解決方案

安森美最近宣布推出CEM102，這是一款先進的微型AFE，旨在精確測量電化學和安培電流。CEM102在與RSL15 Bluetooth 5.2認證的無線微控制器配對后，RSL15可提供業(yè)界最低功耗、安全的低功耗藍牙技術(shù)。通過此解決方案，設計人員可以開發(fā)極其精確、低功耗和緊湊的傳感應用。

與單個解決方案相比，安森美的CEM102 + RSL15解決方案提供了更高的精度、更低的噪聲和更低的功耗。它允許簡化物料清單（BoM）并提供更大的配置靈活性，最終釋放開發(fā)資源。重要的是，這種靈活性使它不僅成為可用于基于電化學傳感器的測量，而且成為需要精確測量小電流的許多類型傳感器的解決方案。

CEM102 + RSL15平臺支持1.3 - 1.65 V和2.375 - 3.6V兩種電池選擇，在18位ADC持續(xù)轉(zhuǎn)換的情況下，器件在主動測量模式下僅消耗3.5 μA，這意味著僅使用3 mAh電池即可實現(xiàn)市場領(lǐng)先的14天運行需求。憑借其緊湊的1.884 x 1.848 mm封裝和使用一到四個電極的能力，它可以幫助創(chuàng)建更小、更高效的可穿戴醫(yī)療保健解決方案，從而增強用戶體驗。為了簡化開發(fā)，CEM102 + RSL15產(chǎn)品通過尖端硬件、廣泛的開發(fā)支持，以及固件、軟件和IOS、Android演示應用程序，促進了實現(xiàn)多個傳感器持續(xù)感應的解決方案。

各種化學電流的精確檢測和測量為新的科學進步打開了大門。憑借其小巧的外形和業(yè)界最低功耗，它使所有終端應用進一步小型化并延長電池壽命。CEM102和RSL15平臺提供的解決方案可幫助工程師創(chuàng)建緊湊、有彈性且價格合理的聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，例如用于醫(yī)療保健的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可增強血糖調(diào)節(jié)、降低糖尿病相關(guān)風險，并更好地融入我們的生活。

20多年來，安森美在開發(fā)支持和支撐遠程醫(yī)療設備的技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用，憑借其先進的內(nèi)部封裝技術(shù)和符合FDA標準的制造技術(shù)，在開發(fā)微型系統(tǒng)級封裝（SiP）解決方案方面處于領(lǐng)先地位。安森美還在開發(fā)超低功耗解決方案方面擁有豐富的經(jīng)驗，像是各種用于監(jiān)測和治療多種常見疾病的設備，包括助聽器、脈搏血氧儀，用于測量血氧水平、心電圖、血糖監(jiān)測儀，雖然疾病的類型完全不同，但所使用的技術(shù)具有高度的相似性。這些設備的關(guān)鍵要求包括超低電平信號感應、信號處理、控制和安全連接。

這些設備的連接主要通過諸如低功耗藍牙技術(shù)之類的協(xié)議進行，該技術(shù)允許通過智能手機實現(xiàn)更廣泛的連接。隨著低功耗藍牙協(xié)議的進步和安森美創(chuàng)新器件的出現(xiàn)，可穿戴設備和其他小型醫(yī)療設備無需更換電池即可運行長達十年。

完整、易用的電化學傳感應用開發(fā)平臺

由安森美推出的RSL15是一款基于Arm Cortex?M33處理器的超低功耗、安全的低功耗藍牙5.2無線MCU，專為工業(yè)和醫(yī)療應用中的智能互聯(lián)設備而設計。RSL15具有內(nèi)置電源管理、寬廣的電源電壓范圍、靈活的GPIO和時鐘方案，以及廣泛的外設集，為高性能和超低功耗應用提供了最大程度的設計靈活性。RSL15包含80kB RAM，并有284kB或512kB兩種閃存選擇。

安森美也推出搭配RSL15的軟件開發(fā)套件（SDK），配置全面、易于操作，包含驅(qū)動程序、程序庫、示例代碼、開發(fā)工具和移動應用程序（適用于iOS和Android的RSL Central，及適用于iOS和Android的RSL FOTA），開發(fā)環(huán)境包含安森美IDE、Keil μVision和IAR內(nèi)置Work Bench。

另一方面，安森美推出的電化學傳感器AFE ― CEM102，是一種模擬前端（AFE），專門為連續(xù)血糖監(jiān)測（CGM）和其他使用安培測量的應用而開發(fā)，這些應用需要感測極低的電流。憑借其小巧的外形和低功耗，它能夠進一步實現(xiàn)許多終端應用的小型化并延長電池壽命。CEM102設計用于與安森美RSL15一起使用，帶來多項額外的系統(tǒng)級優(yōu)勢，例如以優(yōu)化的系統(tǒng)功耗和電源電壓運行。這包括在1.3至3.6 V的寬電源電壓范圍內(nèi)運行系統(tǒng)，通常使用單個1.5 V氧化銀電池或3 V紐扣電池。

此外，安森美也推出一個CEM102評估板（CEM102-EVB），它旨在評估CEM102的性能和功能，并用于開發(fā)、演示和調(diào)試此器件的軟件應用程序。除了CEM102之外，它還包括RSL15，以及用于設置和使用CEM102執(zhí)行測量的示例代碼，這有助于快速啟動系統(tǒng)和固件開發(fā)。

CEM102-EVB是完整的2通道電化學測量解決方案，具有靈活的自我診斷、校準和生產(chǎn)測試（帶客制PCB），支持電極極化電壓和校準電路偏差的自我測量，擁有跨阻放大器（TIA），具有內(nèi)部和外部反饋電路，以及測量精度、線性度、動態(tài)范圍設置，在存儲模式和工作模式下具有低功耗，也可測量每種模式的功耗。

結(jié)語

電化學傳感器在醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)安全中的應用非常廣泛，這項技術(shù)的多功能性遠遠超出了目前所利用的范圍。此外，安森美推出的這些尖端平臺對于進一步開展科學研究和發(fā)現(xiàn)新應用也至關(guān)重要，安森美的CEM102 + RSL15的產(chǎn)品組合與開發(fā)平臺，將可加快相關(guān)醫(yī)療保健產(chǎn)品開發(fā)商的產(chǎn)品開發(fā)速度，將會是開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的理想解決方案。