选择具有最佳平衡点的电化学AFE用于连续血糖监测

糖尿病患者必须持续监测他们的血糖水平，以帮助他们决定何时服用他们需要的药物来控制他们的病情。直到最近，这通常是使用手持式血糖监测仪来完成的，这个过程既具有破坏性又具有侵入性。一种新型的连续血糖监测仪（CGM），位于一次性可穿戴贴片中，监测皮肤下的葡萄糖水平。这种技术侵入性较小，可以在需要药物时立即向佩戴者发送警报。在本设计解决方案中，我们解释了CGM中使用的电化学传感器AFE的作用和功能。然后，我们提出了一种满足这些要求的微型低功耗电化学AFE IC，使其适用于CGM和其他体液分析应用。

介绍

“追求完美与...糖尿病是不可能的。有太多的东西是你无法控制的，并找到一种方法来保持 在糖尿病打断你生活的时刻，冷静和耐心是关键。毫无疑问，国际上的话 著名歌手/演员尼克乔纳斯，患有1型糖尿病，与其他30+百万人大声共鸣 美国所有类型的糖尿病患者 柳叶刀、试纸、血糖监测仪、注射器和胰岛素泵 只是困扰他们日常生活的一些用具。

值得庆幸的是，最近连续血糖监测仪（CGM）的出现有望在未来进行糖尿病管理 将变得侵入性小得多。在这个设计解决方案中，我们简要描述了不同类型的糖尿病和 解释为什么血糖监测对患者如何管理病情至关重要。接下来，我们概述主要 CGM的组件，并解释为什么并非所有电化学传感器模拟前端IC都适合用于 在最终提出不仅满足所需标准的电化学传感器AFE之前，此应用将呈现 用于这种新兴的医疗技术，但具有一些额外的安全性和其他有益功能， 将进一步加强其应用。

什么是糖尿病？

糖尿病（通常简称为“糖尿病”）是一种慢性代谢紊乱，由 胰岛素的产生或使用不足，胰岛素是一种由胰腺产生的激素，允许身体使用和 储存葡萄糖。随着时间的推移，未经治疗的糖尿病会导致高血糖症（或血糖升高），从而 对体内的神经、器官和血管造成严重损害。该疾病有两种主要变体。 1型糖尿病（以前称为胰岛素依赖型糖尿病）通常在儿童，青少年和年轻人中诊断出来 成年人，但它可以在任何年龄发展。在1型糖尿病中，胰腺产生很少或没有胰岛素。 1型糖尿病患者需要每天注射胰岛素（或佩戴胰岛素泵）以调节 他们用于能量生产的血糖水平。只有约5%的糖尿病患者患有1型糖尿病。类型 2 糖尿病最常发生在 45 岁以上的人群中，但越来越多的儿童、青少年和年轻人 成年人也在开发它。它是由生活方式因素引起的（年龄、饮食、缺乏运动、超重、 药物），这会干扰身体有效生产和使用胰岛素的能力。虽然它可以 通过改变饮食和改变生活方式来管理，它可以发展到像1型一样的地步 糖尿病，必须给予胰岛素。百分之九十五的糖尿病患者患有2型糖尿病。

血糖监测

为了确定何时应该给予胰岛素，患者需要监测他们的血糖水平。 通常，患者间歇性地收集少量血液样本（通常通过针刺指尖）并放置 它在“试纸”上，然后将其插入手持式血糖仪（BGM）中。仪表上的结果 显示器帮助患者确定他们是否需要胰岛素。

或者，一种称为“连续血糖监测仪”的最新创新已被批准 供糖尿病患者用于跟踪他们的血糖水平。

这种“贴片型”装置由患者连续佩戴，通常戴在手臂或腹部（贴片被处理掉） 并在几天后更换）。它不是使用血液来测量葡萄糖水平，而是通过监测 皮肤间质液中的葡萄糖水平。如图4所示，一个小探头放置在正下方 皮肤表面进行测量，然后将其无线传输到手持式阅读器或 智能手机。

图4.CGM 与皮肤接触的横截面图。

该设备的主要优点是它允许患者不间断地连续监测他们的血糖水平，并在他们需要胰岛素时通过警报发出警报。直到最近，这些设备还只是 批准用于手持式监护仪的“辅助”（即患者仍需要采集血液样本） 并使用血糖仪确认CGM的读数以进行校准）。但是，此要求 此后，一些监视器已被移除，这些监视器现在被描述为“非辅助”，这意味着 可以仅依靠 CGM 的读数。预计今后，来自CGM的读数将是 无线传输到胰岛素泵，然后胰岛素泵将自动从 患者佩戴的便携式储液罐，采用闭环式系统。（尽管胰岛素泵目前是 可用，它们通常只有努力控制血糖水平的糖尿病患者才能佩戴 单独使用注射）。

CGM 组件

CGM 的简化框图如图 6 所示。

图6.CGM 框图。

尽管BGM和CGM都通过电化学手段测量葡萄糖水平，但它们需要不同类型的AFE。 BGM中使用的电化学试纸具有电极，其中施加精确的偏置电压，并带有 数模转换器（DAC）和与血液中葡萄糖成比例的电流测量为 试纸上电化学反应的结果。可以有一个或多个通道，并且 电流通常由跨阻放大器（TIA）转换为电压，以便用 模数转换器 （ADC）。试纸的满量程电流测量值为10μA 至 50μA 范围，分辨率小于 10nA。需要测量环境温度，因为 试纸与温度有关。最简单的配置是自偏置试纸（图 7） 它有两个电极，其电流在工作电极 （WE） 处测量，公共（或计数器） 电极 （CE） 接地。单个试纸上可以有多个通道，还有其他通道 用于参考测量、初始血液检测，或确保血液已饱和 反应部位。另一种配置主动驱动两个电极，并在公共电极处进行测量。

图7.简化的自偏置配置的电化学试纸。

电化学阻抗谱

与BGM不同，CGM使用一种称为电化学阻抗谱（EIS）的技术，该技术增加了交流电压 到直流电压以记录实数和虚部测量值。EIS通常与具有以下传感器的传感器一起实现 三个电极，以计数器配置构建（图8）。在工作时测量电流 电极 （WE），而力检测电路驱动对电极 （CE） 和参比电极 （RE）。 这种配置有一个重要的优点：测试中反应部位的偏置电压 在整个测量过程中，带材的设置和维护更加精确。

图8.简化的三端子计数器配置。

选择电化学传感器AFE

图9所示的IC可用于双通道或三通道、交流或直流检测应用，与类似器件相比具有多个优势。采用单三电极方案时，该AFE的直流偏置电流仅为3.5μA（典型值），直流测量转换电流仅为7.3μA（典型值），EIS AC测量电流仅为950μA（典型值为80Hz）。它的工作功率（在电池供电中至关重要 CGM应用）比其他电化学AFE低50%至70%。它还在 最宽电源电压范围（1.71V 至 5.5V）。该 IC 的其他优点包括它来了 为此类器件提供最精确的集成温度传感器（±0.5°C，+30°C至+50°C范围），并具有传感器检测模式（确保IC在未检测到传感器时以低功耗模式等待）。 独特的安全功能包括开路测量模式（允许ADC测量通道的三电极电压，以确保合规性，同时独立于传感器）以及电压和温度 监视电池。该器件还支持可编程循环伏安模式和方波 伏安法模式。它采用 25 凸 WLP 和 8.6mm2与类似IC相比，占位面积可节省近50%的空间，在贴片式器件的有限范围内至关重要。

图9.MAX30131超低功耗电化学传感器AFE。

它还提供双通道（MAX30132）和四通道（MAX30134）两种选择。对于不 需要所有可用通道，未使用的端子可以配置为保护环（通过 最小化漏电流），如图10所示。

图 10.3 端子电化学传感器，带可选保护环、可选热敏电阻和无线 由纽扣电池供电的接口。

总结

我们已经展示了血糖监测在糖尿病患者疾病管理中的重要性，并展示了与BGM相比CGM如何大大简化这一过程。我们表明CGM需要电化学 传感器AFE，可以实现称为EIS的测量技术。最后，我们展示了最小、最低的 提供此功能的功率电化学传感器AFE IC（及其变体）。带有一系列额外的 安全特性，这些部件也适用于其他可穿戴电化学传感应用 （例如汗液传感器）。

审核编辑：郭婷