阻抗测量中的万事通

作者：Jan-Hein Broeders

谁不熟悉欧姆定律？对于直流电压，它指出通过两点之间导体的电流与这两点两点上的电压成正比。换句话说，导体的电阻是恒定的，与电流无关。对于交流电压，情况完全改变并变得更加复杂。电阻成为阻抗，定义为频域中的电压和电流比。幅度或实部表示电压和电流之间的比率，其中相位或虚部是电压和电流之间相移的量度。

在医疗行业中有许多应用阻抗测量的用例。该技术可用于广泛的应用，例如检索某些人体参数、检测疾病或分析血液或唾液等液体。尽管这些用例具有共同的阻抗测量，但它们中的每一个都有自己的一套关键要求。

ADI公司开发了一款名为AD594x的新型阻抗测量系列。它非常精确，并具有多种功率模式，以支持抽查或连续测量。在本文中，您将了解该芯片的功能及其主要应用。

简介和重点

用于阻抗分析的芯片相对较新。大约15年前，ADI公司推出了AD5933/AD5934，这是第一个阻抗分析芯片系列。第二代产品ADuCM350于2015年推出。这两个系列都在大批量销售，但它们并不总是支持当今新应用的最佳解决方案。随着可穿戴设备和电池供电系统的趋势，主要挑战是以尽可能小的外形尺寸和极低的功耗满足所需的性能水平。AD594x专为支持当今的可穿戴市场而开发，可满足所有关键要求，包括高精度、小尺寸和低功耗。

AD594x（图1）是一款多功能阻抗分析仪，专为医疗和工业类应用量身定制。模拟前端是完全可配置的，可以修改以支持各种不同的用例，包括皮肤电活动 （EDA） 或皮肤电反应 （GSR）、身体阻抗分析、水合测量和生化测量。本文重点介绍医疗相关应用，但AD594x也可用于有毒气体分析、PH测量、电导率或水质测量等工业应用。

图1.AD594x的高级框图

EDA/GSR 的相对测量

可以执行2线测量原理来测量相对阻抗或阻抗变化。这方面的一个目标应用是通过皮肤电活动或皮肤电反应来监测压力或心理健康。监测精神状态或压力很重要，因为随着时间的推移，压力情况可能会导致糖尿病、心脏病或癌症等慢性疾病。在精神变化或人们感到压力时，人体的交感神经系统会激活皮肤中的汗腺。这种效应增加了皮肤的导电性，从而导致阻抗下降。

皮肤阻抗监测是一种伏安法测量。在未知阻抗（在本例中为皮肤）上施加激励信号，并测量阻抗两端的电压。交替测量通过阻抗的电流，并对ADC结果执行DFT以计算阻抗变化。图2显示了EDA或GSR测量的高级测量原理。该测量以接近直流的激励频率进行。建议使用低频激励而不是用直流电压测量，以防止电极极化并消除对人体组织的伤害。通常，应用最大200 Hz的激励频率，因为更高的频率会渗透到体内，并且不会仅在皮肤表面进行测量。根据电极在人体上的位置，电导率的变化会随着某人的情绪或精神状态而变化。

图2.EDA或GSR测量原理。

阻抗变化与精神压力没有直接方程，因此通常此测量与其他测量（如心率和/或心率变异性）并行进行。需要一种算法来获取各种测量的结果，以将其转换为应力水平的测量值。针对应力的EDA/GSR技术需要24/7连续测量，AD59xx就是为此而设计的。输出数据速率为 4 Hz 时，功耗为 <80 μA。 EDA/GSR 测量也用于睡眠分析等应用。

用于人体阻抗分析的 4 线测量

在医疗应用中，一种流行的阻抗测量类型是生物阻抗分析（BIA）。BIA是一种4线测量原理，这种配置支持需要绝对精度的应用。AD59xx能够支持接收带宽高达50 kHz、信噪比（SNR）为100 dB的应用。最常见的 4 线 BIA 应用之一是身体成分测量，其中测量无脂肪质量的量。然而，这种设置也可用于监测人体中的水量或通过生物阻抗谱测量心脏行为。测量原理都是一样的，但是我们可以通过改变交流激励频率和电极在人体上的位置来改变用例。图3显示了4线测量原理的设置。此设置中的未知 Z 代表人体。将电压推至被测阻抗，使其达到一定的共模电位，同时施加交流激励电压，并使用高速跨阻放大器测量响应电流。阻抗最终可以计算为 Z = V常见/我。

图3.用于人体阻抗分析的 4 线测量。

在图3的框图中，您可以看到阻抗通过电阻和电容与测量前端隔离。电阻器限制了可以流过身体的最大电流。C.ISO确保电极与地之间或其他电极之间不会产生直流信号。这是达到医疗安全标准（如IEC 60601）的要求之一。

如前所述，电极在人体上的位置以及激励频率将代表所执行的测量。高达几百赫兹的低频停留在皮肤表面，而高频则深入体内。对于一个健康的人来说，大约60%的体重由水组成。体内总水分的三分之一是细胞外液（ECF），其余的则存在于细胞结构内（细胞间液）。由于细胞结构的电模型，高达50 kHz的交流将通过细胞外液进行测量。更高的频率超越细胞，可以测量细胞内液。根据电极位置、激励频率和用于解释阻抗测量的算法，可以确定身体成分，例如全身脂肪的百分比或身体水分（用于测量脱水）。AD59xx能够支持上述每种应用。在某些用例中，使用单频激励，而在其他应用中使用多个频率或频率扫描。此外，测量次数的频率可能不同。如果每天或每周测量一次身体成分，通常会连续测量脱水。对于连续测量，功耗非常关键，这就是AD59xx的灵活性具有巨大优势的原因。

AD59xx的其他应用包括基于胸阻抗测量呼吸速率、通过经胸阻抗测量进行心输出量监测，或通过阻抗测量来估计膀胱容积。

AD59xx用于生化测量

生化分析是AD59xx的另一个应用。该技术在传感器上使用电化学/恒电位仪类型的测量，该传感器模拟典型的电化学电池。传感器通常是带有试剂的试纸，您可以在其中应用被测材料的样品。任何可被氧化或还原的分析物都是安培测量的候选者。对于医疗应用，可以分析各种人体液体样本，例如血液、尿液或唾液。该系统需要一个（可编程）电流源和一个恒电位仪放大器。最简单的安培测量形式是通过在传感器上施加阶跃响应电压来完成的，这会引起化学反应。使用跨阻放大器时，测量电流作为反应的参考。除了前面提到的2线技术外，AD59xx还能够支持3线和4线电化学测量技术。

由于测量技术始终相同，因此试纸确定被测样品。血糖测量是最受欢迎的一种，它通常用于糖尿病患者的生化测量。在 3 线配置中，电化学电池由发生反应的工作电极 （WE）、保持恒定电位的参比电极 （RE） 和提供反应电流的对电极 （CE） 组成。图 4 显示了此配置的框图。

图4.3线生化分析仪框图。

恒电位仪提供所需的电池电位V细胞在WE和RE之间，并测量WE和CE之间的反应电流。一种趋势是放弃葡萄糖抽查测量，并使用连续血糖监测（CGM）。该仪表持续测量血糖水平并将数据发送到胰岛素泵。然后泵将所需剂量的胰岛素分配到身体。这种人工胰腺技术改善了糖尿病患者的生活。该系统不是一个人在白天观察血糖水平，而是完全独立运行，没有任何人为参与。AD59xx非常适合此应用，因为它具有极高的精度和超低功耗，并可执行所有必需的安全检查。图4中的系统具有三个主要功能：生化AFE、微控制器和专用电源管理芯片。在不久的将来，AFE将被集成到MCU中，以减少整体电路板空间。

除了糖尿病，许多其他疾病，以及药物和激素，都可以用这项技术进行测试。在工业应用中，该技术主要用于气体传感和流体分析。

AD59xx特性和主要规格

AD59xx是一款高精度模拟前端（AFE），专为基于电化学的测量技术而设计，如安培、伏特和阻抗测量。前端具有超低功耗模式，支持便携式和电池供电系统。与此同时，该芯片还能够支持高性能和基于诊断的应用，这些应用主要存在于临床和实验室环境中。

AD59xx围绕三个主要构建模块设计：输入接收信号链、波形发生器和发射通道，以及带有分立式傅里叶变换（DFT）引擎的时序控制器，用于测量复阻抗。根据用例的不同，可以对带有接收器通道的激励环路进行不同的配置。对于需要直流至200 Hz传感器激励的应用，可以使用低功耗DAC和低噪声恒电位仪放大器。对于需要更高激励频率（高达200 kHz）的应用，使用集成高速DAC。DAC可以产生正弦波和梯形激励波形。对于每种模式，低功耗或高速，都集成了一个专用的跨阻放大器。每个都有一个可编程跨阻放大器，以支持各种传感器，这些传感器可以连接到AFE。TIA的输出可以多路复用到输入接收通道的第二级。此时，还可以测量辅助通道，例如外部电压和电流或内部诊断信号，例如电源电压、芯片温度或基准电压。该多路复用器的输出用作通道选择器，通过缓冲器、可编程增益放大器和抗混叠滤波器连接到16位、800 kSPS逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

结论

可穿戴电子产品、护理点云连接系统和物联网是我们几乎每天都会遇到的术语。传感是所有这些系统中非常重要的方面，阻抗测量是更值得注意的传感类型之一。AD59xx专为满足当今需求而开发。它是一款高性能、灵活的模拟前端，专为阻抗分析、生化和电化学应用而设计。高精度、超低功耗和小尺寸的结合开辟了过去难以解决的广泛新市场和应用。特别是对于便携式和电池供电系统，该系列微型设备带来了巨大的优势。AD59xx系列可与单导联ECG前端AD8233无缝配合使用。两个芯片都可以在主/从配置下工作，其中阻抗和ECG测量可以通过使用同一组电极对人体进行。作为处理器，建议将超低功耗ADuCM3029 Cortex-M3与ADP5350电源管理和锂离子电池充电器器件结合使用。

审核编辑：郭婷