ADI电容数字转换器技术在医疗保健应用中的应用

近年来，电子技术的进步使医疗保健行业的许多创新和改进成为可能。医疗设备面临的挑战包括开发新的诊断和治疗方法，实现远程监控和家庭医疗保健设备，提高质量和可靠性，以及增强灵活性和易用性。

40多年来，ADI公司全面的线性、混合信号、MEMS和数字信号处理技术产品组合帮助仪器仪表、成像和患者监护等领域的医疗保健设计有所作为。本文将重点介绍电容数字转换器（CDC）技术，该技术可在医疗保健应用中使用高性能电容检测。

电容式触摸传感器控制器——一种新颖的用户输入法

电容式触摸传感器以按钮、滑块、滚轮或其他类似于图 1 所示示例的形式提供用户界面。

图1.触摸传感器布局示例。

每个蓝色几何区域代表印刷电路板 （PCB） 上的传感器电极，该电极形成虚拟电容器的一个板。另一块板由用户的手指形成，该手指相对于传感器输入基本上接地。AD7147/AD7148电容触摸™控制器系列设计用于激活电容式触摸传感器并与之连接，可测量单电极传感器的电容变化。该器件首先输出激励信号，为电容器的极板充电。当用户的手指等物体靠近传感器时，将形成虚拟电容器，用户充当第二个电容器板（图 2）。电容使用电容数字转换器（CDC）测量。

图2.电容感应图示和典型响应。

CDC能够感测外部传感器的电容变化，并使用此信息来记录传感器激活。AD7147和AD7148分别具有13个和8个电容传感器输入，具有片内校准逻辑，可补偿周围环境变化引起的测量变化，从而确保外部传感器上不会因温度或湿度变化而产生误触发。

AD7147和AD7148提供各种工作模式、用户可编程转换序列和非常灵活的控制功能。这些功能使其成为高分辨率触摸传感器功能（如滑块或滚轮）的理想选择，软件要求最低。此外，按钮传感器应用可以完全由片上数字逻辑实现，无需任何软件。

电容检测和测量基础知识

电容是电容器在电场中存储能量的能力。在其标称形式（平行板电容器）中，电容C是给定电压V下存储在电容器中的电荷Q的量度，计算公式为：

电容检测和测量技术的本质如图3所示，用于平行板电容器。

图3.测量平行板电容器的电容。

平行板电容器由两个导体（金属板）组成，其特点是

导体面积，a × b

两个导体板之间的距离 d

两个导体之间的介电材料，其特征在于介电常数，εr

基于此几何形状的电容计算公式为

哪里ε0是自由空间的介电常数。

CDC器件对电容器的一板施加激励并测量电容器中存储的电荷;然后，数字结果可用于外部主机。四种类型的电容传感器（如图4所示）根据施加激励的方式进行区分。

图4.传感器电气配置。

因为传感器电容由 a、b、d 和εr，改变这些参数的值，或观察其值的变化，使CDC技术可用于直接电容值测量，以及许多其他类型的应用，具体取决于传感器类型。例如，如果 a、b 和εr是恒定的，CDC输出与两个导体之间的距离成反比。

应用

AD714x、AD715x和AD774x系列CDC产品适合各种应用，涉及各种采样速率、分辨率、输入范围和输入传感器类型。虽然电容传感的可能应用仅受用户创造力的限制，但这里有一些在医疗保健领域的应用想法。

液位监测

在许多应用中，例如输血，必须测量使用的液体量，或者必须在输液瓶清空之前关闭流量。为了节省医务人员的时间，自动液位传感可以帮助消除手动检查的需要。

液位传感的基本原理如图5所示。构建一个平行板电容器，其板紧紧地粘附在输液瓶的外壁上，并延伸到瓶子底部附近。随着输液液位的变化，板之间的介电材料量发生变化，从而产生电容的变化。为了允许使用具有不同介电常数的各种输液物质，位于底部附近的第二个电容式传感器充当参考通道以产生比率测量。

图5.液位传感。

24位AD7746具有两个电容测量通道，可用于此类应用。

电极与人体之间的连接检测

对于打算在人体皮肤附近运行的设备，例如图6所示的设备，在激活设备或进行测量之前，获得有关设备表面积与患者皮肤之间接触质量的信息通常是有益的。最终用途的范围可能包括需要齐平放在皮肤上的医用探头、生物电势电极传感器或将导管固定到位的外壳。为了获得这些额外的信息，可以在制造过程中的注塑阶段将几个电容式传感器电极（以蓝色显示）直接嵌入设备的塑料外壳中。一旦电极信息可用，就可以应用在主控制器上运行的简单算法来确定所有传感器电极是否与皮肤正确接触。

图6.使用电容式传感器电极的设备。

图6所示的示例以非常规方式使用电容式传感器：用户将包含电容式传感电极的设备放置在人体上，与传统的电容式传感人机界面应用相反，在传统的电容式传感人机界面应用中，人通常通过手指触摸开始与传感器电极接触。使用AD7147/AD7148开发图6所示的应用类型相当简单。

汗液检测

在一些医疗和健身测试设备中，需要测量人体的汗液。这通常通过测量皮肤的电导率来完成。但是，如果需要在没有电接触的情况下进行测量，则可以通过使用电容传感器检测人体附近的湿度来实现此功能。

当人们出汗时，靠近人体皮肤的湿度（介电常数）增加;该附近的非接触式电极可用于测量由此产生的电容变化。

添加第二个电容传感器来测量环境湿度并将其用于共模补偿可能很有用。

呼吸频率测量

呼吸频率测量是患者监护系统中的一个重要模块。

在一种方法中，如图7所示，将激发板放在患者的背部，而传感器电极带固定在患者胸部的右侧。当肺部充满和排空时，由此产生的胸部运动会改变两个板之间的距离。介电常数也会因为呼吸过程中复杂的生理活动而发生变化。这些电容变化可以通过CDC设备测量。

图7.呼吸频率测量。

传感器电极放置在受试者胸部右侧的原因是，这个位置受到其他生理活动的影响最小。然而，通过将多个传感器电极放在患者胸部的不同位置，可以获得有关身体机能的更多信息。这可能是一个值得进一步研究的有趣话题。

血压测量

在使用充气袖带的血压测量应用中，一项重要任务是测量空气阀处的压力。电容式传感器可以很容易地用于这种压力传感应用。

如图8所示，压力传感器的隔膜基本上由两个电容板制成。当压力施加到传感器时，电容板会靠得更近。板之间的距离减小增加了电容。

温度传感器可用于检测传感器的温度变化，以补偿其特性随温度的变化。AD774x系列内置一个用于测量片内温度的温度传感器，以及一个额外的ADC电压通道，可用于测量传感器现场的温度。

图8.使用电容式传感器进行压力感应。

结论

本文简要介绍了ADI公司CDC技术的进步，暗示了CDC技术在医疗保健应用中的巨大潜力。然而，传感器设计（包括图案、尺寸和位置）、相关的详细电子电路设计，以及对深入研究、综合实验和有效测试的需求，都严重依赖于每个应用的性质，因此我们只是希望通过提出一些可能性来激发创造力。

审核编辑：郭婷