解析皮膚阻抗分析幫助實現(xiàn)皮膚給藥系統(tǒng)設(shè)計

隨著領(lǐng)先企業(yè)積極開發(fā)各種注射替代方法，給藥成為制藥行業(yè)中增長最快的一個領(lǐng)域。可選的給藥方式如口服、局部用藥、肺吸(吸入式)等，納米技術(shù)應(yīng)用后，經(jīng)皮膚吸收給藥系統(tǒng)是目前流行的研究領(lǐng)域。經(jīng)皮給藥方法是通過患者的皮膚提供無創(chuàng)性治療給藥，該方法利用兩種方式之一來克服肌膚的保護屏障：即被動吸收和主動滲透。

外用貼劑是一種最常用的被動給藥方法。貼到病人的皮膚上，通過控制貼敷時間來實現(xiàn)給藥的劑量，這種方法可以安全并舒適地實現(xiàn)給定。這些藥物通過皮膚吸收進入血液。尼古丁貼劑就是一個最好的例子，但其他常見的用途包括運動疾病的治療、激素替代療法和生育控制等。但被動給藥有兩個主要缺點：藥物的吸收速度取決于皮膚的阻抗，只有數(shù)量有限的一些藥物能夠以可接受的速率通過皮膚的保護屏障擴散。因此，行業(yè)內(nèi)主要的投資都轉(zhuǎn)向主動給藥方法。主動經(jīng)皮給藥方法包括：使用超聲能量來加快藥物擴散，利用射頻能量來產(chǎn)生微通道角質(zhì)層(表皮外層)以及離子滲透療法。

離子滲透療法利用電荷來主動地將藥物通過皮膚傳遞到血液。該設(shè)備由兩個帶電的藥物分子的腔室組成。陽極的正電荷將排斥帶正電的化學(xué)物質(zhì)，而負電荷的陰極將排斥帶負電荷的化學(xué)物質(zhì)。兩個腔室之間所形成的電磁場將以某種受控的方式主動地使藥物穿透皮膚。

皮膚的阻抗是經(jīng)皮膚給藥的一個關(guān)鍵變量。該阻抗很復(fù)雜，具體取決于年齡、種族、體重、活動水平以及其他多種因素，且與頻率相關(guān)，因此很難建模。動態(tài)測量皮膚的阻抗能夠為實現(xiàn)最佳給藥提供準(zhǔn)確且實用的解決方案。

阻抗譜大大簡化了人體皮膚這類復(fù)數(shù)阻抗的精確分析，該方法充分考慮了電阻、電容和電感的阻抗隨頻率的改變而不同變化的因素。隨著頻率的增加，電阻器的阻抗保持不變，電容器的阻抗減小，而電感的阻抗增加。通過用已知交流波形激勵測試阻抗，能夠確定未知阻抗的電阻、電感和電容分量。直接數(shù)字頻率合成器(DDS)具有靈活的相位頻率和振幅、掃描功能以及可編程能力，是激勵未知阻抗的理想選擇。通過嵌入的數(shù)字處理和增強的頻率控制功能，該設(shè)備產(chǎn)生合成的模擬或數(shù)字頻率步進波形。圖2顯示了一個簡單阻抗分析儀組成方框圖。低功耗、75MHz DDS的AD9834所產(chǎn)生的交流波形被高速、軌至軌運算放大器AD8091濾波、緩沖以及幅值調(diào)整。另一個AD8091對響應(yīng)信號進行緩沖并對其幅值進行調(diào)整，以與12位的1Msps逐次逼近型(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7476A的輸入電壓范圍相匹配。

不過，上述這個簡單的信號鏈掩蓋了一些潛在的挑戰(zhàn)。首先，模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須在頻率范圍內(nèi)同步采樣激勵波形和響應(yīng)波形，以便能夠保持相位信息。優(yōu)化這一過程對整體性能來說非常關(guān)鍵。此外，由于涉及到眾多的分立元件，從而不同的公差、溫度漂移和噪聲都會影響測量精度，特別是處理小信號時。

利用12位、1Msps的集成式阻抗轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)絡(luò)分析儀芯片AD5933便可以克服上述這些局限，該芯片將DDS波形發(fā)生器和SAR型ADC集成到一個單芯片上，如圖3所示。

AD5933的輸出阻抗為幾百歐姆，具體取決于輸出范圍。該阻抗將影響皮膚阻抗的測量，因此需要利用AD85 31運算放大器來緩沖信號，以降低與皮膚串聯(lián)的阻抗，如圖4所示。請注意，AD5933的接收端在片內(nèi)被偏置至VDD/2，因此，為了防止飽和，該等值電壓必須加到外部放大器的同相端上。