液體測量——從水到血液

簡介

對于許多應(yīng)用而言，確定液體的成分和質(zhì)量至關(guān)重要。最主要的例子是水，水是世界上最珍貴的原生資源。凈水和水過濾技術(shù)在全球發(fā)揮著重要作用，是人們生活不可或缺的部分。潔凈的水資源不斷減少，獲取潔凈用水成為日益重要的話題。但是，液體測量示例的范圍并不止限于水，還包括醫(yī)療領(lǐng)域的液體測量，例如血液、唾液和糞便，通過檢測這些物質(zhì)，確定是否患有疾病，以免影響健康。所有這些測量的基本測量原理都是相同的，即阻抗測量。在本文中，我們將著重介紹醫(yī)療應(yīng)用中的液體測量，描述單個應(yīng)用以及阻抗測量的通用性。

醫(yī)療領(lǐng)域的液體測量

醫(yī)療領(lǐng)域最廣為人知的液體測量是血糖測量。在試紙上滴一滴血就能夠測出血液中的血糖水平。患者可以根據(jù)這個值來調(diào)節(jié)自身的藥物或飲食。未來，測量會逐步從單次測量向持續(xù)測量發(fā)展，以不斷監(jiān)測血糖水平。因此，急需高度準(zhǔn)確且節(jié)能的阻抗測量。

另一項液體測量應(yīng)用是透析。慢性腎衰竭患者需要過濾血液。透析液體電導(dǎo)率測量也是通過阻抗分析來完成。通過采用這種方法，可以測量pH值、電導(dǎo)率、成分和飽和度。

最后，測量患者的糞便和尿液。通過檢查人體排泄物，可以確定是否患病和出現(xiàn)異常。這是一個相對較新的醫(yī)療領(lǐng)域，可以使用多種不同的方式方法。但是，這些方法都是基于對電極實施阻抗測量，從而得出關(guān)于各種疾病的結(jié)論。例如，除了實施pH值測量外，還會進行電導(dǎo)率測量。

當(dāng)然，之前描述的測量并不全面。在面向人類和動物的醫(yī)療技術(shù)中，還可使用多種液體測量，例如激素測量或藥劑測量。對于這些測量，阻抗測量方法也很重要。

雖然所有測量都用于確定不同的參數(shù)，但它們始終以阻抗分析為基礎(chǔ)。這些測量雖然各有不同，但有一點是共同的：都迫切需要節(jié)能、節(jié)省空間的解決方案，以支持可穿戴設(shè)備。下面介紹幾種不同的阻抗測量方法。它們一部分組合使用，一部分單獨使用，以便進行完整分析。

不同的阻抗測量原理

雖然對于所有應(yīng)用，阻抗測量的基本原理都是相同的，但單次測量的功能仍然存在很大差別。下面，我們將討論與液體測量最為相關(guān)的方法。

恒電勢器

最基本和常用的測量原理是基于恒電勢器。如圖1所示，恒電勢器測量和控制工作電極(WE)和參考電極(RE)之間的電壓。通過調(diào)節(jié)流過計數(shù)器或輔助電極的電流，工作電極的電勢相對于參考電極保持恒定。

圖1 恒電勢器測量的測量原理

電流測量

最簡單的電流測量方法是對傳感器施加偏置電壓并測量響應(yīng)電流。其中，在RE和WE之間施加一個恒定電壓，然后使用電流-電壓轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電流剖面轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這個電流剖面取決于傳感器和被測變量。圖2利用 ADuCM355 描述了這個電路。

圖2 電流測量

循環(huán)伏安法

伏安法測量為電化學(xué)測量，其中電化學(xué)電池的電勢緩慢上升，然后呈線性下降。因此，測量流經(jīng)WE的電流時，電位呈三角形波形變化。例如，伏安法被用于測量分析物的半細(xì)胞反應(yīng)活性。這種方法是一種電解形式，產(chǎn)生的電流源于氧化和還原。采用這種方法可以對樣本進行定性和定量研究。

電導(dǎo)率測量

電導(dǎo)率測量以液體中確定的歐姆電阻為基礎(chǔ)。實施這種測量時，需要將兩個并行放置的惰性電極浸入液體之中，以測量交流電阻。在這個過程中，可以估算電解液的流動性、顆粒密度和氧化狀態(tài)，從而得出溶液的濃度。

pH值測量

pH值測量基于半電池反應(yīng)原理，半電池反應(yīng)發(fā)生在電極膜上，與H+離子的濃度直接相關(guān)。這種勢差導(dǎo)致產(chǎn)生電壓，后者與pH值呈線性關(guān)系。對于pH值測量，存在的主要問題是pH傳感器具有非常高的串聯(lián)電阻，因此對分析電子設(shè)備的要求非常高。

圖3 電化學(xué)阻抗分析

電化學(xué)阻抗分析

對于電化學(xué)阻抗分析，其中電化學(xué)電池或傳感器的阻抗是在所有不同頻率中測量。通過不同頻率下阻抗的變化，測量傳感器磨損，并自動調(diào)整信號鏈。采用這種測量時，傳感器精度隨時間（幾天至幾周）下降，這是個問題。這可能嚴(yán)重影響到各種測量值的整體精度。例如，連續(xù)血糖測量(CGM)就會出現(xiàn)這種問題。由于測量對健康至關(guān)重要，所以需要不斷檢查傳感器的精度。示例電路如圖3所示。

前面描述的醫(yī)療測量在要求和參數(shù)方面有很大的不同，因此分別使用不同的測量方法。此外，還必須進行溫度測量，以進行補償并校準(zhǔn)溫度。為了補充或提高精度，必須使用多個傳感器。在離散設(shè)計中，所有這些測量都需要很大的電路板面積和很高的功耗。

如今，尤其是在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，人們都在尋求體積小、節(jié)能和低成本的解決方案，以便將它們植入可穿戴設(shè)備和可用設(shè)備中。ADI針對這些設(shè)計挑戰(zhàn)開發(fā)了ADuCM355。

圖4 ADuCM355框圖

ADuCM355—通用解決方案

ADuCM355解決方案可以統(tǒng)一實施所有測量。這種高度集成的芯片包含一個節(jié)能模擬前端(AFE)和一個微控制器，后者承擔(dān)管理和安全功能，例如循環(huán)冗余校驗(CRC)。圖4所示的框圖顯示了ADuCM355的關(guān)鍵組件。

它以極低的功耗控制電化學(xué)和生物傳感器。這款基于ARM^? Cortex^?-M3處理器技術(shù)的芯片具有電流、電壓和電阻測量功能。除了一個具有帶輸入緩沖器的16位400 kSPS多通道SAR ADC以外，還具有集成式抗混疊濾波器(AAF)和可編程增益放大器(PGA)。電流輸入中的跨阻放大器(TIA)具有可編程增益和負(fù)載電阻，支持不同的傳感器類型。AFE還包含專門針對恒電勢器設(shè)計的放大器，以相對于外部電化學(xué)傳感器保持恒定的偏置電壓?？梢酝ㄟ^ADC上游的輸入多路選擇模塊選擇相應(yīng)的輸入通道。這些輸入通道包括三個外部電流輸入、多個外部電壓輸入和內(nèi)部通道。三個電壓DAC中有兩個是雙輸出DAC。DAC的第一個輸出可控制恒電勢器放大器的同相輸入，另一個控制TIA的同相輸入。第三個DAC（有時被稱為高速DAC）針對用于阻抗測量的高性能TIA而設(shè)計。此DAC的輸出頻率范圍高達(dá)200 kHz。ARM Cortex-M3處理器還具有靈活的多通道直接存儲器訪問(DMA)控制器，支持兩個獨立的串行外設(shè)接口(SPI)端口、通用異步接收器/發(fā)射器(UART)和I2C通信外設(shè)?？梢愿鶕?jù)需要為特定應(yīng)用配置一系列通信外設(shè)。這些外設(shè)包括UART、I2C、兩個SPI端口和通用輸入/輸出(GPIO)端口。這些GPIO可以與通用定時器相結(jié)合，生成脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出。

圖5 使用ADuCM355測量pH值、溫度和電導(dǎo)率的電路

進一步測量

大多數(shù)用于所述測量的傳感器可以通過ADuCM355輸入直接操作。例如，用于恒電勢器測量，如血糖測量。與此相對，實現(xiàn)更準(zhǔn)確的測量（例如電導(dǎo)率和pH值）需要用到擴展信號鏈，所以也需要采用外部芯片，例如 LTC6078 。它增加了輸入阻抗，以適應(yīng)傳感器的高輸出阻抗，從而獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。除了前面描述的測量以外，還需要測量溫度，以補償傳感器的波動。擴展測量原理如圖5所示。借助較大的信號鏈，ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中，可以檢測到范圍小于100 ?至10 M?的阻抗。較大的測量范圍可以覆蓋醫(yī)療領(lǐng)域所需的整個阻抗圖譜。對于電導(dǎo)率測量，高動態(tài)范圍特別重要，如此可以測量多種濃度。

結(jié)論

雖然不同的液體測量都以阻抗測量為基本原理，但它們之間仍然存在差異。例如，必須連接不同的傳感器來記錄不同的參數(shù)。一方面要滿足這種通用性，另一方面又要適應(yīng)采用小型節(jié)能設(shè)備的發(fā)展趨勢，所以迫切需要一種智能解決方案。ADuCM355不僅滿足所有這些要求，還可以在醫(yī)療領(lǐng)域用來測量阻抗，就像瑞士軍刀一樣，具備多種用途。事實上，這個IC除了進行液體測量外，還支持在醫(yī)療領(lǐng)域進行其他阻抗測量，例如，體脂分析或皮膚阻抗。此外，因為具有通用性，它還可以測量電化學(xué)氣體，例如采用正確的傳感器測量CO或CO2。因此，ADI公司的ADuCM355是一款實施阻抗測量的通用解決方案。

作者簡介

自2015年2月至今，Christoph K?mmerer一直在德國ADI公司任職。他于2014年畢業(yè)于埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。他曾在利默里克市ADI公司擔(dān)任工藝開發(fā)實習(xí)生。2016年12月培訓(xùn)生項目結(jié)束后，Christoph正式成為ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師，專門針對新興應(yīng)用領(lǐng)域。