“多合一”阻抗测量方案让医疗检测设备更便携

随着医疗设备技术的进步以及可穿戴设备的兴起，各类健康APP越来越多，可穿戴医疗设备产业迎来了爆发式的增长。据亿欧数据显示2016年全球可穿戴医疗器械市场总销售额为20亿美元，2017年为23.94亿美元，2018年超过30亿美元，预计2023年有望超过60亿美元，产业发展充满活力。

全球可穿戴医疗设备市场规模

可穿戴设备发展得如火如荼离不开其背后的关键技术——阻抗测量，通过测量人体阻抗来检测疾病、获取某些特定人体参数或者分析血液或唾液等人体液体。在医疗领域，虽然大多测量都以阻抗测量为基础原理，但是其要求和参数方面都有很大的不同。例如，在满足通用性的同时，还要适应采用小型节能设备的发展趋势。为了补充或提高精度，必须使用多个传感器来记录不同的参数。此外，还必须进行温度测量，以进行补偿并校准温度。

六大常见阻抗测量方案解析

目前市面上常用的有六种不同的常用阻抗测量方法：

恒电势器

最基本和常用的测量原理是基于恒电势器。如图所示，恒电势器测量和控制工作电极(WE)和参考电极(RE)之间的电压。通过调节流过计数器或辅助电极的电流，工作电极的电势相对于参考电极保持恒定。

恒电势器测量的测量原理

电流测量

最简单的电流测量方法是对传感器施加偏置电压并测量响应电流。其中，在RE和WE之间施加一个恒定电压，然后使用电流-电压转换器和模数转换器(ADC)将电流剖面转换为数字信号。这个电流剖面取决于传感器和被测变量。

电流测量示例电路（以ADI的ADuCM355为例）

循环伏安法

伏安法测量为电化学测量，其中电化学电池的电势缓慢上升，然后呈线性下降。因此，测量流经WE的电流时，电位呈三角形波形变化。例如，伏安法被用于测量分析物的半细胞反应活性。这种方法是一种电解形式，产生的电流源于氧化和还原。采用这种方法可以对样本进行定性和定量研究。

电导率测量

电导率测量以液体中确定的欧姆电阻为基础。实施这种测量时，需要将两个并行放置的惰性电极浸入液体之中，以测量交流电阻。在这个过程中，可以估算电解液的流动性、颗粒密度和氧化状态，从而得出溶液的浓度。

pH值测量

pH值测量基于半电池反应原理，半电池反应发生在电极膜上，与H+离子的浓度直接相关。这种势差导致产生电压，后者与pH值呈线性关系。对于pH值测量，存在的主要问题是pH传感器具有非常高的串联电阻，因此对分析电子设备的要求非常高。

电化学阻抗分析

对于电化学阻抗分析，其中电化学电池或传感器的阻抗是在所有不同频率中测量。通过不同频率下阻抗的变化，测量传感器磨损，并自动调整信号链。采用这种测量时，传感器精度随时间（几天至几周）下降，这是个问题。这可能严重影响到各种测量值的整体精度。例如，连续血糖测量(CGM)就会出现这种问题。由于测量对健康至关重要，所以需要不断检查传感器的精度。

电化学阻抗分析示例电路（以ADI的ADuCM355为例）

上述的这些测量方法基本原理都是阻抗测量，但是单次测量的功能仍然存在很大差别。为了实现更精确，满足更多的测量需求，这些测量方法通常组合使用以便进行完整分析。

测量方案一统，这款更小，更节能的解决方案可以有~

而这也导致了一个问题，就是如今，尤其是在医疗技术领域，人们都在寻求体积小、节能和低成本的解决方案，以便将它们植入可穿戴设备和可用设备中。而这样的离散设计需要很大的电路板面积和很高的功耗，这与当前的趋势相悖。作为模拟混合信号业界先进供应商，ADI一直以来在医疗电子领域就有着亮眼表现，此番更是针对这些设计挑战开发出了一款具有化学传感器接口的精密模拟微控制器ADuCM355。

ADuCM355解决方案可以统一实施所有测量。大多数用于所述测量的传感器可以通过ADuCM355输入直接操作。例如，用于恒电势器测量，如血糖测量。其内置集成输入缓冲器的16位、400 kSPS多通道逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)、抗混叠滤波器(AAF)和可编程增益放大器(PGA)。电流输入包括三个具有可编程增益的跨导放大器(TIA)和用于测量不同传感器类型的负载电阻。模拟前端(AFE)还包含两个专门针对恒电势器能力而设计的低功耗放大器，使外部电化学传感器保持恒定的偏置电压。这两个放大器的同相输入由片内双通道输出数模转换器(DAC)进行控制。模拟输出包括高速DAC和用于产生交流信号的输出放大器。其中ADC的转换速率最高可达400 kSPS，且具有−0.9 V至+0.9 V输入范围。ADC前面的输入复用器允许用户选择输入通道进行测量。这些输入通道包括三个外部电流输入、多个外部电压输入和内部通道。利用内部通道，可对内部电源电压、裸片温度和基准电压源进行诊断测量。

ADuCM355框图

不仅如此，ADuCM355还集成了一个26 MHz Arm Cortex-M3处理器，它是一款32位简化指令集计算机(RISC)。Arm Cortex-M3处理器还具有灵活的多通道直接存储器存储控制器(DMA)，支持两个独立的串行外设接口(SPI)端口、通用异步接收器/发射器(UART)和I2C通信外设。ADuCM355片内还集成128 kB非易失性闪存/EE存储器和64 kB单一随机存取存储器(SRAM)。此外，可根据具体应用要求配置多个通信外设。这些外设包括UART、I2C、两个SPI端口和通用输入/输出(GPIO)端口。这些GPIO与通用定时器相结合，可组合生成脉冲宽度调制(PWM)类输出。

如果你需要更进一步，实现更准确的测量（例如电导率和pH值），则需要用到扩展信号链，所以也需要采用外部芯片，例如ADI推出的微功率精准、双路 CMOS 轨至轨输入/输出放大器 LTC6078。

ADuCM355搭配LTC6078测量pH值、温度和电导率的电路

LTC6078能够为pH探针等高阻抗传感器提供精密缓冲。其精密性能和低偏置电流（输入偏置电流最大值为1pA）是此设计的关键因素，其中pH探针的阻抗可能有数千兆欧(GΩ)。LTC6078的低1/f噪声系数(1μVp-p)是低速测量系统实现高测量精度的另一个重要特性。LTC6078在低电源电压下保持精密性能，具有高输入阻抗和宽增益带宽，以超低功耗(54μA)工作，并具有关断功能。

ADuCM355和LTC6078的搭配可以支持pH值和阻抗两种测量模式及温度补偿，pH模式适用于任何电压输出传感器，包括pH、ORP或其他电位传感器，如离子选择性电极；阻抗模式适用于电导率传感器、电化学阻抗谱扫描或任何其他基于电阻或电流的测量。

结语

小型节能且高精度已经成为可穿戴医疗测量设备的主要发展趋势，ADuCM355不仅完美符合了这些标准，并且因为具有通用性，其配合ADI Smartmesh技术实现了更为稳健的低功耗无线水质监测系统、也为克服电化学气体检测技术挑战提供了手段，其两个电化学测量通道不仅支持最常见的3电极气体传感器，还支持4电极传感器配置。一系列方案也不难看出，ADI的产品似乎正在以低实现成本、低维护成本扫清我们进入普遍检测时代的障碍。