液體測(cè)量——從水到血液

簡(jiǎn)介

對(duì)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(guò)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(cè)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(cè)量，例如血液、唾液和糞便，通過(guò)檢測(cè)這些物質(zhì)，確定是否患有疾病，以免影響健康。所有這些測(cè)量的基本測(cè)量原理都是相同的，即阻抗測(cè)量。在本文中，我們將著重介紹醫(yī)療應(yīng)用中的液體測(cè)量，描述單個(gè)應(yīng)用以及阻抗測(cè)量的通用性。

醫(yī)療領(lǐng)域的液體測(cè)量

醫(yī)療領(lǐng)域最廣為人知的液體測(cè)量是血糖測(cè)量。在試紙上滴一滴血就能夠測(cè)出血液中的血糖水平?；颊呖梢愿鶕?jù)這個(gè)值來(lái)調(diào)節(jié)自身的藥物或飲食。未來(lái)，測(cè)量會(huì)逐步從單次測(cè)量向持續(xù)測(cè)量發(fā)展，以不斷監(jiān)測(cè)血糖水平。因此，急需高度準(zhǔn)確且節(jié)能的阻抗測(cè)量。

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

最后，測(cè)量患者的糞便和尿液。通過(guò)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(gè)相對(duì)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(duì)電極實(shí)施阻抗測(cè)量，從而得出關(guān)于各種疾病的結(jié)論。例如，除了實(shí)施pH值測(cè)量外，還會(huì)進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量。

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

雖然所有測(cè)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(cè)量雖然各有不同，但有一點(diǎn)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(cè)量方法。它們一部分組合使用，一部分單獨(dú)使用，以便進(jìn)行完整分析。

不同的阻抗測(cè)量原理

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

恒電勢(shì)器

最基本和常用的測(cè)量原理是基于恒電勢(shì)器。如圖1所示，恒電勢(shì)器測(cè)量和控制工作電極(WE)和參考電極(RE)之間的電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)計(jì)數(shù)器或輔助電極的電流，工作電極的電勢(shì)相對(duì)于參考電極保持恒定。

圖1.恒電勢(shì)器測(cè)量的測(cè)量原理

電流測(cè)量

最簡(jiǎn)單的電流測(cè)量方法是對(duì)傳感器施加偏置電壓并測(cè)量響應(yīng)電流。其中，在RE和WE之間施加一個(gè)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(hào)。這個(gè)電流剖面取決于傳感器和被測(cè)變量。圖2利用ADuCM355描述了這個(gè)電路。

圖2.電流測(cè)量

循環(huán)伏安法

伏安法測(cè)量為電化學(xué)測(cè)量，其中電化學(xué)電池的電勢(shì)緩慢上升，然后呈線性下降。因此，測(cè)量流經(jīng)WE的電流時(shí)，電位呈三角形波形變化。例如，伏安法被用于測(cè)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(duì)樣本進(jìn)行定性和定量研究。

電導(dǎo)率測(cè)量

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

pH值測(cè)量

pH值測(cè)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(shì)差導(dǎo)致產(chǎn)生電壓，后者與pH值呈線性關(guān)系。對(duì)于pH值測(cè)量，存在的主要問(wèn)題是pH傳感器具有非常高的串聯(lián)電阻，因此對(duì)分析電子設(shè)備的要求非常高。

電化學(xué)阻抗分析

對(duì)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(cè)量。通過(guò)不同頻率下阻抗的變化，測(cè)量傳感器磨損，并自動(dòng)調(diào)整信號(hào)鏈。采用這種測(cè)量時(shí)，傳感器精度隨時(shí)間(幾天至幾周)下降，這是個(gè)問(wèn)題。這可能嚴(yán)重影響到各種測(cè)量值的整體精度。例如，連續(xù)血糖測(cè)量(CGM)就會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。由于測(cè)量對(duì)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。

圖3.電化學(xué)阻抗分析

前面描述的醫(yī)療測(cè)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(cè)量方法。此外，還必須進(jìn)行溫度測(cè)量，以進(jìn)行補(bǔ)償并校準(zhǔn)溫度。為了補(bǔ)充或提高精度，必須使用多個(gè)傳感器。在離散設(shè)計(jì)中，所有這些測(cè)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(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)開(kāi)發(fā)了ADuCM355。

ADuCM355—通用解決方案

ADuCM355解決方案可以統(tǒng)一實(shí)施所有測(cè)量。這種高度集成的芯片包含一個(gè)節(jié)能模擬前端(AFE)和一個(gè)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(yàn)(CRC)。圖4所示的框圖顯示了ADuCM355的關(guān)鍵組件。

圖4.ADuCM355框圖

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(cè)量功能。除了一個(gè)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(duì)恒電勢(shì)器設(shè)計(jì)的放大器，以相對(duì)于外部電化學(xué)傳感器保持恒定的偏置電壓?？梢酝ㄟ^(guò)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(gè)外部電流輸入、多個(gè)外部電壓輸入和內(nèi)部通道。三個(gè)電壓DAC中有兩個(gè)是雙輸出DAC。DAC的第一個(gè)輸出可控制恒電勢(shì)器放大器的同相輸入，另一個(gè)控制TIA的同相輸入。第三個(gè)DAC(有時(shí)被稱為高速DAC)針對(duì)用于阻抗測(cè)量的高性能TIA而設(shè)計(jì)。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(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)控制器，支持兩個(gè)獨(dú)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(gè)SPI端口和通用輸入/輸出(GPIO)端口。這些GPIO可以與通用定時(shí)器相結(jié)合，生成脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出。

進(jìn)一步測(cè)量

大多數(shù)用于所述測(cè)量的傳感器可以通過(guò)ADuCM355輸入直接操作。例如，用于恒電勢(shì)器測(cè)量，如血糖測(cè)量。與此相對(duì)，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測(cè)量(例如電導(dǎo)率和pH值)需要用到擴(kuò)展信號(hào)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(cè)量以外，還需要測(cè)量溫度，以補(bǔ)償傳感器的波動(dòng)。擴(kuò)展測(cè)量原理如圖5所示。借助較大的信號(hào)鏈，ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中，可以檢測(cè)到范圍小于100 ?至10 M?的阻抗。較大的測(cè)量范圍可以覆蓋醫(yī)療領(lǐng)域所需的整個(gè)阻抗圖譜。對(duì)于電導(dǎo)率測(cè)量，高動(dòng)態(tài)范圍特別重要，如此可以測(cè)量多種濃度。

圖5.使用ADuCM355測(cè)量pH值、溫度和電導(dǎo)率的電路

結(jié)論

雖然不同的液體測(cè)量都以阻抗測(cè)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(lái)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(shì)，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(lái)測(cè)量阻抗，就像瑞士軍刀一樣，具備多種用途。事實(shí)上，這個(gè)IC除了進(jìn)行液體測(cè)量外，還支持在醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行其他阻抗測(cè)量，例如，體脂分析或皮膚阻抗。此外，因?yàn)榫哂型ㄓ眯?，它還可以測(cè)量電化學(xué)氣體，例如采用正確的傳感器測(cè)量CO或CO2。因此，ADI公司的ADuCM355是一款實(shí)施阻抗測(cè)量的通用解決方案。