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阻抗测量中的万能法宝

谁不知道欧姆定律?对于直流电压来说,它表述为通过导体两点之间的电流与这两点之间的电压成正比。换言之,导体的电阻是恒定的,与电流无关。对于交流电压来说,情况则完全改变了,而且变得更加复杂。电阻变为阻抗,其定义为电压与电流在频域中的比率。幅度(或实部)代表电压和电流之间的比率,而相位(或虚部)则是电压与电流之间的相移值。

在医疗行业中有许多应用阻抗测量的用例。该技术可用于广泛的应用,例如获取某些特定人体参数、检测疾病或分析血液或唾液等人体液体。虽然这些应用的共同之处是进行阻抗测量,但每个应用又都有各自的一系列关键要求。

ADI公司了开发了一个称为AD594x系列的新型阻抗测量芯片。该芯片非常精确,并具有多种功率模式,可实现按需测量或连续测量。在本文中,您将了解该芯片的特性及其主要应用。

简介和重点

用芯片做阻抗测量的技术相对较新。大约15年前,ADI公司推出了AD5933/AD5934,这是首个阻抗分析芯片系列。第二代产品ADuCM350于2015年推出。这两个系列目前仍在大量销售,但对于目前更新的应用来说,它们并不总是最佳解决方案。随着可穿戴设备和电池供电系统成为发展趋势,主要挑战是在尽可能小的外形尺寸内满足所需的性能水平,并且功耗极低。AD594x旨在支持当今的可穿戴市场,并满足所有关键要求,包括高精度、小尺寸和低功耗。

阻抗测量中的万能法宝

图1.AD594x的高级功能框图。

AD594x(图1)是一款多功能阻抗分析仪,专为医疗和工业类应用量身定制。该模拟前端完全可配置,可以进行修改以支持各种不同的用例,包括皮肤电活动(EDA)或皮肤电反应(GSR)、身体阻抗分析、水分测量和生化测量。本文重点介绍与医疗相关的应用,但AD594x也可用于工业应用,如有毒气体分析、PH值测量、电导率或水质测量。

EDA/GSR的相对测量

相对阻抗(或阻抗的变化值)可以直接采用2线测量法来测量。一个目标应用是通过皮肤电活动或皮肤电反应监测压力或心理健康。精神状态或压力监测非常重要,因为随着时间的推移,压力可能导致慢性疾病,如糖尿病、心脏病或癌症。在精神状态改变期间或当人们变得紧张时,人体的交感神经系统激活皮肤中的汗腺。这种效应会增加皮肤导电性,从而使阻抗下降。

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图2.EDA或GSR的测量原理。

皮肤阻抗监测采用伏安法测量。在未知阻抗(本例中为皮肤)上施加激励信号,并测量阻抗两端的电压。r然后测量通过未知阻抗的电流。对ADC结果执行DFT计算以得到阻抗的变化变化值。    图2显示了EDA或GSR的整体测量原理。该测量的激励信号频率接近直流。建议使用低频激励(而非直流电压)进行测量,以防止电极极化并消除对人体组织的伤害。通常,最大激励信号频率可达200Hz,因为较高的频率可穿透进入人体,而不会仅测量皮肤表面。将电极在人体上的某些位置,电导率会随着人的情绪或精神状态变化而变化。

阻抗变化与精神压力之间的关系并没有直接公式,因此该测量通常与心率和/或心率变异性等其他测量并行进行。需要开发一种算法来将各种测量结果转化为心理压力水平。将EDA/GSR技术用于压力监测需要连续的全天候测量,AD594x就是为此而专门设计的。输出数据速率为4 Hz时,功耗<80μA。EDA/GSR测量也可以用于睡眠分析等应用。

用于人体阻抗分析的4线测量法

在医疗应用中,经常将阻抗测量用于生物阻抗分析(BIA)。BIA是一种4线阻抗测量,可用于需要绝对精度的应用。AD594x接收带宽高达50 kHz且信噪比(SNR)为100 dB。最常见的4线BIA应用之一是人体成分测量,以测量去脂体重。此外,这种设置也可用于监测人体内的含水量或通过生物阻抗谱测量心脏行为。其测量原理都是一样的,但是我们可以通过改变交流激励频率和电极在人体的位置来实现不同的应用。图3显示了4线测量法的原理。此设置中的未知量Z代表人体。对人体施加交流激励电压,在此之上叠加一合适的共模电压并用电压表测量,利用高速跨阻放大器测量响应电流。最终阻抗可通过下式计算:Z = VM/I。

阻抗测量中的万能法宝

图3.用于人体阻抗分析的4线测量。

在图3的功能框图中,可以看到阻抗通过电阻和电容与测量前端隔离。电阻限制了可流过人体的最大电流。CISO确保在电极与地或其他电极之间不会产生直流信号。这是满足医疗安全标准(如IEC 60601)的要求之一。

如前所述,人体上的电极位置和激励频率将代表所执行的测量。低至几百赫兹的低频电流只停留在皮肤表面,而较高频率的电流则会深入人体内部。对于一个健康人来说,水约占其总体重的60%。人体水分的三分之一是细胞外液(ECF),而其余部分位于细胞结构内(细胞间液)。鉴于细胞结构的电模型,高达50 kHz的交流电流可进行细胞外液测量。更高频率的电流则穿透细胞,从而可以测量细胞间液。根据电极位置、激励频率和用于解译阻抗测量的算法,可以确定人体的组成成分,例如总体脂百分比或人体含水量(测量脱水)。AD594x能够支持所有这些应用。在某些应用中,采用单频激励,而在其他应用中则采用多个频率或频率扫描。另外,测量的频次可以不同。对于人体组成成分,通常每天测量一次或每周测量一次;对于人体脱水监测,通常需要连续测量。对于连续测量而言,功耗非常关键,因此AD594x的灵活性在这里具有巨大的优势。

AD594x的其他应用包括基于胸阻抗测量呼吸速率、利用经胸阻抗监测逐搏心排血量或用于估算膀胱容量的阻抗测量。

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