醫(yī)療保健應(yīng)用中的ADI電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2020-03-18 來(lái)源:Ning Jia 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】近年來(lái),電子技術(shù)的進(jìn)步為醫(yī)療保健行業(yè)的諸多創(chuàng)新和改進(jìn)創(chuàng)造了條件。醫(yī)療保健設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)包括提出新的診斷和治療方法,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,開發(fā)家庭護(hù)理設(shè)備,提高質(zhì)量和可靠性,以及增強(qiáng)靈活性和易用性。
40余年以來(lái),ADI公司豐富而全面的線性、混合信號(hào)、MEMS和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)給儀器儀表、成像和病人監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域的醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)帶來(lái)了重大的變革。本文將集中探討電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)技術(shù),該技術(shù)使得在醫(yī)療保健應(yīng)用中使用高性能電容檢測(cè)成為可能。
電容式觸摸傳感器控制器——一種全新的用戶輸入法
電容式觸摸傳感器以類似圖1所示的按鈕、滑動(dòng)條、滾輪或其他方式提供一種用戶界面。
圖1. 觸摸傳感器布局示例
各個(gè)藍(lán)色幾何區(qū)域表示印刷電路板(PCB)上的一個(gè)傳感器電極,構(gòu)成虛擬電容器的一個(gè)極板。另一極板則由用戶的手指構(gòu)成,實(shí)際上,該極板相對(duì)于傳感器輸入是接地的。AD7147/AD7148 CapTouch™控制器系列專為激勵(lì)電容式觸摸傳感器和與之接口而設(shè)計(jì),能夠測(cè)量來(lái)自單電極傳感器的電容變化。器件首先輸出一個(gè)激勵(lì)信號(hào),使電容器極板充電。當(dāng)一個(gè)物體(如用戶手指)靠近傳感器時(shí),用戶充當(dāng)電容器的令一個(gè)極板,將形成虛擬電容器(如圖2)。利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)可以測(cè)量該電容。
圖2.電容檢測(cè)示意圖和典型響應(yīng)
該CDC能夠感知外部傳感器的電容變化,并借助此信息來(lái)記錄傳感器激活事件。AD7147和AD7148分別有13個(gè)和8個(gè)電容輸入,并均配有片內(nèi)校準(zhǔn)邏輯,用以對(duì)環(huán)境變化引起的測(cè)量變化進(jìn)行補(bǔ)償,從而確保不會(huì)因溫度變化或濕度變化而在外部傳感器上產(chǎn)生誤觸發(fā)事件。
AD7147和AD7148提供多種工作模式、用戶可編程的轉(zhuǎn)換序列和極其靈活的控制功能。這些特性使其成為高分辨率觸摸傳感器功能的理想選擇,比如滑動(dòng)條或滾輪,而且其對(duì)軟件的要求很低。另外,無(wú)需使用任何軟件,即可用片內(nèi)數(shù)字邏輯完整實(shí)現(xiàn)按鈕傳感器應(yīng)用。
電容檢測(cè)和測(cè)量的基本原理
電容是指電容器在電場(chǎng)中存儲(chǔ)能量的能力。在其標(biāo)稱形態(tài)中——平行板電容器——電容C衡量在給定電壓V下電容器中存儲(chǔ)的電荷Q,計(jì)算公式為
對(duì)于平行板電容器,電容檢測(cè)和測(cè)量技術(shù)的本質(zhì)如圖3所示。
圖3.測(cè)量平行板電容器的電容
平行板電容器由兩個(gè)導(dǎo)體(金屬板)構(gòu)成,其特性為
● 導(dǎo)體面積 , a × b
● 兩個(gè)導(dǎo)體極板之間的距離d
● 兩個(gè)導(dǎo)體之間的電介質(zhì),用介電常數(shù)er表示r
● 根據(jù)這種幾何結(jié)構(gòu),電容計(jì)算公式如下
其中,ε0為自由空間的介電常數(shù)
CDC器件將一個(gè)激勵(lì)施加到電容器的一個(gè)極板上,然后測(cè)量該電容器中存儲(chǔ)的電荷;之后,外部主機(jī)即可訪問(wèn)數(shù)字結(jié)果。根據(jù)激勵(lì)的作用方式,可分為四類電容傳感器,如圖4所示。
圖4.傳感器電氣配置
由于傳感器電容由a、b、d和er決定,因此,通過(guò)改變這些參數(shù)的值,或者觀察其值的變化,即可將CDC技術(shù)用于直接測(cè)量電容值以及多種其他應(yīng)用之中,具體視傳感器類型而定。例如,如果a、b和εr是恒定的,CDC輸入與兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離成反比。
應(yīng)用
AD714x、AD715x和AD774x系列CDC產(chǎn)品適用于涉及各類采樣速率、分辨率、輸入范圍和輸入傳感器類型的廣泛應(yīng)用。電容檢測(cè)技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍僅局限于用戶的創(chuàng)造力,我們下面就介紹一些其在醫(yī)療保健領(lǐng)域的可能的應(yīng)用方法。
液位監(jiān)控
在輸液等眾多應(yīng)用中,必須測(cè)量所用液體量,或者在輸液瓶變空之前必須停止輸液。為了節(jié)省醫(yī)護(hù)人員的時(shí)間,可利用自動(dòng)液位檢測(cè)技術(shù)來(lái)消除人工檢查的必要。
液位檢測(cè)的基本原理如圖5所示。構(gòu)建一個(gè)平行板電容器,使其極板緊緊地附著在輸液瓶的外壁上,并延伸到輸液瓶底部附近。隨著輸液液位的變化,極板之間的電介質(zhì)數(shù)量發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電容發(fā)生變化。為了能夠使用介電常數(shù)不同的各種輸液物質(zhì),需在輸液瓶底部附近再放一個(gè)電容式傳感器,充當(dāng)一個(gè)基準(zhǔn)通道,以形成比率式測(cè)量。
圖5.液位檢測(cè)
24位AD7746, 搭載兩個(gè)電容測(cè)量通道,可以用于這類應(yīng)用。
電極和人體之間的連接檢測(cè)
對(duì)于在人體皮膚附近使用的設(shè)備(如圖6所示的那些設(shè)備),在激活設(shè)備或進(jìn)行測(cè)量之前,首先了解設(shè)備表面與病人皮膚之間接觸的質(zhì)量通常是有好處的。最終使用的范圍可能包括需要接觸皮膚的醫(yī)療探頭、生物電位電極傳感器或把導(dǎo)管固定到適當(dāng)位置的殼體。為了獲得這種額外的信息,在生產(chǎn)過(guò)程中的注塑階段可能會(huì)將多個(gè)電容式傳感器電極(以藍(lán)色顯示)直接嵌入到設(shè)備的塑料殼體中。有了電極信息后,主機(jī)控制器上運(yùn)行的簡(jiǎn)單算法就可以確定所有傳感器電極是否與皮膚進(jìn)行良好的接觸。
圖6.采用電容式傳感器電極的設(shè)備
圖6所示示例運(yùn)用電容式傳感器的方式打破了常規(guī):用戶將一個(gè)含有電容式檢測(cè)電極的設(shè)備固定于人體上,而在傳統(tǒng)的電容式檢測(cè)人機(jī)界面應(yīng)用中,人們一般通過(guò)手指觸摸的方式啟動(dòng)與傳感器電極的接觸事件。利用AD7147/AD7148開發(fā)如圖6所示應(yīng)用非常簡(jiǎn)單。
汗液檢測(cè)
在某些醫(yī)療和保健測(cè)試設(shè)備中,需要測(cè)量人體排出的汗液。這一般是通過(guò)測(cè)量皮膚的導(dǎo)電性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而,如果需要在不進(jìn)行電接觸的情況下進(jìn)行測(cè)量,則可通過(guò)用電容傳感器檢測(cè)人體附近的濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能
出汗時(shí),人體皮膚附近的濕度(介電常數(shù))會(huì)增加;可在出汗處皮膚附近用一個(gè)非接觸式電極來(lái)測(cè)量出汗導(dǎo)致的電容變化
可以再增加一個(gè)電容傳感器,以測(cè)量環(huán)境濕度,并用其實(shí)現(xiàn)共模補(bǔ)償。
呼吸速率測(cè)量
呼吸速率測(cè)量是病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)重要模塊。
在其中一種實(shí)現(xiàn)方式中(如圖7所示),將一塊激勵(lì)極板放在病人背部,同時(shí),將傳感器電極帶固定到病人胸部右側(cè)。肺部呼吸導(dǎo)致的胸部運(yùn)動(dòng)會(huì)改變兩塊極板之間的距離。介電常數(shù)也會(huì)因呼吸過(guò)程中復(fù)雜的生理活動(dòng)而改變。這些電容的變化可以通過(guò)CDC設(shè)備來(lái)測(cè)量。
圖7.呼吸速率測(cè)量
將傳感器電極置于病人胸部右側(cè)的原因在于,這個(gè)位置受其他生理活動(dòng)的影響最小。然而,通過(guò)將多個(gè)傳感器電極放在病人胸部的不同位置,可以獲得有關(guān)人體功能的更多信息。這個(gè)話題非常有趣,需要進(jìn)一步研究
血壓測(cè)量
在使用充氣臂帶的血壓測(cè)量應(yīng)用中,一項(xiàng)重要的任務(wù)是測(cè)量氣閥處的壓力。在這類壓力檢測(cè)應(yīng)用中,電容式傳感器使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。
如圖8所示,壓力傳感器的薄膜基本是由兩個(gè)電容極板構(gòu)成。向傳感器施加壓力時(shí),電容極板之間的距離縮短。極板間的距離縮短會(huì)導(dǎo)致電容升高。
可使用一個(gè)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)傳感器的溫度變化,以補(bǔ)償溫度變化導(dǎo)致的特性變化。AD774x系列內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器,用于測(cè)量片內(nèi)溫度——另外還搭載了一個(gè)ADC電壓通道,可用來(lái)測(cè)量電容傳感器位置的溫度。
圖8.用電容式傳感器檢測(cè)壓力
結(jié)束語(yǔ)
本文簡(jiǎn)要介紹了ADI公司在CDC技術(shù)領(lǐng)域取得的一些成就,暗示了CDC技術(shù)在醫(yī)療保健應(yīng)用中的巨大潛力。然而,傳感器設(shè)計(jì)——包括樣式、尺寸和位置——相關(guān)的詳細(xì)電子電路設(shè)計(jì),以及深入研究、綜合實(shí)驗(yàn)和有效測(cè)試的必要性在很大程度上取決于各種應(yīng)用的性質(zhì),因此,我們?cè)诒疚闹兄皇菕伌u引玉而已。
誠(chéng)摯邀請(qǐng)各位訪問(wèn)EngineerZone上的ADI公司社區(qū),就CDC技術(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)表高見(jiàn)。
參考電路
ADI CDC 主頁(yè): http://www.analog.com/cdc.
ADI 公司醫(yī)療保健產(chǎn)品主頁(yè): http://healthcare.analog.com.
Prutchi, David, and Michael Norris. Design and Development of Medical Electronic Instrumentation. ISBN 0-471-67623-3. John Wiley & Sons, Inc., 2005. 有關(guān)所有ADI公司產(chǎn)品的信息,請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.analog.com.
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