【導讀】近年來(lái)，電子技術(shù)的進(jìn)步為醫療保健行業(yè)的諸多創(chuàng )新和改進(jìn)創(chuàng )造了條件。醫療保健設備面臨的挑戰包括提出新的診斷和治療方法，實(shí)現遠程監控，開(kāi)發(fā)家庭護理設備，提高質(zhì)量和可靠性，以及增強靈活性和易用性。
40余年以來(lái)，ADI公司豐富而全面的線(xiàn)性、混合信號、MEMS和數字信號處理技術(shù)給儀器儀表、成像和病人監護等領(lǐng)域的醫療設備設計帶來(lái)了重大的變革。本文將集中探討電容數字轉換器(CDC)技術(shù)，該技術(shù)使得在醫療保健應用中使用高性能電容檢測成為可能。
電容式觸摸傳感器控制器——一種全新的用戶(hù)輸入法
電容式觸摸傳感器以類(lèi)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(hù)界面。
圖1. 觸摸傳感器布局示例
各個(gè)藍色幾何區域表示印刷電路板(PCB)上的一個(gè)傳感器電極，構成虛擬電容器的一個(gè)極板。另一極板則由用戶(hù)的手指構成，實(shí)際上，該極板相對于傳感器輸入是接地的。AD7147/AD7148 CapTouch™控制器系列專(zhuān)為激勵電容式觸摸傳感器和與之接口而設計，能夠測量來(lái)自單電極傳感器的電容變化。器件首先輸出一個(gè)激勵信號，使電容器極板充電。當一個(gè)物體（如用戶(hù)手指）靠近傳感器時(shí)，用戶(hù)充當電容器的令一個(gè)極板，將形成虛擬電容器（如圖2）。利用電容數字轉換器(CDC)可以測量該電容。
圖2.電容檢測示意圖和典型響應
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，并均配有片內校準邏輯，用以對環(huán)境變化引起的測量變化進(jìn)行補償，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(hù)可編程的轉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，而且其對軟件的要求很低。另外，無(wú)需使用任何軟件，即可用片內數字邏輯完整實(shí)現按鈕傳感器應用。
電容檢測和測量的基本原理
電容是指電容器在電場(chǎng)中存儲能量的能力。在其標稱(chēng)形態(tài)中——平行板電容器——電容C衡量在給定電壓V下電容器中存儲的電荷Q，計算公式為
對于平行板電容器，電容檢測和測量技術(shù)的本質(zhì)如圖3所示。
圖3.測量平行板電容器的電容
平行板電容器由兩個(gè)導體（金屬板）構成，其特性為
● 導體面積 , a × b
● 兩個(gè)導體極板之間的距離d
● 兩個(gè)導體之間的電介質(zhì)，用介電常數er表示r
● 根據這種幾何結構，電容計算公式如下
其中，ε0為自由空間的介電常數
CDC器件將一個(gè)激勵施加到電容器的一個(gè)極板上，然后測量該電容器中存儲的電荷；之后，外部主機即可訪(fǎng)問(wèn)數字結果。根據激勵的作用方式，可分為四類(lèi)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)改變這些參數的值，或者觀(guān)察其值的變化，即可將CDC技術(shù)用于直接測量電容值以及多種其他應用之中，具體視傳感器類(lèi)型而定。例如，如果a、b和εr是恒定的，CDC輸入與兩個(gè)導體之間的距離成反比。
應用
AD714x、AD715x和AD774x系列CDC產(chǎn)品適用于涉及各類(lèi)采樣速率、分辨率、輸入范圍和輸入傳感器類(lèi)型的廣泛應用。電容檢測技術(shù)的潛在應用范圍僅局限于用戶(hù)的創(chuàng )造力，我們下面就介紹一些其在醫療保健領(lǐng)域的可能的應用方法。
液位監控
在輸液等眾多應用中，必須測量所用液體量，或者在輸液瓶變空之前必須停止輸液。為了節省醫護人員的時(shí)間，可利用自動(dòng)液位檢測技術(shù)來(lái)消除人工檢查的必要。
液位檢測的基本原理如圖5所示。構建一個(gè)平行板電容器，使其極板緊緊地附著(zhù)在輸液瓶的外壁上，并延伸到輸液瓶底部附近。隨著(zhù)輸液液位的變化，極板之間的電介質(zhì)數量發(fā)生變化，從而導致電容發(fā)生變化。為了能夠使用介電常數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，充當一個(gè)基準通道，以形成比率式測量。
圖5.液位檢測
24位AD7746， 搭載兩個(gè)電容測量通道，可以用于這類(lèi)應用。
電極和人體之間的連接檢測
對于在人體皮膚附近使用的設備（如圖6所示的那些設備），在激活設備或進(jìn)行測量之前，首先了解設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療探頭、生物電位電極傳感器或把導管固定到適當位置的殼體。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（以藍色顯示）直接嵌入到設備的塑料殼體中。有了電極信息后，主機控制器上運行的簡(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備
圖6所示示例運用電容式傳感器的方式打破了常規：用戶(hù)將一個(gè)含有電容式檢測電極的設備固定于人體上，而在傳統的電容式檢測人機界面應用中，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(kāi)發(fā)如圖6所示應用非常簡(jiǎn)單。
汗液檢測
在某些醫療和保健測試設備中，需要測量人體排出的汗液。這一般是通過(guò)測量皮膚的導電性來(lái)實(shí)現的。然而，如果需要在不進(jìn)行電接觸的情況下進(jìn)行測量，則可通過(guò)用電容傳感器檢測人體附近的濕度來(lái)實(shí)現這種功能
出汗時(shí)，人體皮膚附近的濕度（介電常數）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)測量出汗導致的電容變化
可以再增加一個(gè)電容傳感器，以測量環(huán)境濕度，并用其實(shí)現共模補償。
呼吸速率測量
呼吸速率測量是病人監護系統中的一個(gè)重要模塊。
在其中一種實(shí)現方式中（如圖7所示），將一塊激勵極板放在病人背部，同時(shí)，將傳感器電極帶固定到病人胸部右側。肺部呼吸導致的胸部運動(dòng)會(huì )改變兩塊極板之間的距離。介電常數也會(huì )因呼吸過(guò)程中復雜的生理活動(dòng)而改變。這些電容的變化可以通過(guò)CDC設備來(lái)測量。
圖7.呼吸速率測量
將傳感器電極置于病人胸部右側的原因在于，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(huà)題非常有趣，需要進(jìn)一步研究
血壓測量
在使用充氣臂帶的血壓測量應用中，一項重要的任務(wù)是測量氣閥處的壓力。在這類(lèi)壓力檢測應用中，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 )導致電容升高。
可使用一個(gè)溫度傳感器來(lái)檢測傳感器的溫度變化，以補償溫度變化導致的特性變化。AD774x系列內置一個(gè)溫度傳感器，用于測量片內溫度——另外還搭載了一個(gè)ADC電壓通道，可用來(lái)測量電容傳感器位置的溫度。
圖8.用電容式傳感器檢測壓力
結束語(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)在醫療保健應用中的巨大潛力。然而，傳感器設計——包括樣式、尺寸和位置——相關(guān)的詳細電子電路設計，以及深入研究、綜合實(shí)驗和有效測試的必要性在很大程度上取決于各種應用的性質(zhì)，因此，我們在本文中只是拋磚引玉而已。
誠摯邀請各位訪(fǎng)問(wèn)EngineerZone上的ADI公司社區，就CDC技術(shù)在醫療保健領(lǐng)域的應用發(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，請訪(fǎng)問(wèn) www.analog.com.
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