基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)AD7147和AD7148的醫(yī)療保健設(shè)計(jì)方案

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(lèi)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(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(yīng)用。電容檢測(cè)技術(shù)的潛在應(yīng)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(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(lèi)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(hù)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(kāi)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(lèi)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。