最简单也许是最有效的?阻抗测试在医学上的应用分析
只需要用最简单的工具——万用表，测试最简单的参数——电阻，你就可以轻松判定一个电路是否损坏。这大概是最不值得一提的技能，但这个技能在很多行业可以有大用，事实上电阻/阻抗测试是很多系统工作的基本原理，物理特性(甚至生物特性)的变化很多时候都会对应着阻抗的变化。
例如，不同的病毒株会使血液中发生不同的化学反应，通过在一定频率下测量这些化学反应的阻抗，依此量化这些反应，研究人员就能通过其阻抗特征来识别不同的病毒珠。血液凝固时间可以通过测量血液凝固时的阻抗来确定。凝血监测对于心脏搭桥手术患者的术后恢复至关重要，医生可以通过凝血监测来维持流血和凝血之间的平衡。
生物阻抗测量系统框图。
基于阻抗测试的生物电测试原理分析
基于阻抗分析仪的生物医学应用包括皮肤电活动(EDA)或皮肤电反应(GSR)、身体阻抗分析、水分测量和生化测量。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。
皮肤阻抗监测采用伏安法测量。在未知阻抗(皮肤)上施加激励信号，并测量阻抗两端的电压。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。下图显示了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200 Hz，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。
EDA或GSR的测量原理
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，AD5940就是为此而专门设计的。输出数据速率为4 Hz时，功耗<80 μA。EDA/GSR测量也可以用于睡眠分析等应用。
从ADI的几代产品看阻抗测试技术演进路线图
用芯片做阻抗测量的技术相对较新。大约16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。
一年前ADI再次宣布推出一款新型电化学和阻抗测量前端，可实现下一代生命体征监测装置和智能电化学传感器——AD5940，该模拟前端在单个芯片内集成了恒电位仪和电化学阻抗谱 (EIS) 功能，从而可在时域和频域中实现传感器测量。该器件具有用于先进传感器诊断的集成化硬件加速器、用于完成准确传感器测量的同类最佳低噪声性能，并专为"始终保持开机"的可穿戴式应用而设计。
与那些有局限性、并且需要使用多个 IC 方可实现相似性能的传统分立式解决方案相比，AD5940的单芯片解决方案在系统准确度和尺寸灵活性方面拥有优势，可测量2引脚、3引脚和4引脚电化学传感器。对于那些将高精度生物和化学感测作为关键任务的应用 (如工业气体检测、液体分析、材料感测、生命体征监测、阻抗谱和疾病管理等)来说，这是一款理想的解决方案。
基于高精度模拟前端AD5940的生物阻抗分析
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。AD5940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。
下图显示了采用四线配置将AD5940用于人体绝对阻抗测量的连接方式。对于这种类型的测量，使用高频环路;可编程交流电压发生器提供激励信号。第二个发生器可提供共模电压，以实现正确测量。通过跨阻放大器测量由人体阻抗产生的电流，并采用16位ADC进行转换。该系统能够在最高200 kHz的频率下进 行测量，在50 kHz下可提供100 dB的信噪比(SNR)。将数字数据发送到硬件加速器以提取所需数值;即阻抗的实数部分和虚数部分。
AD5940用于生物电阻抗分析的四线连接
生物阻抗测量是一种快速无创评估人体组成和诊断某些类型疾病的低成本通用方法。由于使用AD5940等器件，当前的技术可以实现紧凑、高性能、低功耗的生物阻抗分析仪，并且该分析仪可以使用电池供电。AD5940的高集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特别适合可穿戴应用。
本文结论
电阻抗谱测试在生物医疗应用，可以说“只有想不到，没有做不到”，目前运用到包括病毒检测、凝血监测、电阻抗谱和扬声器优化的一些应用中，更多的应用开发值得探索。事实上，在更广泛的领域也在获得更多的应用：采用阻抗来测量基础设施、汽车、飞机和轮船中的铝和钢的腐蚀状态，从而防止早期故障和不必要的维修;阻抗测量芯片能放置在难以到达的偏远地区，在出现腐蚀或早期磨损的最初迹象时，这个持续工作的“结构化监控”信号使维护人员及时获知情况;测量听觉声音频率范围内的扬声器阻抗使设计工程师能够积极地匹配扬声器阻抗与音频驱动器，从而获得最理想的性能和功率传输。
