【導(dǎo)讀】近年來，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，以及增強靈活性和易用性。
40余年以來，ADI公司豐富而全面的線性、混合信號、MEMS和數(shù)字信號處理技術(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)計帶來了重大的變革。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
各個藍(lán)色幾何區(qū)域表示印刷電路板(PCB)上的一個傳感器電極，構(gòu)成虛擬電容器的一個極板。另一極板則由用戶的手指構(gòu)成，實際上，該極板相對于傳感器輸入是接地的。AD7147/AD7148 CapTouch™控制器系列專為激勵電容式觸摸傳感器和與之接口而設(shè)計，能夠測量來自單電極傳感器的電容變化。器件首先輸出一個激勵信號，使電容器極板充電。當(dāng)一個物體（如用戶手指）靠近傳感器時，用戶充當(dāng)電容器的令一個極板，將形成虛擬電容器（如圖2）。利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)可以測量該電容。
圖2.電容檢測示意圖和典型響應(yīng)
該CDC能夠感知外部傳感器的電容變化，并借助此信息來記錄傳感器激活事件。AD7147和AD7148分別有13個和8個電容輸入，并均配有片內(nèi)校準(zhǔn)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，比如滑動條或滾輪，而且其對軟件的要求很低。另外，無需使用任何軟件，即可用片內(nèi)數(shù)字邏輯完整實現(xiàn)按鈕傳感器應(yīng)用。
電容檢測和測量的基本原理
電容是指電容器在電場中存儲能量的能力。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導(dǎo)體（金屬板）構(gòu)成，其特性為
● 導(dǎo)體面積 , a × b
● 兩個導(dǎo)體極板之間的距離d
● 兩個導(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器件將一個激勵施加到電容器的一個極板上，然后測量該電容器中存儲的電荷；之后，外部主機即可訪問數(shù)字結(jié)果。根據(jù)激勵的作用方式，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)人員的時間，可利用自動液位檢測技術(shù)來消除人工檢查的必要。
液位檢測的基本原理如圖5所示。構(gòu)建一個平行板電容器，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電容式傳感器，充當(dāng)一個基準(zhǔn)通道，以形成比率式測量。
圖5.液位檢測
24位AD7746， 搭載兩個電容測量通道，可以用于這類應(yīng)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(shè)備（如圖6所示的那些設(shè)備），在激活設(shè)備或進(jìn)行測量之前，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)過程中的注塑階段可能會將多個電容式傳感器電極（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，主機控制器上運行的簡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所示示例運用電容式傳感器的方式打破了常規(guī)：用戶將一個含有電容式檢測電極的設(shè)備固定于人體上，而在傳統(tǒng)的電容式檢測人機界面應(yīng)用中，人們一般通過手指觸摸的方式啟動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)用非常簡單。
汗液檢測
在某些醫(yī)療和保健測試設(shè)備中，需要測量人體排出的汗液。這一般是通過測量皮膚的導(dǎo)電性來實現(xiàn)的。然而，如果需要在不進(jìn)行電接觸的情況下進(jìn)行測量，則可通過用電容傳感器檢測人體附近的濕度來實現(xiàn)這種功能
出汗時，人體皮膚附近的濕度（介電常數(shù)）會增加；可在出汗處皮膚附近用一個非接觸式電極來測量出汗導(dǎo)致的電容變化
可以再增加一個電容傳感器，以測量環(huán)境濕度，并用其實現(xiàn)共模補償。
呼吸速率測量
呼吸速率測量是病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的一個重要模塊。
在其中一種實現(xiàn)方式中（如圖7所示），將一塊激勵極板放在病人背部，同時，將傳感器電極帶固定到病人胸部右側(cè)。肺部呼吸導(dǎo)致的胸部運動會改變兩塊極板之間的距離。介電常數(shù)也會因呼吸過程中復(fù)雜的生理活動而改變。這些電容的變化可以通過CDC設(shè)備來測量。
圖7.呼吸速率測量
將傳感器電極置于病人胸部右側(cè)的原因在于，這個位置受其他生理活動的影響最小。然而，通過將多個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。這個話題非常有趣，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(yīng)用中，一項重要的任務(wù)是測量氣閥處的壓力。在這類壓力檢測應(yīng)用中，電容式傳感器使用起來非常簡單。
如圖8所示，壓力傳感器的薄膜基本是由兩個電容極板構(gòu)成。向傳感器施加壓力時，電容極板之間的距離縮短。極板間的距離縮短會導(dǎo)致電容升高。
可使用一個溫度傳感器來檢測傳感器的溫度變化，以補償溫度變化導(dǎo)致的特性變化。AD774x系列內(nèi)置一個溫度傳感器，用于測量片內(nèi)溫度——另外還搭載了一個ADC電壓通道，可用來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(jié)束語
本文簡要介紹了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——包括樣式、尺寸和位置——相關(guān)的詳細(xì)電子電路設(shè)計，以及深入研究、綜合實驗和有效測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，我們在本文中只是拋磚引玉而已。
誠摯邀請各位訪問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。
參考電路
ADI CDC 主頁: http://www.analog.com/cdc.
ADI 公司醫(yī)療保健產(chǎn)品主頁: 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，請訪問 www.analog.com.
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