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ADI:医疗保健使用中的ADI电容数字转换器技能

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 简介近年来,电子技术的进步为医疗保健行业的诸多

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

简介

近年来,电子技能的前进为医疗保健职业的许多创新和改善发明了条件。医疗保健设备面对的应战包含提出新的确诊和医治办法,完成长途监控,开发家庭护理设备,进步质量和可靠性,以及增强灵敏性和易用性。

40余年以来,ADI公司丰厚而全面的线性、混合信号、MEMS和数字信号处理技能给仪器仪表、成像和患者监护等范畴的医疗设备规划带来了严重的革新。本文将会集讨论电容数字转化器(CDC)技能,该技能使得在医疗保健运用中运用高性能电容检测成为或许。

电容式触摸传感器操控器——一种全新的用户输入法

电容式触摸传感器以相似图1所示的按钮、滑动条、滚轮或其他办法供给一种用户界面。

Figure 1
图1. 触摸传感器布局示例

各个蓝色几许区域表明印刷电路板(PCB)上的一个传感器电极,构成虚拟电容器的一个极板。另一极板则由用户的手指构成,实际上,该极板相关于传感器输入是接地的。AD7147/AD7148 CapTouch操控器系列专为鼓励电容式触摸传感器和与之接口而规划,能够丈量来自单电极传感器的电容改动。器材首要输出一个鼓励信号,使电容器极板充电。当一个物体(如用户手指)接近传感器时,用户充任电容器的令一个极板,将构成虚拟电容器(如图2)。运用电容数字转化器(CDC)能够丈量该电容。

Figure 2
图2.电容检测示意图和典型呼应

该CDC能够感知外部传感器的电容改动,并凭借此信息来记载传感器激活事情。AD7147和AD7148分别有13个和8个电容输入,并均配有片内校准逻辑,用以对环境改动引起的丈量改动进行补偿,然后保证不会因温度改动或湿度改动而在外部传感器上发生误触发事情。

AD7147和AD7148供给多种作业形式、用户可编程的转化序列和极端灵敏的操控功用。这些特性使其成为高分辨率触摸传感器功用的抱负挑选,比方滑动条或滚轮,并且其对软件的要求很低。别的,无需运用任何软件,即可用片内数字逻辑完好完成按钮传感器运用。

电容检测和丈量的基本原理

电容是指电容器在电场中存储能量的才能。在其标称形状中——平行板电容器——电容C衡量在给定电压V下电容器中存储的电荷Q,计算公式为

Equation 1

关于平行板电容器,电容检测和丈量技能的实质如图3所示。

Figure 3
图3.丈量平行板电容器的电容

平行板电容器由两个导体(金属板)构成,其特性为

  • 导体面积 , a × b
  • 两个导体极板之间的间隔d
  • 两个导体之间的电介质,用介电常数er表明r
  • 依据这种几许结构,电容计算公式如下
Equation 2

其间,ε0为自由空间的介电常数

CDC器材将一个鼓励施加到电容器的一个极板上,然后丈量该电容器中存储的电荷;之后,外部主机即可拜访数字成果。依据鼓励的效果办法,可分为四类电容传感器,如图4所示。

 Figure 4
图4.传感器电气装备

因为传感器电容由a、b、d和er决议,因而,经过改动这些参数的值,或许调查其值的改动,即可将CDC技能用于直接丈量电容值以及多种其他运用之中,具体视传感器类型而定。例如,假如a、b和εr是稳定的,CDC输入与两个导体之间的间隔成反比。

运用

AD714x、AD715x和AD774x系列CDC产品适用于触及各类采样速率、分辨率、输入规模和输入传感器类型的广泛运用。电容检测技能的潜在运用规模仅局限于用户的发明力,咱们下面就介绍一些其在医疗保健范畴的或许的运用办法。

液位监控

在输液等很多运用中,有必要丈量所用液体量,或许在输液瓶变空之前有必要中止输液。为了节约医护人员的时刻,可运用主动液位检测技能来消除人工查看的必要。

液位检测的基本原理如图5所示。构建一个平行板电容器,使其极板紧紧地附着在输液瓶的外壁上,并延伸到输液瓶底部邻近。跟着输液液位的改动,极板之间的电介质数量发生改动,然后导致电容发生改动。为了能够运用介电常数不同的各种输液物质,需在输液瓶底部邻近再放一个电容式传感器,充任一个基准通道,以构成比率式丈量。

Figure 5
图5.液位检测

24位AD7746, 搭载两个电容丈量通道,能够用于这类运用。

电极和人体之间的衔接检测

关于在人体皮肤邻近运用的设备(如图6所示的那些设备),在激活设备或进行丈量之前,首要了解设备外表与患者皮肤之间触摸的质量通常是有优点的。终究运用的规模或许包含需求触摸皮肤的医疗探头、生物电位电极传感器或把导管固定到恰当方位的壳体。为了获得这种额定的信息,在生产过程中的注塑阶段或许会将多个电容式传感器电极(以蓝色显现)直接嵌入到设备的塑料壳体中。有了电极信息后,主机操控器上运转的简略算法就能够确认一切传感器电极是否与皮肤进行杰出的触摸。

Figure 6
图6.选用电容式传感器电极的设备

图6所示示例运用电容式传感器的办法打破了惯例:用户将一个含有电容式检测电极的设备固定于人体上,而在传统的电容式检测人机界面运用中,人们一般经过手指触摸的办法发动与传感器电极的触摸事情。运用AD7147/AD7148开发如图6所示运用十分简略。

汗液检测

在某些医疗和保健测验设备中,需求丈量人体排出的汗液。这一般是经过丈量皮肤的导电性来完成的。但是,假如需求在不进行电触摸的情况下进行丈量,则可经过用电容传感器检测人体邻近的湿度来完成这种功用

出汗时,人体皮肤邻近的湿度(介电常数)会添加;可在出汗处皮肤邻近用一个非触摸式电极来丈量出汗导致的电容改动

能够再添加一个电容传感器,以丈量环境湿度,并用其完成共模补偿。

呼吸速率丈量

呼吸速率丈量是患者监护体系中的一个重要模块。

在其间一种完成办法中(如图7所示),将一块鼓励极板放在患者背部,一起,将传感器电极带固定到患者胸部右侧。肺部呼吸导致的胸部运动会改动两块极板之间的间隔。介电常数也会因呼吸过程中杂乱的生理活动而改动。这些电容的改动能够经过CDC设备来丈量。

Figure 7
图7.呼吸速率丈量

将传感器电极置于患者胸部右侧的原因在于,这个方位受其他生理活动的影响最小。但是,经过将多个传感器电极放在患者胸部的不同方位,能够获得有关人体功用的更多信息。这个论题十分风趣,需求进一步研讨

血压丈量

在运用充气臂带的血压丈量运用中,一项重要的使命是丈量气阀处的压力。在这类压力检测运用中,电容式传感器运用起来十分简略。

如图8所示,压力传感器的薄膜基本是由两个电容极板构成。向传感器施加压力时,电容极板之间的间隔缩短。极板间的间隔缩短会导致电容升高。

可运用一个温度传感器来检测传感器的温度改动,以补偿温度改动导致的特性改动。AD774x系列内置一个温度传感器,用于丈量片内温度——别的还搭载了一个ADC电压通道,可用来丈量电容传感器方位的温度。

Figure 8
图8.用电容式传感器检测压力

结束语

本文扼要介绍了ADI公司在CDC技能范畴获得的一些成果,暗示了CDC技能在医疗保健运用中的巨大潜力。但是,传感器规划——包含款式、尺度和方位——相关的具体电子电路规划,以及深入研讨、归纳试验和有用测验的必要性在很大程度上取决于各种运用的性质,因而,咱们在本文中仅仅抛砖引玉罢了。

诚挚约请各位拜访EngineerZone上的ADI公司社区,就CDC技能在医疗保健范畴的运用宣布主意。

参阅电路

ADI CDC 主页: http://www.analog.com/cdc.

ADI 公司医疗保健产品主页: 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. 有关一切ADI公司产品的信息,请拜访 www.analog.com.

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