为连续血糖监测仪选择合适的电化学传感器 AFE
摘要
糖尿病患者必须持续监测自己的血糖水平，以便决定何时服药来控制病情。直到最近，人们通常还是使用手持式血糖监测仪，检测过程有创且具有侵入性。一种新型连续血糖监测仪（ CGM）可以通过一次性可穿戴贴片监测皮下血糖水平。这项技术侵入性更小，并且在每次需要用药时都可立即向佩戴者发出警报。在此设计解决方案中，我们将介绍 CGM 中所用电化学传感器 AFE 必须具备的作用和功能。然后，我们会推荐一款满足这些要求的微型低功耗电化学 AFE IC ，适用于 CGM 和其他体液分析应用。
简介
“患上糖尿病后，就别想追求完美了。很多事情都会超出您的掌控范围，糖尿病会打乱您的生活，这时找到一种方式保持平和与淡定很重要。”毫无疑问，国际知名歌手/演员 Nick Jonas（患有 1 型糖尿病） 的这些肺腑之言也道出了美国其他 3000 多万各类糖尿病患者的 心声。采血针、试纸、血糖监测仪、注射器和胰岛素泵，这些只是困扰他们日常生活的部分 随身用具 （图 1）.
图 1.糖尿病患者的世界
值得庆幸的是，连续血糖监测仪（ CGM）新近面世 ，预示着未来糖尿病护理的侵入性 将会明显减小。此设计解决方案中，我们将简要介绍不同类型的糖尿病，并解释为什么血糖 监测对于患者如何控制病情至关重要。然后，我们将概述 CGM 的主要元件，并解释为什么 并非所有电化学传感器模拟前端 IC 都适用于此应用 ，最终将介绍一款适用的电化学传感器 AFE。该器件不仅符合这种新兴医疗技术要求的使用标准，而且还具有额外的安全特性和其 他有益特性 ，能够进一步增强其应用。
什么是糖尿病？
高血糖多尿症（通常简称为“糖尿病”）是一种因胰岛素分泌或作用不足而造成的慢性 代谢性疾病。胰岛素是胰腺分泌的一种激素，可促进机体使用和储存葡萄糖。随着时间推移， 未经治疗的糖尿病会导致高血糖（或血糖升高），从而对人体神经、器官和血管造成严重损 害。这种疾病主要有两种类型。 1 型糖尿病（以前称为胰岛素依赖型糖尿病）多见于儿童、 青少年和年轻人 ，但也可能发生于任何年龄。在 1 型糖尿病中 ，胰腺分泌的胰岛素极少或根本不分泌胰岛素。1 型糖尿病患者需要每天注射胰岛素（或佩戴胰岛素泵），从而控制血糖水平来为机体供给能量。糖尿病患者中只有大约 5%为 1 型糖尿病。2 型糖尿病常发于 45 岁以上的人群，但如今越来越多的儿童、青少年和年轻人也患上此疾病。它由各种生活方式 因素（年龄、饮食、缺乏锻炼、超重、药物）导致，这些因素会干扰机体有效分泌和使用胰 岛素的能力。此疾病虽然可以通过调整饮食和生活方式加以控制，但也可能会出现进展，而要像 1 型糖尿病一样必须注射胰岛素。 95%的糖尿病患者为 2 型糖尿病。
血糖监测
为了确定何时应注射胰岛素，患者需要监测自己的血糖水平。通常，患者要间歇性地采集少量血液样本（通常采取针刺指尖），滴到“试纸 ”上 ，然后将试纸插入手持式血糖仪（ BGM） 。仪表显示屏上的结果（图 2） 会协助患者确定是否需要使用胰岛素。
图 2.手持式血糖仪
另外 ，最近一项称为“连续血糖监测仪 ”（图 3） 的创新发明已经获批 ，可供糖尿病患者跟踪自己的血糖水平。
图 3.连续血糖监测仪（ CGM）
患者一般在手臂或腹部持续佩戴这种“贴片型”设备（贴片使用数天后应丢弃并更换）。 这种方式不通过血液来测量血糖水平，其工作原理是监测皮肤间质液中的葡萄糖水平。如 图 4 所示，在表皮下方置入一个小探针即可进行此测量，然后数据通过无线方式传输到手持式读取器或智能手机。
图 4.CGM 接触皮肤的剖面示意图
此设备的主要优点是，患者可以不间断地持续监测血糖水平，并在需要使用胰岛素时收到警报。直到不久前，这些设备仅获批用于“辅助”手持式监测仪（即患者仍需采血并使用血糖仪确认 CGM 读数以进行校准）。而现在，一些标为“非辅助性”的监测仪已无此要求，
也就是说，患者可以仅依赖 CGM 的读数。在未来 ，CGM 读数预计可以无线传输至胰岛素泵（图 5），然后胰岛素泵通过患者佩戴的便携储药器自动注射胰岛素 ，形成一个闭环系统。（尽管胰岛素泵目前已投入市场，但往往只有难以通过单独注射调控血糖水平的糖尿病 患者才会佩戴胰岛素泵）。
图 5.胰岛素泵
CGM 元件
CGM 图 6 所示。
图 6.CGM 框图
虽然 BGM 和 CGM 都采用电化学方法测量血糖水平 ，但是它们需要使用不同类型的AFE。 BGM 中使用的电化学试纸具有电极 ，检测时使用数模转换器（ DAC）对试纸施加精确的偏置电压，然后测量试纸上电化学反应产生的电流 ，此电流与血液中的葡萄糖成比例。 试纸上可能存在一路或多路通道 ，并通常由跨阻放大器（TIA）将电流转换为电压 ，以便使 用模数转换器（ADC）进行测量。试纸的满量程电流测量范围为 10µA 至 50µA，分辨率可 达到 10nA 以下。需要测量环境温度，因为这些试纸的结果与温度相关。最简单的配置是具 有两个电极的自偏置试纸（图 7） ，在工作电极（ WE）处测量电流 ，而公共电极（或反电 极）（ CE）接地。一个试纸上可能存在多路通道 ，其他通道用于参考测量、初始血液检测 或确保血液已充满反应区。另一种配置是有源驱动两个电极并在公共电极处测量。
图 7.采用简化自偏置配置的电化学试纸
电化学阻抗谱分析
与 BGM 不同 ，CGM 采用称为电化学阻抗谱（ E IS）的技术，通过将交流电压加在直流电压上 ，以记录实部和虚部测量结果。 EIS 通常由一个采用反向配置（图 8）的三电极传感器来实现。在驱动/检测电路驱动反电极（ CE）和参考电极（RE）期间，从工作电极（WE）处测量电流。这种配置有个重要优势：在整个测量过程中，能够更准确地建立和保持试纸反 应区的偏置电压。
图 8.简化的三端反向配置
选择电化学传感器 AFE
图 9 所示的 IC 可用于两通道或三通道交流/直流检测应用 ，在多个方面优于类似器件。 该 AFE 采用单个三电极部署方案，直流偏置电流仅为 3.5µA（典型值） ，直流测量转换电 流仅为 7.3µA（典型值） ， E IS 交流测量电流仅为 950µA（ 80Hz 时典型值）。其工作功耗 （在电池供电的 CGM 应用中至关重要）比其他电化学 AFE 低 50%到 70%。并且，它可以 在很宽的电源电压范围（ 1.71V 至 5.5V） 内工作。此 IC 的其他优点包括，集成高精度的温度传感器 ( ±0.5 °C ， +30°C 至+50°C 范围）并具有传感器检测模式（确保 IC 在未检测到 传感器时以低功耗模式等待）。独特的安全特性包括开路测量模式（允许 ADC 独立于传感 器测量通道的三电极电压，以确保合规性）以及电池的电压和温度监视器。该器件还支持可 编程循环伏安模式和方波伏安模式。 它采用 25 引脚 WLP 封装，尺寸为 8.6mm2。与类似 IC 相比 ，它可节省近 50%的空间 ，这对于空间受限的贴片型穿戴设备来说非常重要。
图 9 MAX30131 低功耗电化学传感器 AFE
该器件还提供两通道（MAX30132）和四直流通道 （MAX30134）型号。如果应用中无需使用所有可用的通道，可将不用的端子配置为保护环（通过尽可能降低漏电流来提高精度），如如图 10 所示。
图 10.由纽扣电池供电且带有可选保护环、可选热敏电阻和无线接口的 3 端电化学传感器
结语
我们介绍了血糖监测在糖尿病患者疾病控制中的重要性，并对照 BGM 解释了CGM 如何显著简化此过程。我们说明了 CGM 需要一种可实现 EIS 测量技术的电化学传感器 AFE。 最后，我们介绍了具备此特性的小尺寸、低功耗电化学传感器 AFE IC（及其变体）。这些器件还具有一系列额外安全特性， 并也适用于其他可穿戴式电化学检测应用（如汗液传感器）。
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