電化學(xué)傳感技術(shù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控提供更好的患者護(hù)理質(zhì)量

在當(dāng)今先進(jìn)的技術(shù)時(shí)代，電化學(xué)傳感器的普及和重要性正在迅速增長(zhǎng)，量化化學(xué)物質(zhì)可提高醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)、工業(yè)材料和食品加工等不同領(lǐng)域的安全性、效率和認(rèn)知。當(dāng)您將這種傳感能力與低功耗模擬前端（AFE）器件和低功耗藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合，并搭配物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，可以進(jìn)一步提高這些解決方案的有效性。本文將為您介紹電化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)原理，以及結(jié)合遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控應(yīng)用的發(fā)展，還有安森美（onsemi）所推出的相關(guān)解決方案。

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電化學(xué)傳感器可促進(jìn)科學(xué)理解

并提高生活質(zhì)量

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聯(lián)網(wǎng)的電化學(xué)傳感器將可促進(jìn)科學(xué)理解并提高我們的生活質(zhì)量，諸如監(jiān)測(cè)糖尿病患者血糖水平的可穿戴設(shè)備、用于評(píng)估環(huán)境污染物的氣體檢測(cè)器、用于改善食品安全的組胺傳感器，或是工業(yè)恒電位儀與腐蝕傳感器等解決方案，都在現(xiàn)代世界中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

電子工程中電化學(xué)傳感器的典型設(shè)置涉及三電極系統(tǒng)，傳感器的核心包含三個(gè)主要部分，其中的工作電極（WE）是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方，從而產(chǎn)生電子流動(dòng)和電流。對(duì)應(yīng)電極（CE）平衡工作電極處的氧化還原反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)精確感應(yīng)，而參比電極（RE）測(cè)量工作電極的電位，并為對(duì)應(yīng)電極的電壓提供反饋。最后，工作電極產(chǎn)生的電流被轉(zhuǎn)換成電壓。通過額外的數(shù)字處理和無(wú)線通信，可以構(gòu)建強(qiáng)大的連接解決方案，從而洞察我們周圍的環(huán)境，以及我們自己的身體狀況。

電化學(xué)傳感器在許多遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)應(yīng)用中至關(guān)重要，例如連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)（CGM）是糖尿病管理的重要組成部分，糖尿病是一種影響全球1/11人的慢性疾病。CGM設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2023年到2032年以9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)。

在環(huán)境設(shè)置中，包括空氣污染／質(zhì)量測(cè)量等應(yīng)用，電化學(xué)傳感器可用于檢測(cè)包括一氧化碳、硫化氫和氮氧化物和硫氧化物在內(nèi)的氣體。而在食品生產(chǎn)中，手持式便攜式設(shè)備和更大的自動(dòng)電化學(xué)檢測(cè)解決方案，用于確保味道是否正常，以及有沒有過敏原或有害化學(xué)物質(zhì)。

AFE器件與電化學(xué)傳感器的配對(duì)可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，不僅對(duì)醫(yī)療保健和工業(yè)過程至關(guān)重要，而且還有助于我們推進(jìn)科學(xué)知識(shí)。例如，可穿戴或便攜式醫(yī)療設(shè)備可以持續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)血糖水平，為研究人員提供前所未有的洞察力，從而加速創(chuàng)新并造福全球人類。

遠(yuǎn)程監(jiān)控提供更便利的患者護(hù)理服務(wù)

隨著人口老齡化，我們?cè)絹?lái)越關(guān)注自己的健康和福利，醫(yī)療保健專業(yè)人員面臨著越來(lái)越大的診斷、監(jiān)控和治療壓力。到目前為止，接受診斷或持續(xù)監(jiān)測(cè)病情仍需要前往醫(yī)生辦公室、診所或醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)。然而，對(duì)于人們忙碌的生活來(lái)說，在時(shí)間與交通上，并不是那么方便，尤其是對(duì)于需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)而言，更是一項(xiàng)負(fù)擔(dān)。

聯(lián)網(wǎng)便攜式監(jiān)視器等現(xiàn)代技術(shù)正在迅速改變這種情況?，F(xiàn)在無(wú)需前往醫(yī)療機(jī)構(gòu)即可進(jìn)行簡(jiǎn)單、非侵入式的監(jiān)測(cè)。事實(shí)上，一些高度便攜的設(shè)備可以在患者正常生活的同時(shí)記錄關(guān)鍵的醫(yī)療信息，這除了可減輕醫(yī)療機(jī)構(gòu)的壓力外，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還降低了成本，并為那些必須依據(jù)病情來(lái)決定是否親自就診的患者，釋放了醫(yī)院的負(fù)荷量。

在許多較不發(fā)達(dá)地區(qū)，可能沒有合適的醫(yī)療機(jī)構(gòu)可供就診，或者現(xiàn)有的醫(yī)療機(jī)構(gòu)已經(jīng)人滿為患。在這些地方，遠(yuǎn)程監(jiān)控可能是獲得改變?nèi)松脑\斷結(jié)果的唯一可行方法。遠(yuǎn)程監(jiān)控使患者能夠在自己舒適安全的家中就醫(yī)，也減少了患者到醫(yī)院與其他人接觸造成的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。

此外，隨著醫(yī)療保健水平的提高，全球人民的壽命越來(lái)越長(zhǎng)。再加上癌癥、糖尿病和慢性呼吸系統(tǒng)疾病等非傳染性疾病的患病率不斷上升（目前占世界十大死因中的7個(gè)），對(duì)身體遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求增長(zhǎng)速度比以往任何時(shí)候都要來(lái)得快。

安森美的電化學(xué)測(cè)量與無(wú)線傳輸解決方案

安森美最近宣布推出CEM102，這是一款先進(jìn)的微型AFE，旨在精確測(cè)量電化學(xué)和安培電流。CEM102在與RSL15 Bluetooth 5.2認(rèn)證的無(wú)線微控制器配對(duì)后，RSL15可提供業(yè)界最低功耗、安全的低功耗藍(lán)牙技術(shù)。通過此解決方案，設(shè)計(jì)人員可以開發(fā)極其精確、低功耗和緊湊的傳感應(yīng)用。

與單個(gè)解決方案相比，安森美的CEM102 + RSL15解決方案提供了更高的精度、更低的噪聲和更低的功耗。它允許簡(jiǎn)化物料清單（BoM）并提供更大的配置靈活性，最終釋放開發(fā)資源。重要的是，這種靈活性使它不僅成為可用于基于電化學(xué)傳感器的測(cè)量，而且成為需要精確測(cè)量小電流的許多類型傳感器的解決方案。

CEM102 + RSL15平臺(tái)支持1.3 - 1.65 V和2.375 - 3.6V兩種電池選擇，在18位ADC持續(xù)轉(zhuǎn)換的情況下，器件在主動(dòng)測(cè)量模式下僅消耗3.5 μA，這意味著僅使用3 mAh電池即可實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)領(lǐng)先的14天運(yùn)行需求。憑借其緊湊的1.884 x 1.848 mm封裝和使用一到四個(gè)電極的能力，它可以幫助創(chuàng)建更小、更高效的可穿戴醫(yī)療保健解決方案，從而增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。為了簡(jiǎn)化開發(fā)，CEM102 + RSL15產(chǎn)品通過尖端硬件、廣泛的開發(fā)支持，以及固件、軟件和IOS、Android演示應(yīng)用程序，促進(jìn)了實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器持續(xù)感應(yīng)的解決方案。

各種化學(xué)電流的精確檢測(cè)和測(cè)量為新的科學(xué)進(jìn)步打開了大門。憑借其小巧的外形和業(yè)界最低功耗，它使所有終端應(yīng)用進(jìn)一步小型化并延長(zhǎng)電池壽命。CEM102和RSL15平臺(tái)提供的解決方案可幫助工程師創(chuàng)建緊湊、有彈性且價(jià)格合理的聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，例如用于醫(yī)療保健的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可增強(qiáng)血糖調(diào)節(jié)、降低糖尿病相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，并更好地融入我們的生活。

20多年來(lái)，安森美在開發(fā)支持和支撐遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備的技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用，憑借其先進(jìn)的內(nèi)部封裝技術(shù)和符合FDA標(biāo)準(zhǔn)的制造技術(shù)，在開發(fā)微型系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）解決方案方面處于領(lǐng)先地位。安森美還在開發(fā)超低功耗解決方案方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，像是各種用于監(jiān)測(cè)和治療多種常見疾病的設(shè)備，包括助聽器、脈搏血氧儀，用于測(cè)量血氧水平、心電圖、血糖監(jiān)測(cè)儀，雖然疾病的類型完全不同，但所使用的技術(shù)具有高度的相似性。這些設(shè)備的關(guān)鍵要求包括超低電平信號(hào)感應(yīng)、信號(hào)處理、控制和安全連接。

這些設(shè)備的連接主要通過諸如低功耗藍(lán)牙技術(shù)之類的協(xié)議進(jìn)行，該技術(shù)允許通過智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)更廣泛的連接。隨著低功耗藍(lán)牙協(xié)議的進(jìn)步和安森美創(chuàng)新器件的出現(xiàn)，可穿戴設(shè)備和其他小型醫(yī)療設(shè)備無(wú)需更換電池即可運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)十年。

完整、易用的電化學(xué)傳感應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)

由安森美推出的RSL15是一款基于Arm Cortex?M33處理器的超低功耗、安全的低功耗藍(lán)牙5.2無(wú)線MCU，專為工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的智能互聯(lián)設(shè)備而設(shè)計(jì)。RSL15具有內(nèi)置電源管理、寬廣的電源電壓范圍、靈活的GPIO和時(shí)鐘方案，以及廣泛的外設(shè)集，為高性能和超低功耗應(yīng)用提供了最大程度的設(shè)計(jì)靈活性。RSL15包含80kB RAM，并有284kB或512kB兩種閃存選擇。

安森美也推出搭配RSL15的軟件開發(fā)套件（SDK），配置全面、易于操作，包含驅(qū)動(dòng)程序、程序庫(kù)、示例代碼、開發(fā)工具和移動(dòng)應(yīng)用程序（適用于iOS和Android的RSL Central，及適用于iOS和Android的RSL FOTA），開發(fā)環(huán)境包含安森美IDE、Keil μVision和IAR內(nèi)置Work Bench。

另一方面，安森美推出的電化學(xué)傳感器AFE ― CEM102，是一種模擬前端（AFE），專門為連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)（CGM）和其他使用安培測(cè)量的應(yīng)用而開發(fā)，這些應(yīng)用需要感測(cè)極低的電流。憑借其小巧的外形和低功耗，它能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)許多終端應(yīng)用的小型化并延長(zhǎng)電池壽命。CEM102設(shè)計(jì)用于與安森美RSL15一起使用，帶來(lái)多項(xiàng)額外的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，例如以優(yōu)化的系統(tǒng)功耗和電源電壓運(yùn)行。這包括在1.3至3.6 V的寬電源電壓范圍內(nèi)運(yùn)行系統(tǒng)，通常使用單個(gè)1.5 V氧化銀電池或3 V紐扣電池。

此外，安森美也推出一個(gè)CEM102評(píng)估板（CEM102-EVB），它旨在評(píng)估CEM102的性能和功能，并用于開發(fā)、演示和調(diào)試此器件的軟件應(yīng)用程序。除了CEM102之外，它還包括RSL15，以及用于設(shè)置和使用CEM102執(zhí)行測(cè)量的示例代碼，這有助于快速啟動(dòng)系統(tǒng)和固件開發(fā)。

CEM102-EVB是完整的2通道電化學(xué)測(cè)量解決方案，具有靈活的自我診斷、校準(zhǔn)和生產(chǎn)測(cè)試（帶客制PCB），支持電極極化電壓和校準(zhǔn)電路偏差的自我測(cè)量，擁有跨阻放大器（TIA），具有內(nèi)部和外部反饋電路，以及測(cè)量精度、線性度、動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置，在存儲(chǔ)模式和工作模式下具有低功耗，也可測(cè)量每種模式的功耗。

結(jié)語(yǔ)

電化學(xué)傳感器在醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)安全中的應(yīng)用非常廣泛，這項(xiàng)技術(shù)的多功能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前所利用的范圍。此外，安森美推出的這些尖端平臺(tái)對(duì)于進(jìn)一步開展科學(xué)研究和發(fā)現(xiàn)新應(yīng)用也至關(guān)重要，安森美的CEM102 + RSL15的產(chǎn)品組合與開發(fā)平臺(tái)，將可加快相關(guān)醫(yī)療保健產(chǎn)品開發(fā)商的產(chǎn)品開發(fā)速度，將會(huì)是開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的理想解決方案。