糖尿病患者必須持續(xù)監(jiān)測(cè)他們的血糖水平，以幫助他們決定何時(shí)服用他們需要的藥物來(lái)控制他們的病情。直到最近，這通常是使用手持式血糖監(jiān)測(cè)儀來(lái)完成的，這個(gè)過(guò)程既具有破壞性又具有侵入性。一種新型的連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀（CGM），位于一次性可穿戴貼片中，監(jiān)測(cè)皮膚下的葡萄糖水平。這種技術(shù)侵入性較小，可以在需要藥物時(shí)立即向佩戴者發(fā)送警報(bào)。在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們解釋了CGM中使用的電化學(xué)傳感器AFE的作用和功能。然后，我們提出了一種滿足這些要求的微型低功耗電化學(xué)AFE IC，使其適用于CGM和其他體液分析應(yīng)用。

介紹

“追求完美與...糖尿病是不可能的。有太多的東西是你無(wú)法控制的，并找到一種方法來(lái)保持 在糖尿病打斷你生活的時(shí)刻，冷靜和耐心是關(guān)鍵。毫無(wú)疑問(wèn)，國(guó)際上的話 著名歌手/演員尼克喬納斯，患有1型糖尿病，與其他30+百萬(wàn)人大聲共鳴 美國(guó)所有類型的糖尿病患者 柳葉刀、試紙、血糖監(jiān)測(cè)儀、注射器和胰島素泵 只是困擾他們?nèi)粘Ｉ畹囊恍┯镁摺?/p>

值得慶幸的是，最近連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀（CGM）的出現(xiàn)有望在未來(lái)進(jìn)行糖尿病管理 將變得侵入性小得多。在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們簡(jiǎn)要描述了不同類型的糖尿病和 解釋為什么血糖監(jiān)測(cè)對(duì)患者如何管理病情至關(guān)重要。接下來(lái)，我們概述主要 CGM的組件，并解釋為什么并非所有電化學(xué)傳感器模擬前端IC都適合用于 在最終提出不僅滿足所需標(biāo)準(zhǔn)的電化學(xué)傳感器AFE之前，此應(yīng)用將呈現(xiàn) 用于這種新興的醫(yī)療技術(shù)，但具有一些額外的安全性和其他有益功能， 將進(jìn)一步加強(qiáng)其應(yīng)用。

什么是糖尿病？

糖尿病（通常簡(jiǎn)稱為“糖尿病”）是一種慢性代謝紊亂，由 胰島素的產(chǎn)生或使用不足，胰島素是一種由胰腺產(chǎn)生的激素，允許身體使用和 儲(chǔ)存葡萄糖。隨著時(shí)間的推移，未經(jīng)治療的糖尿病會(huì)導(dǎo)致高血糖癥（或血糖升高），從而 對(duì)體內(nèi)的神經(jīng)、器官和血管造成嚴(yán)重?fù)p害。該疾病有兩種主要變體。 1型糖尿病（以前稱為胰島素依賴型糖尿病）通常在兒童，青少年和年輕人中診斷出來(lái) 成年人，但它可以在任何年齡發(fā)展。在1型糖尿病中，胰腺產(chǎn)生很少或沒(méi)有胰島素。 1型糖尿病患者需要每天注射胰島素（或佩戴胰島素泵）以調(diào)節(jié) 他們用于能量生產(chǎn)的血糖水平。只有約5%的糖尿病患者患有1型糖尿病。類型 2 糖尿病最常發(fā)生在 45 歲以上的人群中，但越來(lái)越多的兒童、青少年和年輕人 成年人也在開(kāi)發(fā)它。它是由生活方式因素引起的（年齡、飲食、缺乏運(yùn)動(dòng)、超重、 藥物），這會(huì)干擾身體有效生產(chǎn)和使用胰島素的能力。雖然它可以 通過(guò)改變飲食和改變生活方式來(lái)管理，它可以發(fā)展到像1型一樣的地步 糖尿病，必須給予胰島素。百分之九十五的糖尿病患者患有2型糖尿病。

血糖監(jiān)測(cè)

為了確定何時(shí)應(yīng)該給予胰島素，患者需要監(jiān)測(cè)他們的血糖水平。 通常，患者間歇性地收集少量血液樣本（通常通過(guò)針刺指尖）并放置 它在“試紙”上，然后將其插入手持式血糖儀（BGM）中。儀表上的結(jié)果 顯示器幫助患者確定他們是否需要胰島素。

或者，一種稱為“連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀”的最新創(chuàng)新已被批準(zhǔn) 供糖尿病患者用于跟蹤他們的血糖水平。

這種“貼片型”裝置由患者連續(xù)佩戴，通常戴在手臂或腹部（貼片被處理掉） 并在幾天后更換）。它不是使用血液來(lái)測(cè)量葡萄糖水平，而是通過(guò)監(jiān)測(cè) 皮膚間質(zhì)液中的葡萄糖水平。如圖4所示，一個(gè)小探頭放置在正下方 皮膚表面進(jìn)行測(cè)量，然后將其無(wú)線傳輸?shù)绞殖质介喿x器或 智能手機(jī)。

圖4.CGM 與皮膚接觸的橫截面圖。

該設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是它允許患者不間斷地連續(xù)監(jiān)測(cè)他們的血糖水平，并在他們需要胰島素時(shí)通過(guò)警報(bào)發(fā)出警報(bào)。直到最近，這些設(shè)備還只是 批準(zhǔn)用于手持式監(jiān)護(hù)儀的“輔助”（即患者仍需要采集血液樣本） 并使用血糖儀確認(rèn)CGM的讀數(shù)以進(jìn)行校準(zhǔn)）。但是，此要求 此后，一些監(jiān)視器已被移除，這些監(jiān)視器現(xiàn)在被描述為“非輔助”，這意味著 可以僅依靠 CGM 的讀數(shù)。預(yù)計(jì)今后，來(lái)自CGM的讀數(shù)將是 無(wú)線傳輸?shù)揭葝u素泵，然后胰島素泵將自動(dòng)從 患者佩戴的便攜式儲(chǔ)液罐，采用閉環(huán)式系統(tǒng)。（盡管胰島素泵目前是 可用，它們通常只有努力控制血糖水平的糖尿病患者才能佩戴 單獨(dú)使用注射）。

CGM 組件

CGM 的簡(jiǎn)化框圖如圖 6 所示。

圖6.CGM 框圖。

盡管BGM和CGM都通過(guò)電化學(xué)手段測(cè)量葡萄糖水平，但它們需要不同類型的AFE。 BGM中使用的電化學(xué)試紙具有電極，其中施加精確的偏置電壓，并帶有 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和與血液中葡萄糖成比例的電流測(cè)量為 試紙上電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。可以有一個(gè)或多個(gè)通道，并且 電流通常由跨阻放大器（TIA）轉(zhuǎn)換為電壓，以便用 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。試紙的滿量程電流測(cè)量值為10μA 至 50μA 范圍，分辨率小于 10nA。需要測(cè)量環(huán)境溫度，因?yàn)?試紙與溫度有關(guān)。最簡(jiǎn)單的配置是自偏置試紙（圖 7） 它有兩個(gè)電極，其電流在工作電極 （WE） 處測(cè)量，公共（或計(jì)數(shù)器） 電極 （CE） 接地。單個(gè)試紙上可以有多個(gè)通道，還有其他通道 用于參考測(cè)量、初始血液檢測(cè)，或確保血液已飽和 反應(yīng)部位。另一種配置主動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電極，并在公共電極處進(jìn)行測(cè)量。

圖7.簡(jiǎn)化的自偏置配置的電化學(xué)試紙。

電化學(xué)阻抗譜

與BGM不同，CGM使用一種稱為電化學(xué)阻抗譜（EIS）的技術(shù)，該技術(shù)增加了交流電壓 到直流電壓以記錄實(shí)數(shù)和虛部測(cè)量值。EIS通常與具有以下傳感器的傳感器一起實(shí)現(xiàn) 三個(gè)電極，以計(jì)數(shù)器配置構(gòu)建（圖8）。在工作時(shí)測(cè)量電流 電極 （WE），而力檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)對(duì)電極 （CE） 和參比電極 （RE）。 這種配置有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試中反應(yīng)部位的偏置電壓 在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，帶材的設(shè)置和維護(hù)更加精確。

圖8.簡(jiǎn)化的三端子計(jì)數(shù)器配置。

選擇電化學(xué)傳感器AFE

圖9所示的IC可用于雙通道或三通道、交流或直流檢測(cè)應(yīng)用，與類似器件相比具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。采用單三電極方案時(shí)，該AFE的直流偏置電流僅為3.5μA（典型值），直流測(cè)量轉(zhuǎn)換電流僅為7.3μA（典型值），EIS AC測(cè)量電流僅為950μA（典型值為80Hz）。它的工作功率（在電池供電中至關(guān)重要 CGM應(yīng)用）比其他電化學(xué)AFE低50%至70%。它還在 最寬電源電壓范圍（1.71V 至 5.5V）。該 IC 的其他優(yōu)點(diǎn)包括它來(lái)了 為此類器件提供最精確的集成溫度傳感器（±0.5°C，+30°C至+50°C范圍），并具有傳感器檢測(cè)模式（確保IC在未檢測(cè)到傳感器時(shí)以低功耗模式等待）。 獨(dú)特的安全功能包括開(kāi)路測(cè)量模式（允許ADC測(cè)量通道的三電極電壓，以確保合規(guī)性，同時(shí)獨(dú)立于傳感器）以及電壓和溫度 監(jiān)視電池。該器件還支持可編程循環(huán)伏安模式和方波 伏安法模式。它采用 25 凸 WLP 和 8.6mm2與類似IC相比，占位面積可節(jié)省近50%的空間，在貼片式器件的有限范圍內(nèi)至關(guān)重要。

圖9.MAX30131超低功耗電化學(xué)傳感器AFE。

它還提供雙通道（MAX30132）和四通道（MAX30134）兩種選擇。對(duì)于不 需要所有可用通道，未使用的端子可以配置為保護(hù)環(huán)（通過(guò) 最小化漏電流），如圖10所示。

圖 10.3 端子電化學(xué)傳感器，帶可選保護(hù)環(huán)、可選熱敏電阻和無(wú)線 由紐扣電池供電的接口。

總結(jié)

我們已經(jīng)展示了血糖監(jiān)測(cè)在糖尿病患者疾病管理中的重要性，并展示了與BGM相比CGM如何大大簡(jiǎn)化這一過(guò)程。我們表明CGM需要電化學(xué) 傳感器AFE，可以實(shí)現(xiàn)稱為EIS的測(cè)量技術(shù)。最后，我們展示了最小、最低的 提供此功能的功率電化學(xué)傳感器AFE IC（及其變體）。帶有一系列額外的 安全特性，這些部件也適用于其他可穿戴電化學(xué)傳感應(yīng)用 （例如汗液傳感器）。

審核編輯：郭婷