【技術文章】革命性電化學 AFE：連續血糖監測的最佳解決方案

糖尿病患者必須持續監測他們的血糖水準，以幫助他們決定何時服用他們需要的藥物來控制他們的病情。直到最近，這通常是使用手持式血糖監測儀完成的，這個過程既具有破壞性又具有侵入性。一種新型的連續血糖監測儀 （CGM） 位於一次性可穿戴貼片中，可監測皮下的血糖水準。這種技術侵入性較小，可以在需要藥物治療時立即向佩戴者發送警報。在此設計解決方案中，我們解釋了 CGM 中使用的電化學感測器 AFE 所需的作用和功能。然後，我們提出了一種滿足這些要求的微型、低功耗電化學 AFE IC，使其適用於 CGM 和其他體液分析應用。

追求完美......糖尿病是不可能的。你無法控制的事情太多了，在糖尿病打斷你生活的時刻找到一種方法來保持冷靜和耐心是關鍵。

毫無疑問，患有 1 型糖尿病的國際知名歌手/演員Nick Jonas 的話引起了美國其他超過3000萬各類糖尿病患者的共鳴。柳葉刀、試紙、血糖監測儀、注射器和胰島素泵只是困擾他們日常生活的一些用具（圖 1）。

圖 1.糖尿病患者的領域。

值得慶幸的是，最近出現的連續血糖監測儀 （CGM） 預示著糖尿病管理的未來將變得侵入性大大降低。在這個設計解決方案中，我們簡要描述了不同類型的糖尿病，並解釋了為什麼血糖監測對患者如何管理他們的病情至關重要。接下來，我們概述了 CGM 的主要元件，並解釋了為什麼並非所有電化學感測器類比前端 IC 都適合此應用，最後介紹了一種電化學感測器 AFE，它不僅滿足這種新興醫療技術使用所需的標準，而且還具有一些額外的安全和其他有益特性，將進一步增強其應用。

糖尿病（通常簡稱為“糖尿病”）是一種慢性代謝紊亂，由胰島素的產生或使用不足引起，胰島素是胰腺產生的一種激素，允許身體使用和儲存葡萄糖。隨著時間的推移，未經治療的糖尿病會導致高血糖症（或血糖升高），這會對體內的神經、器官和血管造成嚴重損害。這種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、青少年和年輕人中被診斷出來，但它可以在任何年齡發展。在1型糖尿病中，胰腺產生很少或根本不產生胰島素。1 型糖尿病患者需要每天注射胰島素（或佩戴胰島素泵）以調節血糖水準以產生能量。只有大約 5% 的糖尿病患者患有 1 型糖尿病。2 型糖尿病最常發生在 45 歲以上的人群中，但越來越多的兒童、青少年和年輕人也患上了這種疾病。它是由生活方式因素（年齡、飲食、缺乏運動、超重、藥物）引起的，這些因素會干擾身體有效產生和使用胰島素的能力。雖然它可以通過改變飲食和生活方式來控制，但它可能會發展到像1型糖尿病一樣，必須注射胰島素的程度。95% 的糖尿病患者患有 2 型糖尿病。

為了確定何時應該使用胰島素，患者需要監測他們的血糖水準。通常，患者會間歇性地收集少量血液樣本（通常通過針刺指尖）並將其放在“試紙”上，然後將其插入手持式血糖儀 （BGM）。血糖儀顯示幕上的結果（圖 2）有助於患者確定他們是否需要胰島素。

圖 2.手持式血糖儀。

或者，一種稱為「連續血糖監測儀」（圖 3）的最新創新已被批准供糖尿病患者用於跟蹤他們的血糖水準。

圖 3.連續血糖監測儀 （CGM）。

這種「貼片型」裝置由患者持續佩戴，通常佩戴在手臂或腹部（貼片在幾天後丟棄並更換）。它不是使用血液來測量葡萄糖水準，而是通過監測皮膚間質液中的葡萄糖水準來工作。如圖 4 所示，將一個小探針放置在皮膚表面正下方進行測量，然後將其無線傳輸到手持式閱讀器或智能手機。

圖 4.CGM 與皮膚接觸的橫截面圖。

該設備的主要優點是它允許患者不間斷地持續監測他們的血糖水準，並在他們需要胰島素時收到警報。直到最近，這些設備才被批准用於手持式監護儀的「輔助」使用（即患者仍然需要採集血液樣本並使用血糖儀確認 CGM 的讀數以進行校準）。然而，一些監護儀的這一要求已被刪除，這些監護儀現在被描述為“非輔助”，這意味著患者可以僅依賴 CGM 的讀數。預計在未來，來自 CGM 的讀數將無線傳輸到胰島素泵（圖 5），然後胰島素泵將在閉環系統中自動從患者佩戴的攜帶型儲液器中注射胰島素。（雖然胰島素泵目前可用，但通常只有僅通過注射難以控制血糖水準的糖尿病患者佩戴胰島素泵）。

圖 5.胰島素泵。

圖 6 顯示了 CGM 的簡化框圖。

圖 6.CGM 框圖。

儘管 BGM 和 CGM 都通過電化學方式測量葡萄糖水準，但它們需要不同類型的 AFE。BGM 中使用的電化學試紙具有電極，其中使用數模轉換器 （DAC） 施加精確的偏置電壓，並且由於試紙上的電化學反應而測量與血液中的葡萄糖成比例的電流。可以有一個或多個通道，電流通常由跨阻放大器 （TIA） 轉換為電壓，以便使用模數轉換器 （ADC） 進行測量。測試條的滿量程電流測量在 10μA 至 50μA 範圍內，解析度小於 10nA。需要測量環境溫度，因為試紙與溫度有關。最簡單的配置是自偏置測試條（圖 7），它有兩個電極，在工作電極 （WE） 處測量電流，公共（或對）電極 （CE） 接地。單個試紙上可以有多個通道，額外的通道用於參考測量、初始血液檢測或確保血液已飽和反應位點。另一種配置主動驅動電極並在公共電極上進行測量。

圖 7.簡化的自偏置配置的電化學試紙。

與 BGM 不同，CGM 使用一種稱為電化學阻抗譜 （EIS） 的技術，該技術在直流電壓上增加交流電壓以記錄實部和虛部測量值。EIS 通常使用具有三個電極的感測器來實現，這些感測器採用計數器配置（圖 8）。電流在工作電極 （WE） 處測量，而力感應電路驅動對電極 （CE） 和參比電極 （RE）。這種配置有一個重要的優點：在整個測量過程中，可以更準確地設置和保持測試條上反應位置的偏置電壓。

圖 8.簡化的 3 端子計數器配置。

圖 9 所示的 IC 可用於雙通道或三通道、交流或直流傳感應用，與類似器件相比具有多項優勢。採用單個三電極實現，該 AFE 的直流偏置電流僅為 3.5μA（典型值），直流測量轉換電流僅為 7.3μA（典型值），EIS 交流測量電流僅為 950μA（80Hz 時的典型值）。它的工作功率（在電池供電的 CGM 應用中至關重要）比其他電化學 AFE 低 50% 到 70%。它還可在最寬的電源電壓範圍 （1.71V 至 5.5V） 內工作。該IC的其他優點包括：它配備了適用於此類部件的最精確的整合溫度感測器（±0.5°C，+30°C 至 +50°C 範圍）和感測器檢測模式（確保IC在未檢測到感測器時以低功耗模式等待）。獨特的安全性功能包括開路測量模式（允許 ADC 獨立於感測器測量通道的三電極電壓以確保合規性）以及電池的電壓和溫度監控器。該元件還支援可程式設計迴圈伏安法模式和方波伏安法模式。它採用 25 焊球 WLP 封裝，尺寸為 8.6mm2，與同類 IC 相比，可節省近 50% 的空間，這在貼片式器件的有限範圍內至關重要。

圖 9.MAX30131 超低功耗電化學感測器 AFE

它還提供 2 （ MAX30132 ） 和 4 DC （ MAX30134 ） 通道選項。對於不需要所有可用通道的應用，可以將未使用的端子配置為保護環（通過最小化漏電流來提高精度），如圖 10 所示。

圖 10.3 端子電化學感測器，帶有可選的保護環、可選的熱敏電阻和由紐扣電池供電的無線介面。

我們已經展示了血糖監測在糖尿病患者疾病管理中的重要性，並展示了與 BGM 相比，CGM 如何大大簡化這一過程。我們表明，CGM 需要一個電化學感測器 AFE，它可以實現一種稱為 EIS 的測量技術。最後，我們介紹了提供此功能的最小、最低功耗的電化學感測器 AFE IC（和變體）。這些部件具有一系列額外的安全功能，也適用於其他可穿戴電化學感測應用（例如汗液感測器）。

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