皮膚阻抗分析優(yōu)化主動和被動給藥

給藥是藥物行業(yè)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，各大制藥公司都在積極開發(fā)替代注射的給藥方式。口服、外用、吸入式、納米技術(shù)和透皮給藥系統(tǒng)等都是目前的熱門研究領(lǐng)域。透皮給藥是一種透過病人皮膚的無創(chuàng)輸送藥物方法，藥物通過兩種途徑穿透皮膚保護(hù)層：被動吸收或主動滲透。

透皮貼片是最常見的被動給藥方法之一。它貼在病人的皮膚上，可安全舒適地將一定劑量的藥物在一定的時間內(nèi)輸送給病人。藥物通過皮膚吸收進(jìn)入血液。尼古丁貼片是最典型的例子，其它常見應(yīng)用包括暈車藥、激素替代療法和節(jié)育避孕。被動給藥的缺點主要有兩個：一是藥物吸收的速度取決于皮膚阻抗，二是只有少數(shù)藥物能夠以合理的速率滲透皮膚保護(hù)層。因此，大量研究都集中在主動透皮給藥。主動方法包括：利用超聲能量加速藥物擴散，利用RF能量建立穿過角質(zhì)層（表皮外層）的微通道，以及離子滲透法。

圖1. 離子滲透法

離子滲透法利用電荷使藥物主動穿透皮膚進(jìn)入血液。該裝置由含有帶電藥物分子的兩個腔室組成。帶正電荷的陽極排斥帶正電荷的化學(xué)物質(zhì)，帶負(fù)電荷的陰極排斥帶負(fù)電荷的化學(xué)物質(zhì)。兩個腔室之間形成的電磁場使藥物以受控方式主動穿透皮膚。

皮膚阻抗是透皮給藥的一個關(guān)鍵變量。該阻抗十分復(fù)雜，依年齡、種族、體重、運動水平和其它因素而有所不同，并與頻率有關(guān)，難以模擬。動態(tài)測量皮膚阻抗為實現(xiàn)最佳給藥提供了一種準(zhǔn)確而實用的解決方案。

可以利用電阻、電容和電感阻抗隨頻率而發(fā)生不同變化的情況，借助阻抗頻譜準(zhǔn)確分析人體皮膚等復(fù)雜阻抗。當(dāng)頻率提高時，電阻的阻抗保持不變，電容的阻抗減小，電感的阻抗則增大。用已知交流波形激勵一個測試阻抗可以確定未知阻抗的阻性、容性和感性成分。 直接數(shù)字頻率合成器 (DDS) 具有靈活的相位、頻率、幅度、掃描能力和可編程能力，非常適合用于激勵未知阻抗。嵌入式數(shù)字信號處理和增強的頻率控制，使這些器件能夠產(chǎn)生合成的模擬或數(shù)字頻率步進(jìn)波形。圖2顯示了一個簡單阻抗分析儀的框圖。完整 的低功耗、75 MHz DDS AD9834 產(chǎn)生交流波形，高速軌到軌運算放 大器AD8091對其進(jìn)行濾波、緩沖和放大。另一個 AD8091 緩沖響應(yīng) 信號，并將其放大以匹配12位、1 MSPS逐次逼近型ADC AD7476A 的輸入范圍。

圖2. 簡單阻抗分析儀

不過，在這一簡單信號鏈的背后，隱藏著一些挑戰(zhàn)。首先，ADC必須在頻率范圍內(nèi)對激勵和響應(yīng)波形進(jìn)行同步采樣，以便維持相位信息。優(yōu) 化這一過程對于整體性能至關(guān)重要。此外，其中涉及到許多分立元件，各種不同的容差、溫度漂移和噪聲將使測量精度下降，特別是處 理小信號時。

AD5933 12位、1 MSPS集成阻抗轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)分析儀將DDS波形發(fā)生器 和SAR ADC集成在單芯片上，可解決上述難題，如圖3所示。

圖3. AD5933功能框圖

AD5933的輸出阻抗為數(shù)百歐姆，具體取決于輸出范圍。該阻抗可能 會覆蓋未知阻抗，因此使用運算放大器 AD8531 來緩沖信號，如圖4所示。請注意，AD5933的接收端內(nèi)部偏置到VDD/2，因此必須將該同一 電壓施加于外部放大器的同相端，以防發(fā)生飽和。出于安全起見，所有激勵電壓和電流在施加于人體組織之前，都需要經(jīng)過信號調(diào)理、衰減和濾波。

圖4. 低阻抗測量配置