解析皮肤阻抗分析帮助实现皮肤给药系统设计

随着领先企业积极开发各种注射替代方法，给药成为制药行业中增长最快的一个领域。可选的给药方式如口服、局部用药、肺吸(吸入式)等，纳米技术应用后，经皮肤吸收给药系统是目前流行的研究领域。经皮给药方法是通过患者的皮肤提供无创性治疗给药，该方法利用两种方式之一来克服肌肤的保护屏障：即被动吸收和主动渗透。

外用贴剂是一种最常用的被动给药方法。贴到病人的皮肤上，通过控制贴敷时间来实现给药的剂量，这种方法可以安全并舒适地实现给定。这些药物通过皮肤吸收进入血液。尼古丁贴剂就是一个最好的例子，但其他常见的用途包括运动疾病的治疗、激素替代疗法和生育控制等。但被动给药有两个主要缺点：药物的吸收速度取决于皮肤的阻抗，只有数量有限的一些药物能够以可接受的速率通过皮肤的保护屏障扩散。因此，行业内主要的投资都转向主动给药方法。主动经皮给药方法包括：使用超声能量来加快药物扩散，利用射频能量来产生微通道角质层(表皮外层)以及离子渗透疗法。

离子渗透疗法利用电荷来主动地将药物通过皮肤传递到血液。该设备由两个带电的药物分子的腔室组成。阳极的正电荷将排斥带正电的化学物质，而负电荷的阴极将排斥带负电荷的化学物质。两个腔室之间所形成的电磁场将以某种受控的方式主动地使药物穿透皮肤。

皮肤的阻抗是经皮肤给药的一个关键变量。该阻抗很复杂，具体取决于年龄、种族、体重、活动水平以及其他多种因素，且与频率相关，因此很难建模。动态测量皮肤的阻抗能够为实现最佳给药提供准确且实用的解决方案。

阻抗谱大大简化了人体皮肤这类复数阻抗的精确分析，该方法充分考虑了电阻、电容和电感的阻抗随频率的改变而不同变化的因素。随着频率的增加，电阻器的阻抗保持不变，电容器的阻抗减小，而电感的阻抗增加。通过用已知交流波形激励测试阻抗，能够确定未知阻抗的电阻、电感和电容分量。直接数字频率合成器(DDS)具有灵活的相位频率和振幅、扫描功能以及可编程能力，是激励未知阻抗的理想选择。通过嵌入的数字处理和增强的频率控制功能，该设备产生合成的模拟或数字频率步进波形。图2显示了一个简单阻抗分析仪组成方框图。低功耗、75MHz DDS的AD9834所产生的交流波形被高速、轨至轨运算放大器AD8091滤波、缓冲以及幅值调整。另一个AD8091对响应信号进行缓冲并对其幅值进行调整，以与12位的1Msps逐次逼近型(SAR)模数转换器AD7476A的输入电压范围相匹配。

不过，上述这个简单的信号链掩盖了一些潜在的挑战。首先，模数转换器必须在频率范围内同步采样激励波形和响应波形，以便能够保持相位信息。优化这一过程对整体性能来说非常关键。此外，由于涉及到众多的分立元件，从而不同的公差、温度漂移和噪声都会影响测量精度，特别是处理小信号时。

利用12位、1Msps的集成式阻抗转换器和网络分析仪芯片AD5933便可以克服上述这些局限，该芯片将DDS波形发生器和SAR型ADC集成到一个单芯片上，如图3所示。

AD5933的输出阻抗为几百欧姆，具体取决于输出范围。该阻抗将影响皮肤阻抗的测量，因此需要利用AD85 31运算放大器来缓冲信号，以降低与皮肤串联的阻抗，如图4所示。请注意，AD5933的接收端在片内被偏置至VDD/2，因此，为了防止饱和，该等值电压必须加到外部放大器的同相端上。