可穿戴系統(tǒng)的生物阻抗電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

作者：Jose Carlos Conchell

用于生命體征監(jiān)測(cè) （VSM） 的可穿戴設(shè)備正在改變醫(yī)療保健行業(yè)，使我們能夠隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)我們的生命體征和活動(dòng)。通過(guò)測(cè)量人體阻抗，可以獲得有關(guān)其中一些關(guān)鍵參數(shù)的最相關(guān)信息。

為了有效，可穿戴設(shè)備必須體積小、成本低、功耗低。此外，測(cè)量生物阻抗還帶來(lái)了與干電極使用和安全要求相關(guān)的挑戰(zhàn)。本文提供了這些問(wèn)題的一些解決方案。

電極半電池電位

電極是在電子電路與人體皮膚等非金屬物體之間接觸的電換能器。這種相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，稱為半電池電位，從而減小ADC的動(dòng)態(tài)范圍。半電池電位隨電極材料而變化，如表1所示。

表 1.用于常見材料的半電池電位

電極極化

當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)電極時(shí)，觀察到半電池電位。當(dāng)直流電流流動(dòng)時(shí)，測(cè)量的電壓增加。這種過(guò)電壓會(huì)阻礙電流流動(dòng)，使電極極化并降低其性能，尤其是在運(yùn)動(dòng)條件下。對(duì)于大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)測(cè)量，不可極化（濕）電極優(yōu)于可極化（干）電極，但便攜式和消費(fèi)類設(shè)備通常使用干電極，因?yàn)樗鼈兂杀镜颓铱芍貜?fù)使用。

電極-皮膚阻抗

圖1顯示了電極的等效電路。Rd和 Cd表示與電極-皮膚界面相關(guān)的阻抗和該界面處的極化，Rs是與電極材料類型相關(guān)的串聯(lián)電阻，并且E慧聰是半電池電位。

圖1.生物電位電極的等效電路模型。

由于涉及高阻抗，在設(shè)計(jì)模擬前端時(shí)，電極-皮膚阻抗非常重要。以R的系列組合為主s和 Rd在低頻下，阻抗降低到Rd由于電容器的影響，在高頻下。表 2 顯示了 R 的典型值d， Cd和 1 kHz 時(shí)的阻抗。

表 2.典型電極-皮膚阻抗

IEC 60601

IEC 60601是國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布的一系列醫(yī)療電氣設(shè)備安全性和有效性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定正常情況經(jīng)體的最大直流漏電流為10 μA，在最壞情況下的單故障條件下最大為50 μA。最大交流漏電流取決于激勵(lì)頻率。如果頻率（?E） 小于或等于 1 kHz，最大允許電流為 10 μA rms。如果頻率大于 1 kHz，則最大允許電流為

這些患者電流限制是重要的電路設(shè)計(jì)參數(shù)。

電路設(shè)計(jì)解決方案

阻抗測(cè)量需要電壓/電流源和電流/電壓表，因此通常使用DAC和ADC。精密基準(zhǔn)電壓源和電壓/電流控制環(huán)路至關(guān)重要，通常需要微控制器來(lái)處理數(shù)據(jù)并獲得阻抗的實(shí)部和虛部。此外，可穿戴設(shè)備通常由單極電池供電。最后，在單個(gè)封裝中集成盡可能多的組件是非常有益的。ADuCM350超低功耗、集成式、混合信號(hào)片上儀表內(nèi)置Cortex-M3處理器和硬件加速器，可執(zhí)行單頻離散傅里葉變換（DFT），是可穿戴設(shè)備的強(qiáng)大解決方案。

為了滿足IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)，ADuCM350與AD8226儀表放大器配合使用，采用4線技術(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量，如圖2所示。電容器 CSIO1和 CISO2阻斷電極和用戶之間的直流電流，消除極化效應(yīng)。ADuCM350產(chǎn)生的交流信號(hào)傳播到體內(nèi)。

電容器 CSIO3和 CSIO3阻斷ADC的直流電平，解決半電池電位問(wèn)題，并始終保持最大動(dòng)態(tài)范圍。CSIO1， C二氧化硅， CSIO3和 CSIO4隔離用戶，確保在正常模式下和第一次發(fā)生故障時(shí)直流電流為零，在第一次發(fā)生故障時(shí)確保交流電流為零。最后，電阻R限制旨在保證正常工作時(shí)的交流電流低于限值。R訪問(wèn)符號(hào)皮膚-電極接觸。

ADuCM350測(cè)量來(lái)自跨阻放大器（TIA）的電流和AD8226的輸出電壓，以計(jì)算未知體阻抗。R裂變材料和 RCM2必須盡可能高，以確保大部分電流流過(guò)未知阻抗和TIA。建議值為 10 MΩ。

圖2.采用ADuCM350和AD8226的四線隔離測(cè)量電路。

設(shè)計(jì)限制

當(dāng)激勵(lì)頻率下電皮阻抗接近10 MΩ時(shí)，這種設(shè)計(jì)存在一些局限性。電極-皮膚阻抗必須明顯小于R裂變材料和 RCM2（10 MΩ） 或 V伊納普+將不等于 A 和 V不知所措——將不等于B，測(cè)量精度將下降。當(dāng)激勵(lì)頻率大于1 kHz時(shí)，電極-皮膚阻抗通常遠(yuǎn)小于1 MΩ，如表2所示。

驗(yàn)證

為了證明該設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了不同的未知阻抗測(cè)試，并將結(jié)果與安捷倫 4294A 阻抗分析儀測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了比較。在所有測(cè)試中，幅度誤差均小于±1%。在500 Hz和5 kHz時(shí)，絕對(duì)相位誤差小于1°。50 kHz時(shí)的9°相位偏移誤差可以在軟件中校正。

結(jié)論

測(cè)量生物阻抗的電池供電、可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)必須考慮低功耗、高 SNR、電極極化和 IEC 60601 安全要求。本文介紹了使用ADuCM350和AD8226的解決方案。

審核編輯：郭婷