【導讀】可穿戴生命體征監護設備正在改變著醫療保健行業，為了有效運行，可穿戴設備必須做到尺寸小、成本低且功耗低。此外，測量生物阻抗還面臨著與使用干電極及安全要求相關的挑戰。本文針對這些問題提出了一些解決方案。
可穿戴生命體征監護(VSM)設備正在改變著醫療保健行業，使我們隨時隨地都可以監護自己的生命體征和活動。與這些重要參數其中一些最相關的信息都可通過測量人體阻抗來獲得。
為了有效運行，可穿戴設備必須做到尺寸小、成本低且功耗低。此外，測量生物阻抗還面臨著與使用干電極及安全要求相關的挑戰。本文針對這些問題提出了一些解決方案。
電極半電池電位
電極是一種電氣傳感器，可在電子電路和非金屬物體（如人體皮膚）之間建立接觸。這種相互作用會產生一個電壓，稱為半電池電位，它可降低ADC 的動態范圍。半電池電位因電極材料而異，如表1所示。
電極極化
當無電流通過電極時，可觀察到半電池電位。存在直流電流 時，測得的電壓會升高。這種過壓狀況會阻止電流流動，使電極極化，并降低其性能，特別是在運動情況下。對于多數生物醫學測量，非極化（濕）電極比極化（干）電極要好，但便攜式設備和消費類設備通常都使用干電極，因為干電極成本低且可重復使用。
電極皮膚阻抗
圖1顯示了電極的等效電路。Rd和Cd表示與電極至皮膚的 接觸及接觸處的極化情況相關的阻抗，Rs是與電極材料類型相關的串聯阻抗，而Ehc是半電池電位。
圖1. 生物電位電極的等效電路模型
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在設計模擬前端時，由于涉及到高阻抗，電極至皮膚阻抗非常重要。在低頻條件下，該阻抗主要取決于Rs和Rd的串聯組合，而在高頻條件下，該阻抗會因電容的影響而降至Rd。表2 給出了Rd、Cd的典型值及1 kHz下的阻抗。
IEC 60601
IEC 60601是國際電工委員會針對醫療電氣設備安全性和有 效性發布的一系列技術標準。標準規定，正常情況下通過人體的最大直流漏電流為10 μA，在最壞的單一故障狀況下為50 μA。最大交流漏電流取決于激勵頻率。如果頻率(fE)小于或等于1 kHz，那么最大允許電流為10 μA rms。如果頻率大于1 kHz，則最大允許電流為
這些對患者電流限值都是非常重要的電路設計參數。
電路設計解決方案
阻抗測量需要電壓/電流源和電流表/電壓表，因此DAC和ADC都是常用的器件。精密基準電壓源和電壓/電流控制回路都非常重要，而且通常需要使用微控制器來處理和獲取阻抗的實部和虛部。此外，可穿戴設備通常采用單極性電池供電。最后，在單個封裝內集成盡可能多的元件也非常有利。超低功耗、集成式、混合信號片上計量儀ADuCM350內置Cortex-M3 處理器和硬件加速器，可進行單頻離散傅里葉變換(DFT)，使其成為可穿戴設備強有力的解決方案。
為了符合IEC 60601標準，ADuCM350與AD8226儀表放大器配合使用，以便采用4線式技術進行高精度測量，如圖2所示。電容CSIO1和CISO2可抑制電極和用戶之間的直流電流，從而消除極化效應。ADuCM350生成的交流信號將傳播到人體內。
電容CSIO3和CSIO4可抑制ADC產生的直流電平，從而解決半電池電位問題并始終維持最大動態范圍。CSIO1、CSIO2、CSIO3和CISO4可隔離用戶，確保在正常模式下和首次出現故障時直流電流為零，以及在首次出現故障時交流電流為零。最后，電阻RLIMIT設計用來保證正常工作時產生的交流電流低于限值。RACCESS表示皮膚至電極的接觸點。
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ADuCM350測量跨阻放大器(TIA)的電流和AD8226的輸出 電壓，以便計算未知的人體阻抗。RCM1和RCM2必須盡可能 高，以保證大部分電流都流過未知阻抗和TIA。建議值為10 MΩ。
圖2. 使用ADuCM350 和AD8226 的四線式隔離測量電路
設計限制
當電極至皮膚阻抗在激勵頻率下接近10 MΩ 時，此設計存在一些限制。電極至皮膚阻抗必須明顯小于RCM1和RCM2(10 MΩ)，否則VINAMP+不等于A且VINAMP–不等于B，測量精度將有所下降。當激勵頻率大于1 kHz時，電極至皮膚阻抗通常遠小于1 MΩ，如表2所示。
驗證
為了證明此設計的精度，我們使用了不同的未知阻抗來測試該系統，并將測試結果與采用Agilent 4294A 阻抗分析儀測得的結果進行了比較。在所有測試中，幅度誤差均小于±1%。絕對相位誤差在500 Hz和5 kHz下都小于1°。50 kHz下的9°相位失調誤差可在軟件中進行校正。
結論
在設計可測量生物阻抗的電池供電型穿戴式設備時，必須考慮低功耗、高SNR、電極極化以及IEC 60601安全要求。本文介紹了一個使用ADuCM350 和AD8226實現的解決方案。
