可穿戴系统的生物阻抗电路设计挑战

作者：Jose Carlos Conchell

用于生命体征监测 （VSM） 的可穿戴设备正在改变医疗保健行业，使我们能够随时随地监测我们的生命体征和活动。通过测量人体阻抗，可以获得有关其中一些关键参数的最相关信息。

为了有效，可穿戴设备必须体积小、成本低、功耗低。此外，测量生物阻抗还带来了与干电极使用和安全要求相关的挑战。本文提供了这些问题的一些解决方案。

电极半电池电位

电极是在电子电路与人体皮肤等非金属物体之间接触的电换能器。这种相互作用会产生一个电压，称为半电池电位，从而减小ADC的动态范围。半电池电位随电极材料而变化，如表1所示。

表 1.用于常见材料的半电池电位

 

金属与反应	半电池电位 （V）
铝→铝3++3e–	–1.706
镍→镍2++2e–	–0.230
银+氯化→银+e+–	+0.223
Ag→Ag+e+–	+0.799
Au→Au+e+–	+1.680

 

电极极化

当没有电流流过电极时，观察到半电池电位。当直流电流流动时，测量的电压增加。这种过电压会阻碍电流流动，使电极极化并降低其性能，尤其是在运动条件下。对于大多数生物医学测量，不可极化（湿）电极优于可极化（干）电极，但便携式和消费类设备通常使用干电极，因为它们成本低且可重复使用。

电极-皮肤阻抗

图1显示了电极的等效电路。Rd和 Cd表示与电极-皮肤界面相关的阻抗和该界面处的极化，Rs是与电极材料类型相关的串联电阻，并且E慧聪是半电池电位。

图1.生物电位电极的等效电路模型。

由于涉及高阻抗，在设计模拟前端时，电极-皮肤阻抗非常重要。以R的系列组合为主s和 Rd在低频下，阻抗降低到Rd由于电容器的影响，在高频下。表 2 显示了 R 的典型值d， Cd和 1 kHz 时的阻抗。

表 2.典型电极-皮肤阻抗

 

材料	Rd	Cd	|RdCd|@ 1 千赫
湿银/氯化银	350 kΩ	25 nF	6 kΩ
金属板	1.3兆安	12 nF	13 kΩ
薄膜	550兆安	220 pF	724 千分电阻
微机电系统	650 kΩ	微不足道	650 kΩ

 

IEC 60601

IEC 60601是国际电工委员会发布的一系列医疗电气设备安全性和有效性的技术标准。它规定正常情况经体的最大直流漏电流为10 μA，在最坏情况下的单故障条件下最大为50 μA。最大交流漏电流取决于激励频率。如果频率（ƒE） 小于或等于 1 kHz，最大允许电流为 10 μA rms。如果频率大于 1 kHz，则最大允许电流为

这些患者电流限制是重要的电路设计参数。

电路设计解决方案

阻抗测量需要电压/电流源和电流/电压表，因此通常使用DAC和ADC。精密基准电压源和电压/电流控制环路至关重要，通常需要微控制器来处理数据并获得阻抗的实部和虚部。此外，可穿戴设备通常由单极电池供电。最后，在单个封装中集成尽可能多的组件是非常有益的。ADuCM350超低功耗、集成式、混合信号片上仪表内置Cortex-M3处理器和硬件加速器，可执行单频离散傅里叶变换（DFT），是可穿戴设备的强大解决方案。

为了满足IEC 60601标准，ADuCM350与AD8226仪表放大器配合使用，采用4线技术进行高精度测量，如图2所示。电容器 CSIO1和 CISO2阻断电极和用户之间的直流电流，消除极化效应。ADuCM350产生的交流信号传播到体内。

电容器 CSIO3和 CSIO3阻断ADC的直流电平，解决半电池电位问题，并始终保持最大动态范围。CSIO1， C二氧化硅， CSIO3和 CSIO4隔离用户，确保在正常模式下和第一次发生故障时直流电流为零，在第一次发生故障时确保交流电流为零。最后，电阻R限制旨在保证正常工作时的交流电流低于限值。R访问符号皮肤-电极接触。

ADuCM350测量来自跨阻放大器（TIA）的电流和AD8226的输出电压，以计算未知体阻抗。R裂变材料和 RCM2必须尽可能高，以确保大部分电流流过未知阻抗和TIA。建议值为 10 MΩ。

图2.采用ADuCM350和AD8226的四线隔离测量电路。

设计限制

当激励频率下电皮阻抗接近10 MΩ时，这种设计存在一些局限性。电极-皮肤阻抗必须明显小于R裂变材料和 RCM2（10 MΩ） 或 V伊纳普+将不等于 A 和 V不知所措——将不等于B，测量精度将下降。当激励频率大于1 kHz时，电极-皮肤阻抗通常远小于1 MΩ，如表2所示。

验证

为了证明该设计的准确性，对系统进行了不同的未知阻抗测试，并将结果与安捷伦 4294A 阻抗分析仪测量的结果进行了比较。在所有测试中，幅度误差均小于±1%。在500 Hz和5 kHz时，绝对相位误差小于1°。50 kHz时的9°相位偏移误差可以在软件中校正。

结论

测量生物阻抗的电池供电、可穿戴设备的设计必须考虑低功耗、高 SNR、电极极化和 IEC 60601 安全要求。本文介绍了使用ADuCM350和AD8226的解决方案。

审核编辑：郭婷