可穿戴系统的生物阻抗电路设计挑战

Jose Carlos Conchell
简介
用于生命体征监测 (VSM) 的可穿戴设备正在推动医疗行业的变革，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，可以获得某些关键参数的最相关信息。
为了确保有效性，可穿戴设备必须小巧紧凑、成本便宜且功耗较低。此外，测量生物阻抗还带来了使用干式电极和安全要求方面的挑战。本文针对这些问题提供了一些解决方案。
电极半电池电位
电极是使电子电路与非金属物体（如人类皮肤）接触的电气传感器。这种相互作用会产生电压，称为半电池电位，从而降低 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. 常见材料的半电池电位

当没有电流流过电极时，观察半电池电位。当直流电流流过时，测量电压会增加。这种过电压会阻碍电流流动，极化电极，并降低其性能，特别是在运动条件下更是如此。对于大多数生物医学测量，非极化（湿式）电极要优于可极化（干式）电极，但便携式消费电子设备通常使用干式电极，因为这种电极成本低且可重复使用。
电极与皮肤之间的阻抗
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以及此界面处的极化，Rs 是与电极材料类型相关的串联阻抗，Ehc 是半电池电位。

图 1. 生物电极的等效电路模型。在设计模拟前端时，由于涉及高阻抗，因此电极-皮肤之间的阻抗非常重要。在低频率下，Rs 和 Rd 的串联组合占主导地位；在高频率下，由于电容器效应，阻抗降低至 Rd 。2 表列出了 Rd、Cd 和阻抗（1 kHz 时）的典型值。
表 2. 电极-皮肤之间的典型阻抗

IEC 60601 是国际电工委员会公布的一系列有关医疗电气设备安全性和有效性的技术标准。它规定在正常条件下，通过人体的最大直流漏电流为 10 µA；在最差的单一故障条件下，最大漏电流为 50 µA。交流漏电流的最大值取决于激发频率。如果频率 (ƒE) 小于等于 1 kHz，则最大允许电流为 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
阻抗测量需要一个电压/电流源和一个电流/电压表，因此通常使用 DAC 和 ADC。为了处理数据并获得阻抗的实部和虚部，精确的电压基准和电压/电流控制环路至关重要，并且通常需要一个微控制器。此外，可穿戴设备通常由单极电池供电。最后，将尽可能多的元件集成在单一封装中是非常有益的。ADuCM350 超低功耗的集成式混合信号芯片仪表包括 Cortex-M3 处理器和硬件加速器，可以执行单频离散傅里叶变换 (DFT)，因此成为可穿戴设备的有力解决方案。
为了满足 IEC 60601 标准，ADuCM350 与 AD8226 仪表放大器配合使用，以便使用 4 线技术进行高精度测量，如图 2 所示。电容器 CSIO1 和 CISO2 阻止电极与用户之间的直流电流，消除了极化效应。ADuCM350 产生的交流信号传播到人体。
电容器 CSIO3 和 CSIO3 阻止来自 ADC 的直流电流电平，解决了半电池电位问题，并始终保持最大的动态范围。CSIO1、CSIO2、CSIO3 和 CSIO4 对用户进行电气隔离，确保在正常模式下和首次出现故障时实现零直流电流，以及在首次出现故障时实现零交流电流。最后，电阻 RLIMIT 用于保证交流电流在正常工作中低于限值。RACCESS 指示皮肤和电极的接触。
ADuCM350 测量来自跨阻放大器 (tiA) 的电流和 AD8226 的输出电压，以计算未知人体阻抗。RCM1 和 RCM2必须尽可能高以确保大多数电流流经未知人体阻抗和 TIA。建议的值为 10 MΩ。

图 2. 使用 ADuCM350 和 AD8226 的四线式隔离测量电路。设计限制
当电极和皮肤之间的阻抗在激发频率下接近 10 MΩ 时，此设计存在一定的局限性。电极和皮肤之间的阻抗必须远远小于 RCM1 和 RCM2 (10 MΩ)，否则 VINAMP+ 将不等于 A 且 VINAMP– 将不等于 B，而且测量精度将会降低。当  激发频率大于 1 kHz 时，电极和皮肤之间的阻抗通常远小于 1 MΩ，如表 2  中所示。
验证
为了证明此设计的准确性，系统采用不同的未知阻抗进行测试，并将结果与采用 Agilent 4294A 阻抗分析仪测得的结果进行比较。在所有测试中，幅值误差均小于 ±1%。在 500 Hz 和 5 kHz 时，绝对相位误差小于  1°。50 kHz 时的 9° 相位偏置误差可在软件中进行校正。
结论
在设计由电池供电且测量阻抗的可穿戴设备时，必须考虑低功耗、高信噪比、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。如需了解其他详细信息，包括完整的设计方程式，请访问 www.analog.com/media/en/analog-d ... -4/articles/bio_...。
参考电路
Neuman、Michael R。“生物电极。”《生物医学工程手册》，第四版。CRC 出版社，2015 年
Chi、Mike Yu、Tzyy-Ping Jung 和 Gert Cauwenberghs。 “干式接触式和非接触式生物电极：方法论评论。” 《IEEE 生物医学工程评论》，第 3 卷，2010 年。
http://en.wikipedia.org/wiki/IEC_60601
jose-conchell
José Carlos Conchell received his degree in electronic engineering from Universidad de Valencia, Spain, in 2010, then joined ADI as a system applications engineer in the Healthcare Group.

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李秀兰

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