穿戴式系統(tǒng)中的生物阻抗電路設計挑戰(zhàn)

簡介

可穿戴生命體征監(jiān)護(VSM)設備正在改變著醫(yī)療保健行業(yè)，使我們隨時隨地都可以監(jiān)護自己的生命體征和活動。與這些重要參數(shù)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(zhàn)。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(tài)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(shù)生物醫(yī)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(lián)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

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(lián)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(yī)療電氣設備安全性和有 效性發(fā)布的一系列技術標準。標準規(guī)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(shù)。

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(tài)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(xiàn)故障時直流電流為零，以及在首次出現(xiàn)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。

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(tǒng)，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(xiàn)的解決方案。