可穿戴生命體征監護(VSM)設she備bei正zheng在zai改gai變bian著zhe醫yi療liao保bao健jian行xing業ye，使shi我wo們men隨sui時shi隨sui地di都dou可ke以yi監jian護hu自zi己ji的de生sheng命ming體ti征zheng和he活huo動dong。與yu這zhe些xie重zhong要yao參can數shu其qi中zhong一yi些xie最zui相xiang關guan的de信xin息xi都dou可ke通tong過guo測ce量liang人ren體ti阻zu抗kang來lai獲huo得de。

 

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

，測量生物阻抗還麵臨著與使用幹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 的動態範圍。半電池電位因電極材料而異，如表1所示。

 

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(shi)，測(ce)得(de)的(de)電(dian)壓(ya)會(hui)升(sheng)高(gao)。這(zhe)種(zhong)過(guo)壓(ya)狀(zhuang)況(kuang)會(hui)阻(zu)止(zhi)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)，使(shi)電(dian)極(ji)極(ji)化(hua)
，並(bing)降(jiang)低(di)其(qi)性(xing)能(neng)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)運(yun)動(dong)情(qing)況(kuang)下(xia)。對(dui)於(yu)多(duo)數(shu)生(sheng)物(wu)醫(yi)學(xue)測(ce)量(liang)，非(fei)極(ji)化(hua)（濕）電極比極化（幹）電極要好
，但便攜式設備和消費類設備通常都使用幹電極，因為幹電極成本低且可重複使用。

 

 

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

在設計模擬前端時
，由於涉及到高阻抗，電極至皮膚阻抗非常重要。在低頻條件下
，該阻抗主要取決於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 效性發布的一係列技術標準。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於激勵頻率。如果頻率(fE)小於或等於1 kHz
，那麼最大允許電流為10 μA rms。如果頻率大於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。

 

 

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dian流liu控kong製zhi回hui路lu都dou非fei常chang重zhong要yao
，而er且qie通tong常chang需xu要yao使shi用yong微wei控kong製zhi器qi來lai處chu理li和he獲huo取qu阻zu抗kang的de實shi部bu和he虛xu部bu。此ci外wai，可ke穿chuan戴dai設she備bei通tong常chang采cai用yong單dan極ji性xing電dian池chi供gong電dian。最zui後hou，在zai單dan個ge封feng裝zhuang內nei集ji成cheng盡jin可ke能neng多duo的de元yuan件jian也ye非fei常chang有you利li。超chao低di功gong耗hao、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
，可進行單頻離散傅裏葉變換(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可抑製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可抑製ADC產生的直流電平，從而解決半電池電位問題並始終維持最大動態範圍。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。最後，電阻RLIMIT設計用來保證正常工作時產生的交流電流低於限值。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

 

 

當電極至皮膚阻抗在激勵頻率下接近10 MΩ 時
，此設計存在一些限製。電極至皮膚阻抗必須明顯小於RCM1和RCM2(10 MΩ)，否則VINAMP+不等於A且VINAMP–不等於B
，測量精度將有所下降。當激勵頻率大於1 kHz時，電極至皮膚阻抗通常遠小於1 MΩ
，如表2所示。

 

 

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係統
，並將測試結果與采用Agilent 4294A 阻抗分析儀測得的結果進行了比較。在所有測試中，幅度誤差均小於±1%。絕對相位誤差在500 Hz和5 kHz下都小於1°。50 kHz下的9°相位失調誤差可在軟件中進行校正。

 

 

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。