穿戴式系统中的生物阻抗电路设计挑战

作者: José Carlos Conchell

简介

可穿戴生命体征监护(VSM)设备正在改变着医疗保健行业，使我们随时随地都可以监护自己的生命体征和活动。与这些重要参数其中一些最相关的信息都可通过测量人体阻抗来获得。

为了有效运行，可穿戴设备必须做到尺寸小、成本低且功耗低。此外，测量生物阻抗还面临着与使用干电极及安全要求相关的挑战。本文针对这些问题提出了一些解决方案。

电极半电池电位

电极是一种电气传感器，可在电子电路和非金属物体（如人体皮肤）之间建立接触。这种相互作用会产生一个电压，称为半电池电位，它可降低ADC 的动态范围。半电池电位因电极材料而异，如表1所示。



电极极化

当无电流通过电极时，可观察到半电池电位。存在直流电流 时，测得的电压会升高。这种过压状况会阻止电流流动，使电极极化，并降低其性能，特别是在运动情况下。对于多数生物医学测量，非极化（湿）电极比极化（干）电极要好，但便携式设备和消费类设备通常都使用干电极，因为干电极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表示与电极至皮肤的 接触及接触处的极化情况相关的阻抗，Rs是与电极材料类型相关的串联阻抗，而Ehc是半电池电位。


图1. 生物电位电极的等效电路模型

在设计模拟前端时，由于涉及到高阻抗，电极至皮肤阻抗非常重要。在低频条件下，该阻抗主要取决于Rs和Rd的串联组合，而在高频条件下，该阻抗会因电容的影响而降至Rd。表2 给出了Rd、Cd的典型值及1 kHz下的阻抗。



IEC 60601

IEC 60601是国际电工委员会针对医疗电气设备安全性和有 效性发布的一系列技术标准。标准规定，正常情况下通过人体的最大直流漏电流为10 μA，在最坏的单一故障状况下为50 μA。最大交流漏电流取决于激励频率。如果频率(fE)小于或等于1 kHz，那么最大允许电流为10 μA rms。如果频率大于1 kHz，则最大允许电流为



这些对患者电流限值都是非常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/电流源和电流表/电压表，因此DAC和ADC都是常用的器件。精密基准电压源和电压/电流控制回路都非常重要，而且通常需要使用微控制器来处理和获取阻抗的实部和虚部。此外，可穿戴设备通常采用单极性电池供电。最后，在单个封装内集成尽可能多的元件也非常有利。超低功耗、集成式、混合信号片上计量仪ADuCM350内置Cortex-M3 处理器和硬件加速器，可进行单频离散傅里叶变换(DFT)，使其成为可穿戴设备强有力的解决方案。

为了符合IEC 60601标准，ADuCM350与AD8226仪表放大器配合使用，以便采用4线式技术进行高精度测量，如图2所示。电容CSIO1和CISO2可抑制电极和用户之间的直流电流，从而消除极化效应。ADuCM350生成的交流信号将传播到人体内。

电容CSIO3和CSIO4可抑制ADC产生的直流电平，从而解决半电池电位问题并始终维持最大动态范围。CSIO1、CSIO2、CSIO3和CISO4可隔离用户，确保在正常模式下和首次出现故障时直流电流为零，以及在首次出现故障时交流电流为零。最后，电阻RLIMIT设计用来保证正常工作时产生的交流电流低于限值。RACCESS表示皮肤至电极的接触点。

ADuCM350测量跨阻放大器(TIA)的电流和AD8226的输出 电压，以便计算未知的人体阻抗。RCM1和RCM2必须尽可能 高，以保证大部分电流都流过未知阻抗和TIA。建议值为10 MΩ。


图2. 使用ADuCM350 和AD8226 的四线式隔离测量电路

设计限制

当电极至皮肤阻抗在激励频率下接近10 MΩ 时，此设计存在一些限制。电极至皮肤阻抗必须明显小于RCM1和RCM2(10 MΩ)，否则VINAMP+不等于A且VINAMP–不等于B，测量精度将有所下降。当激励频率大于1 kHz时，电极至皮肤阻抗通常远小于1 MΩ，如表2所示。

验证

为了证明此设计的精度，我们使用了不同的未知阻抗来测试该系统，并将测试结果与采用Agilent 4294A 阻抗分析仪测得的结果进行了比较。在所有测试中，幅度误差均小于±1%。绝对相位误差在500 Hz和5 kHz下都小于1°。50 kHz下的9°相位失调误差可在软件中进行校正。

结论

在设计可测量生物阻抗的电池供电型穿戴式设备时，必须考虑低功耗、高SNR、电极极化以及IEC 60601安全要求。本文介绍了一个使用ADuCM350 和AD8226实现的解决方案。