穿戴式系統中的生物阻抗電路設計挑戰

簡(jiǎn)介

可穿戴生命體征監護(VSM)設備正在改變著(zhù)醫療保健行業(yè)，使我們隨時(shí)隨地都可以監護自己的生命體征和活動(dòng)。與這些重要參數其中一些最相關(guān)的信息都可通過(guò)測量人體阻抗來(lái)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(zhù)與使用干電極及安全要求相關(guān)的挑戰。本文針對這些問(wèn)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(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓，稱(chēng)為半電池電位，它可降低ADC 的動(dòng)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(wú)電流通過(guò)電極時(shí)，可觀(guān)察到半電池電位。存在直流電流 時(shí)，測得的電壓會(huì )升高。這種過(guò)壓狀況會(huì )阻止電流流動(dòng)，使電極極化，并降低其性能，特別是在運動(dòng)情況下。對于多數生物醫學(xué)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(lèi)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(guān)的阻抗，Rs是與電極材料類(lèi)型相關(guān)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(shí)，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(huì )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(huì )針對醫療電氣設備安全性和有 效性發(fā)布的一系列技術(shù)標準。標準規定，正常情況下通過(guò)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。

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(lái)處理和獲取阻抗的實(shí)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(gè)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?jì)xADuCM350內置Cortex-M3 處理器和硬件加速器，可進(jìn)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(xiàn)式技術(shù)進(jìn)行高精度測量，如圖2所示。電容CSIO1和CISO2可抑制電極和用戶(hù)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(chǎn)生的直流電平，從而解決半電池電位問(wèn)題并始終維持最大動(dòng)態(tài)范圍。CSIO1、CSIO2、CSIO3和CISO4可隔離用戶(hù)，確保在正常模式下和首次出現故障時(shí)直流電流為零，以及在首次出現故障時(shí)交流電流為零。最后，電阻RLIMIT設計用來(lái)保證正常工作時(shí)產(chǎn)生的交流電流低于限值。RACCESS表示皮膚至電極的接觸點(diǎn)。

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(guò)未知阻抗和TIA。建議值為10 MΩ。

圖2. 使用ADuCM350 和AD8226 的四線(xiàn)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(shí)，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(yíng)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(shí)，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(lái)測試該系統，并將測試結果與采用Agilent 4294A 阻抗分析儀測得的結果進(jìn)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(jìn)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(shí)，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(gè)使用ADuCM350 和AD8226實(shí)現的解決方案。