穿戴式系統的生物阻抗電路設計挑戰

　　摘要：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)。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。

　　1 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。

　　1.1 電極極化

　　當電極中沾有電流通過(guò)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。

　　1.2 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。

　　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。

　　1.3 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，