穿戴式系統(tǒng)中的生物阻抗電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

 簡(jiǎn)介

可穿戴生命體征監(jiān)護(hù)(VSM)設(shè)備正在改變著醫(yī)療保健行業(yè)，使我們隨時(shí)隨地都可以監(jiān)護(hù)自己的生命體征和活動(dòng)。與這些重要參數(shù)其中一些最相關(guān)的信息都可通過測(cè)量人體阻抗來獲得。

為了有效運(yùn)行，可穿戴設(shè)備必須做到尺寸小、成本低且功耗低。此外，測(cè)量生物阻抗還面臨著與使用干電極及安全要求相關(guān)的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，稱為半電池電位，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(dāng)無電流通過電極時(shí)，可觀察到半電池電位。存在直流電流 時(shí)，測(cè)得的電壓會(huì)升高。這種過壓狀況會(huì)阻止電流流動(dòng)，使電極極化，并降低其性能，特別是在運(yùn)動(dòng)情況下。對(duì)于多數(shù)生物醫(yī)學(xué)測(cè)量，非極化(濕)電極比極化(干)電極要好，但便攜式設(shè)備和消費(fèi)類設(shè)備通常都使用干電極，因?yàn)楦呻姌O成本低且可重復(fù)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(shè)計(jì)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(duì)醫(yī)療電氣設(shè)備安全性和有 效性發(fā)布的一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)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(lì)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(duì)患者電流限值都是非常重要的電路設(shè)計(jì)參數(shù)。

電路設(shè)計(jì)解決方案

阻抗測(cè)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(zhǔn)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(shí)部和虛部。此外，可穿戴設(shè)備通常采用單極性電池供電。最后，在單個(gè)封裝內(nèi)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(hào)片上計(jì)量?jī)xADuCM350內(nèi)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(shè)備強(qiáng)有力的解決方案。

為了符合IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)，ADuCM350與AD8226儀表放大器配合使用，以便采用4線式技術(shù)進(jìn)行高精度測(cè)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(yīng)。ADuCM350生成的交流信號(hào)將傳播到人體內(nèi)。

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題并始終維持最大動(dòng)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(shí)直流電流為零，以及在首次出現(xiàn)故障時(shí)交流電流為零。最后，電阻RLIMIT設(shè)計(jì)用來保證正常工作時(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(cè)量跨阻放大器(TIA)的電流和AD8226的輸出 電壓，以便計(jì)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(cè)量電路

設(shè)計(jì)限制

當(dāng)電極至皮膚阻抗在激勵(lì)頻率下接近10 MΩ 時(shí)，此設(shè)計(jì)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(cè)量精度將有所下降。當(dāng)激勵(lì)頻率大于1 kHz時(shí)，電極至皮膚阻抗通常遠(yuǎn)小于1 MΩ，如表2所示。

驗(yàn)證

為了證明此設(shè)計(jì)的精度，我們使用了不同的未知阻抗來測(cè)試該系統(tǒng)，并將測(cè)試結(jié)果與采用Agilent 4294A 阻抗分析儀測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行了比較。在所有測(cè)試中，幅度誤差均小于±1%。絕對(duì)相位誤差在500 Hz和5 kHz下都小于1°。50 kHz下的9°相位失調(diào)誤差可在軟件中進(jìn)行校正。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)可測(cè)量生物阻抗的電池供電型穿戴式設(shè)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(xiàn)的解決方案。