用于生命體征監(jiān)測(cè) (VSM) 的可穿戴設(shè)備正在推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)的變革，使我們能夠隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)我們的生命體征和活動(dòng)。通過測(cè)量人體阻抗，可以獲得某些關(guān)鍵參數(shù)的最相關(guān)信息。

為了確保有效性，可穿戴設(shè)備必須小巧緊湊、成本便宜且功耗較低。此外，測(cè)量生物阻抗還帶來了使用干式電極和安全要求方面的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)這些問題提供了一些解決方案。

電極半電池電位

電極是使電子電路與非金屬物體（如人類皮膚）接觸的電氣傳感器。這種相互作用會(huì)產(chǎn)生電壓，稱為半電池電位，從而降低 ADC 的動(dòng)態(tài)范圍。半電池電位隨電極材料而變化，如表 1 所示。

表 1. 常見材料的半電池電位

當(dāng)沒有電流流過電極時(shí)，觀察半電池電位。當(dāng)直流電流流過時(shí)，測(cè)量電壓會(huì)增加。這種過電壓會(huì)阻礙電流流動(dòng)，極化電極，并降低其性能，特別是在運(yùn)動(dòng)條件下更是如此。對(duì)于大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)測(cè)量，非極化（濕式）電極要優(yōu)于可極化（干式）電極， 但便攜式消費(fèi)電子設(shè)備通常使用干式電極， 因?yàn)檫@種電極成本低且可重復(fù)使用。

電極與皮膚之間的阻抗

圖 1 顯示了電極的等效電路。Rd 和 Cd 表示與電極-皮膚界面相關(guān)的阻抗以及此界面處的極化，Rs 是與電極材料類型相關(guān)的串聯(lián)阻抗，Ehc 是半電池電位。

圖 1. 生物電極的等效電路模型。

在設(shè)計(jì)模擬前端時(shí)，由于涉及高阻抗，因此電極-皮膚之間的阻抗非常重要。在低頻率下，Rs 和 Rd 的串聯(lián)組合占主導(dǎo)地位；在高頻率下，由于電容器效應(yīng)，阻抗降低至 Rd 。2 表列出了 Rd、Cd 和阻抗（1 kHz 時(shí)）的典型值。

表 2. 電極-皮膚之間的典型阻抗

IEC 60601 是國(guó)際電工委員會(huì)公布的一系列有關(guān)醫(yī)療電氣設(shè)備安全性和有效性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定在正常條件下，通過人體的最大直流漏電流為 10 μA；在最差的單一故障條件下，最大漏電流為 50 μA。交流漏電流的最大值取決于激發(fā)頻率。如果頻率 (?E) 小于等于 1 kHz，則最大允許電流為 10 μA rms。如果頻率大于 1 kHz，則最大允許電流為

這些患者電流限制是重要的電路設(shè)計(jì)參數(shù)。

電路設(shè)計(jì)解決方案

阻抗測(cè)量需要一個(gè)電壓/電流源和一個(gè)電流/電壓表，因此通常使用 DAC 和 ADC。為了處理數(shù)據(jù)并獲得阻抗的實(shí)部和虛部，精確的電壓基準(zhǔn)和電壓/電流控制環(huán)路至關(guān)重要，并且通常需要一個(gè)微控制器。此外，可穿戴設(shè)備通常由單極電池供電。最后，將盡可能多的元件集成在單一封裝中是非常有益的。ADuCM350 超低功耗的集成式混合信號(hào)芯片儀表包括 Cortex-M3 處理器和硬件加速器，可以執(zhí)行單頻離散傅里葉變換 (DFT)，因此成為可穿戴設(shè)備的有力解決方案。

為了滿足 IEC 60601 標(biāo)準(zhǔn)，ADuCM350 與 AD8226 儀表放大器配合使用，以便使用 4 線技術(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量，如圖 2 所示。電容器 CSIO1 和 CISO2 阻止電極與用戶之間的直流電流，消除了極化效應(yīng)。ADuCM350 產(chǎn)生的交流信號(hào)傳播到人體。

電容器 CSIO3 和 CSIO3 阻止來自 ADC 的直流電流電平，解決了半電池電位問題，并始終保持最大的動(dòng)態(tài)范圍。CSIO1、CSIO2、CSIO3 和 CSIO4 對(duì)用戶進(jìn)行電氣隔離，確保在正常模式下和首次出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)零直流電流，以及在首次出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)零交流電流。最后，電阻 RLIMIT 用于保證交流電流在正常工作中低于限值。RACCESS 指示皮膚和電極的接觸。

ADuCM350 測(cè)量來自跨阻放大器 (TIA) 的電流和 AD8226 的輸出電壓，以計(jì)算未知人體阻抗。RCM1 和 RCM2必須盡可能高以確保大多數(shù) 電流流經(jīng)未知人體阻抗 和 TIA。建議的值為 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)電極和皮膚之間的阻抗在激發(fā)頻率下接近 10 MΩ 時(shí)，此設(shè)計(jì)存在一定的局限性。電極和皮膚之間的阻抗必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 RCM1 和 RCM2 (10 MΩ)，否則 VINAMP+ 將不等于 A 且 VINAMP– 將不等于 B，而且測(cè)量精度將會(huì)降低。當(dāng) 激發(fā)頻率大于 1 kHz 時(shí)，電極和皮膚之間的阻抗通常遠(yuǎn)小于 1 MΩ，如表 2 中所示。

驗(yàn)證

為了證明此設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用不同的未知阻抗進(jìn)行測(cè)試，并將結(jié)果與采用 Agilent 4294A 阻抗分析儀測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較。在所有測(cè)試中，幅值誤差均小于 ±1%。在 500 Hz 和 5 kHz 時(shí)，絕對(duì)相位誤差小于 1°。50 kHz 時(shí)的 9° 相位偏置誤差可在軟件中進(jìn)行校正。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)由電池供電且測(cè)量阻抗的可穿戴設(shè)備時(shí)，必須考慮低功耗、高信噪比、電極極化和 IEC 60601 安全要求。