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可穿戴設備面臨挑戰(zhàn),生物阻抗電路設計“挑大梁”

發(fā)布時間:2015-03-20 責任編輯:echolady

【導讀】可穿戴形式的生命體征監(jiān)護設備已經(jīng)逐漸滲透醫(yī)療保健領域。那么。可穿戴設備又是通過什么媒介得知人體的相關信息和參數(shù)的?答案就是人體阻抗。眼下,可穿戴設備又面臨挑戰(zhàn),在設計的輕巧方便,成本低功耗小的同時,還要確保生物阻抗測量數(shù)據(jù)的準確性和安全要求。本文就提出了一個解決方案。

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。這種相互作用會產(chǎn)生一個電壓,稱為半電池電位,它可降低ADC 的動態(tài)范圍。半電池電位因電極材料而異,如表1所示。

可穿戴設備面臨挑戰(zhàn),生物阻抗電路設計“挑大梁”
 
電極極化

當無電流通過電極時,可觀察到半電池電位。存在直流電流 時,測得的電壓會升高。這種過壓狀況會阻止電流流動,使電極極化,并降低其性能,特別是在運動情況下。對于多數(shù)生物醫(yī)學測量,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的阻抗,Rs是與電極材料類型相關的串聯(lián)阻抗,而Ehc是半電池電位。

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圖1. 生物電位電極的等效電路模型

在設計模擬前端時,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。

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IEC 60601

IEC 60601是國際電工委員會針對醫(yī)療電氣設備安全性和有 效性發(fā)布的一系列技術標準。標準規(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
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這些對患者電流限值都是非常重要的電路設計參數(shù)。
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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處理和獲取阻抗的實部和虛部。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、混合信號片上計量儀ADuCM350內(nèi)置Cortex-M3 處理器和硬件加速器,可進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線式技術進行高精度測量,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。ADuCM350生成的交流信號將傳播到人體內(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態(tài)范圍。CsiO1、CsiO2、CsiO3和CsiO4可隔離用戶,確保在正常模式下和首次出現(xiàn)故障時直流電流為零,以及在首次出現(xiàn)故障時交流電流為零。最后,電阻RLIMIT設計用來保證正常工作時產(chǎn)生的交流電流低于限值。RACCESS表示皮膚至電極的接觸點。

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未知阻抗和TIA。建議值為10 MΩ。

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圖2. 使用ADuCM350 和AD8226 的四線式隔離測量電路

設計限制

當電極至皮膚阻抗在激勵頻率下接近10 MΩ 時,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,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測試該系統(tǒng),并將測試結果與采用Agilent 4294A 阻抗分析儀測得的結果進行了比較。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(diào)誤差可在軟件中進行校正。

結論

在設計可測量生物阻抗的電池供電型穿戴式設備時,必須考慮低功耗、高SNR、電極極化以及IEC 60601安全要求。本文介紹了一個使用ADuCM350 和AD8226實現(xiàn)的解決方案。

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