作者：Jose Carlos Conchell

用于生命體征監測 （VSM） 的可穿戴設備正在改變醫療保健行業，使我們能夠隨時隨地監測我們的生命體征和活動。通過測量人體阻抗，可以獲得有關其中一些關鍵參數的最相關信息。

為了有效，可穿戴設備必須體積小、成本低、功耗低。此外，測量生物阻抗還帶來了與干電極使用和安全要求相關的挑戰。本文提供了這些問題的一些解決方案。

電極半電池電位

電極是在電子電路與人體皮膚等非金屬物體之間接觸的電換能器。這種相互作用會產生一個電壓，稱為半電池電位，從而減小ADC的動態范圍。半電池電位隨電極材料而變化，如表1所示。

表 1.用于常見材料的半電池電位

電極極化

當沒有電流流過電極時，觀察到半電池電位。當直流電流流動時，測量的電壓增加。這種過電壓會阻礙電流流動，使電極極化并降低其性能，尤其是在運動條件下。對于大多數生物醫學測量，不可極化（濕）電極優于可極化（干）電極，但便攜式和消費類設備通常使用干電極，因為它們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-皮膚界面相關的阻抗和該界面處的極化，Rs是與電極材料類型相關的串聯電阻，并且E慧聰是半電池電位。

圖1.生物電位電極的等效電路模型。

由于涉及高阻抗，在設計模擬前端時，電極-皮膚阻抗非常重要。以R的系列組合為主s和 Rd在低頻下，阻抗降低到Rd由于電容器的影響，在高頻下。表 2 顯示了 R 的典型值d， Cd和 1 kHz 時的阻抗。

表 2.典型電極-皮膚阻抗

IEC 60601

IEC 60601是國際電工委員會發布的一系列醫療電氣設備安全性和有效性的技術標準。它規定正常情況經體的最大直流漏電流為10 μA，在最壞情況下的單故障條件下最大為50 μA。最大交流漏電流取決于激勵頻率。如果頻率（?E） 小于或等于 1 kHz，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/電壓表，因此通常使用DAC和ADC。精密基準電壓源和電壓/電流控制環路至關重要，通常需要微控制器來處理數據并獲得阻抗的實部和虛部。此外，可穿戴設備通常由單極電池供電。最后，在單個封裝中集成盡可能多的組件是非常有益的。ADuCM350超低功耗、集成式、混合信號片上儀表內置Cortex-M3處理器和硬件加速器，可執行單頻離散傅里葉變換（DFT），是可穿戴設備的強大解決方案。

為了滿足IEC 60601標準，ADuCM350與AD8226儀表放大器配合使用，采用4線技術進行高精度測量，如圖2所示。電容器 CSIO1和 CISO2阻斷電極和用戶之間的直流電流，消除極化效應。ADuCM350產生的交流信號傳播到體內。

電容器 CSIO3和 CSIO3阻斷ADC的直流電平，解決半電池電位問題，并始終保持最大動態范圍。CSIO1， C二氧化硅， CSIO3和 CSIO4隔離用戶，確保在正常模式下和第一次發生故障時直流電流為零，在第一次發生故障時確保交流電流為零。最后，電阻R限制旨在保證正常工作時的交流電流低于限值。R訪問符號皮膚-電極接觸。

ADuCM350測量來自跨阻放大器（TIA）的電流和AD8226的輸出電壓，以計算未知體阻抗。R裂變材料和 RCM2必須盡可能高，以確保大部分電流流過未知阻抗和TIA。建議值為 10 MΩ。

圖2.采用ADuCM350和AD8226的四線隔離測量電路。

設計限制

當激勵頻率下電皮阻抗接近10 MΩ時，這種設計存在一些局限性。電極-皮膚阻抗必須明顯小于R裂變材料和 RCM2（10 MΩ） 或 V伊納普+將不等于 A 和 V不知所措——將不等于B，測量精度將下降。當激勵頻率大于1 kHz時，電極-皮膚阻抗通常遠小于1 MΩ，如表2所示。

驗證

為了證明該設計的準確性，對系統進行了不同的未知阻抗測試，并將結果與安捷倫 4294A 阻抗分析儀測量的結果進行了比較。在所有測試中，幅度誤差均小于±1%。在500 Hz和5 kHz時，絕對相位誤差小于1°。50 kHz時的9°相位偏移誤差可以在軟件中校正。

結論

測量生物阻抗的電池供電、可穿戴設備的設計必須考慮低功耗、高 SNR、電極極化和 IEC 60601 安全要求。本文介紹了使用ADuCM350和AD8226的解決方案。

審核編輯：郭婷