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穿戴系統(tǒng)中生物阻抗電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),你決定怎么解?

發(fā)布時(shí)間:2015-03-23 來(lái)源:José Carlos Conchell 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】可穿戴生命體征監(jiān)護(hù)設(shè)備正在改變著醫(yī)療保健行業(yè),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(wèn)題提出了一些解決方案。
 
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(guò)測(cè)量人體阻抗來(lái)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(wèn)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(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。
電極半電池電位
電極極化
 
當(dāng)無(wú)電流通過(guò)電極時(shí),可觀(guān)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(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(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(lèi)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(lèi)型相關(guān)的串聯(lián)阻抗,而Ehc是半電池電位。
生物電位電極的等效電路模型
圖1. 生物電位電極的等效電路模型
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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。
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)
IEC 60601
 
IEC 60601是國(guó)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(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(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(lái)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(xiàn)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(hù)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(wèn)題并始終維持最大動(dòng)態(tài)范圍。CSIO1、CSIO2、CSIO3和CISO4可隔離用戶(hù),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(lái)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)。
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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(guò)未知阻抗和TIA。建議值為10 MΩ。
 使用ADuCM350 和AD8226 的四線(xiàn)式隔離測(cè)量電路
圖2. 使用ADuCM350 和AD8226 的四線(xiàn)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(yíng)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(lái)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。
 
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