穿戴式系統(tǒng)的生物阻抗電路設計挑戰(zhàn)

　　摘要：可穿戴生命體征監(jiān)護(VSM)設備正在改變著醫(yī)療保健行業(yè)，使我們隨時隨地都可以監(jiān)護自己的生命體征和活動。這些重要參數其中一些最相關的信息都可通過測量人體阻抗來獲得。為了有效運行，可穿戴設備必須做到尺寸小、成本低且功耗低。此外，測量生物阻抗還面臨著與使用干電極及安全要求相關的挑戰(zhàn)。本文針對這些問題提出了一些解決方案。

　　1 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。

　　1.1 電極極化

　　當電極中沾有電流通過時，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。

　　1.2 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。

　　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。

　　1.3 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，