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简介
用于生命体征监测 (VSM) 的可穿戴设备正在推进医疗职业的革新，使咱们能够随时随地监测咱们的生命体征和活动。经过丈量人体阻抗，能够取得某些要害参数的最相关信息。
为了保证有效性，可穿戴设备有必要细巧紧凑、本钱廉价且功耗较低。此外，丈量生物阻抗还带来了运用干式电极和安全要求方面的应战。本文针对这些问题供给了一些处理方案。
电极半电池电位
电极是使电子电路与非金属物体（如人类皮肤）触摸的电气传感器。这种相互作用会发生电压，称为半电池电位，然后下降 ADC 的动态规模。半电池电位随电极资料而改变，如表 1 所示。
表 1. 常见资料的半电池电位
| 金属与反响 | 半电池电位 (V) |
| Al→Al3++3e– | –1.706 |
| Ni→Ni2++2e– | –0.230 |
| Ag+Cl+→AgCl+e– | +0.223 |
| Ag→Ag++e– | +0.799 |
| Au→Au++e– | +1.680 |
电极极化
当没有电流流过电极时，调查半电池电位。当直流电流流过期，丈量电压会添加。这种过电压会阻挠电流活动，极化电极，并下降其功能，特别是在运动条件下更是如此。关于大多数生物医学丈量，非极化（湿式）电极要优于可极化（干式）电极， 但便携式消费电子设备一般运用干式电极， 因为这种电极本钱低且可重复运用。
电极与皮肤之间的阻抗
图 1 显现了电极的等效电路。Rd 和 Cd 表明与电极-皮肤界面相关的阻抗以及此界面处的极化，Rs 是与电极资料类型相关的串联阻抗，Ehc 是半电池电位。
在规划模仿前端时，因为触及高阻抗，因而电极-皮肤之间的阻抗非常重要。在低频率下，Rs 和 Rd 的串联组合占主导地位；在高频率下，因为电容器效应，阻抗下降至 Rd 。2 表列出了 Rd、Cd 和阻抗（1 kHz 时）的典型值。
表 2. 电极-皮肤之间的典型阻抗
| 资料 | Rd | Cd | |Rd//Cd| @ 1 kHz |
| 湿式 Ag/AgCl | 350 kΩ | 25 nF | 6 kΩ |
| 金属板 | 1.3 MΩ | 12 nF | 13 kΩ |
| 薄膜 | 550 MΩ | 220 pF | 724 kΩ |
| MEMS | 650 kΩ | 可忽略不计 | 650 kΩ |
IEC 60601
IEC 60601 是世界电工委员会发布的一系列有关医疗电气设备安全性和有效性的技能规范。它规定在正常条件下，经过人体的最大直流漏电流为 10 µA；在最差的单一毛病条件下，最大漏电流为 50 µA。沟通漏电流的最大值取决于激起频率。假如频率 (ƒE) 小于等于 1 kHz，则最大答应电流为 10 µA rms。假如频率大于 1 kHz，则最大答应电流为
这些患者电流约束是重要的电路规划参数。
电路规划处理方案
阻抗丈量需求一个电压/电流源和一个电流/电压表，因而一般运用 DAC 和 ADC。为了处理数据并取得阻抗的实部和虚部，准确的电压基准和电压/电流操控环路至关重要，并且一般需求一个微操控器。此外，可穿戴设备一般由单极电池供电。最终，将尽或许多的元件集成在单一封装中对错常有利的。ADuCM350 超低功耗的集成式混合信号芯片外表包含 Cortex-M3 处理器和硬件加速器，能够履行单频离散傅里叶变换 (DFT)，因而成为可穿戴设备的有力处理方案。
为了满意 IEC 60601 规范，ADuCM350 与 AD8226 外表放大器合作运用，以便运用 4 线技能进行高精度丈量，如图 2 所示。电容器 CSIO1 和 CISO2 阻挠电极与用户之间的直流电流，消除了极化效应。ADuCM350 发生的沟通信号传播到人体。
电容器 CSIO3 和 CSIO3 阻挠来自 ADC 的直流电流电平，处理了半电池电位问题，并始终保持最大的动态规模。CSIO1、CSIO2、CSIO3 和 CSIO4 对用户进行电气阻隔，保证在正常形式下和初次呈现毛病时完成零直流电流，以及在初次呈现毛病时完成零沟通电流。最终，电阻 RLIMIT 用于保证沟通电流在正常工作中低于限值。RACCESS 指示皮肤和电极的触摸。
ADuCM350 丈量来自跨阻放大器 (TIA) 的电流和 AD8226 的输出电压，以核算不知道人体阻抗。RCM1 和 RCM2有必要尽或许高以保证大多数 电流流经不知道人体阻抗 和 TIA。主张的值为 10 MΩ。
规划约束
当电极和皮肤之间的阻抗在激起频率下挨近 10 MΩ 时，此规划存在必定的局限性。电极和皮肤之间的阻抗有必要远远小于 RCM1 和 RCM2 (10 MΩ)，不然 VINAMP+ 将不等于 A 且 VINAMP– 将不等于 B，并且丈量精度将会下降。当 激起频率大于 1 kHz 时，电极和皮肤之间的阻抗一般远小于 1 MΩ，如表 2 中所示。
验证
为了证明此规划的准确性，体系选用不同的不知道阻抗进行测验，并将成果与选用 Agilent 4294A 阻抗分析仪测得的成果进行比较。在一切测验中，幅值差错均小于 ±1%。在 500 Hz 和 5 kHz 时，肯定相位差错小于 1°。50 kHz 时的 9° 相位偏置差错可在软件中进行校对。
定论
在规划由电池供电且丈量阻抗的可穿戴设备时，有必要考虑低功耗、高信噪比、电极极化和 IEC 60601 安全要求。本文介绍了运用 ADuCM350 和 AD8226 的处理方案。如需了解其他详细信息，包含完好的规划方程式，请拜访 www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-48/number-4/articles/bio_imp.pdf。
参阅电路
Neuman、Michael R。“生物电极。”《生物医学工程手册》，第四版。CRC 出版社，2015 年
Chi、Mike Yu、Tzyy-Ping Jung 和 Gert Cauwenberghs。 “干式触摸式和非触摸式生物电极：方法论谈论。” 《IEEE 生物医学工程谈论》，第 3 卷，2010 年。
http://en.wikipedia.org/wiki/IEC_60601
