穿戴式系统的生物阻抗电路设计挑战

　　阻抗测量需要电压/电流源和电流表/电压表，因此DAC和ADC都是常用的器件。 精密基准电压源和电压/电流控制回路都非常重要，而且通常需要使用微控制器来处理和获取阻抗的实部和虚部。 此外，可穿戴设备通常采用单极性电池供电。 最后，在单个封装内集成尽可能多的元件也非常有利。 超低功耗、集成式、混合信号片上计量仪ADuCM350内置Cortex-M3处理器和硬件加速器，可进行单频离散傅里叶变换(DFT)，使其成为可穿戴设备强有力的解决方案。

　　为了符合IEC 60601标准，ADuCM350与AD8226仪表放大器配合使用，以便采用4线式技术进行高精度测量，如图2所示。电容CSIO1和CISO2可抑制电极和用户之间的直流电流，从而消除极化效应。 ADuCM350生成的交流信号将传播到人体内。

　　电容C_ISO3和C_ISO4可抑制ADC产生的直流电平，从而解决半电池电位问题并始终维持最大动态范围。 C_ISO1、C_ISO2、C_ISO3和C_ISO4可隔离用户，确保在正常模式下和首次出现故障时直流电流为零，以及在首次出现故障时交流电流为零。 最后，电阻R_LIMIT设计用来保证正常工作时产生的交流电流低于限值。 R_ACCESS表示皮肤至电极的接触点。

　　ADuCM350测量跨阻放大器(TIA)的电流和AD8226的输出电压，以便计算未知的人体阻抗。 R_CM1和R_CM2必须尽可能高，以保证大部分电流都流过未知阻抗和TIA。 建议值为10 MΩ。

　　2.1 设计限制

　　当电极至皮肤阻抗在激励频率下接近10 MΩ时，此设计存在一些限制。 电极至皮肤阻抗必须明显小于R_CM1和R_CM2 (10 MΩ)，否则V_INAMP+不等于A且V_INAMP–不等于B，测量精度将有所下降。 当激励频率大于1 kHz时，电极至皮肤阻抗通常远小于1 MΩ，如表2所示。

　　2.2 验证

　　为了证明此设计的精度，我们使用了不同的未知阻抗来测试该系统，并将测试结果与采用Agilent 4294A阻抗分析仪测得的结果进行了比较。 在所有测试中，幅度误差均小于±1%。 绝对相位误差在500 Hz和5 kHz下都小于1°。 50 kHz下的9°相位失调误差可在软件中进行校正。

　　3 结论

　　在设计可测量生物阻抗的电池供电型穿戴式设备时，必须考虑低功耗、高SNR、电极极化以及IEC 60601安全要求。 本文介绍了一个使用ADuCM350和AD8226实现的解决方案。

　　参考文献：
　　[1]Michael R Neuman，“生物电位电极”，《生物医学工程手册》，第四版。 CRC出版社，2015年
　　[2]Mike Yu Chi、Tzyy-Ping Jung和Gert Cauwenberghs。 “干触点和无触点生物电位电极： 方法论回顾。” 《IEEE生物医学工程评论》，第3卷，2010年。http://en.wikipedia.org/wiki/IEC_60601