穿戴式系统中的生物阻抗电路设计挑战

出处:电子产品世界 发布于:2018-08-28 14:57:22

   为了有效运行,可穿戴设备必须做到尺寸小、成本低且功耗低。此外,测量生物阻抗还面临着与使用干电极及安全要求相关的挑战。本文针对这些问题提出了一些解决方案。

  电极半电池电位

  电极是一种电气传感器,可在电子电路和非金属物体(如人体皮肤)之间建立接触。这种相互作用会产生一个电压,称为半电池电位,它可降低ADC  的动态范围。半电池电位因电极材料而异,如表1所示。

  电极极化

  当无电流通过电极时,可观察到半电池电位。存在直流电流  时,测得的电压会升高。这种过压状况会阻止电流流动,使电极极化,并降低其性能,特别是在运动情况下。对于多数生物医学测量,非极化(湿)电极比极化(干)电极要好,但便携式设备和消费类设备通常都使用干电极,因为干电极成本低且可重复使用。

  电极皮肤阻抗

  图1显示了电极的等效电路。Rd和Cd表示与电极至皮肤的  接触及接触处的极化情况相关的阻抗,Rs是与电极材料类型相关的串联阻抗,而Ehc是半电池电位。

  图1. 生物电位电极的等效电路模型

  在设计模拟前端时,由于涉及到高阻抗,电极至皮肤阻抗非常重要。在低频条件下,该阻抗主要取决于Rs和Rd的串联组合,而在高频条件下,该阻抗会因电容的影响而降至Rd。表2  给出了Rd、Cd的典型值及1 kHz下的阻抗。

  IEC 60601

  IEC 60601是国际电工委员会针对医疗电气设备安全性和有 效性发布的一系列技术标准。标准规定,正常情况下通过人体的直流漏电流为10  μA,在坏的单一故障状况下为50 μA。交流漏电流取决于激励频率。如果频率(fE)小于或等于1 kHz,那么允许电流为10 μA  rms。如果频率大于1 kHz,则允许电流为

  这些对患者电流限值都是非常重要的电路设计参数。

  电路设计解决方案

  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。,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CSIO3和CSIO4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动态范围。CSIO1、CSIO2、CSIO3和CISO4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。,电阻RLIMIT设计用来保证正常工作时产生的交流电流低于限值。RACCESS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。RCM1和RCM2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。

  图2. 使用ADuCM350 和AD8226 的四线式隔离测量电路

  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RCM1和RCM2(10  MΩ),否则VINAMP+不等于A且VINAMP–不等于B,测量将有所下降。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。

  验证

  为了证明此设计的,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%。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。

  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。

版权与免责声明

凡本网注明“出处:维库电子市场网”的所有作品,版权均属于维库电子市场网,转载请必须注明维库电子市场网,https://www.dzsc.com,违反者本网将追究相关法律责任。

本网转载并注明自其它出处的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品出处,并自负版权等法律责任。

如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

上传BOM文件: BOM文件
*公司名:
*联系人:
*手机号码:
QQ:
应用领域:

有效期:
OEM清单文件: OEM清单文件
*公司名:
*联系人:
*手机号码:
QQ:
有效期:

扫码下载APP,
一键连接广大的电子世界。

在线人工客服

买家服务:
卖家服务:

0571-85317607

客服在线时间周一至周五
9:00-17:30

关注官方微信号,
第一时间获取资讯。

建议反馈

联系人:

联系方式:

按住滑块,拖拽到最右边
>>
感谢您向阿库提出的宝贵意见,您的参与是维库提升服务的动力!意见一经采纳,将有感恩红包奉上哦!