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如何克服极化效应,增加可穿戴生理信号监测精度?

Jose Carlos Conchell?? 2015年10月22日 ?? 收藏0
穿戴式设备整合生理讯号监测(VSM)功能时,生物阻抗与电极效应是最主要的两大挑战。设计人员可借助新型低功耗、整合式混合讯号计量仪单芯片搭配仪表放大器和电容进行设计,以消除极化效应与皮肤阻抗,达成更精准的量测。

穿戴式生理讯号监测(VSM)设备正在改变医疗保健行业,使大众随时随地都能够监测自己的生理状况和活动,并可通过测量人体阻抗来获得这些重要参数的相关信息。

为了有效运行,穿戴式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一些解决方案。

生物医学测量 面临电极/安全要求挑战

电极是一种电气传感器,可在电子电路和非金属物体(譬如人体皮肤)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,它可降低模拟数字转换器(ADC)的动态范围。

半电池电位因电极材料而异,如表1所示。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,但可携式设备和消费类设备通常都使用干电池, 因为干电池成本低且可重复使用。

图1 系统的总体框图

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
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已知Rd、Cd的典型值及1kHz下的阻抗。

图1 系统的总体框图

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最大直流漏电流为10微安培 (μA),在最坏的单一故障状况下为50μA,最大交流漏电流取决于激励频率。如果频率(fE)小于或等于1kHz,那么最大允许电流为10μA rms;若频率大于1kHz,则最大允许电流,可以下列公式算出。

图1 系统的总体框图

这些对患者电流限值都是十分重要的电路设计参数。

计量仪单芯片相助 穿戴设备可进行DFT

阻抗测量需要电压/电流源和电流表/电压表,因此数字模拟转换器(DAC)和ADC都是常用的组件。精密参考电压源和电压/电流控制回路都非常重要,而且通常须要使用微控制器(MCU)来处理和获取阻抗的实部和虚部。

此外,穿戴式设备通常采用单极性电池供电。最后,在单个封装内整合尽可能多的组件也十分有利。举例来说,市面上有一款低功耗、整合式与混合讯号计量仪单晶 片--ADuCM350,其内建Cortex-M3处理器和硬件加速器,可进行单频离散傅利叶转换(DFT),使其成为穿戴式设备强有力的解决方案。

为了符合IEC 60601标准,此计量仪单芯片与AD8226仪表放大器配合使用,以便采用四线式技术进行高准确度测量,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,该款计量仪单芯片生成的交流讯号将传播到人体内。

图2 使用ADuCM350和AD8226的四线式隔离测量电路
图2 使用ADuCM350和AD8226的四线式隔离测量电路

电容CSIO3和CSIO4可抑制ADC产生的直流位准,进一步解决半电池电位问题,并且始终维持最大动态范围。CSIO1、CSIO2、CSIO3和CISO4能够隔离用户,确保在正常模式下和首次出现故障时直流电流为零,以及在第一次出现故障时交流电流为零。

最后,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。

据了解,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必须尽可能地高,才得以保证大部分电流都流过未知阻抗和TIA。建议值为10兆欧(MΩ)。


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