穿戴式系統的生物阻抗電路設計挑戰

　　摘要：可穿戴生命體征監護(VSM)設備正在改變著醫療保健行業，使我們隨時隨地都可以監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。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療電氣設備安全性和有效性發布的一系列技術標準。 標準規定，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，