穿戴式系统的生物阻抗电路设计挑战

　　摘要：可穿戴生命体征监护(VSM)设备正在改变着医疗保健行业，使我们随时随地都可以监护自己的生命体征和活动。这些重要参数其中一些最相关的信息都可通过测量人体阻抗来获得。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。

　　1 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。

　　1.1 电极极化

　　当电极中沾有电流通过时，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。

　　1.2 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。

　　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。

　　1.3 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最大直流漏电流为10 µA，在最坏的单一故障状况下为50 µA。 最大交流漏电流取决于激励频率。 如果频率(fE)小于或等于1 kHz，那么最大允许电流为10 µA rms。 如果频率大于1 kHz，