用于生命體征監測 (VSM) 的可穿戴設備正在推動醫療行業的變革，使我們能夠隨時隨地監測我們的生命體征和活動。通過測量人體阻抗，可以獲得某些關鍵參數的最相關信息。

為了確保有效性，可穿戴設備必須小巧緊湊、成本便宜且功耗較低。此外，測量生物阻抗還帶來了使用干式電極和安全要求方面的挑戰。本文針對這些問題提供了一些解決方案。

電極半電池電位

電極是使電子電路與非金屬物體（如人類皮膚）接觸的電氣傳感器。這種相互作用會產生電壓，稱為半電池電位，從而降低 ADC 的動態范圍。半電池電位隨電極材料而變化，如表 1 所示。

表 1. 常見材料的半電池電位

當沒有電流流過電極時，觀察半電池電位。當直流電流流過時，測量電壓會增加。這種過電壓會阻礙電流流動，極化電極，并降低其性能，特別是在運動條件下更是如此。對于大多數生物醫學測量，非極化（濕式）電極要優于可極化（干式）電極， 但便攜式消費電子設備通常使用干式電極， 因為這種電極成本低且可重復使用。

電極與皮膚之間的阻抗

圖 1 顯示了電極的等效電路。Rd 和 Cd 表示與電極-皮膚界面相關的阻抗以及此界面處的極化，Rs 是與電極材料類型相關的串聯阻抗，Ehc 是半電池電位。

圖 1. 生物電極的等效電路模型。

在設計模擬前端時，由于涉及高阻抗，因此電極-皮膚之間的阻抗非常重要。在低頻率下，Rs 和 Rd 的串聯組合占主導地位；在高頻率下，由于電容器效應，阻抗降低至 Rd 。2 表列出了 Rd、Cd 和阻抗（1 kHz 時）的典型值。

表 2. 電極-皮膚之間的典型阻抗

IEC 60601 是國際電工委員會公布的一系列有關醫療電氣設備安全性和有效性的技術標準。它規定在正常條件下，通過人體的最大直流漏電流為 10 μA；在最差的單一故障條件下，最大漏電流為 50 μA。交流漏電流的最大值取決于激發頻率。如果頻率 (?E) 小于等于 1 kHz，則最大允許電流為 10 μA rms。如果頻率大于 1 kHz，則最大允許電流為

這些患者電流限制是重要的電路設計參數。

電路設計解決方案

阻抗測量需要一個電壓/電流源和一個電流/電壓表，因此通常使用 DAC 和 ADC。為了處理數據并獲得阻抗的實部和虛部，精確的電壓基準和電壓/電流控制環路至關重要，并且通常需要一個微控制器。此外，可穿戴設備通常由單極電池供電。最后，將盡可能多的元件集成在單一封裝中是非常有益的。ADuCM350 超低功耗的集成式混合信號芯片儀表包括 Cortex-M3 處理器和硬件加速器，可以執行單頻離散傅里葉變換 (DFT)，因此成為可穿戴設備的有力解決方案。

為了滿足 IEC 60601 標準，ADuCM350 與 AD8226 儀表放大器配合使用，以便使用 4 線技術進行高精度測量，如圖 2 所示。電容器 CSIO1 和 CISO2 阻止電極與用戶之間的直流電流，消除了極化效應。ADuCM350 產生的交流信號傳播到人體。

電容器 CSIO3 和 CSIO3 阻止來自 ADC 的直流電流電平，解決了半電池電位問題，并始終保持最大的動態范圍。CSIO1、CSIO2、CSIO3 和 CSIO4 對用戶進行電氣隔離，確保在正常模式下和首次出現故障時實現零直流電流，以及在首次出現故障時實現零交流電流。最后，電阻 RLIMIT 用于保證交流電流在正常工作中低于限值。RACCESS 指示皮膚和電極的接觸。

ADuCM350 測量來自跨阻放大器 (TIA) 的電流和 AD8226 的輸出電壓，以計算未知人體阻抗。RCM1 和 RCM2必須盡可能高以確保大多數 電流流經未知人體阻抗 和 TIA。建議的值為 10 MΩ。

圖 2. 使用 ADuCM350 和 AD8226 的四線式隔離測量電路。

設計限制

當電極和皮膚之間的阻抗在激發頻率下接近 10 MΩ 時，此設計存在一定的局限性。電極和皮膚之間的阻抗必須遠遠小于 RCM1 和 RCM2 (10 MΩ)，否則 VINAMP+ 將不等于 A 且 VINAMP– 將不等于 B，而且測量精度將會降低。當 激發頻率大于 1 kHz 時，電極和皮膚之間的阻抗通常遠小于 1 MΩ，如表 2 中所示。

驗證

為了證明此設計的準確性，系統采用不同的未知阻抗進行測試，并將結果與采用 Agilent 4294A 阻抗分析儀測得的結果進行比較。在所有測試中，幅值誤差均小于 ±1%。在 500 Hz 和 5 kHz 時，絕對相位誤差小于 1°。50 kHz 時的 9° 相位偏置誤差可在軟件中進行校正。

結論

在設計由電池供電且測量阻抗的可穿戴設備時，必須考慮低功耗、高信噪比、電極極化和 IEC 60601 安全要求。