克服極化效應/安全挑戰 穿戴生理訊號監測精度大增
穿戴式生理訊號監測(VSM)裝置正在改變醫療保健行業，使大眾隨時隨地都能夠監測自己的生理狀況和活動，並可通過測量人體阻抗來獲得這些重要參數的相關資訊。
為了有效運行，穿戴式裝置必須做到尺寸小、成本低且功耗低。此外，測量生物阻抗還面臨著與使用乾電極及安全要求相關的挑戰，本文針對這些問題提出一些解決方案。
生物醫學測量 面臨電極/安全要求挑戰
電極是一種電氣感測器，可在電子電路和非金屬物體(譬如人體皮膚)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，它可降低類比數位轉換器(ADC)的動態範圍。
半電池電位因電極材料而異，如表1所示。當無電流通過電極時，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，並降低其性能，特別是在運動情況下。對於多數生物醫學測量，非極化(濕)電極比極化(乾)電極要好，但可攜式設備和消費類設備通常都使用乾電池，因為乾電池成本低且可重複使用。
 |
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。
 |
| 圖1 生物電位電極的等效電路模型 |
在設計類比前端時，由於涉及到高阻抗，電極至皮膚阻抗非常重要。在低頻條件下，該阻抗主要取決於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已知Rd、Cd的典型值及1kHz下的阻抗。
 |
IEC 60601是國際電子電機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微安培(μA)，在最壞的單一故障狀況下為50μA，最大交流漏電流取決於激勵頻率。如果頻率(fE)小於或等於1kHz，那麼最大允許電流為10μA rms；若頻率大於1kHz，則最大允許電流，可以下列公式算出。
 |
這些對患者電流限值都是十分重要的電路設計參數。
計量儀單晶片相助 穿戴裝置可進行DFT
阻抗測量需要電壓/電流源和電流表/電壓表，因此數位類比轉換器(DAC)和ADC都是常用的元件。精密參考電壓源和電壓/電流控制迴路都非常重要，而且通常須要使用微控制器(MCU)來處理和獲取阻抗的實部和虛部。
此外，穿戴式裝置通常採用單極性電池供電。最後，在單個封裝內整合盡可能多的元件也十分有利。舉例來說，市面上有一款低功耗、整合式與混合訊號計量儀單晶片–ADuCM350，其內建Cortex-M3處理器和硬體加速器，可進行單頻離散傅利葉轉換(DFT)，使其成為穿戴式裝置強有力的解決方案。
為了符合IEC 60601標準，此計量儀單晶片與AD8226儀表放大器配合使用，以便採用四線式技術進行高準確度測量，如圖2所示。電容CSIO1和CISO2可抑制電極和用戶之間的直流電流，從而消除極化效應，該款計量儀單晶片生成的交流訊號將傳播到人體內。
 |
| 圖2 使用ADuCM350和AD8226的四線式隔離測量電路 |
電容CSIO3和CSIO4可抑制ADC產生的直流位準，進一步解決半電池電位問題，並且始終維持最大動態範圍。CSIO1、CSIO2、CSIO3和CISO4能夠隔離使用者，確保在正常模式下和首次出現故障時直流電流為零，以及在第一次出現故障時交流電流為零。
最後，電阻RLIMIT設計用來保證正常工作時產生的交流電流低於限值，RACCESS表示皮膚至電極的接觸點。
據了解，ADuCM350測量跨阻放大器(TIA)的電流和AD8226的輸出電壓，以便計算未知的人體阻抗。RCM1和RCM2必須盡可能地高，才得以保證大部分電流都流過未知阻抗和TIA。建議值為10兆歐(MΩ)。
考慮設計限制 避免測量精度下降
考慮設計限制 避免測量精度下降
當電極至皮膚阻抗在激勵頻率下接近10MΩ時，此設計存在一些限制。電極至皮膚阻抗必須明顯小於RCM1和RCM2(10MΩ)，否則VINAMP+不等於A且VINAMP–不等於B，測量精度將有所下降。當激勵頻率大於1kHz時，電極至皮膚阻抗通常遠小於1MΩ，如表2所示。
為了證明此設計的準確度，透過使用不同的未知阻抗來測試該系統，並將測試結果與採用Agilent 4294A阻抗分析儀測得的結果進行比較，在所有測試中，幅度誤差均小於±1%，絕對相位誤差在500Hz和5kHz下都小於1°，50kHz下的9°相位偏移誤差可在軟體中進行校正。
在設計可測量生物阻抗的電池供電型穿戴式裝置時，必須考慮低功耗、高訊號雜訊比(SNR)、電極極化以及IEC 60601的安全要求。
 |
