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穿戴式系統(tǒng)的生物阻抗電路設計挑戰(zhàn)

作者:JoséCarlosConchell 時間:2015-03-26 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:  摘要:可穿戴生命體征監(jiān)護(VSM)設備正在改變著醫(yī)療保健行業(yè),使我們隨時隨地都可以監(jiān)護自己的生命體征和活動。這些重要參數(shù)其中一些最相關(guān)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(guān)的挑戰(zhàn)。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(chǎn)生一個電壓,稱為半電池電位,它可降低ADC的動態(tài)范圍。 半電

  2 電路設計解決方案

  阻抗測量需要電壓/電流源和電流表/電壓表,因此DAC和ADC都是常用的器件。 精密基準電壓源和電壓/電流控制回路都非常重要,而且通常需要使用微控制器來處理和獲取阻抗的實部和虛部。 此外,通常采用單極性電池供電。 最后,在單個封裝內(nèi)集成盡可能多的元件也非常有利。 超、集成式、混合信號片上計量儀ADuCM350內(nèi)置Cortex-M3處理器和硬件加速器,可進行單頻離散傅里葉變換(DFT),使其成為強有力的解決方案。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/271654.htm

  為了符合IEC 60601標準,ADuCM350與AD8226儀表配合使用,以便采用4線式技術(shù)進行高精度測量,如圖2所示。電容CSIO1和CISO2可抑制和用戶之間的直流電流,從而消除極化效應。 ADuCM350生成的交流信號將傳播到人體內(nèi)。

  電容CISO3和CISO4可抑制ADC產(chǎn)生的直流電平,從而解決半電池電位問題并始終維持最大動態(tài)范圍。 CISO1、CISO2、CISO3和CISO4可隔離用戶,確保在正常模式下和首次出現(xiàn)故障時直流電流為零,以及在首次出現(xiàn)故障時交流電流為零。 最后,電阻RLIMIT設計用來保證正常工作時產(chǎn)生的交流電流低于限值。 RACCESS表示皮膚至的接觸點。

  ADuCM350測量跨阻(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必須盡可能高,以保證大部分電流都流過未知阻抗和TIA。 建議值為10 MΩ。

  2.1 設計限制

  當至皮膚阻抗在激勵頻率下接近10 MΩ時,此設計存在一些限制。 電極至皮膚阻抗必須明顯小于RCM1和RCM2 (10 MΩ),否則VINAMP+不等于A且VINAMP–不等于B,測量精度將有所下降。 當激勵頻率大于1 kHz時,電極至皮膚阻抗通常遠小于1 MΩ,如表2所示。

  2.2 驗證

  為了證明此設計的精度,我們使用了不同的未知阻抗來測試該系統(tǒng),并將測試結(jié)果與采用Agilent 4294A阻抗分析儀測得的結(jié)果進行了比較。 在所有測試中,幅度誤差均小于±1%。 絕對相位誤差在500 Hz和5 kHz下都小于1°。 50 kHz下的9°相位失調(diào)誤差可在軟件中進行校正。

  3 結(jié)論

  在設計可測量的電池供電型穿戴式設備時,必須考慮、高SNR、電極極化以及IEC 60601安全要求。 本文介紹了一個使用ADuCM350和AD8226實現(xiàn)的解決方案。

  參考文獻:
  [1]Michael R Neuman,“生物電位電極”,《生物醫(yī)學工程手冊》,第四版。 CRC出版社,2015年
  [2]Mike Yu Chi、Tzyy-Ping Jung和Gert Cauwenberghs。 “干觸點和無觸點生物電位電極: 方法論回顧。” 《IEEE生物醫(yī)學工程評論》,第3卷,2010年。http://en.wikipedia.org/wiki/IEC_60601

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