0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

可穿戴系统的生物阻抗电路设计的解决方案

作者:工程师陈翠 2018-07-10 02:51 次阅读

用于生命体征监测 (VSM) 的可穿戴设备正在推动医疗行业的变革,使我们能够随时随地监测我们的生命体征和活动。通过测量人体阻抗,可以获得某些关键参数的最相关信息

为了确保有效性,可穿戴设备必须小巧紧凑、成本便宜且功耗较低。此外,测量生物阻抗还带来了使用干式电极和安全要求方面的挑战。本文针对这些问题提供了一些解决方案。

电极半电池电位

电极是使电子电路与非金属物体(如人类皮肤)接触的电气传感器。这种相互作用会产生电压,称为半电池电位,从而降低 ADC 的动态范围。半电池电位随电极材料而变化,如表 1 所示。

表 1. 常见材料的半电池电位

 可穿戴系统的生物阻抗电路设计的解决方案

电极极化

当没有电流流过电极时,观察半电池电位。当直流电流流过时,测量电压会增加。这种过电压会阻碍电流流动,极化电极,并降低其性能,特别是在运动条件下更是如此。对于大多数生物医学测量,非极化(湿式)电极要优于可极化(干式)电极, 但便携式消费电子设备通常使用干式电极, 因为这种电极成本低且可重复使用。

电极与皮肤之间的阻抗

图 1 显示了电极的等效电路。Rd 和 Cd 表示与电极-皮肤界面相关的阻抗以及此界面处的极化,Rs 是与电极材料类型相关的串联阻抗,Ehc 是半电池电位。

 可穿戴系统的生物阻抗电路设计的解决方案

图 1. 生物电极的等效电路模型。

在设计interwetten与威廉的赔率体系 前端时,由于涉及高阻抗,因此电极-皮肤之间的阻抗非常重要。在低频率下,Rs 和 Rd 的串联组合占主导地位;在高频率下,由于电容器效应,阻抗降低至 Rd 。2 表列出了 Rd、Cd 和阻抗(1 kHz 时)的典型值。

表 2. 电极-皮肤之间的典型阻抗

 可穿戴系统的生物阻抗电路设计的解决方案

IEC 60601

IEC 60601 是国际电工委员会公布的一系列有关医疗电气设备安全性和有效性的威廉希尔官方网站 标准。它规定在正常条件下,通过人体的最大直流漏电流为 10 ?A;在最差的单一故障条件下,最大漏电流为 50 ?A。交流漏电流的最大值取决于激发频率。如果频率 (?E) 小于等于 1 kHz,则最大允许电流为 10 ?A rms。如果频率大于 1 kHz,则最大允许电流为

 可穿戴系统的生物阻抗电路设计的解决方案

这些患者电流限制是重要的电路设计参数。

电路设计解决方案

阻抗测量需要一个电压/电流源和一个电流/电压表,因此通常使用 DACADC。为了处理数据并获得阻抗的实部和虚部,精确的电压基准和电压/电流控制环路至关重要,并且通常需要一个微控制器。此外,可穿戴设备通常由单极电池供电。最后,将尽可能多的元件集成在单一封装中是非常有益的。ADuCM350 超低功耗的集成式混合信号芯片仪表包括 Cortex-M3 处理器硬件加速器,可以执行单频离散傅里叶变换 (DFT),因此成为可穿戴设备的有力解决方案。

为了满足 IEC 60601 标准,ADuCM350 与 AD8226 仪表放大器配合使用,以便使用 4 线威廉希尔官方网站 进行高精度测量,如图 2 所示。电容CSIO1 和 CISO2 阻止电极与用户之间的直流电流,消除了极化效应。ADuCM350 产生的交流信号传播到人体。

电容器 CSIO3 和 CSIO3 阻止来自 ADC 的直流电流电平,解决了半电池电位问题,并始终保持最大的动态范围。CSIO1、CSIO2、CSIO3 和 CSIO4 对用户进行电气隔离,确保在正常模式下和首次出现故障时实现零直流电流,以及在首次出现故障时实现零交流电流。最后,电阻 RLIMIT 用于保证交流电流在正常工作中低于限值。RACCESS 指示皮肤和电极的接触。

ADuCM350 测量来自跨阻放大器TIA) 的电流和 AD8226 的输出电压,以计算未知人体阻抗。RCM1 和 RCM2必须尽可能高以确保大多数 电流流经未知人体阻抗 和 TIA。建议的值为 10 MΩ。

 可穿戴系统的生物阻抗电路设计的解决方案

图 2. 使用 ADuCM350 和 AD8226 的四线式隔离测量电路。

设计限制

当电极和皮肤之间的阻抗在激发频率下接近 10 MΩ 时,此设计存在一定的局限性。电极和皮肤之间的阻抗必须远远小于 RCM1 和 RCM2 (10 MΩ),否则 VINAMP+ 将不等于 A 且 VINAMP– 将不等于 B,而且测量精度将会降低。当 激发频率大于 1 kHz 时,电极和皮肤之间的阻抗通常远小于 1 MΩ,如表 2 中所示。

验证

为了证明此设计的准确性,系统采用不同的未知阻抗进行测试,并将结果与采用 Agilent 4294A 阻抗分析仪测得的结果进行比较。在所有测试中,幅值误差均小于 ±1%。在 500 Hz 和 5 kHz 时,绝对相位误差小于 1°。50 kHz 时的 9° 相位偏置误差可在软件中进行校正。

结论

在设计由电池供电且测量阻抗的可穿戴设备时,必须考虑低功耗、高信噪比、电极极化和 IEC 60601 安全要求。本文介绍了使用 ADuCM350 和 AD8226 的解决方案。如需了解其他详细信息,包括完整的设计方程式,请访问 。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 电路设计
    +关注

    关注

    6673

    文章

    2441

    浏览量

    203717
  • 可穿戴
    +关注

    关注

    4

    文章

    759

    浏览量

    85407
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    可穿戴传感电路设计精华

    `  随着移动互联网迅速崛起,续智能移动设备之后,可穿戴设备被抬上新的高度,可面对这块大蛋糕,众厂家并没有给出让大众满意的方案及体验,究竟如何设计可穿戴设备才能交上这份满意的答卷呢?如果你是设计师你
    发表于 01-04 17:39

    智能穿戴分论坛:华为、高通携手IDT等名企分享主流可穿戴解决方案

    的传感器、无线通信等威廉希尔官方网站 的提高。为了让大家了解市面上主流的可穿戴威廉希尔官方网站 方案,本次智能穿戴分论坛将集合业内领先公司——华为,高通,IDT,Dialog等最新的产品和解决方案,一起来现场和专
    发表于 11-23 16:08

    智能可穿戴医疗保健设备的设计要素、挑战及解决之道

    ,为客户的设计和开发工作提供支持。 主信号链图1. 系统框图 注释:上述信号链代表智能可穿戴医疗保健设备系统。在具体设计中,模块的威廉希尔官方网站 要求可能不同,但下表列出的产品代表了满足部分要求的ADI
    发表于 08-20 06:47

    一周推荐:可穿戴式应用模拟前端 (AFE) 解决方案 集成式生物电势 AFE 和生物阻抗 (BioZ) + HR 检测算法

    ]设计解决方案 - 可穿戴式心脏监测的理想之选特性临床级 ECG AFE,具有高分辨率数据转换器真实环境下更强大的共模抑制比和高输入阻抗能更好地干燥启动高输入阻抗提供更好的共模至差分模
    发表于 08-21 10:05

    针对低功耗可穿戴应用的小型无线电源解决方案

    )针对低功耗可穿戴应用的小型无线电源传输器TI Designs参考设计是TI低功耗传输器bq500212A的应用电路。其与bq51003搭配为无线充电提供了绝佳的解决方案。为了实现合理的系统
    发表于 09-07 14:52

    可穿戴设计的电源管理

    一款可穿戴系统,这个系统包含一款由超低功耗TPS82740A供电的超低功耗MSP430F59xx微控制器。闲置时,电池提供的电流少于1µA!这个解决方案在两次充电之间支持很长的运行时间
    发表于 09-07 15:00

    ADI可穿戴设备电源管理解决方案

    解决方案呢?看看ADI亚太区医疗行业市场经理王胜怎么说吧! 迎合电源管理低功耗、小体积及低成本要求“可穿戴设备本身是很宽泛的概念覆盖各类产品形态,包括传统便携设备(如手表),也包括在非设备类的穿戴产品中
    发表于 09-17 10:43

    智能可穿戴医疗保健设备,您必须考虑的设计要素与挑战

    的功能有计步器、心率监测、运动记录、生物电位测量、生物阻抗测量、血氧测量等等。 智能可穿戴医疗保健设备是传统医疗设备的延伸。通常的医院用医疗设备体型巨大、结构复杂且功耗很高,旨在用于高
    发表于 09-21 14:27

    可穿戴系统生物阻抗电路设计挑战

    紧凑、成本便宜且功耗较低。此外,测量生物阻抗还带来了使用干式电极和安全要求方面的挑战。本文针对这些问题提供了一些解决方案。电极半电池电位 电极是使电子电路与非金属物体(如人类皮肤)接触
    发表于 10-18 11:03

    可穿戴系统生物阻抗电路设计挑战

    的最相关信息。为了确保有效性,可穿戴设备必须小巧紧凑、成本便宜且功耗较低。此外,测量生物阻抗还带来了使用干式电极和安全要求方面的挑战。本文针对这些问题提供了一些解决方案。电极半电池电位
    发表于 10-19 10:57

    可穿戴设备电源管理方案

    最近咱们的专家在多个场合为工程师分享了ADI的可穿戴智能产品解决方案,作为能决定可穿戴产品关键性能的电源部分,Speaker有不少分享,这里整理出来相关的产品及资料信息,分享给大家参考,相信这些在你
    发表于 12-20 09:30

    可穿戴系统生物阻抗电路设计挑战

    小巧紧凑、成本便宜且功耗较低。此外,测量生物阻抗还带来了使用干式电极和安全要求方面的挑战。本文针对这些问题提供了一些解决方案。电极半电池电位 电极是使电子电路与非金属物体(如人类皮肤)
    发表于 10-21 08:00

    可穿戴威廉希尔官方网站 的热点在哪里

    解决方案CapSense的可编程嵌入式片上系统解决方案,具有关键安全特性。另外,英飞凌的60GHz雷达解决方案有望用于血压监测和生命体征感测等未来健康监测
    发表于 03-30 14:06

    可穿戴系统生物阻抗测量

    用于生命体征监测 (VSM) 的可穿戴设备正在推动医疗行业的变革,使我们能够随时随地监测我们的生命体征和活动。通过测量人体阻抗,可以获得某些关键参数的最相关信息。
    的头像 发表于 11-08 11:06 7971次阅读
    <b class='flag-5'>可穿戴</b><b class='flag-5'>系统</b>的<b class='flag-5'>生物</b><b class='flag-5'>阻抗</b>测量

    可穿戴系统生物阻抗电路设计挑战

    用于生命体征监测 (VSM) 的可穿戴设备正在改变医疗保健行业,使我们能够随时随地监测我们的生命体征和活动。通过测量人体阻抗,可以获得有关其中一些关键参数的最相关信息。
    的头像 发表于 01-31 09:41 1055次阅读
    <b class='flag-5'>可穿戴</b><b class='flag-5'>系统</b>的<b class='flag-5'>生物</b><b class='flag-5'>阻抗</b><b class='flag-5'>电路设计</b>挑战