技術文章: 穿戴式系統的生物阻抗電路設計挑戰
#醫療電子 #穿戴式裝置 #生命體徵監測VSM #生物阻抗 #半電池電位 #轉阻放大器TIA #IEC60601
【將醫療保健進行到底：生命體徵監測】
用於生命體徵監測 (VSM) 的穿戴式設備正在改變醫療保健行業生態，以便隨時隨地監控自己的生命徵象和活動。在眾多關鍵參數中，有些資訊可透過測量身體阻抗取得。為達到良好效果，穿戴式設備必須具備體積小巧、成本低及功耗小的特性。此外，在測量生物阻抗時，還牽涉到使用乾電極和安全要求的挑戰。
所謂的「電極」，是指在電子電路與人類皮膚這類非金屬物體之間，形成接觸的電換能器 (electrical transducer)。在這種相互作用中，會產生一種被稱為「半電池電位」(half-cell potential) 的電壓，此電壓會降低 ADC 動態範圍。半電池電位還會隨電極材質的不同而變化；當沒有電流流過電極時，可觀察到半電池電位。
此時，量測到的電壓在直流電流流過時會增加，該「過電壓」會阻礙電流的流動、使電極極化，並降低其性能，特別是在運動狀態下。值得留意的是，對於大多數的生醫測量來說，非可極化 (濕) 電極通常比可極化 (乾) 電極更受歡迎；但行動式消費電子基於低成本和可重複使用考量，通常會使用乾電極。
在設計類比前端時，由於涉及到高阻抗，電極—皮膚間阻抗是很重要的考量點。該阻抗主要由低頻下的 Rs 和 Rd 的串聯組合所支配；當處於高頻時，由於電容效應，阻抗值會降低為 Rd。當電極—皮膚間阻抗在激勵頻率下接近 10MΩ 時，此設計會存在一些限制。
法規則是另一個關注焦點。IEC 60601 是由國際電工委員會 (International Electrotechnical Commission) 針對醫療電氣設備的安全性和有效性所制訂的一系列技術標準。其規定在正常條件下，通過人體的最大容許直流漏電流為 10μA；在單一故障 (single-fault) 時的最壞情況下，最大容許值為 50μA。最大交流漏電流則是取決於激勵頻率，這些人體電流限制都是電路設計上的重要參數。
阻抗的測量，需要用到「電壓／電流源」和「電流／電壓表」，因此通常會採用 DAC 和 ADC。精密的電壓參考基準和電壓／電流控制迴路非常重要，且通常需要一個微控制器 (MCU) 來處理數據，並獲得阻抗的實部和虛部。穿戴式設備通常是由單極性電池來供電，在設計上必須考慮到低功耗、高 SNR、電極極化以及 IEC 60601 安全要求。欲知詳情的工程師看過來：www.analog.com/…/an…/volume-48/number-4/articles/bio_imp.pdf
延伸閱讀：
《穿戴式系統的生物阻抗電路設計挑戰》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0113/34491.html
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