生物阻抗(BioZ)检测作为一种新兴的医疗诊断技术,可以通过非侵入的方式监测人体生理参数,例如呼吸、体脂变化、肺积水、血流动力、癌细胞部位诊断等一系列有关身体构成成分和生理状况的变化。其无辐射、低开销、非侵入的特点,使得市场对高能效的可穿戴生物阻抗测量设备的需求日益提高。
然而,传统的生物阻抗测量系统仍然存在许多关键问题,如依赖于凝胶电极的测量系统,因为电极面积与凝胶不适用于可穿戴实时检测,用户体验感差。而小尺寸干电极的应用会引入极高的接触阻抗,导致信号失真。同时读出电路的输入信号相关噪声,在生物阻抗信号较大时会严重降低系统的测量精度。最后,传统设计中采用互补电流源存在的电流不匹配问题,会导致低的输出阻抗和有限的电压裕量。
为解决上述问题,复旦大学集成电路设计实验室(ICD)创新性地提出了一种适用于干电极应用的高输入阻抗、高灵敏度、无电流失配的生物阻抗测量系统,相关研究成果以论文《A 0.5mΩ/√Hz 106dB SNR 0.45cm2 Dry-Electrode Bio-Impedance Interface with Current Mismatch Cancellation and Boosted Input Impedance of 100MΩ at 50kHz》被集成电路设计领域顶级国际学术会议ISSCC 2022录用,并荣获该年的“丝绸之路奖项”(ISSCC Silk Road Award)。该课题由徐佳伟和洪志良教授作为指导老师,第一作者为直博生潘钦竞,并由瞿天翔、唐彪、单飞等学生协助完成。
生物阻抗芯片和干电极呼吸测试
这项工作通过全预充技术(Full Pre-Charge)和安静斩波技术(Quiet Chopping)实现了一种高输入阻抗、低噪声的生物阻抗读出电路。此外,通过偏置控制环路(Bias Control Loop)降低了电流产生模块噪声并解决了其电流失配的问题,同时该设计消除了传统系统中需要的偏置电极,实现了低功耗、小尺寸干电极应用、完全意义上的四电极的生物阻抗测量系统。与国内外的最新研究成果相比,该系统测量信噪比达到106dB,并在50kHz的信号频率下,实现了100MΩ的输入阻抗,性能均为最优。为高能效、小尺寸、用户友好的可穿戴测量设备提供了一个有效的设计思路。