生物阻抗测量是一种快速无创评估人体组成和诊断某些类型疾病的低成本通用方法，在生理信息提取及医学诊断领域得到广泛的实践与应用。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《基于电流失配消除和阻抗提高技术的100MΩ输入阻抗、0.5mΩ/√Hz灵敏度、106dB 信噪比、0.45cm2 干电极的人体生物阻抗读取电路 》（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)。
作为一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术，生物阻抗(BioZ)检测是借助置于体表的电极系统向检测对象送入微小的交流测量电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息，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。这种非侵入的方式具有无创、安全、低成本、操作简单和功能信息丰富等特点，医生和病人都容易接受。
国外的生物电阻抗测量技术在基础研究方面水平较高，以电阻抗断层成像技术(ET)为发展方向的新一代生物阻抗技术正吸引着越来越多的研究者。而国内的生物阻抗技术以应用研究和消费电子为主，以各种导纳血流图、体脂仪为代表的生物阻抗技术已广泛用于临床和健康监测，其无辐射、低开销、非侵入的特点，日益提高了市场对高能效生物阻抗测量设备的需求。
然而，传统的生物阻抗测量系统仍然有许多亟待改进的问题，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，等等。导致现有检测设备存在工作频率范围窄、体积大、造价昂贵等问题，测量方法与测量系统的设计均有改进空间。
徐佳伟课题组致力于研究智能传感电路中的高精度模拟放大器和数据转换器（ADC、DAC）、应用于可穿戴医疗设备的电生理信号模拟前端芯片（如心电、脑电、生物阻抗、血氧等）、应用于可植入和可介入医疗设备的混合信号片上系统（如脑机接口、超声成像等）等研究，力求通过电路设计的创新解决实际应用中的问题。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。
该项工作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。
论文链接：
http://submissions.mirasmart.com/ISSCC2022/PDF/ISSCC2022AdvanceProgram.pdf
