生物阻抗測量是一種快速無創評估人體組成和診斷某些類型疾病的低成本通用方法👵🧚🏿，在生理信息提取及醫學診斷領域得到廣泛的實踐與應用。恒行2平台集成電路設計實驗室(ICD)創新性地提出了一種適用於幹電極應用的高輸入阻抗、高靈敏度🐰、無電流失配的生物阻抗測量系統，相關研究成果以論文《基於電流失配消除和阻抗提高技術的100MΩ輸入阻抗、0.5mΩ/√Hz靈敏度💅、106dB 信噪比、0.45cm2 幹電極的人體生物阻抗讀取電路 》（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）被集成電路設計領域頂級國際學術會議ISSCC 2022錄用，並榮獲該年的“絲綢之路獎項”(ISSCC Silk Road Award)。
作為一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規律提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的檢測技術，生物阻抗(BioZ)檢測是借助置於體表的電極系統向檢測對象送入微小的交流測量電流或電壓，檢測相應的電阻抗及其變化，然後根據不同的應用目的，獲取相關的生理和病理信息，例如呼吸、體脂變化、肺積水、血流動力🙋🏼♀️、癌細胞部位診斷等一系列有關身體構成成分和生理狀況的變化🧑🏿🎓。這種非侵入的方式具有無創🐇、安全👱🏽♂️、低成本🏊、操作簡單和功能信息豐富等特點，醫生和病人都容易接受。
國外的生物電阻抗測量技術在基礎研究方面水平較高，以電阻抗斷層成像技術(ET)為發展方向的新一代生物阻抗技術正吸引著越來越多的研究者𓀔。而國內的生物阻抗技術以應用研究和消費電子為主，以各種導納血流圖、體脂儀為代表的生物阻抗技術已廣泛用於臨床和健康監測，其無輻射🤾🏻♀️、低開銷、非侵入的特點，日益提高了市場對高能效生物阻抗測量設備的需求。
然而，傳統的生物阻抗測量系統仍然有許多亟待改進的問題，如依賴於凝膠電極的測量系統🕵🏻♀️，因為電極面積與凝膠不適用於可穿戴實時檢測，用戶體驗感差😙。而小尺寸幹電極的應用會引入極高的接觸阻抗👨👧，導致信號失真。同時讀出電路的輸入信號相關噪聲，在生物阻抗信號較大時會嚴重降低系統的測量精度。最後，傳統設計中采用互補電流源存在的電流不匹配問題，會導致低的輸出阻抗和有限的電壓裕量👩🏼🦰，等等👩🏻💻。導致現有檢測設備存在工作頻率範圍窄🔒、體積大、造價昂貴等問題，測量方法與測量系統的設計均有改進空間🤦🏼。
徐佳偉課題組致力於研究智能傳感電路中的高精度模擬放大器和數據轉換器（ADC、DAC）🦻🏽、應用於可穿戴醫療設備的電生理信號模擬前端芯片（如心電、腦電、生物阻抗、血氧等）🧘🏻、應用於可植入和可介入醫療設備的混合信號片上系統（如腦機接口🧢、超聲成像等）等研究，力求通過電路設計的創新解決實際應用中的問題。這項工作通過全預充技術(Full Pre-Charge)和安靜斬波技術(Quiet Chopping)實現了一種高輸入阻抗👮🏼、低噪聲的生物阻抗讀出電路👨🌾。此外，通過偏置控製環路(Bias Control Loop)降低了電流產生模塊噪聲並解決了其電流失配的問題🌮，同時該設計消除了傳統系統中需要的偏置電極，實現了低功耗、小尺寸幹電極應用🦹🏽♂️、完全意義上的四電極的生物阻抗測量系統。與國內外的最新研究成果相比，該系統測量信噪比達到106dB🧙🏻，並在50kHz的信號頻率下👵🏻，實現了100MΩ的輸入阻抗，性能均為最優。為高能效、小尺寸👮🏻♂️、用戶友好的可穿戴測量設備提供了一個有效的設計思路。
該項工作由徐佳偉和洪誌良教授作為指導老師，第一作者為直博生潘欽競，並由瞿天翔、唐彪😬、單飛等學生協助完成。
論文鏈接：
http://submissions.mirasmart.com/ISSCC2022/PDF/ISSCC2022AdvanceProgram.pdf
