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对可穿戴设备和医疗物联网（IoMT）设备日益增长的需求，正推动着用于连续生理监测的紧凑、低功耗平台的发展。生物阻抗分析是一种用于评估组织特性、身体成分和呼吸动力学的多功能非侵入性技术。本研究介绍了一种基于SENSIPLUS芯片的紧凑型生物阻抗测量平台，该芯片是
对可穿戴设备和医疗物联网（IoMT）设备日益增长的需求，正推动着用于连续生理监测的紧凑、低功耗平台的发展。生物阻抗分析是一种用于评估组织特性、身体成分和呼吸动力学的多功能非侵入性技术。本研究介绍了一种基于SENSIPLUS芯片的紧凑型生物阻抗测量平台，该芯片是一种CMOS传感器接口，集成了频率可编程锁相放大器，用于10 kHz–1 MHz范围内的电化学阻抗谱（EIS）。该平台在三个互补层面上进行了验证：(i) 在Debye组织等效电路上进行电气特性分析，采用三点双线性校准，并分析电极-皮肤贡献和重复性评估；(ii) 体内多频生物阻抗谱（BIS），结合Cole-Cole模型拟合和钩形效应校正；(iii) 用于呼吸监测的单频胸部阻抗体积描记术。结果与Agilent E4980A精密电感（L）、电容（C）和电阻（R）表以及校准肺活量计进行了比较。所提出的设备在所研究的频率范围内实现了低于5.7%的最大电阻误差和低于6 Ω的电抗偏差，Cole-Cole参数与参考值一致，胸部阻抗变化与潮气量之间存在强线），十次测量中呼吸率估计误差低于2%，正常呼吸时为1.43%，深呼吸时为1.96%。这些结果表明，基于SENSIPLUS的平台达到了与可穿戴IoMT应用要求兼容的计量性能，在单受试者概念验证研究中得到验证，同时所有关键模拟功能依赖于一个紧凑的（1.5×1.5）mm2系统级芯片，功耗低至1.5 mW。
**论文解读：基于SENSIPLUS芯片的紧凑型生物阻抗测量平台验证**
随着可穿戴设备和医疗物联网（IoMT）技术的快速发展，对紧凑、低功耗、非侵入式连续生理监测系统的需求日益迫切。生物阻抗分析作为一种通用非侵入性技术，可用于评估组织特性、身体成分和呼吸动力学。然而，传统的临床参考技术（如肺活量测定和多导睡眠图）需要训练有素的人员、专用临床环境，且设备笨重，不适合连续、无干扰的监测。现有可穿戴生物阻抗平台在精度、功耗和尺寸方面仍存在挑战。本研究旨在系统验证基于SENSIPLUS芯片的紧凑型生物阻抗测量平台，探讨其在电气特性、体内多频生物阻抗谱（BIS）和单频呼吸监测中的可行性，为可穿戴IoMT设备提供可靠的计量性能。
研究团队通过三个互补层面验证了平台性能：电气特性验证（使用Debye模型组织等效电路）、体内多频BIS（Cole-Cole模型拟合与钩形效应校正）和单频胸部阻抗体积描记术（IP）用于呼吸监测。结果表明，校准后电阻最大相对误差低于5.7%，电抗偏差低于6 Ω；体内BIS获得的Cole-Cole参数与参考LCR表一致；呼吸监测中胸部阻抗变化与潮气量呈强线），呼吸率估计误差低于2%。该平台基于SENSIPLUS芯片（1.5×1.5 mm2，功耗1.5 mW），实现了与可穿戴IoMT应用兼容的计量性能。论文发表在《Sensors》。
研究人员采用以下关键技术方法：基于SENSIPLUS芯片的测量平台，该芯片集成了频率可编程锁相放大器（LIA）架构，用于电化学阻抗谱（EIS）；采用四点（4T）测量法以最小化接触阻抗影响；应用三点双线性校准程序，使用三个经Agilent E4980A精密LCR表精确测量的高精度电阻作为参考标准；使用Debye模型组织等效电路（DUT1和DUT2）进行电气验证，并引入电极-皮肤接触模型（并联RC电路）分析其贡献；体内多频BIS采用Cole-Cole模型拟合和钩形效应校正；单频阻抗体积描记术（IP）与校准肺活量计对比，进行幅度和时间分析。所有生理测量在单健康志愿者（单受试者概念验证）上进行。
通过三点双线 MHz频率范围内测量了DUT1和DUT2的阻抗谱。电阻最大相对误差DUT1为1.2%，DUT2为5.71%；电抗最大绝对误差DUT1为1.24 Ω，DUT2低于6 Ω。结果表明校准有效校正了系统误差，使平台精度与参考LCR表可比。
引入电极-皮肤等效电路后，低频（11 kHz）时电抗误差显著增大（DUT1从1.24 Ω增至5.56 Ω），高频时误差减小，符合电容性电极-皮肤界面的特性。电阻误差仅略有增加，证实四点法有效抑制了同相贡献。
十次连续测量中，DUT1的最大标准偏差为电阻0.76 Ω、电抗0.55 Ω；DUT2为电阻1.37 Ω、电抗0.97 Ω。低频段分散略大，但整体重复性良好。
线性回归显示峰值-峰值阻抗幅度与潮气量强相关（R2=0.98），斜率0.118 L/Ω。Bland-Altman分析显示总体偏倚小（-0.033 L），正常呼吸偏倚-0.010 L，深呼吸偏倚-0.138 L，93.8%的呼吸周期落在一致性界限内。
研究团队在讨论部分指出，电气验证中校准后的误差与参考LCR表可比，电极-皮肤接触贡献主要集中于低频，重复性良好。体内BIS结果与文献参考值一致，钩形效应校正有效。呼吸监测中幅度相关性强，但深呼吸时变异性增加，可能与电极-皮肤界面变形、同步误差及生理变异有关。呼吸率估计精度高，但结论基于单受试者，不能推广至临床人群。
研究结论部分翻译如下：本文对基于SENSIPLUS芯片的紧凑型生物阻抗测量平台进行了全面的实验验证，涵盖电气特性、体内生物阻抗谱和用于呼吸监测的单频阻抗体积描记术。在电气验证层面，三点双线性校准将最大电阻相对误差降至DUT1的1.2%和DUT2的5.71%，电抗最大绝对误差分别为1.24 Ω和低于6 Ω。Debye模型组织等效电路提供了分析精确、可重复的参考标准，实现了对校准后残余系统误差的严格量化。电极-皮肤界面分析证实其贡献主要为电容性，集中在低于约16 kHz的频率下。十次重复测量中，DUT1的最大标准偏差为0.76 Ω（R）和0.55 Ω（X），DUT2为1.37 Ω（R）和0.97 Ω（X）。对于多频BIS，平台在钩形效应校正（C
=38.5 nF）后成功表征了前臂体内阻抗谱，获得的Cole-Cole参数（R
s，α=0.86）与健康受试者的已发表参考值一致。这些结果暗示了该平台在组织特性表征方面的潜力；身体成分和体液状态的评估需要更大独立队列的专门验证。对于单频阻抗体积描记术，胸部生物阻抗变化与肺活量计潮气量之间显示出强线%的逐次呼吸测量落在Bland-Altman一致性界限（±0.241 L）内。呼吸率估计在十次测量中平均相对误差低于2%，正常呼吸时为1.43%，深呼吸时为1.96%。这些结果支持所研究的单受试者方案中使用SENSIPLUS平台进行呼吸率估计的可行性。然而，这些结果不应被视为临床准确性或跨受试者、病理状态或长期可穿戴使用的证据。需要注意的是，本工作中的生理测量是在一名健康志愿者上进行的，旨在作为所提出平台的概念验证，而非临床研究。因此，所报告的生理结果应被视为系统技术可行性和测量性能的证据。未来工作将聚焦于在更大、独立队列中的验证，包括不同年龄、性别、身体成分、水合状态和呼吸模式的受试者。还需要专门研究评估平台在身体成分和体液状态监测中的准确性，以及在长时间可穿戴采集中的鲁棒性，其中电极-皮肤稳定性、运动伪影、姿势和环境条件可能影响测量结果。此外，将探讨当前离线MATLAB信号处理流水线向轻量级边缘可部署实现（如嵌入式固件或便携式软件框架）的迁移，以更好地支持实时可穿戴和IoMT操作。所报告的结果表明，基于SENSIPLUS的平台实现了适用于多频谱和单频生理监测应用的计量性能，同时保持了紧凑的尺寸（1.5×1.5 mm2）和低功耗（1.5 mW），这些被广泛认为是集成到可穿戴IoMT设备的先决条件。还应注意，本工作报告的紧凑尺寸和低功耗指标针对的是SENSIPLUS芯片本身，该芯片执行所有阻抗测量所需的关键模拟功能。MAT板仅用于简化实验室实验，提供连接器、电源分配和与主机的数字通信。当前配置中，MAT板从5 V USB电源线 mA电流。然而，由于SENSIPLUS执行关键模拟操作，其与紧凑型低功耗微控制器和优化嵌入式处理的集成可合理设想为迈向完全可穿戴实施的下一步。
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