双通道呼吸阻抗测量系统的研制
作者：王卫红 鲍咸能 王博亮
单位：国防科技大学 (410073)
关键词：双通道呼吸阻抗测量；硬件系统；软件系统；人体实验
中国医疗器械杂志990207 提要 为了能够得到高低两种不同频率下的呼吸阻抗信号，设计研制了一套高性能的双通道呼吸阻抗测量硬件系统，编制了用于实时采集数据、显示波形、存储数据的软件系统。详细介绍了此测量系统的硬件和软件设计，并通过人体实验证实了此测量系统反映灵敏、测量准确。
The Development of a Two-channel Impedance Pneumography
Wang Weihong Bao Xianneng
Institute of Space Medico-Engineering
, 百拇医药
Wang Boliang
National University of Defence Technology
ABSTRACT To obtain respiratory signals with impedance method at two measuring frequencies, a high-performance two-channel impedance pneumography was implemented and the software including acquisiting data,showing waves,storing datas were developed.Human experiment was done and the results were also presented.
KEY WORDS Two-channel impedance pneumography Hardware system Software system Human experiment
, 百拇医药
在临床和航天医学中，多项生理参数监护(如心电、血压、呼吸、体温等)运用得越来越广泛，它可以反映人体生理系统的总体状况。呼吸是要监测的一个重要生理指标。用阻抗法监测呼吸，只需要一对(或二对)电极，使用简单、方便、安全可靠。它的缺点是受人体运动引起的干扰影响较大。随着多频率阻抗测试技术的应用和发展，采用双频率阻抗测试方法来监测呼吸，然后再加以适当处理，其抗运动干扰能力比使用单一频率激励源会有很大改善。为了能够同时得到两种频率下的呼吸阻抗信号，设计研制了一套高性能的双通道呼吸阻抗测量的硬件系统，编制了用于实时采集、显示、存储数据的软件系统，并通过人体实验证实了此测量系统反映灵敏、测量准确，能够满足测量要求。
1 阻抗法监测呼吸的原理和方法[1]
人体是一个大的生物导电体，其组织和器官对高频电流呈现一定的阻抗。当人体做呼吸运动时，其胸部阻抗会随之发生变化，通过对胸腔输入一定频率、一定大小值的恒定电流，检测出两端电压的变化，即可得到对应的呼吸阻抗变化信号。
, http://www.100md.com
在用阻抗法测量呼吸中，常用的有两电极法或四电极法。在两电极法中，恒定电流加在两个电极上，同时也由这两个电极检测反映阻抗变化的电压。在四电极法中，恒定的电流加在外侧的两个电流电极上，由内侧的两个电压电极来检测反映阻抗变化的电压。采用四电极法，其主要的缺点是电极个数太多，给被试者带来不必要的负担。与此相反，两电极法的最大优点是电极个数少，使用方便，这对于载人航天的特定环境和被试者身上电极个数受到严格限制的应用情况来说是十分适宜的。因此，本文采用的是两电极测量方法。
图1 硬件系统的组成框图
2 双通道呼吸阻抗测量系统设计
2.1 硬件系统设计[2]
2.1.1 硬件系统的主要性能指标
, 百拇医药
电极对数：一对
激励信号源：50kHz～200kHz正弦波，每路电流强度：0.07mA(有效值)
测量灵敏度：0.5V/Ω
时间常数：10s
低通滤波：截止频率25Hz
校准信号：1Ω
安全保护：浮地隔离、光电耦合输出。
2.1.2 硬件系统的组成
本硬件系统由恒流源、高输入阻抗调谐放大器、检波器、直流放大器、光电耦合隔离电路、低通滤波器、基线回零装置、定标电路和电源等几个部分组成。系统的组成框图如图1所示。
, 百拇医药
此硬件系统中有恒流源1和恒流源2两个恒流源。每个恒流源均由信号源和信号源内阻两部分组成。信号源由精密波形发生器ICL8038单片集成电路和外接电阻、电容元件组成。电路结构简单。它可以产生频率范围宽达0.001Hz-300kHz的正弦信号。此信号经过放大并经变压器升压后，再经过信号源内阻(两路均为100K)直接送至被试者胸腔。恒流源1和恒流源2可以分别产生频率为50kHz到200kHz之间的恒定电流，其电流强度均为0.07mA(有效值)。
从人体电极上检测到的信号是高低两种频率信号的叠加信号，为了把这个混叠信号分开，设计了两个用LC并联谐振回路作为负载的调谐放大器。为了使放大器有足够高的输入阻抗，放大器输入级采用场效应管，并接成源极输出形式，使放大器输入阻抗大于10MΩ。其实现原理框图如图2所示。
图2 分离叠加信号的原理框图
, http://www.100md.com
检波器是为了从受呼吸调制的已放大的高频信号中得到所需要的呼吸阻抗信号而设计的。检波器由运算放大器构成，它对小信号也有较好的检波作用。通过检波器，可检出高频信号幅值变化的包络线，即可得到需要的呼吸阻抗信号。
为了使最后输出信号的幅值能够达到测量或数字化的要求，需要对已检出的呼吸阻抗信号进行放大。根据系统要达到的测量灵敏度的要求，直流放大器的放大倍数为1000倍，由两级放大电路组成，第一级的放大倍数为20倍，第二级的放大倍数为50倍。直流放大器的时间常数是10秒。
低通滤波器是为了消除高频噪声以及50Hz工频干扰而设计的，采用四阶有源低通滤波电器来实现，截止频率为25Hz。
为了使两路信号的测量灵敏度相同，设计了一个定标电路，当信号变化1Ω时，使两路的输出均为0.5V。系统测量、定标方式由开关进行选择。
为了使系统一接通电源或出现瞬时过载时能迅速回零，并进入正常运行状态，系统设计了一个手动回零装置。只要一按动按钮，便可使直流放大器的输入端接地，使整个系统迅速回零。
, http://www.100md.com
为了保证被试者的人身安全，输出级设计了光电耦合隔离电路。光电耦合隔离电路用芯片TLP521-2来实现，其非线性失真小于0.5%。光电耦合隔离电路前的电路采用一个±12V的浮地电源来供电，其后的电路采用另一个±12V的电源来供电。为了减少由电源引起的干扰，对每一路正、负电源均采用了由电阻和电容组成的退耦电路。
2.2 软件系统设计
本软件系统能够同时对双通道呼吸阻抗测量硬件系统的输出进行实时数据采集、显示和存储。两路信号的采样率均为60Hz，采集的呼吸阻抗波形以滚屏方式显示，当信号比较平稳需要存储时，只需按Y键，即可达到对采集的数据边显示边存盘；当不需要存储时，只需按N键即可结束存盘。程序流程图如图3所示。
图3 程序流程图
, http://www.100md.com 3 人体实验结果
为了验证设计的软硬件系统的有效性，选择不同年龄、性别的被试者做了实验。电极选用极化电位较小的Ag/AgCl圆状小电极[3]，电极的粘贴部位选在腋中线第五、六肋间。当电极放在腋中线第五、六肋间时，呼吸阻抗的灵敏度较高。电极粘贴部位用酒精棉球涂搽脱脂去污，电极引线用橡皮膏固定好。实验时一个通道的频率设定为185kHz，另一个通道的频率设定为57kHz。实验发现，该系统反应灵敏，性能良好，均可实时地显示并记录不同情况下的呼吸阻抗波形。
图4 某被试者正常呼吸时的呼吸阻抗信号
图5 某被试者屏住呼吸胳膊运动产生的伪呼吸阻抗信号
, 百拇医药
图4为记录的某被试者正常呼吸时的呼吸阻抗信号，图5为记录被试者在屏住呼吸的情况下，由胳膊运动产生的伪呼吸阻抗信号，即运动干扰信号。
从图4中可以看出，高频一路信号的幅度明显大于低频一路。从图5中可以看出，当屏住呼吸胳膊运动时，低频一路伪呼吸阻抗信号的幅度大于高频一路。这两点与文献中的报道是相符的[4]。这就证实了此双通道呼吸阻抗测量系统是有效的，能够满足测量要求。
4 结束语
本文设计研制的双通道呼吸阻抗测量系统性能可靠、测量准确、实时性好。硬件上采取对电源加退耦处理、正确选择接地点以及采取局部和整体的屏蔽措施，较好地去除了工频以及其它的高频干扰信号，提高了测量的准确性。通过此系统可以得到两种不同频率下的呼吸阻抗信号，这为进一步研究通过双频率阻抗测试方法来更好地监测呼吸奠定了基础。
参 考 文 献
, 百拇医药
1任超世译.阻抗技术在呼吸系统中的应用.国外医学生物医学工程分册.1989；12(6)：388～340
2D.K.Swanson,et al.Simple design for an impedance plethysmgraph.Med.Biol.Eng.&Comput.,1982;20:461～465
3S.Luo,V.X.Afonso,et al.The electrode system in impedance-based ventilation measurement.IEEE Trans.BME,1992;39:1130-1141
4J.Rosell,et al.Signal-to-motion artifact ratio versus frequency for impedance pneumography.IEEE Trans.BME,1995;42:321-323
(1998年5月12日收稿), 百拇医药
单位：国防科技大学 (410073)
关键词：双通道呼吸阻抗测量；硬件系统；软件系统；人体实验
中国医疗器械杂志990207 提要 为了能够得到高低两种不同频率下的呼吸阻抗信号，设计研制了一套高性能的双通道呼吸阻抗测量硬件系统，编制了用于实时采集数据、显示波形、存储数据的软件系统。详细介绍了此测量系统的硬件和软件设计，并通过人体实验证实了此测量系统反映灵敏、测量准确。
The Development of a Two-channel Impedance Pneumography
Wang Weihong Bao Xianneng
Institute of Space Medico-Engineering
, 百拇医药
Wang Boliang
National University of Defence Technology
ABSTRACT To obtain respiratory signals with impedance method at two measuring frequencies, a high-performance two-channel impedance pneumography was implemented and the software including acquisiting data,showing waves,storing datas were developed.Human experiment was done and the results were also presented.
KEY WORDS Two-channel impedance pneumography Hardware system Software system Human experiment
, 百拇医药
在临床和航天医学中，多项生理参数监护(如心电、血压、呼吸、体温等)运用得越来越广泛，它可以反映人体生理系统的总体状况。呼吸是要监测的一个重要生理指标。用阻抗法监测呼吸，只需要一对(或二对)电极，使用简单、方便、安全可靠。它的缺点是受人体运动引起的干扰影响较大。随着多频率阻抗测试技术的应用和发展，采用双频率阻抗测试方法来监测呼吸，然后再加以适当处理，其抗运动干扰能力比使用单一频率激励源会有很大改善。为了能够同时得到两种频率下的呼吸阻抗信号，设计研制了一套高性能的双通道呼吸阻抗测量的硬件系统，编制了用于实时采集、显示、存储数据的软件系统，并通过人体实验证实了此测量系统反映灵敏、测量准确，能够满足测量要求。
1 阻抗法监测呼吸的原理和方法[1]
人体是一个大的生物导电体，其组织和器官对高频电流呈现一定的阻抗。当人体做呼吸运动时，其胸部阻抗会随之发生变化，通过对胸腔输入一定频率、一定大小值的恒定电流，检测出两端电压的变化，即可得到对应的呼吸阻抗变化信号。
, http://www.100md.com
在用阻抗法测量呼吸中，常用的有两电极法或四电极法。在两电极法中，恒定电流加在两个电极上，同时也由这两个电极检测反映阻抗变化的电压。在四电极法中，恒定的电流加在外侧的两个电流电极上，由内侧的两个电压电极来检测反映阻抗变化的电压。采用四电极法，其主要的缺点是电极个数太多，给被试者带来不必要的负担。与此相反，两电极法的最大优点是电极个数少，使用方便，这对于载人航天的特定环境和被试者身上电极个数受到严格限制的应用情况来说是十分适宜的。因此，本文采用的是两电极测量方法。
图1 硬件系统的组成框图
2 双通道呼吸阻抗测量系统设计
2.1 硬件系统设计[2]
2.1.1 硬件系统的主要性能指标
, 百拇医药
电极对数：一对
激励信号源：50kHz～200kHz正弦波，每路电流强度：0.07mA(有效值)
测量灵敏度：0.5V/Ω
时间常数：10s
低通滤波：截止频率25Hz
校准信号：1Ω
安全保护：浮地隔离、光电耦合输出。
2.1.2 硬件系统的组成
本硬件系统由恒流源、高输入阻抗调谐放大器、检波器、直流放大器、光电耦合隔离电路、低通滤波器、基线回零装置、定标电路和电源等几个部分组成。系统的组成框图如图1所示。
, 百拇医药
此硬件系统中有恒流源1和恒流源2两个恒流源。每个恒流源均由信号源和信号源内阻两部分组成。信号源由精密波形发生器ICL8038单片集成电路和外接电阻、电容元件组成。电路结构简单。它可以产生频率范围宽达0.001Hz-300kHz的正弦信号。此信号经过放大并经变压器升压后，再经过信号源内阻(两路均为100K)直接送至被试者胸腔。恒流源1和恒流源2可以分别产生频率为50kHz到200kHz之间的恒定电流，其电流强度均为0.07mA(有效值)。
从人体电极上检测到的信号是高低两种频率信号的叠加信号，为了把这个混叠信号分开，设计了两个用LC并联谐振回路作为负载的调谐放大器。为了使放大器有足够高的输入阻抗，放大器输入级采用场效应管，并接成源极输出形式，使放大器输入阻抗大于10MΩ。其实现原理框图如图2所示。
图2 分离叠加信号的原理框图
, http://www.100md.com
检波器是为了从受呼吸调制的已放大的高频信号中得到所需要的呼吸阻抗信号而设计的。检波器由运算放大器构成，它对小信号也有较好的检波作用。通过检波器，可检出高频信号幅值变化的包络线，即可得到需要的呼吸阻抗信号。
为了使最后输出信号的幅值能够达到测量或数字化的要求，需要对已检出的呼吸阻抗信号进行放大。根据系统要达到的测量灵敏度的要求，直流放大器的放大倍数为1000倍，由两级放大电路组成，第一级的放大倍数为20倍，第二级的放大倍数为50倍。直流放大器的时间常数是10秒。
低通滤波器是为了消除高频噪声以及50Hz工频干扰而设计的，采用四阶有源低通滤波电器来实现，截止频率为25Hz。
为了使两路信号的测量灵敏度相同，设计了一个定标电路，当信号变化1Ω时，使两路的输出均为0.5V。系统测量、定标方式由开关进行选择。
为了使系统一接通电源或出现瞬时过载时能迅速回零，并进入正常运行状态，系统设计了一个手动回零装置。只要一按动按钮，便可使直流放大器的输入端接地，使整个系统迅速回零。
, http://www.100md.com
为了保证被试者的人身安全，输出级设计了光电耦合隔离电路。光电耦合隔离电路用芯片TLP521-2来实现，其非线性失真小于0.5%。光电耦合隔离电路前的电路采用一个±12V的浮地电源来供电，其后的电路采用另一个±12V的电源来供电。为了减少由电源引起的干扰，对每一路正、负电源均采用了由电阻和电容组成的退耦电路。
2.2 软件系统设计
本软件系统能够同时对双通道呼吸阻抗测量硬件系统的输出进行实时数据采集、显示和存储。两路信号的采样率均为60Hz，采集的呼吸阻抗波形以滚屏方式显示，当信号比较平稳需要存储时，只需按Y键，即可达到对采集的数据边显示边存盘；当不需要存储时，只需按N键即可结束存盘。程序流程图如图3所示。
图3 程序流程图
, http://www.100md.com 3 人体实验结果
为了验证设计的软硬件系统的有效性，选择不同年龄、性别的被试者做了实验。电极选用极化电位较小的Ag/AgCl圆状小电极[3]，电极的粘贴部位选在腋中线第五、六肋间。当电极放在腋中线第五、六肋间时，呼吸阻抗的灵敏度较高。电极粘贴部位用酒精棉球涂搽脱脂去污，电极引线用橡皮膏固定好。实验时一个通道的频率设定为185kHz，另一个通道的频率设定为57kHz。实验发现，该系统反应灵敏，性能良好，均可实时地显示并记录不同情况下的呼吸阻抗波形。
图4 某被试者正常呼吸时的呼吸阻抗信号
图5 某被试者屏住呼吸胳膊运动产生的伪呼吸阻抗信号
, 百拇医药
图4为记录的某被试者正常呼吸时的呼吸阻抗信号，图5为记录被试者在屏住呼吸的情况下，由胳膊运动产生的伪呼吸阻抗信号，即运动干扰信号。
从图4中可以看出，高频一路信号的幅度明显大于低频一路。从图5中可以看出，当屏住呼吸胳膊运动时，低频一路伪呼吸阻抗信号的幅度大于高频一路。这两点与文献中的报道是相符的[4]。这就证实了此双通道呼吸阻抗测量系统是有效的，能够满足测量要求。
4 结束语
本文设计研制的双通道呼吸阻抗测量系统性能可靠、测量准确、实时性好。硬件上采取对电源加退耦处理、正确选择接地点以及采取局部和整体的屏蔽措施，较好地去除了工频以及其它的高频干扰信号，提高了测量的准确性。通过此系统可以得到两种不同频率下的呼吸阻抗信号，这为进一步研究通过双频率阻抗测试方法来更好地监测呼吸奠定了基础。
参 考 文 献
, 百拇医药
1任超世译.阻抗技术在呼吸系统中的应用.国外医学生物医学工程分册.1989；12(6)：388～340
2D.K.Swanson,et al.Simple design for an impedance plethysmgraph.Med.Biol.Eng.&Comput.,1982;20:461～465
3S.Luo,V.X.Afonso,et al.The electrode system in impedance-based ventilation measurement.IEEE Trans.BME,1992;39:1130-1141
4J.Rosell,et al.Signal-to-motion artifact ratio versus frequency for impedance pneumography.IEEE Trans.BME,1995;42:321-323
(1998年5月12日收稿), 百拇医药