病人監護中的經胸阻抗測量

摘要：病人監護儀可測量和顯示病人的各種生命體征。主要關注的生命特征是病人的心電圖（ECG）信號，但其它參數也很重要，包括體溫、血壓和呼吸率。本文介紹基于胸阻抗的呼吸測量原理。本文網絡版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/192727.htm

關鍵詞：ADI；病人監護儀；呼吸測量；ADAS1000

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.003

呼吸系統通過呼吸為我們的血液提供充足的氧氣。身體中的所有細胞都需要氧氣才能存活、生長并將食物轉化為能量。當我們呼吸時，我們吸入氧氣，呼出作為細胞呼吸副產品的二氧化碳和水蒸氣。呼吸在大多數情況下是無意識的過程，一般不費力氣，受自主神經系統的控制，后者使隔膜和肺部周圍肌肉的收縮和舒張。

這種收縮和舒張產生有節律的呼吸率和模式。放松呼吸是恒常現象，偶爾會打哈欠或嘆息。安眠時，僅吸氣肌肉工作，呼氣通常是一個被動過程，即吸氣舒張后肺部反彈[1] 。

正常呼吸取決于多種因素，如年齡、健康程度和壓力水平等，一般具有恒定的速率和容量。新生兒的呼吸率每分鐘約30至60次，成人的正常呼吸率約為每分鐘12至20次，可能因壓力、疾病和活動水平提高而增多。通過呼吸技術或冥想可實現更加放松的狀態，使呼吸率降低至每分鐘僅3到5次。

在醫院環境中，通過脈搏、血壓、體溫、呼吸和意識水平的生理觀察，醫生和護士可以及時獲得與病人健康相關的信息。在這些參數中，呼吸率是一項重要的生命體征，它提供有關病人不適或呼吸問題方面的重要信息，但有時候未得到充分利用[3-4]。異常呼吸率（超過表1所示值）、呼吸節律變化或比較吃力的呼吸，可能意味著某種生理不穩定，可幫助確定病人是否存在CHF（慢性心力衰竭）等心臟問題[5]。

確定病人呼吸率的關鍵是測量胸腔的電阻抗，它會隨著每次吸氣和呼氣而變化。病人吸氣時，胸阻抗增大，呼氣時則減小。一個設計用于檢測此阻抗變化（基于呼吸阻抗描記）的電路可提供高頻差分電流，然后通過一對電極將此電流驅動至病人側。呼吸引起的阻抗變化產生相應的電壓變化，可在同一對電極（2線呼吸測量）或不同的一對電極（4線呼吸測量）上測量此電壓變化。

實現最佳呼吸測量在很大程度上可能取決于病人位置。例如，如果病人正在睡覺或躺著，呼吸通常處于腹部區域，因此導聯II或III可提供最佳2線測量。如果病人處于豎直位置，則導聯I電極對可提供更好的信號。此外，壓力常常使我們僅用上胸部呼吸，針對比較鎮靜的病人，導聯II或III可能依然是合適的選擇。一個設計用于復用不同電極對的呼吸電路可確保實現充分覆蓋，從而捕捉最佳呼吸測量。

驅動電路

典型配置由驅動和測量電路組成。驅動部分可以是DDS或DAC，在編程設置的頻率下將兩個不同相位交流耦合電流提供給一對電極。電流通過串聯電阻和電容傳遞至病人。交流耦合可將病人與直流電隔離開，緩解向病人施加共模電壓的相關顧慮。

交流耦合電容的值決定電流幅度。電容值越大，則驅動電流越大，因而電壓差也越大，信噪比越高。圖2顯示了呼吸驅動和測量電路的典型信號鏈。

醫療標準規定了可安全注入病人的最大容許電流，DC至1 kHz為50μA rms。頻率每提高一倍，容許電流也加倍，直至提高到100 kHz時的1 mA，然后持平。

驅動頻率通常高于20 kHz，當頻率從較低值提高到100 kHz時，皮膚至電極阻抗降低大約100倍。

100 kHz以上的頻率對于呼吸驅動而言不常見，此時雜散電容難以控制，手術設備等干擾也會造成問題。

載波電極間的阻抗等于以下阻抗之和：電纜電阻（包括每個電極的除顫保護電阻，RCABLE通常為1k至10k歐姆，某些電纜更大）、電極與皮膚的接觸阻抗（50至700歐姆），以及電極間身體大塊組織的阻抗（RTHORACIC約為100至500歐姆）。存在上述大靜態阻抗的情況下，測量電路必須解析呼吸過程中出現的小于1歐姆的身體阻抗變化（R典型值是0.2至5歐姆峰峰值）。圖4顯示了分布在至病人路徑上的各部分阻抗。

測量電路

此電路的測量部分由高通濾波、放大、抗混疊、模數轉換和數字域中的同步解調組成，如圖2所示。采集的信號為驅動頻率的調幅載波和呼吸頻率的淺調制包絡。

圖5所示為信號在時域中的樣子。載波調制很小，對相關噪聲源有嚴格的限制，因此需要產生盡可能大的信號。載波的幅度和呼吸包絡取決于驅動電路產生的電壓、靜態和動態呼吸胸阻抗的值，以及驅動電路輸出端之間的總電阻。

測量分辨率受可用信噪比的限制。如上所述，呼吸期間胸腔的電阻抗會發生變化，在高達10k歐姆（驅動和返回路徑的電纜總阻抗）的基線上，變化值約為0.2歐姆。對于一個300 mV信號，它產生大約2μV的變化，因此必須使用極高分辨率ADC或過采樣。

電極與皮膚接觸，形成一個簡單的電池，每個電極可能具有高達300 mV的半電池電位。高通濾波器濾除直流信號成分，并提供更大交流增益。經過抗混疊后，ADC對信號進行數字化處理。

數字信號乘以信號發生器的I和Q相，結果經過低通濾波，獲得與信號發生器同相和正交的信號成分的幅度。由于呼吸頻率很低，因此這些低通濾波器可以具有數十Hz的截止頻率。I-Q信號可轉換為幅度相位格式，或由主處理器直接用于進一步濾波、呼吸率計算和分析。

ADI公司的ADAS1000可應對呼吸測量電路設計相關的許多挑戰。此芯片主要是一個多通道ECG前端，此外還提供一個兼具驅動和測量功能的完整呼吸電路。ADAS1000提供一個靈活的呼吸配置，驅動和測量可以在不同的路徑上切換（導聯I、II和III），確保可以檢測到盡可能最佳的呼吸信號。它還支持分離呼吸“驅動”和“接收”路徑的選項，如圖6所示，以提供比ECG電纜所能實現的更大的驅動。

這對運動期間的呼吸測量很有用，可以驅動一組電極，而測量另一組電極。這種方法可以使用如下配置：將載波注入到（例如）導聯I，而在另一組電極上進行測量（4線配置）。

需要更高分辨率（<0.2）時，4線/電極測量可以顯著提升整體分辨率。用外部驅動電容將阻抗載波注入導聯I，并在另一組電極上測量呼吸信號，例如LL相對于RL，便能解析低得多的阻抗水平。其它配置可以利用其它電極組合獲益。

結論

病人呼吸測量是一項重要參數，與其它重要生命體征一起供醫療保健專業人員使用。本文定義了目標信號并說明了一種測量該生命體征的方法。最近發布的ADAS1000是一款集成解決方案，不僅能測量ECG信號，而且能測量呼吸，從而提供更大價值并簡化生命體征監護設備的設計。