改進型呼吸體積描記系統的硬件設計與研究*

姬 軍 黃增躍 袁 青 王云龍

改進型呼吸體積描記系統的硬件設計與研究*

姬 軍①*黃增躍②袁 青②王云龍②

目的：設計一種改進型的呼吸體積描記技術(RIP)測量系統，解決目前的RIP測量系統適應性差和抗噪聲能力較弱等問題。方法：采用XILINX公司的CPLD芯片作為高精度恒流源電路的控制芯片，并通過濾波、前置放大、鎖相放大、自動控制放大、模擬數字轉換電路和TI公司的16位MCU等構成的微弱生理信號放大檢測硬件平臺對人體的呼吸信號進行檢測。結果：實驗測試結果表明，本系統檢測的潮氣量與呼吸頻率等呼吸參數與現行的肺功能儀(PN)有顯著的正相關性。結論：改進型的RIP測量系統具有檢測人體呼吸參數的能力，測量精確，操作簡單，可作為便攜式的呼吸檢測平臺。

呼吸體積描記；微弱生理信號；高精度

[First-author’s address] Department of Clinical Engineering, The No.305 Hospital of PLA, Beijing 100017, China.

呼吸體積描記(respiratory inductive p1ethysmography，RIP)技術是一種新穎的呼吸監測技術，與傳統肺功能流量計相比，RIP具有測量無創性，不影響呼吸模式，便攜式和無呼吸測量的死腔等優點，成為近年來生物醫學工程領域的研究熱點之一[1-2]。然而，現有的RIP技術仍然存在一定的缺點，如測量環境對傳感器的影響較大、產生的噪聲干擾會降低測量的精度導致靈敏度不夠高等，極大限制了RIP技術的推廣應用。因此，本研究設計的RIP測量系統價格低廉、結構簡單以及能在日常的測量環境中高精度地測量呼吸參數，是開展RIP技術應用的重要一步[3-4]。

1 RIP測量系統的構成

本研究涉及的RIP測量系統主要由高精度恒流源激勵模塊(CPLD控制器、DA轉換器、緩沖器和低通濾波器)、電感線圈傳感器、信號調理模塊(主要有前置放大器、鎖相放大器、增益自動控制器、減法器和后置放大器)、信號采集模塊(16位微處理器MSP430F149和AD轉換器)和軟件處理模塊構成(如圖1所示)。系統采用的處理芯片是XILINX的CPLD芯片XC95108和TI單片機MSP430F149[5-6]。

圖1 RIP系統結構框圖

1.1 恒流源激勵模塊

電感線圈傳感器對激勵信號的頻率比較敏感，而且在前期研究中發現，激勵信號的頻率在300～450 kHz范圍內，能激勵電感線圈傳感器產生一個合適的感生電壓而不引入較多的干擾信號和噪聲[7-8]。為獲得合適穩定的激勵信號，系統采用了基于CPLD高精度恒流源的設計[9]。

高精度恒流源設計是由CPLD芯片(XILINX的XC95108芯片)產生有規律的數字信號，并由16位高精度數字模擬轉換器(digita1 ana1og converter，DAC)和低通濾波模塊將數字信號轉換成平滑的模擬信號，再將模擬信號輸入壓控恒流源電路中，進而輸出精度高、穩定性好的恒流源信號，激勵后續的電感線圈傳感器[10]。

1.2 信號調理模塊

經過恒流源信號激勵后電感線圈傳感器會產生隨人體呼吸運動而變化的傳感信號，但此傳感信號不夠穩定，含有較多的噪聲，且幅值與變化幅度非常小。因此，系統中的信號調理模塊就顯得非常重要，主要是放大傳感信號，能夠降低噪聲的影響以及提高傳感信號的變化量百分比(即電感線圈傳感器變化的電感量與電感線圈總電感量之比)。此模塊主要包括了前置放大電路、鎖相放大電路、自動增益控制電路和后級放大電路，其主要功能如下。

(1)前置放大電路主要是將電感線圈傳感器經激勵后產生的傳感信號放大至合適的幅度，并利用放大后的傳感信號作為后續鎖相放大電路的輸入。由于傳感信號的幅度非常小(＜50 mV，其中由呼吸運動所引起的變化只有數百μV)，因此本系統采用了寬帶寬，線性度良好的弱信號放大器。

(2)鎖相放大電路主要檢測淹沒在噪聲中的微弱生理信號。在測量過程中由呼吸運動引起的傳感器變化量非常小(數十至數百μV)。為了提高系統的檢測精度和穩定性，本系統采用了基于AD630同步解調器的鎖相放大電路來檢測傳感信號中的呼吸運動變化信號[11]。

(3)自動增益控制電路和后級放大電路的作用是放大鎖相放大電路的輸出信號，同時提高傳感信號變化量百分比。由于不同個體之間的生理條件(如胸圍、腹圍、呼吸頻率及肺活量大小等)不盡相同，放大信號時往往會出現放大飽和或放大不足的現象，本研究采用的自動增益控制電路可很好地解決上述問題，提高RIP系統的適應性[12]。

1.3 信號采集模塊

傳感信號經調理信號模塊處理后信號的幅度為2～2.5 V，滿足A/D采樣的要求。本系統采用AD公司的16位Σ-Δ結構的A/D轉換器AD7705，以及TI公司的MSP430F149微處理器芯片，完成電感傳感信號的采樣，并通過UART傳到上位機進行數據處理與顯示[13]。

1.4 軟件處理模塊

本研究研制的改進型RIP呼吸測量系統的軟件模塊是基于MATLAB7.2a集成開發環境下編譯設計的，其主要功能是收集與存儲由下位機傳入的數據，并對數據進行處理和分析，將計算所得的參數與呼吸波形顯示出來(如圖2所示)。

圖2 RIP系統的軟件界面

2 實驗結果

圖3 RIP系統與PN測量潮氣量與呼吸頻率的結果對比圖

實驗利用本研究設計的改進型RIP系統選取14位健康成年人，其中男性6人，女性8人；年齡(24±0.74)歲；無吸煙史；對其進行呼吸監測，采用改進型最小二乘法對RIP系統進行校準，并將結果與德國耶格公司生產的型號為MASTERSCOPE的肺功能儀(pneumotachograph，PN)進行比較[14]。在平靜呼吸模式下，RIP測得的平均潮氣量為(503.45±93) m1，平均呼吸頻率為(16.478±1.875)次/min，PN測得的平均潮氣量為(495.37±94)m1，平均呼吸頻率為(16.843±1.861)次/min；在用力呼吸模式下，RIP測得的潮氣量為(1839.9±727.384)m1，PN為(1847.6±715.3)m1(如圖3所示)。經統計分析，RIP系統在測量潮氣量與PN存在較顯著的正相關關系(平靜呼吸模式下，r=0.987，P=0.001；用力呼吸模式下，r=0.991，P=0.001)，如圖4所示。

圖4 RIP系統在測量潮氣量與PN的配對檢驗結果圖

3 結語

本研究課題采用RIP、電感傳感器技術以及微處理機技術，研制了一種改進型的RIP呼吸測量系統。該系統為使用者提供了一個人體呼吸參數測量裝置，其適應性好，檢測方便，而且不需要患者太多的訓練與配合。經樣機測試試驗，RIP呼吸測量系統初步達到預期的檢測技術要求。目前，該系統在應用性與制作工藝方面還有待進一步提高，使之更加符合臨床實際測量要求。

[1]Gi1bert R，Auchinc1oss JH，Brodsky J，et a1.Changes in tida1 vo1ume，frequency，and venti1ation induced by their measurement[J].J App1 Physio1，1972，33(2)：252-254.

[2]Cohn MA，Rao AS，Broudy M，et a1.The respiratory inductive p1ethysmograph：a new non-invasive monitor of respiration[J].Bu11 Eur Physiopatho1 Respir，1982，18(4)：643-658.

[3]林芳.呼吸機潮氣量校準及其不確定度評定[J].中國醫學裝備，2010，7(11)：7-9. Grossman P，Wi1he1m FH，Brutsche M.Accuracy

[4]of venti1atory measurement emp1oying ambu1atory inductive p1ethysmography during tasks of everyday 1ife[J].Bio1ogica1 Psycho1ogy，2010，84(1)：121-128.

[5]Bonato P.Wearab1e sensors systems and their impact on biomedica1 engineering[J].IEEE Eng Med Bio1 Mag，2003，22(3)：18-20.

[6]Leino K，Nunes S，Va1ta P.et a1.Va1idation of a new respiratory inductive p1ethysmograph[J]. Acta Anaesthesio1 Scand，2001，45(1)：104-111.

[7]吳丹，徐效文，王磊，等.穿戴式動態睡眠呼吸監測系統的設計[J].傳感技術學報，2010，23(3)：322-325.

[8]郭勁松，鄧親愷.可穿戴式心電、呼吸傳感器與檢測系統的研制[J].中國醫療器械雜志，2006，30(5)：341-344.

[9]張政波，畢亞瓊，俞夢孫，等.穿戴式呼吸感應體積描記用于睡眠呼吸事件檢測[J].生物醫學工程學雜志，2008，25(2)：318-322.

[10]姬軍.呼吸感應體積描記法校準方法在不同呼吸狀態下的適用性[J].航天醫學與醫學工程，2013，26(1)：43-46.

[11]何明霞，曲秋紅，李萌，等.弱信號鎖相放大CD552-R3電路[J].傳感技術學報，2010，23(10)：1454-1457.

[12]陳銀根，李秀玲，肖冬平.微弱信號檢測-數字相關技術的研究[J].江西科學，2004，22(4)：268-271.

[13]Aguirre J，Medrano N，Ca1vo B，e1 a1.Lockin amp1ifier for portab1e sensing systems[J]. E1ectronics 1etters，2011，47(21)：1172-1173.

[14]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：航空航天大學出版社，2008：3-6.

Hardware design and research on improved respiratory inductive plethysmograph system/

JI Jun, HUANG Zeng-yue, YUAN Qing, et al

China Medical Equipment,2014,11(7):13-15.

Objective:To design an improved RIP system for solving the problems of low adaptability for application, low anti-noise performance and others. Methods: To utilize the CPLD from XILINX Int as the controlling MCU for high-precision constant current source circuits, the low-pass filter, pre-amplifier, automatic gain control amplifier and an analog to digital converter circuits along with a 16-bit MCU from TI corporation as the hardware platform for detecting the weak biological signal. Results: The results of the ventilation, breath rate and other respiratory parameters from our system have a high positive correlation with those from pneumotachograph. Conclusion: The system has a good performance on measuring respiratory parameters with a high accuracy, simple operations and good portability.

Respiratory inductive plethysmograph; Weak biological signal; High-precision

1672-8270(2014)07-0013-03

R197.324

A

姬軍，男，(1970- )，博士，副主任技師，碩士研究生導師。解放軍第305醫院醫學工程科，從事生物醫學信號檢測與處理、智能醫療儀器設計、醫療設備計量與質量控制等方面工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.005

2014-01-07

首都醫學發展科研基金(2007-3038)“基于可穿戴RIP技術的不典型癥狀哮喘診斷方法的研究”

①解放軍第305醫院醫學工程科 北京 100017

②南方醫科大學研究生學院 廣東 廣州 510515

*通訊作者: kx68@163.com