病人監(jiān)護(hù)中的經(jīng)胸阻抗測量

摘要：病人監(jiān)護(hù)儀可測量和顯示病人的各種生命體征。主要關(guān)注的生命特征是病人的心電圖（ECG）信號，但其它參數(shù)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(wǎng)絡(luò)版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/192727.htm

關(guān)鍵詞：ADI；病人監(jiān)護(hù)儀；呼吸測量；ADAS1000

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.003

呼吸系統(tǒng)通過呼吸為我們的血液提供充足的氧氣。身體中的所有細(xì)胞都需要氧氣才能存活、生長并將食物轉(zhuǎn)化為能量。當(dāng)我們呼吸時(shí)，我們吸入氧氣，呼出作為細(xì)胞呼吸副產(chǎn)品的二氧化碳和水蒸氣。呼吸在大多數(shù)情況下是無意識的過程，一般不費(fèi)力氣，受自主神經(jīng)系統(tǒng)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(chǎn)生有節(jié)律的呼吸率和模式。放松呼吸是恒常現(xiàn)象，偶爾會(huì)打哈欠或嘆息。安眠時(shí)，僅吸氣肌肉工作，呼氣通常是一個(gè)被動(dòng)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(dòng)水平提高而增多。通過呼吸技術(shù)或冥想可實(shí)現(xiàn)更加放松的狀態(tài)，使呼吸率降低至每分鐘僅3到5次。

在醫(yī)院環(huán)境中，通過脈搏、血壓、體溫、呼吸和意識水平的生理觀察，醫(yī)生和護(hù)士可以及時(shí)獲得與病人健康相關(guān)的信息。在這些參數(shù)中，呼吸率是一項(xiàng)重要的生命體征，它提供有關(guān)病人不適或呼吸問題方面的重要信息，但有時(shí)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(jié)律變化或比較吃力的呼吸，可能意味著某種生理不穩(wěn)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(guān)鍵是測量胸腔的電阻抗，它會(huì)隨著每次吸氣和呼氣而變化。病人吸氣時(shí)，胸阻抗增大，呼氣時(shí)則減小。一個(gè)設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)至病人側(cè)。呼吸引起的阻抗變化產(chǎn)生相應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(qū)域，因此導(dǎo)聯(lián)II或III可提供最佳2線測量。如果病人處于豎直位置，則導(dǎo)聯(lián)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(zhèn)靜的病人，導(dǎo)聯(lián)II或III可能依然是合適的選擇。一個(gè)設(shè)計(jì)用于復(fù)用不同電極對的呼吸電路可確保實(shí)現(xiàn)充分覆蓋，從而捕捉最佳呼吸測量。

驅(qū)動(dòng)電路

典型配置由驅(qū)動(dòng)和測量電路組成。驅(qū)動(dòng)部分可以是DDS或DAC，在編程設(shè)置的頻率下將兩個(gè)不同相位交流耦合電流提供給一對電極。電流通過串聯(lián)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(guān)顧慮。

交流耦合電容的值決定電流幅度。電容值越大，則驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)和測量電路的典型信號鏈。

醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(shí)的1 mA，然后持平。

驅(qū)動(dòng)頻率通常高于20 kHz，當(dāng)頻率從較低值提高到100 kHz時(shí)，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(qū)動(dòng)而言不常見，此時(shí)雜散電容難以控制，手術(shù)設(shè)備等干擾也會(huì)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(gè)電極的除顫保護(hù)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(tài)阻抗的情況下，測量電路必須解析呼吸過程中出現(xiàn)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(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字域中的同步解調(diào)組成，如圖2所示。采集的信號為驅(qū)動(dòng)頻率的調(diào)幅載波和呼吸頻率的淺調(diào)制包絡(luò)。

圖5所示為信號在時(shí)域中的樣子。載波調(diào)制很小，對相關(guān)噪聲源有嚴(yán)格的限制，因此需要產(chǎn)生盡可能大的信號。載波的幅度和呼吸包絡(luò)取決于驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的電壓、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)呼吸胸阻抗的值，以及驅(qū)動(dòng)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(huì)發(fā)生變化，在高達(dá)10k歐姆（驅(qū)動(dòng)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(gè)300 mV信號，它產(chǎn)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(gè)簡單的電池，每個(gè)電極可能具有高達(dá)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(jīng)過抗混疊后，ADC對信號進(jìn)行數(shù)字化處理。

數(shù)字信號乘以信號發(fā)生器的I和Q相，結(jié)果經(jīng)過低通濾波，獲得與信號發(fā)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(shù)十Hz的截止頻率。I-Q信號可轉(zhuǎn)換為幅度相位格式，或由主處理器直接用于進(jìn)一步濾波、呼吸率計(jì)算和分析。

ADI公司的ADAS1000可應(yīng)對呼吸測量電路設(shè)計(jì)相關(guān)的許多挑戰(zhàn)。此芯片主要是一個(gè)多通道ECG前端，此外還提供一個(gè)兼具驅(qū)動(dòng)和測量功能的完整呼吸電路。ADAS1000提供一個(gè)靈活的呼吸配置，驅(qū)動(dòng)和測量可以在不同的路徑上切換（導(dǎo)聯(lián)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(qū)動(dòng)”和“接收”路徑的選項(xiàng)，如圖6所示，以提供比ECG電纜所能實(shí)現(xiàn)的更大的驅(qū)動(dòng)。

這對運(yùn)動(dòng)期間的呼吸測量很有用，可以驅(qū)動(dòng)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(dǎo)聯(lián)I，而在另一組電極上進(jìn)行測量（4線配置）。

需要更高分辨率（<0.2）時(shí)，4線/電極測量可以顯著提升整體分辨率。用外部驅(qū)動(dòng)電容將阻抗載波注入導(dǎo)聯(lián)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(jié)論

病人呼吸測量是一項(xiàng)重要參數(shù)，與其它重要生命體征一起供醫(yī)療保健專業(yè)人員使用。本文定義了目標(biāo)信號并說明了一種測量該生命體征的方法。最近發(fā)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(jià)值并簡化生命體征監(jiān)護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)。