雙頻率阻抗式呼吸檢測系統的設計

王建波，李濤

臨沂市人民醫院 設備與醫學工程部，山東 臨沂 276003

雙頻率阻抗式呼吸檢測系統的設計

王建波，李濤

臨沂市人民醫院 設備與醫學工程部，山東 臨沂 276003

本文介紹了一種雙頻率阻抗式呼吸檢測系統的設計過程。該系統基于生物阻抗法，在頻域上采用雙頻率獲取呼吸信號來降低運動干擾的影響；在空間上將兩路呼吸信號進行空域疊加來降低干擾；在時域上采用軟件濾波的方法來提高信噪比。樣機的初步人體試驗證明該系統運行穩定，抗干擾性能好。

雙頻率；呼吸頻率；生物阻抗；信噪比；單片機

0 前言

生物阻抗法是呼吸檢測中常用的方法，由于呼吸信號是低頻信號，容易受運動干擾的影響，多年來國內外學者都在探討消除運動干擾的方法，但是一直沒有得到解決[1-4]。目前阻抗式呼吸檢測大都在單頻率的高頻激勵下進行[4-10]，本文介紹了一種雙頻率阻抗式呼吸檢測系統的設計，并探討如何有效地降低運動干擾的影響。

1 測量原理

Rosell等[1]在應用雙頻率阻抗測試方法研究了信號/活動偽差比與肺阻抗測量頻率的關系后，發現在12.5～185 kHz頻率范圍內，隨著頻率的增加，人體胸腔阻抗隨呼吸變化的靈敏度會增加，而由運動引起的干擾信號的幅度卻會降低，并且在此范圍內，為了獲得較好的效果，頻率選擇應該盡可能地高?；诖宋覀冊O計了雙頻率阻抗式呼吸檢測系統，通過一對貼在胸部的電極，引入一個高頻和相對低頻的恒流式載波電流，再利用電極和導聯線將經過呼吸特征調制的載波電壓信號引入高頻放大電路，在繼續解調、濾波后恢復呼吸特征波形，從而得到呼吸信號，進而顯示呼吸波形，計算呼吸頻率公式如下，原理見圖1所示。

圖1 雙頻率阻抗式呼吸檢測系統工作原理圖

式中I1、I2是由恒流源激勵的高頻載波電流，dz是由呼吸引起的被測量部位胸部阻抗變化，dV1、dV2則是在檢測端獲得的與dz成正比的呼吸電壓信號。

而一般阻抗式呼吸檢測選用的頻率為50 kHz左右，我們選擇57 kHz和185 kHz作為高頻激勵的頻率,有以下三方面的原因：① 一般阻抗檢測的高頻激勵頻率都在50～200 kHz之間，57 kHz和185 kHz不僅在正常的頻率范圍之內，而且兩者之間差距較大，可以代表高低兩種頻率，因此可以較好地減少皮膚和電極之間的接觸阻抗；② 185 kHz在57 kHz兩諧波成分之間，可以較好地避免兩者之間的相互調制[11]；③ 選擇57 kHz作為低頻，185 kHz作為高頻，不僅可以獲得穩定的呼吸波形，而且可以將低頻和高頻獲得的呼吸波形做個比較分析。

2 硬件系統設計

本系統包括MSP430單片機模塊、呼吸檢測模塊、呼吸波形顯示模塊3部分，系統框圖，見圖2。

圖2 雙頻率阻抗式呼吸檢測系統框圖

57 kHz和185 kHz的頻率由MSP430單片機產生，MSP430F149單片機是美國德州儀器(TI)2000年推出的16位Flash型超低功耗混合信號處理器（Mixed Signal Processor，MSP）的一種。這一系列具有Flash存儲器的MSP430單片機，在系統設計、開發調試以及實際應用上都表現出較明顯的優點[12]。

呼吸檢測電路圖，見圖3。57 kHz和185 kHz的高頻激勵源由MSP430單片機產生，通過簡單大電阻使電流恒定后，通過銀/氯化銀電極將其加至人體，將呼吸信號進行調制，然后再經放大、包絡檢波、濾波后送入MSP430單片機進行數據處理，最后通過PC顯示呼吸波形以及計算呼吸頻率。

圖3 呼吸檢測電路圖

呼吸檢測電路中，調制解調部分是獲得穩定呼吸波形的關鍵，當將高頻激勵加至人體后，呼吸波就被調制到載波信號當中，經過前置放大后進行解調，為了提高解調的效果，我們采用了二極管包絡檢波電路，當調幅信號輸入時，調幅信號正半周的包絡線全部落在二極管特性的線性區，從而保證了檢波電流與輸入信號電壓的幅度成線性關系，實現了它們包絡線完全一致的結果。

3 軟件系統設計

軟件方面的設計包括兩部分：① MSP430單片機內部C程序的編寫；② 呼吸波形顯示方面VB程序的編寫。

MSP430系列提供了一套C430的集成開發環境和C語言調試器[4]，因此單片機內部我們采用C程序進行程序設計；而VB是一種可視化的編程語言，基于Windows的應用程序開發平臺，利用VB提供的MSComm通信控件，可以很方便地實現設備之間的串行口通訊[13-14]，我們采用VB編寫了人機交互界面，進行呼吸波形的顯示以及呼吸頻率的計算，呼吸波形顯示界面分別顯示三類呼吸波形：① 通過57 kHz高頻激勵獲取的呼吸波形；② 通過185 kHz高頻激勵獲取的呼吸波形；③ 對57 kHz和185 kHz獲取的波形進行疊加后的呼吸波形。在顯示呼吸波形的同時進行呼吸頻率的計算，并將計算的呼吸頻率直觀的顯示在界面上。

4 人體試驗

采用不同高頻激勵設計的呼吸檢測系統，可以獲取穩定的呼吸波形，它能獲取胸部和腹部的呼吸波形，實現了時域、空域和頻域的綜合運用，主要體現在以下3個方面：①時域上采用滑動平均濾波和中位值濾波，降低干擾；② 空域上通過不同位置獲取的呼吸信號進行疊加來提高信噪比；③ 頻域上通過不同的高頻激勵加至人體來獲取呼吸信號。

為了驗證系統的穩定性，我們進行了初步的人體試驗，并在以下幾個狀態下進行測試，獲得的呼吸波形如圖4所示。初步的人體試驗證明該系統對于心動、血流、運動等干擾有較好的抑制作用，能夠獲得較理想的呼吸波形，并進行呼吸頻率的計算。

圖4 不同運動狀態下的呼吸波形圖

5 結論

本文運用雙頻率進行了阻抗式呼吸檢測系統的設計，實現了呼吸波形的實時顯示、呼吸波形的識別以及呼吸頻率的計算，獲得的呼吸波形穩定。

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Design of a Dual-Frequency Impedance Respiratory Detecting System

WANG J ian-bo, LI Tao
Department of Equipment and Medical Engineering, Linyi People’s Hospital, Linyi Shandong 276003, China

This paper introduced the design of a bio-impedance-based dual-frequency respiratory detecting system. Two different high frequencies were used in this system to obtain the respiratory signals so as to reduce the motion artifacts. Two channels of respiratory signals were super-positioned in order to reduce the noise in space. And the software fi lter methods were also used to improve the signal to noise ratio. The preliminary human experiment of the sample machine demonstrated its stable performance and reduction of interference noises.

dual frequency; respiratory frequency; bio-impedance; noise-signal ratio; micro-controllers

TP274

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.008

1674-1633(2015)05-0028-02

2015-01-14

2015-02-03

作者郵箱：wjb0917@163.com