双频率阻抗式呼吸检测系统的设计

王建波，李涛

临沂市人民医院 设备与医学工程部，山东 临沂 276003

双频率阻抗式呼吸检测系统的设计

王建波，李涛

临沂市人民医院 设备与医学工程部，山东 临沂 276003

本文介绍了一种双频率阻抗式呼吸检测系统的设计过程。该系统基于生物阻抗法，在频域上采用双频率获取呼吸信号来降低运动干扰的影响；在空间上将两路呼吸信号进行空域叠加来降低干扰；在时域上采用软件滤波的方法来提高信噪比。样机的初步人体试验证明该系统运行稳定，抗干扰性能好。

双频率；呼吸频率；生物阻抗；信噪比；单片机

0 前言

生物阻抗法是呼吸检测中常用的方法，由于呼吸信号是低频信号，容易受运动干扰的影响，多年来国内外学者都在探讨消除运动干扰的方法，但是一直没有得到解决[1-4]。目前阻抗式呼吸检测大都在单频率的高频激励下进行[4-10]，本文介绍了一种双频率阻抗式呼吸检测系统的设计，并探讨如何有效地降低运动干扰的影响。

1 测量原理

Rosell等[1]在应用双频率阻抗测试方法研究了信号/活动伪差比与肺阻抗测量频率的关系后，发现在12.5～185 kHz频率范围内，随着频率的增加，人体胸腔阻抗随呼吸变化的灵敏度会增加，而由运动引起的干扰信号的幅度却会降低，并且在此范围内，为了获得较好的效果，频率选择应该尽可能地高。基于此我们设计了双频率阻抗式呼吸检测系统，通过一对贴在胸部的电极，引入一个高频和相对低频的恒流式载波电流，再利用电极和导联线将经过呼吸特征调制的载波电压信号引入高频放大电路，在继续解调、滤波后恢复呼吸特征波形，从而得到呼吸信号，进而显示呼吸波形，计算呼吸频率公式如下，原理见图1所示。

图1 双频率阻抗式呼吸检测系统工作原理图

式中I1、I2是由恒流源激励的高频载波电流，dz是由呼吸引起的被测量部位胸部阻抗变化，dV1、dV2则是在检测端获得的与dz成正比的呼吸电压信号。

而一般阻抗式呼吸检测选用的频率为50 kHz左右，我们选择57 kHz和185 kHz作为高频激励的频率,有以下三方面的原因：① 一般阻抗检测的高频激励频率都在50～200 kHz之间，57 kHz和185 kHz不仅在正常的频率范围之内，而且两者之间差距较大，可以代表高低两种频率，因此可以较好地减少皮肤和电极之间的接触阻抗；② 185 kHz在57 kHz两谐波成分之间，可以较好地避免两者之间的相互调制[11]；③ 选择57 kHz作为低频，185 kHz作为高频，不仅可以获得稳定的呼吸波形，而且可以将低频和高频获得的呼吸波形做个比较分析。

2 硬件系统设计

本系统包括MSP430单片机模块、呼吸检测模块、呼吸波形显示模块3部分，系统框图，见图2。

图2 双频率阻抗式呼吸检测系统框图

57 kHz和185 kHz的频率由MSP430单片机产生，MSP430F149单片机是美国德州仪器(TI)2000年推出的16位Flash型超低功耗混合信号处理器（Mixed Signal Processor，MSP）的一种。这一系列具有Flash存储器的MSP430单片机，在系统设计、开发调试以及实际应用上都表现出较明显的优点[12]。

呼吸检测电路图，见图3。57 kHz和185 kHz的高频激励源由MSP430单片机产生，通过简单大电阻使电流恒定后，通过银/氯化银电极将其加至人体，将呼吸信号进行调制，然后再经放大、包络检波、滤波后送入MSP430单片机进行数据处理，最后通过PC显示呼吸波形以及计算呼吸频率。

图3 呼吸检测电路图

呼吸检测电路中，调制解调部分是获得稳定呼吸波形的关键，当将高频激励加至人体后，呼吸波就被调制到载波信号当中，经过前置放大后进行解调，为了提高解调的效果，我们采用了二极管包络检波电路，当调幅信号输入时，调幅信号正半周的包络线全部落在二极管特性的线性区，从而保证了检波电流与输入信号电压的幅度成线性关系，实现了它们包络线完全一致的结果。

3 软件系统设计

软件方面的设计包括两部分：① MSP430单片机内部C程序的编写；② 呼吸波形显示方面VB程序的编写。

MSP430系列提供了一套C430的集成开发环境和C语言调试器[4]，因此单片机内部我们采用C程序进行程序设计；而VB是一种可视化的编程语言，基于Windows的应用程序开发平台，利用VB提供的MSComm通信控件，可以很方便地实现设备之间的串行口通讯[13-14]，我们采用VB编写了人机交互界面，进行呼吸波形的显示以及呼吸频率的计算，呼吸波形显示界面分别显示三类呼吸波形：① 通过57 kHz高频激励获取的呼吸波形；② 通过185 kHz高频激励获取的呼吸波形；③ 对57 kHz和185 kHz获取的波形进行叠加后的呼吸波形。在显示呼吸波形的同时进行呼吸频率的计算，并将计算的呼吸频率直观的显示在界面上。

4 人体试验

采用不同高频激励设计的呼吸检测系统，可以获取稳定的呼吸波形，它能获取胸部和腹部的呼吸波形，实现了时域、空域和频域的综合运用，主要体现在以下3个方面：①时域上采用滑动平均滤波和中位值滤波，降低干扰；② 空域上通过不同位置获取的呼吸信号进行叠加来提高信噪比；③ 频域上通过不同的高频激励加至人体来获取呼吸信号。

为了验证系统的稳定性，我们进行了初步的人体试验，并在以下几个状态下进行测试，获得的呼吸波形如图4所示。初步的人体试验证明该系统对于心动、血流、运动等干扰有较好的抑制作用，能够获得较理想的呼吸波形，并进行呼吸频率的计算。

图4 不同运动状态下的呼吸波形图

5 结论

本文运用双频率进行了阻抗式呼吸检测系统的设计，实现了呼吸波形的实时显示、呼吸波形的识别以及呼吸频率的计算，获得的呼吸波形稳定。

[1] R osell J,Webster JG.Signal-to-motion artifact ratio versus frequency for impedance pneumography[J].IEEE Trans Biomed Eng,1995,42(3):321-323.

[2] 王卫红,鲍咸能,王博亮.双频率阻抗法在呼吸监测中的应用研究[J].航天医学与医学工程,1999,12(1):51-55.

[3] 王卫红,鲍咸能,王博亮.消除呼吸阻抗测量时运动干扰方法中关键参数的选取初探[J].北京生物医学工程,1999,(1):29-33.

[4] 王建波,邓亲恺,郭劲松,等.一种新型的阻抗式呼吸检测系统[J].中国医疗器械杂志,2009,33(2):91-94.

[5] 祁富贵,李川涛,张华,等.一种非接触呼吸暂停检测技术的研究[J].中国医疗设备,2014,29(12):24-27,35.

[6] 曹细武,邓亲恺,罗丽辉.阻抗式呼吸监护系统的研制[J].中国医学物理学杂志,2000,17(4):213-214,218.

[7] 戚建新,林原,卞正中.一种阻抗法呼吸信号检测电路的设计[J].中国医疗器械杂志,1998,22(1):9-11.

[8] 关力,宗伟,蒋大宗,等.阻抗式呼吸监护系统的研制[J].中国医疗器械杂志,1994,18(4):199-202.

[9] 郝连旺,宋涛.呼吸信号检测方法的研究[J].微纳电子技术, 2007,(8):12-16.

[10] 朱兴喜,彭红,戚仕涛.呼吸信号的获取方法[J].医疗设备信息, 2003,18(3):38-40.

[11] R osell J,Cohen KP,Webster JG.R eduction of motion artifacts using a two-frequency impedance plethysmograph and adaptive filtering[J].IEEE Trans Biomed Eng,1995,42(10): 1044-1048.

[12] 张福才.MSP430单片机自学笔记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[13] 王汉新.Visual Basic程序设计[M].北京:科学出版社,2002.

[14] 叶继伦,邓云,黄燕.病人监测的呼吸测量方法及其有效性的评价[J].中国医疗器械杂志,2011,35(2):94-96.

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

作者邮箱：wjb0917@163.com