雙頻率阻抗式呼吸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王建波，李濤

臨沂市人民醫(yī)院 設(shè)備與醫(yī)學(xué)工程部，山東 臨沂 276003

雙頻率阻抗式呼吸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王建波，李濤

臨沂市人民醫(yī)院 設(shè)備與醫(yī)學(xué)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)基于生物阻抗法，在頻域上采用雙頻率獲取呼吸信號(hào)來(lái)降低運(yùn)動(dòng)干擾的影響；在空間上將兩路呼吸信號(hào)進(jìn)行空域疊加來(lái)降低干擾；在時(shí)域上采用軟件濾波的方法來(lái)提高信噪比。樣機(jī)的初步人體試驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾性能好。

雙頻率；呼吸頻率；生物阻抗；信噪比；單片機(jī)

0 前言

生物阻抗法是呼吸檢測(cè)中常用的方法，由于呼吸信號(hào)是低頻信號(hào)，容易受運(yùn)動(dòng)干擾的影響，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在探討消除運(yùn)動(dòng)干擾的方法，但是一直沒(méi)有得到解決[1-4]。目前阻抗式呼吸檢測(cè)大都在單頻率的高頻激勵(lì)下進(jìn)行[4-10]，本文介紹了一種雙頻率阻抗式呼吸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并探討如何有效地降低運(yùn)動(dòng)干擾的影響。

1 測(cè)量原理

Rosell等[1]在應(yīng)用雙頻率阻抗測(cè)試方法研究了信號(hào)/活動(dòng)偽差比與肺阻抗測(cè)量頻率的關(guān)系后，發(fā)現(xiàn)在12.5～185 kHz頻率范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，人體胸腔阻抗隨呼吸變化的靈敏度會(huì)增加，而由運(yùn)動(dòng)引起的干擾信號(hào)的幅度卻會(huì)降低，并且在此范圍內(nèi)，為了獲得較好的效果，頻率選擇應(yīng)該盡可能地高。基于此我們?cè)O(shè)計(jì)了雙頻率阻抗式呼吸檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)一對(duì)貼在胸部的電極，引入一個(gè)高頻和相對(duì)低頻的恒流式載波電流，再利用電極和導(dǎo)聯(lián)線將經(jīng)過(guò)呼吸特征調(diào)制的載波電壓信號(hào)引入高頻放大電路，在繼續(xù)解調(diào)、濾波后恢復(fù)呼吸特征波形，從而得到呼吸信號(hào)，進(jìn)而顯示呼吸波形，計(jì)算呼吸頻率公式如下，原理見(jiàn)圖1所示。

圖1 雙頻率阻抗式呼吸檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

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

而一般阻抗式呼吸檢測(cè)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(lì)的頻率,有以下三方面的原因：① 一般阻抗檢測(cè)的高頻激勵(lì)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(nèi)，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(diào)制[11]；③ 選擇57 kHz作為低頻，185 kHz作為高頻，不僅可以獲得穩(wěn)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(gè)比較分析。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括MSP430單片機(jī)模塊、呼吸檢測(cè)模塊、呼吸波形顯示模塊3部分，系統(tǒng)框圖，見(jiàn)圖2。

圖2 雙頻率阻抗式呼吸檢測(cè)系統(tǒng)框圖

57 kHz和185 kHz的頻率由MSP430單片機(jī)產(chǎn)生，MSP430F149單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)2000年推出的16位Flash型超低功耗混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor，MSP）的一種。這一系列具有Flash存儲(chǔ)器的MSP430單片機(jī)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)調(diào)試以及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)[12]。

呼吸檢測(cè)電路圖，見(jiàn)圖3。57 kHz和185 kHz的高頻激勵(lì)源由MSP430單片機(jī)產(chǎn)生，通過(guò)簡(jiǎn)單大電阻使電流恒定后，通過(guò)銀/氯化銀電極將其加至人體，將呼吸信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后再經(jīng)放大、包絡(luò)檢波、濾波后送入MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過(guò)PC顯示呼吸波形以及計(jì)算呼吸頻率。

圖3 呼吸檢測(cè)電路圖

呼吸檢測(cè)電路中，調(diào)制解調(diào)部分是獲得穩(wěn)定呼吸波形的關(guān)鍵，當(dāng)將高頻激勵(lì)加至人體后，呼吸波就被調(diào)制到載波信號(hào)當(dāng)中，經(jīng)過(guò)前置放大后進(jìn)行解調(diào)，為了提高解調(diào)的效果，我們采用了二極管包絡(luò)檢波電路，當(dāng)調(diào)幅信號(hào)輸入時(shí)，調(diào)幅信號(hào)正半周的包絡(luò)線全部落在二極管特性的線性區(qū)，從而保證了檢波電流與輸入信號(hào)電壓的幅度成線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了它們包絡(luò)線完全一致的結(jié)果。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件方面的設(shè)計(jì)包括兩部分：① MSP430單片機(jī)內(nèi)部C程序的編寫(xiě)；② 呼吸波形顯示方面VB程序的編寫(xiě)。

MSP430系列提供了一套C430的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和C語(yǔ)言調(diào)試器[4]，因此單片機(jī)內(nèi)部我們采用C程序進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；而VB是一種可視化的編程語(yǔ)言，基于Windows的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用VB提供的MSComm通信控件，可以很方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的串行口通訊[13-14]，我們采用VB編寫(xiě)了人機(jī)交互界面，進(jìn)行呼吸波形的顯示以及呼吸頻率的計(jì)算，呼吸波形顯示界面分別顯示三類(lèi)呼吸波形：① 通過(guò)57 kHz高頻激勵(lì)獲取的呼吸波形；② 通過(guò)185 kHz高頻激勵(lì)獲取的呼吸波形；③ 對(duì)57 kHz和185 kHz獲取的波形進(jìn)行疊加后的呼吸波形。在顯示呼吸波形的同時(shí)進(jìn)行呼吸頻率的計(jì)算，并將計(jì)算的呼吸頻率直觀的顯示在界面上。

4 人體試驗(yàn)

采用不同高頻激勵(lì)設(shè)計(jì)的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)，可以獲取穩(wěn)定的呼吸波形，它能獲取胸部和腹部的呼吸波形，實(shí)現(xiàn)了時(shí)域、空域和頻域的綜合運(yùn)用，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①時(shí)域上采用滑動(dòng)平均濾波和中位值濾波，降低干擾；② 空域上通過(guò)不同位置獲取的呼吸信號(hào)進(jìn)行疊加來(lái)提高信噪比；③ 頻域上通過(guò)不同的高頻激勵(lì)加至人體來(lái)獲取呼吸信號(hào)。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們進(jìn)行了初步的人體試驗(yàn)，并在以下幾個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，獲得的呼吸波形如圖4所示。初步的人體試驗(yàn)證明該系統(tǒng)對(duì)于心動(dòng)、血流、運(yùn)動(dòng)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(jìn)行呼吸頻率的計(jì)算。

圖4 不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的呼吸波形圖

5 結(jié)論

本文運(yùn)用雙頻率進(jìn)行了阻抗式呼吸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了呼吸波形的實(shí)時(shí)顯示、呼吸波形的識(shí)別以及呼吸頻率的計(jì)算，獲得的呼吸波形穩(wěn)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