一種應(yīng)用于體外自動除顫器的經(jīng)胸阻抗測量系統(tǒng)

祁琦，余明，葛劍徽，張廣，陳鋒

1.中國人民解放軍軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所 戰(zhàn)傷救治與醫(yī)技保障研究室，天津 300000；2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊無錫聯(lián)勤保障中心 藥品儀器監(jiān)督檢驗站 衛(wèi)生器材監(jiān)督檢修科，江蘇 南京 210000

引言

心臟性猝死是指急性癥狀出現(xiàn)1 h內(nèi)發(fā)生的以意識喪失為特征、由心臟原因?qū)е碌淖匀凰劳觯劳龅臅r間與形式都在意料之外[1]。早期電除顫被認為是救治心臟性猝死最重要的關(guān)鍵性治療[2]。電除顫成功的目標是用足夠的電流使心臟停止纖維性顫動，恢復(fù)心臟的自發(fā)循環(huán)[3]。早期電除顫的時機是治療室顫的關(guān)鍵，每延遲1 min，心臟性猝死的生存率以7%～10%遞減[4]。體外自動除顫器（Automated External Defibrillator，AED）是自二十世紀80年代末開始提供給院前發(fā)病現(xiàn)場電除顫的急救設(shè)備[5]，AED與傳統(tǒng)除顫器不同之處在于，AED具有自動心律分析、經(jīng)胸阻抗測量、自動阻抗補償以及語音提示操作等功能，可以供受過訓(xùn)練的非專業(yè)人員使用[6]。經(jīng)胸阻抗是影響除顫的關(guān)鍵因素之一，除顫能量需要經(jīng)過經(jīng)胸阻抗的衰減后才能到達心臟[7-9]。經(jīng)胸阻抗測量是AED的重要功能之一。經(jīng)胸阻抗的大小一般在25～200 Ω[10]，影響經(jīng)胸阻抗的因素有很多，包括電極的類型和面積、電極板和皮膚間的接觸狀態(tài)等[11-14]。經(jīng)胸阻抗測量是AED最重要的功能之一，該功能可以使AED根據(jù)患者經(jīng)胸阻抗大小實時調(diào)整除顫能量的大小，同時可以對導(dǎo)聯(lián)脫落、導(dǎo)聯(lián)電極接觸異常等危險狀況實現(xiàn)預(yù)警[15-16]。目前的人體阻抗測量分析中，大多研究仍然采用經(jīng)典三元等效電路模型，這個模型指出人體的等效阻抗主要是由細胞內(nèi)電阻、細胞體液電阻以及細胞膜所形成的等效電容C三者組成的[17]，目前多數(shù)市場在售的AED使用基于此原理的雙電極恒流源激勵電壓測量的方法在除顫前對患者進行經(jīng)胸阻抗測量[18]，具體做法是在電極連接完成后，AED的恒流源激勵電路向患者發(fā)送一個高頻低壓激勵信號，隨后信號檢測電路檢測經(jīng)過經(jīng)胸阻抗衰減的激勵信號，通過計算得到患者的經(jīng)胸阻抗信息。目前該方法的不足之處在于需要對患者施加額外的電流激勵，且需要額外的時間成本，有向患者施加不當(dāng)除顫的風(fēng)險。本文設(shè)計了一種將經(jīng)胸阻抗測量與除顫過程相結(jié)合的阻抗測量系統(tǒng)，此方法的優(yōu)點在于將測量過程與除顫過程相結(jié)合，無須對患者施加額外的電流激勵，同時此方法的經(jīng)胸阻抗測量與施加除顫之間無時間間隔，經(jīng)胸阻抗測量的時效性更強。經(jīng)實測，本系統(tǒng)的經(jīng)胸阻抗檢測精度可以滿足后續(xù)的經(jīng)胸阻抗補償功能需要，對AED阻抗測量技術(shù)的發(fā)展有一定參考意義。

1 材料與方法

本研究中經(jīng)胸阻抗測量系統(tǒng)原理基于歐姆定律，在AED除顫開始階段，利用儲能電容釋放的能量對經(jīng)胸阻抗進行檢測，當(dāng)AED識別到需要除顫的心律并將儲能電容充至預(yù)設(shè)電壓后，在除顫放電的開始階段，檢測通過患者的除顫電流峰值，結(jié)合儲能電容上的充電電壓峰值，在很短的時間內(nèi)（≤0.1 ms），計算得到患者經(jīng)胸阻抗信息，根據(jù)阻抗信息進行下一步操作：若測得的經(jīng)胸阻抗值為異常值，則說明患者導(dǎo)聯(lián)連接有異常需要操作者調(diào)整，此時AED會立即停止對患者放電，儲能電容上的電量將會通過內(nèi)部放電回路釋放，并語音指示操作者做出適當(dāng)調(diào)整；若測得的經(jīng)胸阻抗值在正常值范圍內(nèi)，AED則根據(jù)測得的經(jīng)胸阻抗大小選擇不同阻抗補償方式，包括增減補償電阻、調(diào)整正負相除顫時長等[19]。另外，系統(tǒng)有獨立的導(dǎo)聯(lián)檢測功能，確保在電極脫落的異常情況下不會進入除顫環(huán)節(jié)，確保不會出現(xiàn)無效放電。

經(jīng)胸阻抗檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示，高壓檢測方面主要包括雙路高壓檢測和電阻分壓、運放降壓：首先，高壓檢測階段在儲能電容充電過程中進行，為保證檢測到的儲能電容兩端高壓值穩(wěn)定可靠，本系統(tǒng)采用雙路高壓檢測，隨后通過耐壓大電阻分壓、運算放大器降壓兩個步驟，將電容兩端的大電壓線性縮小為可供AD檢測的較小電壓值。而除顫電流檢測在除顫開始階段進行，由于AED除顫電流峰值可能會達到40 A甚至更高[20]，為使檢測過程不影響除顫過程并且保證檢測的安全性，故采用電流互感的非接觸方式測量除顫電流，在電流互感器將流經(jīng)患者的大電流轉(zhuǎn)換為電壓值后供AD采集。AD采集模塊將高壓檢測與除顫電流檢測的結(jié)果相結(jié)合，再經(jīng)過異常值排除、峰值檢測等環(huán)節(jié)，最后便可計算出經(jīng)胸阻抗大小，若得到的經(jīng)胸阻抗值在正常范圍內(nèi)則指導(dǎo)AED根據(jù)阻抗大小調(diào)整能量繼續(xù)除顫，若得到異常值則停止除顫并語音提示操作者排除異常。

圖1 經(jīng)胸阻抗測量系統(tǒng)框圖

1.1 高壓檢測電路

高壓檢測電路對儲能電容上的電壓進行檢測，一方面反饋至充電電路，確保將電容充至預(yù)設(shè)電壓，另一方面，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，將充電完成后電容上的最高電壓值進行記錄以供經(jīng)胸阻抗計算時使用。高壓檢測電路原理圖如圖2所示，設(shè)計需滿足以下要求：輸入范圍0～2200 V，輸出范圍0～3.3 V，耐壓3000 V以上。

圖2 高壓檢測電路示意圖

根據(jù)要求輸入電壓范圍較大，輸出電壓范圍小，所以必須將輸入電壓進行線性衰減，本系統(tǒng)采用電阻分壓和運放降壓兩步來實現(xiàn)。另外，本研究利用放電回路特有的“H”橋結(jié)構(gòu)，選擇了雙路高壓檢測的方式，確保高壓檢測的穩(wěn)定可靠。

電阻分壓部分原理如圖2所示，R1～R12均為電阻值為2.2 mΩ的耐高壓大電阻，精度為1%，雙路高壓檢測的采集點分別在R1～R2、R5～R6、R7～R8和R11～R12，為保證電路對稱性和降壓倍數(shù)的準確性，R13～R16和HR1～HR4均為高精度電阻，精度為0.1%。假設(shè)儲能電容兩端電壓為VH，由此可得電阻分壓部分的輸出電壓V1的計算方法如公式(1)所示。

運放降壓部分原理如圖2所示，U1B與U2B部分均為典型電壓放大器電路，假設(shè)其增益系數(shù)分別為KU1B和KU2B，則其計算方法如公式(2)所示。

綜合電阻分壓與運放降壓兩部分可得，高壓檢測電路最終輸出電壓VOUT1的計算方法如公式(3)所示。

即高壓檢測電路將儲能電容兩端電壓線性降壓1000倍后輸出供AD采樣，此倍數(shù)可以將2200 V的最大輸入電壓降至2.2 V，滿足系統(tǒng)檢測要求。

1.2 除顫電流檢測電路

除顫電流檢測電路如圖3所示，出于除顫電流值較大的考慮，本系統(tǒng)選擇通過電流互感器將除顫大電流線性轉(zhuǎn)化為小電壓進行數(shù)據(jù)采集，這樣非接觸式的測量方式可以保證測量的準確性和安全性，為防止在除顫電流檢測時，除顫峰值電流過大超出電流互感器的量程范圍，本研究選擇在除顫回路中串聯(lián)50 Ω的機內(nèi)補償電阻Rc來防止除顫電流過大。本研究選用RL-3430電流互感器，其匝數(shù)比為200∶1，負載的高精度電阻Rt=10 Ω，假設(shè)除顫電流的大小為I，則AD采集的輸出電壓VOUT2的計算方法如公式(4)所示。

圖3 除顫電流檢測電路示意圖

1.3 AD采集與數(shù)據(jù)處理

高壓檢測和除顫電流檢測的AD采集由兩個12位、1 M SPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器復(fù)用實現(xiàn)。在儲能電容充電階段，2個AD轉(zhuǎn)換器同時工作采集兩路高壓值，若兩路高壓測量值之差超過了允許誤差，則代表電路異常，需要立即停止充電；若兩路高壓測量值之差始終在允許誤差范圍內(nèi)，則將兩路高壓測量值的均值反饋至充電控制程序，控制充電電路將電容充到預(yù)設(shè)的電壓值，并將儲能電容上的電壓峰值保存待用。

AED停止充電后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器立刻切換至除顫電流值的采集，在除顫之前，由于除顫回路中沒有除顫電流，此時除顫電流檢測的數(shù)值為0，當(dāng)操作者按照語音提示按下除顫鍵后，除顫電流檢測電路會檢測到一個時間極短的電流信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器會將其峰值記錄并計算經(jīng)胸阻抗值保存待用，以上過程大約耗時0.1 ms。

由于測量除顫電流時除顫回路中有50 Ω的機內(nèi)阻抗，則經(jīng)胸阻抗RTTI的計算方法如式(5)所示。

為提高系統(tǒng)測量精度，由于本經(jīng)胸阻抗計算方法為線性運算，故引入修正系數(shù)K、D對系統(tǒng)測量誤差進行修正，K為斜率修正系數(shù)，D為截距修正系數(shù)，在25～200 Ω范圍內(nèi)，尋找2～3個標定點，使用高精度電阻作為標準負載，對上述經(jīng)胸阻抗計算公式進行線性修正，再將標定后的修正系數(shù)K、D寫入對應(yīng)阻抗計算代碼中，可以明顯減小由硬件電路、AD采樣等環(huán)節(jié)帶來的誤差。

2 結(jié)果

本研究采用Fluke Impulse 6000D除顫分析儀和Fluke 7000 DP經(jīng)皮起搏器分析儀進行室顫心律和經(jīng)胸阻抗模擬，模擬的經(jīng)胸阻抗值分別為25、50、75、100、125、150、175和200 Ω，儲能電容電壓實測值為1844 V，前期經(jīng)誤差修正得到修正系數(shù)為K=0.992，D=10.752，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 經(jīng)胸阻抗測量結(jié)果

3 討論

對于一般經(jīng)胸阻抗來講，本系統(tǒng)可以將經(jīng)胸阻抗測量的誤差控制在4 Ω以下，分析可得系統(tǒng)主要誤差可能主要來自以下四個方面。

（1）AD采樣率的影響。由于除顫電流的峰值持續(xù)時間很短，AD采樣率低可能會導(dǎo)致無法測到準確的電流峰值而導(dǎo)致引入誤差，擬在下一步研究中采用獨立的高速AD采集模塊對除顫電流進行檢測，提高檢測精度，減小測量誤差。

（2）補償電阻的影響。由于本測量系統(tǒng)會將補償電阻串聯(lián)進除顫回路，這樣便會在測量回路上引入誤差，且經(jīng)胸阻抗越小，誤差越明顯。

（3）增益系數(shù)的影響。隨著測量時間的推進，增益系數(shù)會隨著溫度的變化而變化，這樣導(dǎo)致每一次測量經(jīng)胸阻抗的時候，增益系數(shù)都會有微小波動，擬在下一步研究中對運放選型進行優(yōu)化。

（4）經(jīng)胸阻抗相位部分的影響。由于本系統(tǒng)未對阻抗的相位測量做過多考慮，此原因可能會影響到阻抗測量的精度，擬在下一步研究中，針對生物阻抗模型進行阻抗模擬，對電阻成分和電容成分混合的模擬阻抗進行測量校準，進一步提高檢測精度。

為了進一步提高系統(tǒng)測量精度，可以考慮在進一步提高AD采樣率、增加阻抗相位測量功能等方向進行研究。鑒于AED的阻抗補償策略多是將經(jīng)胸阻抗劃分為若干個階段分區(qū)處理，本經(jīng)胸阻抗測量系統(tǒng)的測量精度可以滿足后續(xù)AED阻抗補償需求，擬在下步研究中，通過長白豬制顫、除顫實驗來進一步驗證本系統(tǒng)的經(jīng)胸阻抗測量效能。

本研究針對現(xiàn)有AED的經(jīng)胸阻抗檢測方法的不足之處，創(chuàng)新地設(shè)計并實現(xiàn)了一種與AED除顫過程相結(jié)合的經(jīng)胸阻抗測量系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)恒流源激勵-電壓測量的經(jīng)胸阻抗檢測方法，本測量系統(tǒng)有兩點優(yōu)勢：① 利用除顫能量測量經(jīng)胸阻抗就決定了本系統(tǒng)不會向患者施加不必要的電流刺激，安全性更高；② 傳統(tǒng)的經(jīng)胸阻抗測量系統(tǒng)在測量與除顫間有一定的時間間隔，測量時效性較差，本系統(tǒng)減小了經(jīng)胸阻抗測量的時間成本，測量與除顫之間無時間間隔，測量時效性更強，經(jīng)胸阻抗測量不準確的風(fēng)險就更低。經(jīng)過對本系統(tǒng)進行經(jīng)胸阻抗的模擬測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)可以將經(jīng)胸阻抗測量的誤差控制在4 Ω以下，即本經(jīng)胸阻抗測量系統(tǒng)的測量精度可以滿足AED后續(xù)阻抗補償?shù)男枨蟆?/p>

4 結(jié)論

本研究首先闡述了AED中阻抗測量的作用意義，并提出了一種依附于除顫過程的經(jīng)胸阻抗測量系統(tǒng)，并對本系統(tǒng)的原理及具體實現(xiàn)方式做了詳細闡述，模擬經(jīng)胸阻抗實測驗證表明本系統(tǒng)可以安全有效地測量經(jīng)胸阻抗，測量精度滿足AED相關(guān)功能需求。本測量系統(tǒng)的優(yōu)點是與除顫過程相結(jié)合，不會對患者造成非必要的電流激勵，同時經(jīng)胸阻抗的測量時效性更強，測量時間成本更低；但本系統(tǒng)在經(jīng)胸阻抗相位的測量、測量準確度、呼吸對經(jīng)胸阻抗大小的影響等方面仍有許多不足和欠缺，將在進一步研究中加以完善。