呼吸信号检测.docx

1、呼吸信号检测科 研 训 练题 目：呼吸信号检测指导教师：肖作江* *班级学号：* 评语和成绩： 摘 要呼吸信号的检测具有很高的临床使用价值, 其中采用传感器进行检测已成为较成熟的手段。主要对现有的呼吸信号的检测方法和应用情况进行了讨论, 重点对采用阻抗法测量呼吸信号的原理进行了详细的分析。介绍了用阻抗法检测呼吸信号的硬件电路，该电路采用四电极法检测呼吸波,克服了二电极法检测所带来的信号不稳定、易受干扰等问题。在信号处理上,使用多重滤波与放大,克服了心动、血流等信号的干扰。关键词：呼吸信号 检测仪器 传感器 阻抗法 干扰 滤波AbstractThe detection of human resp

2、iratory signal has a high clinical value. The detection with sensor is well developed as a detecting technique. The existing measrurement and applications of human respiratory signal using impedance method were discussed,the detecting principle of the respira-tory signal was mainly analyzed.A respir

3、atory signal detecting circuit using impedance method is introduced.In this circuit,a four electrode arrangement is used,Which can reduce movement artifact in using two electrodes.For signal processing,a series of methods such as filtering wave and ampliying are used to overcome the disturbance of t

4、he heart beat and bloodflow sigals.Key words: respiratory signal; detecting instrument; transmittance sensor; impedance method; disturbance; filter wave第1章 绪论1.1引言呼吸道是人体健康的门户, 受到病毒的侵害后会产生多种疾病。通过对人体呼吸功能及状况进行检测, 就可发现并预防呼吸道、肺部以及心血管等部位的病变, 及时了解病情和发展趋势, 对症治疗来保持人体的健康和平衡。例如, 在手术过程中及手术后, 呼吸率给麻醉科医生提供关于病人呼吸状况

5、的基本信息; 在重症病人监护和新生婴儿监护中, 呼吸率也起着非常重要的作用; 在分析血流速度模式时,也需检测呼吸率, 所以对呼吸方面的研究一直是人们关注的重要课题之一。人在呼吸时, 气体交换所需要的肺泡通气由吸气和呼气的节律性交替来实现。吸气时含氧丰富的新鲜气体进入肺腔, 呼气时变化都与呼吸有关, 采用传感器可以将这些变化情况转换成可利用的信号从而检测到呼吸信号。本文将首先介绍呼吸信号的检测按使用传感器的不同的分类，然后着重介绍采用阻抗法测量呼吸信号的检测方法和应用情况并进行探讨。1.2 国内外研究现状最初,阻抗测量技术主要用来研究血流的变化,并在心、脑、肝等血管功能状态的测量与研究方面取得了

6、一系列的成果。但在呼吸测量方面,阻抗技术发展较慢。虽然国外学者早就研究出胸阻抗变化与呼吸活动有直接关系图,但是由于心动、血流等低频信号的干扰,给检测呼吸波形带来很大困难,使得利用阻抗法检测呼吸信号尚未得到广泛应用。近来，国内外很多学者都在寻找呼吸阻抗的抗干扰方法, 并取得一定效果。我国燕山大学的刘宝华等人设计了一种基于谐振状态下反射阻抗的耦合原理实现了高灵敏度检测呼吸信号。1.3 本文研究的目的及内容1.3.1 研究的目的阻抗法检测呼吸信号是目前呼吸设备中应用最为平常的一种方法。它是利用人体某部分阻抗的变化来进行某些参数的测量,以帮助监护及诊断。由于该方法具有无创、安全、简单、廉价且不会对病人

7、产生任何副作用等优点,故近来得到了广泛的应用与发展。但是比较容易受到人体心电和肌电等其他运动信号的干扰, 从而影响检测的准确性。因此，我们研究它完善它，使其能够在保留优点的情况下尽可能减小甚至避免别的信号的干扰，增加其准确性。1.3.2 研究的内容本论文的主要工作是研究呼吸信号的检测。主要包括以下几方面的内容：（1）首先介绍呼吸信号的检测按使用传感器的不同的分类。（2）然后介绍了阻抗法检测的呼吸监护仪。（3）接着介绍了阻抗法检测呼吸信号的原理和硬件电路。第2章 检测呼吸信号的方法2.1 应变式传感器检测呼吸运动时, 伴随着呼气和吸气的交替运动, 呼吸管道和胸腹部都会产生周期性的形变。从这个现象

8、出发, 利用应变式传感器可以感受到这种形变。从而检测到呼吸信号。应变式传感器可分为压电式传感器检测、硅压阻式传感器检测。2.2 温度传感器检测呼吸实质上是人体内外环境之间气体的交换,正常人的呼吸是由呼吸中枢支配呼吸肌有节奏地张弛, 造成肺内压和大气压之间的压力差, 此压力差在克服了肺通气阻力之后, 方能实现气体交换。而此气体通过鼻腔与外界气体进行交换时, 必然会引起鼻腔内温度的变化。实验证明, 在气道管径不变的条件下, 温度的变化量(T)与气体流速的变化量(V)线性相关。利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质, 将温度的变化转化为电量的变化, 这就是温度传感器。常用的温度传感器有热电阻

9、、pn结、热偶、石英晶体、红外热探测器和液晶测温膜等。因呼吸气流的温度变化不大(120C) ,故可选用热电阻式传感器对呼吸温度进行采样。2.3 流量传感器检测在目前使用的中高档呼吸机中, 作为容量和流量检测部件的流量传感器已经广泛使用。流量传感器是用来检测气体或液体在单位时间里流过某一固定横截面积的流体速度, 流速与管道横截面积的乘积等于流量。用于测量流量的传感器很多, 目前主要有测压式、热丝式和超声式三种, 基本都是专门设计用于医用仪器的探测部件, 在临床呼吸机的应用已经有近20年历史。流量传感器可分为测压式流量传感器、热丝式流量传感器、超声式流量传感器。2.4 电容式传感器检测当面积为A的

10、电容平板靠近人体时, 平板与人体间构成电容C。人体组织由浸在离子液体的细胞和胞外成分组成。组织的电特性与细胞密度结构和体液的特性有关。一个常用来描述生物组织的表达式是Cole-Cole经验公式。当人体的某些位移性的生理活动, 例如呼吸运动, 导致决定C值的电压差E和板距d等物理量改变时, 将使C值产生相应的变化。因而对呼吸信号的检测, 可通过对C值的变化进行检测得出。电容式传感器的检测方法和电路有很多种, 经常采用的是有源式电流放大的方法。2.5 阻抗法检测阻抗法是利用人体某部分阻抗的变化来进行生理参数的测量, 以帮助进行诊断和监护。由于该方法简单、完全、无创且不会对病人产生任何副作用,故近来

11、得到了深入发展与广泛的应用。人体的胸部相当于一段容积导体, 其阻抗包括电抗Z、感抗L和容抗C。由于人体感抗很小, 一般可忽略不计, 而容抗在高频电流作用下也很小, 所以对高频电流来说, 胸阻抗基本上就是电阻的变化。根据电阻的定义R=L/A可以看出, 当物质组成改变即电阻率改变, 或当L/A 变化时, 电阻值都会改变。随着人体呼吸的运动, 胸廓会不断发生变化, 肺内气体也随之改变, 这就相当于和L/A发生了变化。因而人体胸部阻抗也就随之不断地变化。假设阻抗变化值为V=IZ, 则可以通过检测胸部电压的变化V来反映阻抗的变化$Z, 从而间接地反映人体的呼吸活动。阻抗法测量人体电阻主要有电桥法、恒流法

12、和恒压法三种。电桥法对皮肤处理要求较高, 而且电桥平衡调节比较困难; 应用最多的是恒流法, 恒压法与恒流法本质一样, 通常恒流法是在测量电极两端加一恒流源, 通过测量电压值来取得胸部阻抗值。第3章 阻抗法检测呼吸信号的原理人体的胸部相当于一段容积导体,其阻抗包括电抗Z、感抗L和容抗C,如图1所示。由图1 人体胸阻抗模型于人体感抗很小,一般可忽略不计,而容抗在高频电流作用下也很小,所以对高频电流来说,胸阻抗基本上就是电阻的变化。根据电阻的定义R=pL/A可以看出：当物质组成改变即电阻率p改变,或当L/A变化时,电阻值都会改变。随着人体一呼一吸的运动,胸廓会不断发生变化,肺内气体也随之改变,这就相

13、当于p和L/A发生了变化。因而人体胸部阻抗也就随之不断地变化。假设阻抗变化值为V=lZ。因此,我们就可以通过检测胸部电压的变化v来反映阻抗的变化Z,从而间接地反映人体的呼吸活动。在使用阻抗法测量过程中,有两种安放电极的方法。一种是二电极法,即在两个送进高频恒流的激励电极上同时测量电压信号的变化。这种方法由于在提取胸阻抗变化信号的同时,也不可避免地将电极皮肤接触阻抗的变化提取出来,因而难以确定所检出的信号是否是胸阻抗变化引起的。而且在长时间监护过程中由于电极与皮肤接触阻抗降低还会造成基线漂移。另外一种是四电极法,即将激励电极与测量电极完全分开。这样,激励电极与皮肤间的接触阻抗变化就不会对信号产生

14、任何影响;而测量电极与皮肤间的接触阻抗也因远远小于放大器的输入阻抗而不会带来太大影响。因此,本文电路按四电极法设计,虽然较麻烦,但提高了信号的可靠性与稳定性,增强了抗干扰能力。电路原理图如图2所示。整个电路由高频恒流激励电路、高频放大电路、检波解调电路、滤波放大电路及输出电路组成。图2 电路原理图4.1 高频恒流激励电路它由文氏桥振荡电路、功率放大电路、升压变压器以及恒流电阻组成。由于人体在低频电流刺激下电极与皮肤会产生极化作用,且会引起肌肉收缩;而频率太高又容易使人体组织产生明显的热效应。综合两方面的原因,设计激励恒流的频率是50kHz,其振荡频率由Rl、Cl、R2、C2组成的串并联回路决定

15、。取Rl=R2=10k,CI=C2=300,则振荡频率f=1/2RC=50kHz。电路中Z1、Z2、R5起稳幅作用。功率放大由Ql、Q2等组成的互补推挽电路实现,图中Dl、D2的作用是为了克服交越失真,VR1用来调节放大倍数。经功放输出的信号送到升压变压器,将电压升至60V左右,然后经两个串联的30k恒流电阻后送往激励电极。这是因为在高频情况下人体的容抗很小,胸电阻一般也只有几十欧姆,远远小于恒流电阻,电路结构可大大简化。调节VR1,可使加至人体的恒流为lmA。4.2 高频放大电路从测量电极提出的是一个被呼吸信号调制的高频调幅信号,由于幅度很小,需首先进行放大。放大电路先由U2:A和U2:B等

16、组成并联交叉负反馈型差动放大器放大,再由运放U2:C 等将双端输入转变为单端输出,该电路输入阻抗高,共模抑制能力强。两级电路总的放大倍数为25。4.3 检波解调电路由U3:A、D3、D4、U3:B和R27、C4等组成的全波整流及滤波电路对高频调幅信号进行解调,用于检出阻抗变化的信号。4.4 滤波放大电路由U3:C和U3:D及其阻容元件组成二阶带通滤波器,其截止频率设计为0.08Hz10Hz,以滤除直流分量和高频杂波的干扰。对于叠加在呼吸波上的心动、血流等低频信号的干扰,电路中专门设计了低通滤波器来解决。该滤波器由U4:A和U4:B 以及周围阻容元件实现,它是两组二阶切比肖夫滤波器级联而成的,因

17、而具有过渡带陡、对高频衰减强等优点。由于呼吸频率一般为0.3Hz左右,而心搏频率一般为1.2Hz左右,故低通截止频率按0.8Hz设计滤波效果良好。同时,该级电路还对信号做一定的放大,其中带通增益设计为10,低通增益设计为4,两级总的放大倍数为40。4.5 输出电路由光电隔离器US、低频放大器U6等组成,目的是将前后级电路隔离,以确保病人的安全,同时对信号作近一步放大处理。前后级的供电电源分别由DCDC变换器的输出和输入经型滤波后提供。通过选择合适的电阻,R42和R43,使信号在光电藕合器的线性区传输,以减小线性失真。电容C13、C14起高频旁路作用,低频放大器的增益设计为10。电路最终输出的呼

18、吸波形峰峰值约2V 左右。4.6 电路的主要技术指标激励频率: 50kHz恒流电流: lmA输入阻抗: 100M响应频带: 0.08 0. 8Hz输出峰值: 2V第4章 实验部分以上方案为目前较好的阻抗法呼吸信号检测方法。但由于实验条件的限制，我们只能从理论上去解释以上方法，不能通过完整的实验去实现它。因此，在实验条件允许的条件下，我们小组共同实现了以下的呼吸信号放大电路和解调电路。4.1 实验原理呼吸信号的频率范围为0-10Hz，幅值为几个毫伏，属低频微弱信号，检测时存在强大的干扰，如50Hz的工频干扰。这就要求所选择的器件及设计的电路具有很强的抗干扰能力。本实验的原理与上诉方案的原理一样，

19、下面仅就本实验的电路进行介绍：多参数病人模拟器输出的呼吸信号是电阻量，通过设定模拟器的代码值让此电阻变化，即可模拟人体阻抗的变化，多参数病人模拟器如图3。本实验就是采用这个信号，并借用测量心电的胸部监护电极，采用高频激励脉冲使呼吸波信号调制在其之上，然后对被调制信号进行调制解调、放大、滤波，获取清晰、稳定的呼吸曲线，电路图如图4所示。图3 多参数病人模拟器图4中CD4046是锁相环，利用它产生高频62.5KHz的方波来调制呼吸信号。由于单臂电桥的输出正好反映了电阻的变化，所以将模拟器输出的电阻信号作为电桥的一臂，这样电桥的输出就是呼吸电压信号。呼吸信号非常微弱，所以在调制前要进行放大，AD62

20、0起到放大的作用。如图5所示，解调电路采用全波整流(U3,U4)及低通滤波器(R10,C2)形成。信号经解调后仍然很小，为使信号放大到伏特级，本实验设计了第二级放大，如图5中的OP27。图4 呼吸信号放大电路图5 解调电路4.2 实验步骤1.按原理图连接好电路。2.本实验使用LL及RA两个电极，其中RA为参考端，将呼吸信号接入。3.按照下面的代码值改变模拟器的代码，调节电桥各臂阻值与代码电阻值同。观察呼吸信号的变化。基本阻抗：166-500，167-1000，168-1500，169-2000阻抗变化：1610.2，1621.0，1653.0呼吸速率：1520RPM，15530RPM，1588

21、0RPM，160120RPM4.3 实验设备及元件1.稳压电源：1台 2.数字示波器：1台 3.多参数病人模拟器：1台4.信号源：1台5.实验电路板：1块4.芯片：CD4046（1个）、OP27（3个）、AD620（1个） 5.可调电阻：100K（1个）、50K（2个）、10K（3个） 6.电阻：10K（5个）、5K（3个）、1.5K（1个）、430（1个） 7.电容：220F（2个）、1000pF（1个） 8.二极管：2个参考文献1 董秀珍,等. 生物医学信号的检测与处理,第四军医大学编,19852 张国雄,等. 精密仪器电路,机械工业出版社,1987.3 施良驹. 集成电路应用,电子工业出

22、版社,1988.4 关力等. 阻抗式呼吸监护系统的研制,中国医疗器械杂志,1994;18(4):199202.5 张福学. 现代压电学(下册)M. 北京: 科学出版社, 2002: 66.6 朴林华, 林宇, 张福学. 提高压电气流角速度传感器性能的途径J. 中国惯性技术学报, 2002, 10(4): 58-61.7 王国强. 实用工程数值模拟及其在ANSYS上的实践M. 西安: 西北工业大学出版社, 1999: 221.8 Lee Baker E. Principles of the Impedence Technique,IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY MAGAZINE,1116,March,19899 Lee Baker E. Applications of the Impedance Technique to the Respiratory System,IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY MAGAZINE,5052,March,1989致 谢本文是在我的导师的指导下完成的，导师为我们细心的讲解了相关问题并进行答辩。导师严谨的治学态度、渊博的知识、公正的态度使我深受启迪。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意！同时还得感谢我所在实验小组的组员们。