呼吸信號檢測

1、呼吸信號檢測13科 研 訓(xùn) 練題 目：呼吸信號檢測指導(dǎo)教師：肖作江學(xué)生姓名：袁 華班級學(xué)號：100811213 評語和成績： 摘 要呼吸信號的檢測具有很高的臨床使用價值, 其中采用傳感器進(jìn)行檢測已成為較成熟的手段。主要對現(xiàn)有的呼吸信號的檢測方法和應(yīng)用情況進(jìn)行了討論, 重點(diǎn)對采用阻抗法測量呼吸信號的原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。介紹了用阻抗法檢測呼吸信號的硬件電路，該電路采用四電極法檢測呼吸波,克服了二電極法檢測所帶來的信號不穩(wěn)定、易受干擾等問題。在信號處理上,使用多重濾波與放大,克服了心動、血流等信號的干擾。關(guān)鍵詞：呼吸信號 檢測儀器 傳感器 阻抗法 干擾 濾波AbstractThe detectio

2、n of human respiratory 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 an

3、alyzed.A respiratory 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 d

4、isturbance of the heart beat and bloodflow sigals.Key words: respiratory signal; detecting instrument; transmittance sensor; impedance method; disturbance; filter wave目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1引言11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 本文研究的目的及內(nèi)容11.3.1 研究的目的11.3.2 研究的內(nèi)容1第2章 檢測呼吸信號的方法22.1 應(yīng)變式傳感器檢測22.2 溫度傳感器檢測22.3 流量傳感器檢測22

5、.4 電容式傳感器檢測22.5 阻抗法檢測2第3章 阻抗法檢測呼吸信號的原理44.1 高頻恒流激勵電路54.2 高頻放大電路64.3 檢波解調(diào)電路64.4 濾波放大電路64.5 輸出電路64.6 電路的主要技術(shù)指標(biāo)6第4章 實(shí)驗(yàn)部分74.1 實(shí)驗(yàn)原理74.2 實(shí)驗(yàn)步驟94.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及元件9參考文獻(xiàn)10致 謝11第1章 緒論1.1 引言呼吸道是人體健康的門戶, 受到病毒的侵害后會產(chǎn)生多種疾病。通過對人體呼吸功能及狀況進(jìn)行檢測, 就可發(fā)現(xiàn)并預(yù)防呼吸道、肺部以及心血管等部位的病變, 及時了解病情和發(fā)展趨勢, 對癥治療來保持人體的健康和平衡。例如, 在手術(shù)過程中及手術(shù)后, 呼吸率給麻醉科醫(yī)生提供關(guān)

6、于病人呼吸狀況的基本信息; 在重癥病人監(jiān)護(hù)和新生嬰兒監(jiān)護(hù)中, 呼吸率也起著非常重要的作用; 在分析血流速度模式時,也需檢測呼吸率, 所以對呼吸方面的研究一直是人們關(guān)注的重要課題之一。人在呼吸時, 氣體交換所需要的肺泡通氣由吸氣和呼氣的節(jié)律性交替來實(shí)現(xiàn)。吸氣時含氧豐富的新鮮氣體進(jìn)入肺腔, 呼氣時變化都與呼吸有關(guān), 采用傳感器可以將這些變化情況轉(zhuǎn)換成可利用的信號從而檢測到呼吸信號。本文將首先介紹呼吸信號的檢測按使用傳感器的不同的分類，然后著重介紹采用阻抗法測量呼吸信號的檢測方法和應(yīng)用情況并進(jìn)行探討。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀最初,阻抗測量技術(shù)主要用來研究血流的變化,并在心、腦、肝等血管功能狀態(tài)的測量與

7、研究方面取得了一系列的成果。但在呼吸測量方面,阻抗技術(shù)發(fā)展較慢。雖然國外學(xué)者早就研究出胸阻抗變化與呼吸活動有直接關(guān)系圖,但是由于心動、血流等低頻信號的干擾,給檢測呼吸波形帶來很大困難,使得利用阻抗法檢測呼吸信號尚未得到廣泛應(yīng)用。近來，國內(nèi)外很多學(xué)者都在尋找呼吸阻抗的抗干擾方法, 并取得一定效果。我國燕山大學(xué)的劉寶華等人設(shè)計(jì)了一種基于諧振狀態(tài)下反射阻抗的耦合原理實(shí)現(xiàn)了高靈敏度檢測呼吸信號。1.3 本文研究的目的及內(nèi)容1.3.1 研究的目的阻抗法檢測呼吸信號是目前呼吸設(shè)備中應(yīng)用最為平常的一種方法。它是利用人體某部分阻抗的變化來進(jìn)行某些參數(shù)的測量,以幫助監(jiān)護(hù)及診斷。由于該方法具有無創(chuàng)、安全、簡單、廉

8、價且不會對病人產(chǎn)生任何副作用等優(yōu)點(diǎn),故近來得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。但是比較容易受到人體心電和肌電等其他運(yùn)動信號的干擾, 從而影響檢測的準(zhǔn)確性。因此，我們研究它完善它，使其能夠在保留優(yōu)點(diǎn)的情況下盡可能減小甚至避免別的信號的干擾，增加其準(zhǔn)確性。1.3.2 研究的內(nèi)容本論文的主要工作是研究呼吸信號的檢測。主要包括以下幾方面的內(nèi)容：（1）首先介紹呼吸信號的檢測按使用傳感器的不同的分類。（2）然后介紹了阻抗法檢測的呼吸監(jiān)護(hù)儀。（3）接著介紹了阻抗法檢測呼吸信號的原理和硬件電路。第2章 檢測呼吸信號的方法2.1 應(yīng)變式傳感器檢測呼吸運(yùn)動時, 伴隨著呼氣和吸氣的交替運(yùn)動, 呼吸管道和胸腹部都會產(chǎn)生周期性的形

9、變。從這個現(xiàn)象出發(fā), 利用應(yīng)變式傳感器可以感受到這種形變。從而檢測到呼吸信號。應(yīng)變式傳感器可分為壓電式傳感器檢測、硅壓阻式傳感器檢測。2.2 溫度傳感器檢測呼吸實(shí)質(zhì)上是人體內(nèi)外環(huán)境之間氣體的交換,正常人的呼吸是由呼吸中樞支配呼吸肌有節(jié)奏地張弛, 造成肺內(nèi)壓和大氣壓之間的壓力差, 此壓力差在克服了肺通氣阻力之后, 方能實(shí)現(xiàn)氣體交換。而此氣體通過鼻腔與外界氣體進(jìn)行交換時, 必然會引起鼻腔內(nèi)溫度的變化。實(shí)驗(yàn)證明, 在氣道管徑不變的條件下, 溫度的變化量(T)與氣體流速的變化量(V)線性相關(guān)。利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì), 將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化, 這就是溫度傳感器。常用的溫度

10、傳感器有熱電阻、pn結(jié)、熱偶、石英晶體、紅外熱探測器和液晶測溫膜等。因呼吸氣流的溫度變化不大(120°C) ,故可選用熱電阻式傳感器對呼吸溫度進(jìn)行采樣。2.3 流量傳感器檢測在目前使用的中高檔呼吸機(jī)中, 作為容量和流量檢測部件的流量傳感器已經(jīng)廣泛使用。流量傳感器是用來檢測氣體或液體在單位時間里流過某一固定橫截面積的流體速度, 流速與管道橫截面積的乘積等于流量。用于測量流量的傳感器很多, 目前主要有測壓式、熱絲式和超聲式三種, 基本都是專門設(shè)計(jì)用于醫(yī)用儀器的探測部件, 在臨床呼吸機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)有近20年歷史。流量傳感器可分為測壓式流量傳感器、熱絲式流量傳感器、超聲式流量傳感器。2.4 電

11、容式傳感器檢測當(dāng)面積為A的電容平板靠近人體時, 平板與人體間構(gòu)成電容C。人體組織由浸在離子液體的細(xì)胞和胞外成分組成。組織的電特性與細(xì)胞密度結(jié)構(gòu)和體液的特性有關(guān)。一個常用來描述生物組織的表達(dá)式是Cole-Cole經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)人體的某些位移性的生理活動, 例如呼吸運(yùn)動, 導(dǎo)致決定C值的電壓差E和板距d等物理量改變時, 將使C值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因而對呼吸信號的檢測, 可通過對C值的變化進(jìn)行檢測得出。電容式傳感器的檢測方法和電路有很多種, 經(jīng)常采用的是有源式電流放大的方法。2.5 阻抗法檢測阻抗法是利用人體某部分阻抗的變化來進(jìn)行生理參數(shù)的測量, 以幫助進(jìn)行診斷和監(jiān)護(hù)。由于該方法簡單、完全、無創(chuàng)且不會對

12、病人產(chǎn)生任何副作用,故近來得到了深入發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。人體的胸部相當(dāng)于一段容積導(dǎo)體, 其阻抗包括電抗Z、感抗L和容抗C。由于人體感抗很小, 一般可忽略不計(jì), 而容抗在高頻電流作用下也很小, 所以對高頻電流來說, 胸阻抗基本上就是電阻的變化。根據(jù)電阻的定義R=L/A可以看出, 當(dāng)物質(zhì)組成改變即電阻率改變, 或當(dāng)L/A 變化時, 電阻值都會改變。隨著人體呼吸的運(yùn)動, 胸廓會不斷發(fā)生變化, 肺內(nèi)氣體也隨之改變, 這就相當(dāng)于和L/A發(fā)生了變化。因而人體胸部阻抗也就隨之不斷地變化。假設(shè)阻抗變化值為V=I×Z, 則可以通過檢測胸部電壓的變化V來反映阻抗的變化$Z, 從而間接地反映人體的呼吸活動。

13、阻抗法測量人體電阻主要有電橋法、恒流法和恒壓法三種。電橋法對皮膚處理要求較高, 而且電橋平衡調(diào)節(jié)比較困難; 應(yīng)用最多的是恒流法, 恒壓法與恒流法本質(zhì)一樣, 通常恒流法是在測量電極兩端加一恒流源, 通過測量電壓值來取得胸部阻抗值。第3章 阻抗法檢測呼吸信號的原理人體的胸部相當(dāng)于一段容積導(dǎo)體,其阻抗包括電抗Z、感抗L和容抗C,如圖1所示。由圖1 人體胸阻抗模型于人體感抗很小,一般可忽略不計(jì),而容抗在高頻電流作用下也很小,所以對高頻電流來說,胸阻抗基本上就是電阻的變化。根據(jù)電阻的定義R=pL/A可以看出：當(dāng)物質(zhì)組成改變即電阻率p改變,或當(dāng)L/A變化時,電阻值都會改變。隨著人體一呼一吸的運(yùn)動,胸廓會不

14、斷發(fā)生變化,肺內(nèi)氣體也隨之改變,這就相當(dāng)于p和L/A發(fā)生了變化。因而人體胸部阻抗也就隨之不斷地變化。假設(shè)阻抗變化值為V=l×Z。因此,我們就可以通過檢測胸部電壓的變化v來反映阻抗的變化Z,從而間接地反映人體的呼吸活動。在使用阻抗法測量過程中,有兩種安放電極的方法。一種是二電極法,即在兩個送進(jìn)高頻恒流的激勵電極上同時測量電壓信號的變化。這種方法由于在提取胸阻抗變化信號的同時,也不可避免地將電極皮膚接觸阻抗的變化提取出來,因而難以確定所檢出的信號是否是胸阻抗變化引起的。而且在長時間監(jiān)護(hù)過程中由于電極與皮膚接觸阻抗降低還會造成基線漂移。另外一種是四電極法,即將激勵電極與測量電極完全分開。這

15、樣,激勵電極與皮膚間的接觸阻抗變化就不會對信號產(chǎn)生任何影響;而測量電極與皮膚間的接觸阻抗也因遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于放大器的輸入阻抗而不會帶來太大影響。因此,本文電路按四電極法設(shè)計(jì),雖然較麻煩,但提高了信號的可靠性與穩(wěn)定性,增強(qiáng)了抗干擾能力。電路原理圖如圖2所示。整個電路由高頻恒流激勵電路、高頻放大電路、檢波解調(diào)電路、濾波放大電路及輸出電路組成。圖2 電路原理圖4.1 高頻恒流激勵電路它由文氏橋振蕩電路、功率放大電路、升壓變壓器以及恒流電阻組成。由于人體在低頻電流刺激下電極與皮膚會產(chǎn)生極化作用,且會引起肌肉收縮;而頻率太高又容易使人體組織產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)。綜合兩方面的原因,設(shè)計(jì)激勵恒流的頻率是50kHz,其振

16、蕩頻率由Rl、Cl、R2、C2組成的串并聯(lián)回路決定。取Rl=R2=10k,CI=C2=300,則振蕩頻率f=1/2RC=50kHz。電路中Z1、Z2、R5起穩(wěn)幅作用。功率放大由Ql、Q2等組成的互補(bǔ)推挽電路實(shí)現(xiàn),圖中Dl、D2的作用是為了克服交越失真,VR1用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。經(jīng)功放輸出的信號送到升壓變壓器,將電壓升至60V左右,然后經(jīng)兩個串聯(lián)的30k恒流電阻后送往激勵電極。這是因?yàn)樵诟哳l情況下人體的容抗很小,胸電阻一般也只有幾十歐姆,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恒流電阻,電路結(jié)構(gòu)可大大簡化。調(diào)節(jié)VR1,可使加至人體的恒流為lmA。4.2 高頻放大電路從測量電極提出的是一個被呼吸信號調(diào)制的高頻調(diào)幅信號,由于幅度很小

17、,需首先進(jìn)行放大。放大電路先由U2:A和U2:B等組成并聯(lián)交叉負(fù)反饋型差動放大器放大,再由運(yùn)放U2:C 等將雙端輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閱味溯敵?該電路輸入阻抗高,共模抑制能力強(qiáng)。兩級電路總的放大倍數(shù)為25。4.3 檢波解調(diào)電路由U3:A、D3、D4、U3:B和R27、C4等組成的全波整流及濾波電路對高頻調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào),用于檢出阻抗變化的信號。4.4 濾波放大電路由U3:C和U3:D及其阻容元件組成二階帶通濾波器,其截止頻率設(shè)計(jì)為0.08Hz10Hz,以濾除直流分量和高頻雜波的干擾。對于疊加在呼吸波上的心動、血流等低頻信號的干擾,電路中專門設(shè)計(jì)了低通濾波器來解決。該濾波器由U4:A和U4:B 以及周圍阻容

18、元件實(shí)現(xiàn),它是兩組二階切比肖夫?yàn)V波器級聯(lián)而成的,因而具有過渡帶陡、對高頻衰減強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于呼吸頻率一般為0.3Hz左右,而心搏頻率一般為1.2Hz左右,故低通截止頻率按0.8Hz設(shè)計(jì)濾波效果良好。同時,該級電路還對信號做一定的放大,其中帶通增益設(shè)計(jì)為10,低通增益設(shè)計(jì)為4,兩級總的放大倍數(shù)為40。4.5 輸出電路由光電隔離器US、低頻放大器U6等組成,目的是將前后級電路隔離,以確保病人的安全,同時對信號作近一步放大處理。前后級的供電電源分別由DCDC變換器的輸出和輸入經(jīng)型濾波后提供。通過選擇合適的電阻,R42和R43,使信號在光電藕合器的線性區(qū)傳輸,以減小線性失真。電容C13、C14起高頻旁路

19、作用,低頻放大器的增益設(shè)計(jì)為10。電路最終輸出的呼吸波形峰峰值約2V 左右。4.6 電路的主要技術(shù)指標(biāo)激勵頻率: 50kHz恒流電流: lmA輸入阻抗: >100M響應(yīng)頻帶: 0.08 0. 8Hz輸出峰值: 2V第4章 實(shí)驗(yàn)部分以上方案為目前較好的阻抗法呼吸信號檢測方法。但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們只能從理論上去解釋以上方法，不能通過完整的實(shí)驗(yàn)去實(shí)現(xiàn)它。因此，在實(shí)驗(yàn)條件允許的條件下，我們小組共同實(shí)現(xiàn)了以下的呼吸信號放大電路和解調(diào)電路。4.1 實(shí)驗(yàn)原理呼吸信號的頻率范圍為0-10Hz，幅值為幾個毫伏，屬低頻微弱信號，檢測時存在強(qiáng)大的干擾，如50Hz的工頻干擾。這就要求所選擇的器件及設(shè)計(jì)的電

20、路具有很強(qiáng)的抗干擾能力。本實(shí)驗(yàn)的原理與上訴方案的原理一樣，下面僅就本實(shí)驗(yàn)的電路進(jìn)行介紹：高性能，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧 常用設(shè)定均有熱鍵標(biāo)記 12導(dǎo)聯(lián)ECG 呼吸以及溫度選擇 有創(chuàng)血壓模擬 心輸出量選件 成人及兒科正常竇性節(jié)律 35種心律失常 ECG性能測試波形 ST段電平輸出 ECG干擾 起搏器模擬 RS232接口 多參數(shù)病人模擬器輸出的呼吸信號是電阻量，通過設(shè)定模擬器的代碼值讓此電阻變化，即可模擬人體阻抗的變化，多參數(shù)病人模擬器如圖3。本實(shí)驗(yàn)就是采用這個信號，并借用測量心電的胸部監(jiān)護(hù)電極，采用高頻激勵脈沖使呼吸波信號調(diào)制在其之上，然后對被調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)、放大、濾波，獲取清晰、穩(wěn)定的呼吸曲

21、線，電路圖如圖4所示。圖3 多參數(shù)病人模擬器圖4中CD4046是鎖相環(huán)，利用它產(chǎn)生高頻62.5KHz的方波來調(diào)制呼吸信號。由于單臂電橋的輸出正好反映了電阻的變化，所以將模擬器輸出的電阻信號作為電橋的一臂，這樣電橋的輸出就是呼吸電壓信號。呼吸信號非常微弱，所以在調(diào)制前要進(jìn)行放大，AD620起到放大的作用。如圖5所示，解調(diào)電路采用全波整流(U3,U4)及低通濾波器(R10,C2)形成。信號經(jīng)解調(diào)后仍然很小，為使信號放大到伏特級，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了第二級放大，如圖5中的OP27。圖4 呼吸信號放大電路圖5 解調(diào)電路4.2 實(shí)驗(yàn)步驟1.按原理圖連接好電路。2.本實(shí)驗(yàn)使用LL及RA兩個電極，其中RA為參考端，將呼吸信號接入。3.按照下面的代碼值改變模擬器的代碼，調(diào)節(jié)電橋各臂阻值與代碼電阻值同。觀察呼吸信號的變化?；咀杩梗?66-500，167-1000，168-1500，169-2000阻抗變化：1610.2，1621.0，1653.0呼吸速率：1520RPM，15530RPM，15880RPM，160120RPM4.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及元件1.穩(wěn)壓電源：1臺 2.數(shù)字示波器：1臺 3.多參數(shù)病人模擬器：1臺4.信號源：1臺5.實(shí)驗(yàn)電路板：1塊4.芯片：CD4046（1個）、OP27（3個）、AD620（1個） 5.可調(diào)電阻：100K（1個）、50K（2個）、10K（3個） 6.電阻：10K（5個