患者監(jiān)護中的經(jīng)胸阻抗測量

患者監(jiān)護儀測量并顯示所連接患者的各種生命體征。感興趣的主要特征是患者的心電圖 （ECG） 信號，但其他感興趣和重要的參數(shù)包括溫度、血壓和呼吸頻率。本文介紹了基于胸阻抗的呼吸測量的性質(zhì)。呼吸系統(tǒng)通過呼吸為我們的血液提供足夠的氧氣。身體中的所有細胞都需要氧氣來生存、生長并將食物轉(zhuǎn)化為能量。當(dāng)我們呼吸時，我們吸入氧氣并呼出二氧化碳和水蒸氣作為細胞呼吸的副產(chǎn)品。呼吸主要是在自主神經(jīng)系統(tǒng)控制下的非自愿且通常毫不費力的過程，自主神經(jīng)系統(tǒng)會刺激橫膈膜和肺部周圍肌肉的收縮和放松。這種收縮和放松會產(chǎn)生有節(jié)奏的呼吸頻率和模式。放松的呼吸是恒定的，偶爾穿插著打哈欠或嘆息。休息時，只有吸氣肌在使用中，呼氣通常是一個被動過程，因為吸氣拉伸后肺部會反彈。

正常呼吸取決于多種因素，例如年齡、健康水平和壓力水平;并且通常以恒定的速率和數(shù)量。新生兒的呼吸量可能在每分鐘 30 到 60 次呼吸的范圍內(nèi)，而成年人的正常呼吸頻率在同一分鐘時間范圍內(nèi)可能在 12 到 20 次呼吸左右，隨著壓力、疾病和活動水平的增加而增加。使用呼吸技巧或處于冥想狀態(tài)的更放松的人可能會達到每分鐘三到五次呼吸的速度。

在醫(yī)院環(huán)境中，對脈搏、血壓、溫度、呼吸和意識水平的生理觀察為醫(yī)生和護士提供了與患者健康相關(guān)的及時信息。在這些參數(shù)中，呼吸頻率（提供有關(guān)患者痛苦或呼吸問題的重要信息的關(guān)鍵生命體征）有時未得到充分利用。3, 4呼吸頻率異常（超過表1所示）、呼吸節(jié)律變化或呼吸更加費力可能表明存在一些生理不穩(wěn)定，并可能有助于識別有心臟問題風(fēng)險的患者，例如CHF（慢性心力衰竭）。

確定患者呼吸頻率的關(guān)鍵是測量胸腔阻抗的變化，該阻抗隨每次吸氣和呼氣而變化。阻抗隨著患者吸氣而增加，隨著呼氣而降低。設(shè)計用于檢測這種阻抗變化的電路（基于阻抗氣動圖）通過一對電極向患者提供高頻差分電流。呼吸引起的阻抗變化會導(dǎo)致相應(yīng)的電壓變化，可以在相同的電極上測量（2線呼吸測量），也可以在另一對電極上測量（4線呼吸測量）。

實現(xiàn)最佳呼吸測量在很大程度上取決于患者的位置。例如，如果患者正在睡覺或躺著，呼吸往往在腹部區(qū)域;因此，導(dǎo)聯(lián)II或?qū)?lián)III可能提供最佳的2線測量。或者，如果患者處于直立位置，則導(dǎo)聯(lián) I 電極對上可能獲得更好的信號。此外，壓力往往使我們只在上胸部呼吸，因此鉛II或鉛III可能仍然是我們中間較平靜的人的合適選擇。設(shè)計用于多路復(fù)用不同電極對的呼吸回路將確保完全覆蓋，從而捕獲最佳呼吸測量值。

圖1.肢體導(dǎo)聯(lián)的物理電極放置和導(dǎo)聯(lián)線配置。

驅(qū)動電路

典型的布置包括驅(qū)動和測量電路。驅(qū)動部分可以是DDS或DAC，它們以編程頻率將兩個異相交流耦合電流輸送到一對電極上。電流使用串聯(lián)電阻器和電容器驅(qū)動到患者身上。交流耦合用于將患者與直流隔離，減輕有關(guān)向患者提供共模電壓的任何擔(dān)憂。交流耦合電容的值決定了電流幅度。電容值越大，驅(qū)動電流越大，電壓差越大，從而增加信噪比。圖2所示為典型的信號鏈，顯示了呼吸驅(qū)動和測量電路。

圖2.阻抗測繪測量的典型信號鏈，顯示驅(qū)動和測量路徑。

醫(yī)學(xué)標(biāo)準規(guī)定了可以安全注入患者的最大允許電流，從直流到1 kHz的50 μA rms開始。頻率每增加一倍，允許電流就會翻倍，在100 kHz時增加到1 mA，然后趨于平穩(wěn)。如果呼吸功能與ECG電路共享相同的電極，則直流時的患者輔助電流限制為10 μA。

驅(qū)動頻率通常高于20 kHz，因為隨著頻率從低值增加到100 kHz，皮膚到電極阻抗降低約100倍。高于100 kHz的頻率對于呼吸驅(qū)動并不常見，因為雜散電容可能難以控制，并且手術(shù)設(shè)備等干擾源會成為問題。

圖3.患者皮膚阻抗與頻率的關(guān)系6.

載體電極之間的阻抗是電纜電阻的總和，包括每個電極中存在的任何除顫保護電阻（R電纜通常為 1 kΩ 至 10 kΩ，某些電纜更大）、電極-皮膚界面阻抗（50 Ω 至 700 Ω）和電極之間的人體體體積組織阻抗 （R胸的大約 100 Ω 至 500 Ω）。在存在這些大靜態(tài)阻抗的情況下，測量電路必須解析呼吸過程中發(fā)生的身體阻抗的微小亞歐姆變化（ΔR 通常為 0.2 Ω 至 5 Ω pk-pk）。圖4顯示了沿患者路徑分布的貢獻阻抗。

圖4.到患者的阻抗路徑，包括驅(qū)動組件。

測量電路

該電路的測量部分包括數(shù)字域中的高通濾波、放大、抗混疊、模數(shù)轉(zhuǎn)換和同步解調(diào)，如圖2所示。采集的信號在驅(qū)動頻率處是調(diào)幅載波，在呼吸頻率處是淺調(diào)制包絡(luò)。圖 5 顯示了這在時域中可能是什么樣子。載波調(diào)制很小，對貢獻的噪聲源施加了嚴格的限制，并且需要產(chǎn)生盡可能大的信號。載體和呼吸包絡(luò)的大小取決于驅(qū)動電路產(chǎn)生的電壓、胸部靜態(tài)和動態(tài)呼吸阻抗的值以及驅(qū)動器電路輸出之間的總電阻。測量分辨率受可用信噪比的限制。如前所述，胸腔的電阻抗在呼吸過程中會發(fā)生變化，在基線附近變化約0.2 Ω，高達10 kΩ（驅(qū)動和返回路徑中的總電纜阻抗）。這會產(chǎn)生300 mV信號約2 μV的變化，因此需要高分辨率ADC或過采樣。

圖5.對應(yīng)于呼吸頻率的調(diào)制包絡(luò)。

與皮膚接觸的電極形成一個簡單的電池，每個電極可以表現(xiàn)出高達300 mV的半電池電位。高通濾波器可消除直流信號分量，并允許更大的交流增益?？够殳B后，ADC對信號進行數(shù)字化處理。將數(shù)字化信號乘以信號發(fā)生器的I和Q相位，并對結(jié)果進行低通濾波，以獲得與信號發(fā)生器同相和正交的信號分量的幅度。由于呼吸發(fā)生在低頻下，這些低通濾波器的截止頻率可以在數(shù)十赫茲范圍內(nèi)。I-Q信號可以轉(zhuǎn)換為幅度相位格式，或由主機處理器直接用于進一步的濾波、呼吸速率提取和分析。

ADI公司的ADAS1000解決了設(shè)計呼吸測量電路所涉及的諸多挑戰(zhàn)。該芯片主要是一個多通道ECG前端，還提供具有驅(qū)動和測量功能的完整呼吸電路。ADAS1000提供靈活的呼吸布置，允許在不同的路徑（導(dǎo)聯(lián)I、導(dǎo)聯(lián)II和導(dǎo)聯(lián)III）之間切換驅(qū)動和測量，以確保檢測到最佳的呼吸信號。它還支持分離呼吸“驅(qū)動”和“接收”路徑的選項，如圖6所示，以提供比通過ECG電纜更大的驅(qū)動。這對于測量運動期間的呼吸很有用，當(dāng)測量可能受益于驅(qū)動一組電極和測量另一組電極時。這種方法可以使用一種布置，例如，將載流子注入導(dǎo)聯(lián)I上，同時在另一組電極上進行測量（4線排列）。

圖6.ADAS1000顯示靈活的呼吸切換。

對于需要更高分辨率（<0.2 Ω）的情況，4線/電極測量可以顯著提高整體分辨率。使用外部驅(qū)動電容在引線I上注入阻抗載流子，并測量另一組電極上的呼吸信號，例如相對于RL的LL，能夠分辨低得多的阻抗水平。其他配置可以利用其他電極組合。

結(jié)論

患者呼吸測量是醫(yī)療保健專業(yè)人員與其他重要生命體征一起使用的關(guān)鍵參數(shù)。本文定義了感興趣的信號和測量該生命體征的一種方法。最近發(fā)布的ADAS1000提供了一種集成解決方案，不僅可以測量ECG信號，還可以測量呼吸，從而增加價值并簡化生命體征監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計。

審核編輯：郭婷