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摘要：病人监护仪可测量和显示病人的各种生命体征。主要关注的生命特征是病人的心电图（ECG）信号，但其它参数也很重要，包括体温、血压和呼吸率。本文介绍基于胸阻抗的呼吸测量原理。本文网络版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/192727.htm
关键词：ADI；病人监护仪；呼吸测量；ADAS1000
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.003
呼吸系统通过呼吸为我们的血液提供充足的氧气。身体中的所有细胞都需要氧气才能存活、生长并将食物转化为能量。当我们呼吸时，我们吸入氧气，呼出作为细胞呼吸副产品的二氧化碳和水蒸气。呼吸在大多数情况下是无意识的过程，一般不费力气，受自主神经系统的控制，后者使隔膜和肺部周围肌肉的收缩和舒张。
这种收缩和舒张产生有节律的呼吸率和模式。放松呼吸是恒常现象，偶尔会打哈欠或叹息。安眠时，仅吸气肌肉工作，呼气通常是一个被动过程，即吸气舒张后肺部反弹[1] 。
正常呼吸取决于多种因素，如年龄、健康程度和压力水平等，一般具有恒定的速率和容量。新生儿的呼吸率每分钟约30至60次，成人的正常呼吸率约为每分钟12至20次，可能因压力、疾病和活动水平提高而增多。通过呼吸技术或冥想可实现更加放松的状态，使呼吸率降低至每分钟仅3到5次。
在医院环境中，通过脉搏、血压、体温、呼吸和意识水平的生理观察，医生和护士可以及时获得与病人健康相关的信息。在这些参数中，呼吸率是一项重要的生命体征，它提供有关病人不适或呼吸问题方面的重要信息，但有时候未得到充分利用[3-4]。异常呼吸率（超过表1所示值）、呼吸节律变化或比较吃力的呼吸，可能意味着某种生理不稳定，可帮助确定病人是否存在CHF（慢性心力衰竭）等心脏问题[5]。
确定病人呼吸率的关键是测量胸腔的电阻抗，它会随着每次吸气和呼气而变化。病人吸气时，胸阻抗增大，呼气时则减小。一个设计用于检测此阻抗变化（基于呼吸阻抗描记）的电路可提供高频差分电流，然后通过一对电极将此电流驱动至病人侧。呼吸引起的阻抗变化产生相应的电压变化，可在同一对电极（2线呼吸测量）或不同的一对电极（4线呼吸测量）上测量此电压变化。
实现最佳呼吸测量在很大程度上可能取决于病人位置。例如，如果病人正在睡觉或躺着，呼吸通常处于腹部区域，因此导联II或III可提供最佳2线测量。如果病人处于竖直位置，则导联I电极对可提供更好的信号。此外，压力常常使我们仅用上胸部呼吸，针对比较镇静的病人，导联II或III可能依然是合适的选择。一个设计用于复用不同电极对的呼吸电路可确保实现充分覆盖，从而捕捉最佳呼吸测量。
驱动电路
典型配置由驱动和测量电路组成。驱动部分可以是DDS或DAC，在编程设置的频率下将两个不同相位交流耦合电流提供给一对电极。电流通过串联电阻和电容传递至病人。交流耦合可将病人与直流电隔离开，缓解向病人施加共模电压的相关顾虑。
交流耦合电容的值决定电流幅度。电容值越大，则驱动电流越大，因而电压差也越大，信噪比越高。图2显示了呼吸驱动和测量电路的典型信号链。
医疗标准规定了可安全注入病人的最大容许电流，DC至1 kHz为50μA rms。频率每提高一倍，容许电流也加倍，直至提高到100 kHz时的1 mA，然后持平。
驱动频率通常高于20 kHz，当频率从较低值提高到100 kHz时，皮肤至电极阻抗降低大约100倍。
100 kHz以上的频率对于呼吸驱动而言不常见，此时杂散电容难以控制，手术设备等干扰也会造成问题。
载波电极间的阻抗等于以下阻抗之和：电缆电阻（包括每个电极的除颤保护电阻，RCABLE通常为1k至10k欧姆，某些电缆更大）、电极与皮肤的接触阻抗（50至700欧姆），以及电极间身体大块组织的阻抗（RTHORACIC约为100至500欧姆）。存在上述大静态阻抗的情况下，测量电路必须解析呼吸过程中出现的小于1欧姆的身体阻抗变化（R典型值是0.2至5欧姆峰峰值）。图4显示了分布在至病人路径上的各部分阻抗。
测量电路
此电路的测量部分由高通滤波、放大、抗混叠、模数转换和数字域中的同步解调组成，如图2所示。采集的信号为驱动频率的调幅载波和呼吸频率的浅调制包络。
图5所示为信号在时域中的样子。载波调制很小，对相关噪声源有严格的限制，因此需要产生尽可能大的信号。载波的幅度和呼吸包络取决于驱动电路产生的电压、静态和动态呼吸胸阻抗的值，以及驱动电路输出端之间的总电阻。
测量分辨率受可用信噪比的限制。如上所述，呼吸期间胸腔的电阻抗会发生变化，在高达10k欧姆（驱动和返回路径的电缆总阻抗）的基线上，变化值约为0.2欧姆。对于一个300 mV信号，它产生大约2μV的变化，因此必须使用极高分辨率ADC或过采样。
电极与皮肤接触，形成一个简单的电池，每个电极可能具有高达300 mV的半电池电位。高通滤波器滤除直流信号成分，并提供更大交流增益。经过抗混叠后，ADC对信号进行数字化处理。
数字信号乘以信号发生器的I和Q相，结果经过低通滤波，获得与信号发生器同相和正交的信号成分的幅度。由于呼吸频率很低，因此这些低通滤波器可以具有数十Hz的截止频率。I-Q信号可转换为幅度相位格式，或由主处理器直接用于进一步滤波、呼吸率计算和分析。
ADI公司的ADAS1000可应对呼吸测量电路设计相关的许多挑战。此芯片主要是一个多通道ECG前端，此外还提供一个兼具驱动和测量功能的完整呼吸电路。ADAS1000提供一个灵活的呼吸配置，驱动和测量可以在不同的路径上切换（导联I、II和III），确保可以检测到尽可能最佳的呼吸信号。它还支持分离呼吸“驱动”和“接收”路径的选项，如图6所示，以提供比ECG电缆所能实现的更大的驱动。
这对运动期间的呼吸测量很有用，可以驱动一组电极，而测量另一组电极。这种方法可以使用如下配置：将载波注入到（例如）导联I，而在另一组电极上进行测量（4线配置）。
需要更高分辨率（<0.2）时，4线/电极测量可以显著提升整体分辨率。用外部驱动电容将阻抗载波注入导联I，并在另一组电极上测量呼吸信号，例如LL相对于RL，便能解析低得多的阻抗水平。其它配置可以利用其它电极组合获益。
结论
病人呼吸测量是一项重要参数，与其它重要生命体征一起供医疗保健专业人员使用。本文定义了目标信号并说明了一种测量该生命体征的方法。最近发布的ADAS1000是一款集成解决方案，不仅能测量ECG信号，而且能测量呼吸，从而提供更大价值并简化生命体征监护设备的设计。
关键词：ADI；病人监护仪；呼吸测量；ADAS1000
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.003
呼吸系统通过呼吸为我们的血液提供充足的氧气。身体中的所有细胞都需要氧气才能存活、生长并将食物转化为能量。当我们呼吸时，我们吸入氧气，呼出作为细胞呼吸副产品的二氧化碳和水蒸气。呼吸在大多数情况下是无意识的过程，一般不费力气，受自主神经系统的控制，后者使隔膜和肺部周围肌肉的收缩和舒张。
这种收缩和舒张产生有节律的呼吸率和模式。放松呼吸是恒常现象，偶尔会打哈欠或叹息。安眠时，仅吸气肌肉工作，呼气通常是一个被动过程，即吸气舒张后肺部反弹[1] 。
正常呼吸取决于多种因素，如年龄、健康程度和压力水平等，一般具有恒定的速率和容量。新生儿的呼吸率每分钟约30至60次，成人的正常呼吸率约为每分钟12至20次，可能因压力、疾病和活动水平提高而增多。通过呼吸技术或冥想可实现更加放松的状态，使呼吸率降低至每分钟仅3到5次。
在医院环境中，通过脉搏、血压、体温、呼吸和意识水平的生理观察，医生和护士可以及时获得与病人健康相关的信息。在这些参数中，呼吸率是一项重要的生命体征，它提供有关病人不适或呼吸问题方面的重要信息，但有时候未得到充分利用[3-4]。异常呼吸率（超过表1所示值）、呼吸节律变化或比较吃力的呼吸，可能意味着某种生理不稳定，可帮助确定病人是否存在CHF（慢性心力衰竭）等心脏问题[5]。
确定病人呼吸率的关键是测量胸腔的电阻抗，它会随着每次吸气和呼气而变化。病人吸气时，胸阻抗增大，呼气时则减小。一个设计用于检测此阻抗变化（基于呼吸阻抗描记）的电路可提供高频差分电流，然后通过一对电极将此电流驱动至病人侧。呼吸引起的阻抗变化产生相应的电压变化，可在同一对电极（2线呼吸测量）或不同的一对电极（4线呼吸测量）上测量此电压变化。
实现最佳呼吸测量在很大程度上可能取决于病人位置。例如，如果病人正在睡觉或躺着，呼吸通常处于腹部区域，因此导联II或III可提供最佳2线测量。如果病人处于竖直位置，则导联I电极对可提供更好的信号。此外，压力常常使我们仅用上胸部呼吸，针对比较镇静的病人，导联II或III可能依然是合适的选择。一个设计用于复用不同电极对的呼吸电路可确保实现充分覆盖，从而捕捉最佳呼吸测量。
驱动电路
典型配置由驱动和测量电路组成。驱动部分可以是DDS或DAC，在编程设置的频率下将两个不同相位交流耦合电流提供给一对电极。电流通过串联电阻和电容传递至病人。交流耦合可将病人与直流电隔离开，缓解向病人施加共模电压的相关顾虑。
交流耦合电容的值决定电流幅度。电容值越大，则驱动电流越大，因而电压差也越大，信噪比越高。图2显示了呼吸驱动和测量电路的典型信号链。
医疗标准规定了可安全注入病人的最大容许电流，DC至1 kHz为50μA rms。频率每提高一倍，容许电流也加倍，直至提高到100 kHz时的1 mA，然后持平。
驱动频率通常高于20 kHz，当频率从较低值提高到100 kHz时，皮肤至电极阻抗降低大约100倍。
100 kHz以上的频率对于呼吸驱动而言不常见，此时杂散电容难以控制，手术设备等干扰也会造成问题。
载波电极间的阻抗等于以下阻抗之和：电缆电阻（包括每个电极的除颤保护电阻，RCABLE通常为1k至10k欧姆，某些电缆更大）、电极与皮肤的接触阻抗（50至700欧姆），以及电极间身体大块组织的阻抗（RTHORACIC约为100至500欧姆）。存在上述大静态阻抗的情况下，测量电路必须解析呼吸过程中出现的小于1欧姆的身体阻抗变化（R典型值是0.2至5欧姆峰峰值）。图4显示了分布在至病人路径上的各部分阻抗。
测量电路
此电路的测量部分由高通滤波、放大、抗混叠、模数转换和数字域中的同步解调组成，如图2所示。采集的信号为驱动频率的调幅载波和呼吸频率的浅调制包络。
图5所示为信号在时域中的样子。载波调制很小，对相关噪声源有严格的限制，因此需要产生尽可能大的信号。载波的幅度和呼吸包络取决于驱动电路产生的电压、静态和动态呼吸胸阻抗的值，以及驱动电路输出端之间的总电阻。
测量分辨率受可用信噪比的限制。如上所述，呼吸期间胸腔的电阻抗会发生变化，在高达10k欧姆（驱动和返回路径的电缆总阻抗）的基线上，变化值约为0.2欧姆。对于一个300 mV信号，它产生大约2μV的变化，因此必须使用极高分辨率ADC或过采样。
电极与皮肤接触，形成一个简单的电池，每个电极可能具有高达300 mV的半电池电位。高通滤波器滤除直流信号成分，并提供更大交流增益。经过抗混叠后，ADC对信号进行数字化处理。
数字信号乘以信号发生器的I和Q相，结果经过低通滤波，获得与信号发生器同相和正交的信号成分的幅度。由于呼吸频率很低，因此这些低通滤波器可以具有数十Hz的截止频率。I-Q信号可转换为幅度相位格式，或由主处理器直接用于进一步滤波、呼吸率计算和分析。
ADI公司的ADAS1000可应对呼吸测量电路设计相关的许多挑战。此芯片主要是一个多通道ECG前端，此外还提供一个兼具驱动和测量功能的完整呼吸电路。ADAS1000提供一个灵活的呼吸配置，驱动和测量可以在不同的路径上切换（导联I、II和III），确保可以检测到尽可能最佳的呼吸信号。它还支持分离呼吸“驱动”和“接收”路径的选项，如图6所示，以提供比ECG电缆所能实现的更大的驱动。
这对运动期间的呼吸测量很有用，可以驱动一组电极，而测量另一组电极。这种方法可以使用如下配置：将载波注入到（例如）导联I，而在另一组电极上进行测量（4线配置）。
需要更高分辨率（<0.2）时，4线/电极测量可以显著提升整体分辨率。用外部驱动电容将阻抗载波注入导联I，并在另一组电极上测量呼吸信号，例如LL相对于RL，便能解析低得多的阻抗水平。其它配置可以利用其它电极组合获益。
结论
病人呼吸测量是一项重要参数，与其它重要生命体征一起供医疗保健专业人员使用。本文定义了目标信号并说明了一种测量该生命体征的方法。最近发布的ADAS1000是一款集成解决方案，不仅能测量ECG信号，而且能测量呼吸，从而提供更大价值并简化生命体征监护设备的设计。