患者监护中的经胸阻抗测量

患者监护仪测量并显示所连接患者的各种生命体征。感兴趣的主要特征是患者的心电图 （ECG） 信号，但其他感兴趣和重要的参数包括温度、血压和呼吸频率。本文介绍了基于胸阻抗的呼吸测量的性质。呼吸系统通过呼吸为我们的血液提供足够的氧气。身体中的所有细胞都需要氧气来生存、生长并将食物转化为能量。当我们呼吸时，我们吸入氧气并呼出二氧化碳和水蒸气作为细胞呼吸的副产品。呼吸主要是在自主神经系统控制下的非自愿且通常毫不费力的过程，自主神经系统会刺激横膈膜和肺部周围肌肉的收缩和放松。这种收缩和放松会产生有节奏的呼吸频率和模式。放松的呼吸是恒定的，偶尔穿插着打哈欠或叹息。休息时，只有吸气肌在使用中，呼气通常是一个被动过程，因为吸气拉伸后肺部会反弹。

正常呼吸取决于多种因素，例如年龄、健康水平和压力水平;并且通常以恒定的速率和数量。新生儿的呼吸量可能在每分钟 30 到 60 次呼吸的范围内，而成年人的正常呼吸频率在同一分钟时间范围内可能在 12 到 20 次呼吸左右，随着压力、疾病和活动水平的增加而增加。使用呼吸技巧或处于冥想状态的更放松的人可能会达到每分钟三到五次呼吸的速度。

在医院环境中，对脉搏、血压、温度、呼吸和意识水平的生理观察为医生和护士提供了与患者健康相关的及时信息。在这些参数中，呼吸频率（提供有关患者痛苦或呼吸问题的重要信息的关键生命体征）有时未得到充分利用。3, 4呼吸频率异常（超过表1所示）、呼吸节律变化或呼吸更加费力可能表明存在一些生理不稳定，并可能有助于识别有心脏问题风险的患者，例如CHF（慢性心力衰竭）。

群	年龄	呼吸/分钟
新生儿至六周	新生儿至六周	30 到 60
婴儿	六周至六个月	25 到 40
幼儿	一到三年	20 到 30
幼儿	三到六年	20 到 25
年龄较大的儿童	10至14岁	15 到 20
成年人	成年人	12 到 20

确定患者呼吸频率的关键是测量胸腔阻抗的变化，该阻抗随每次吸气和呼气而变化。阻抗随着患者吸气而增加，随着呼气而降低。设计用于检测这种阻抗变化的电路（基于阻抗气动图）通过一对电极向患者提供高频差分电流。呼吸引起的阻抗变化会导致相应的电压变化，可以在相同的电极上测量（2线呼吸测量），也可以在另一对电极上测量（4线呼吸测量）。

实现最佳呼吸测量在很大程度上取决于患者的位置。例如，如果患者正在睡觉或躺着，呼吸往往在腹部区域;因此，导联II或导联III可能提供最佳的2线测量。或者，如果患者处于直立位置，则导联 I 电极对上可能获得更好的信号。此外，压力往往使我们只在上胸部呼吸，因此铅II或铅III可能仍然是我们中间较平静的人的合适选择。设计用于多路复用不同电极对的呼吸回路将确保完全覆盖，从而捕获最佳呼吸测量值。

图1.肢体导联的物理电极放置和导联线配置。

驱动电路

典型的布置包括驱动和测量电路。驱动部分可以是DDS或DAC，它们以编程频率将两个异相交流耦合电流输送到一对电极上。电流使用串联电阻器和电容器驱动到患者身上。交流耦合用于将患者与直流隔离，减轻有关向患者提供共模电压的任何担忧。交流耦合电容的值决定了电流幅度。电容值越大，驱动电流越大，电压差越大，从而增加信噪比。图2所示为典型的信号链，显示了呼吸驱动和测量电路。

图2.阻抗测绘测量的典型信号链，显示驱动和测量路径。

医学标准规定了可以安全注入患者的最大允许电流，从直流到1 kHz的50 μA rms开始。频率每增加一倍，允许电流就会翻倍，在100 kHz时增加到1 mA，然后趋于平稳。如果呼吸功能与ECG电路共享相同的电极，则直流时的患者辅助电流限制为10 μA。

驱动频率通常高于20 kHz，因为随着频率从低值增加到100 kHz，皮肤到电极阻抗降低约100倍。高于100 kHz的频率对于呼吸驱动并不常见，因为杂散电容可能难以控制，并且手术设备等干扰源会成为问题。

图3.患者皮肤阻抗与频率的关系6.

载体电极之间的阻抗是电缆电阻的总和，包括每个电极中存在的任何除颤保护电阻（R电缆通常为 1 kΩ 至 10 kΩ，某些电缆更大）、电极-皮肤界面阻抗（50 Ω 至 700 Ω）和电极之间的人体体体积组织阻抗 （R胸的大约 100 Ω 至 500 Ω）。在存在这些大静态阻抗的情况下，测量电路必须解析呼吸过程中发生的身体阻抗的微小亚欧姆变化（ΔR 通常为 0.2 Ω 至 5 Ω pk-pk）。图4显示了沿患者路径分布的贡献阻抗。

图4.到患者的阻抗路径，包括驱动组件。

测量电路

该电路的测量部分包括数字域中的高通滤波、放大、抗混叠、模数转换和同步解调，如图2所示。采集的信号在驱动频率处是调幅载波，在呼吸频率处是浅调制包络。图 5 显示了这在时域中可能是什么样子。载波调制很小，对贡献的噪声源施加了严格的限制，并且需要产生尽可能大的信号。载体和呼吸包络的大小取决于驱动电路产生的电压、胸部静态和动态呼吸阻抗的值以及驱动器电路输出之间的总电阻。测量分辨率受可用信噪比的限制。如前所述，胸腔的电阻抗在呼吸过程中会发生变化，在基线附近变化约0.2 Ω，高达10 kΩ（驱动和返回路径中的总电缆阻抗）。这会产生300 mV信号约2 μV的变化，因此需要高分辨率ADC或过采样。

图5.对应于呼吸频率的调制包络。

与皮肤接触的电极形成一个简单的电池，每个电极可以表现出高达300 mV的半电池电位。高通滤波器可消除直流信号分量，并允许更大的交流增益。抗混叠后，ADC对信号进行数字化处理。将数字化信号乘以信号发生器的I和Q相位，并对结果进行低通滤波，以获得与信号发生器同相和正交的信号分量的幅度。由于呼吸发生在低频下，这些低通滤波器的截止频率可以在数十赫兹范围内。I-Q信号可以转换为幅度相位格式，或由主机处理器直接用于进一步的滤波、呼吸速率提取和分析。

ADI公司的ADAS1000解决了设计呼吸测量电路所涉及的诸多挑战。该芯片主要是一个多通道ECG前端，还提供具有驱动和测量功能的完整呼吸电路。ADAS1000提供灵活的呼吸布置，允许在不同的路径（导联I、导联II和导联III）之间切换驱动和测量，以确保检测到最佳的呼吸信号。它还支持分离呼吸“驱动”和“接收”路径的选项，如图6所示，以提供比通过ECG电缆更大的驱动。这对于测量运动期间的呼吸很有用，当测量可能受益于驱动一组电极和测量另一组电极时。这种方法可以使用一种布置，例如，将载流子注入导联I上，同时在另一组电极上进行测量（4线排列）。

图6.ADAS1000显示灵活的呼吸切换。

对于需要更高分辨率（<0.2 Ω）的情况，4线/电极测量可以显著提高整体分辨率。使用外部驱动电容在引线I上注入阻抗载流子，并测量另一组电极上的呼吸信号，例如相对于RL的LL，能够分辨低得多的阻抗水平。其他配置可以利用其他电极组合。

结论

患者呼吸测量是医疗保健专业人员与其他重要生命体征一起使用的关键参数。本文定义了感兴趣的信号和测量该生命体征的一种方法。最近发布的ADAS1000提供了一种集成解决方案，不仅可以测量ECG信号，还可以测量呼吸，从而增加价值并简化生命体征监测设备的设计。

审核编辑：郭婷