基于动态阻抗的生理信息检测的方法与系统分析

基于动态阻抗的生理信息检测的方法与系统分析

龚永健

天津九安医疗电子股份有限公司天津市300190

摘要：生理信息检测能够为后续的疾病诊断打下坚实基础，生理信息检测的主要作用是针对生理信息实施全面的监测和测量，并对各种监测数据的异常情况进行分析，以此来发现疾病的早期症状。在医院的运行过程中，各种医疗监护设备是最常见的生理信息监测手段。随着当今科学技术的快速发展，人们对健康提出了更高的要求，生理信息检测的重要性也逐渐凸显出来。本文主要针对动态阻抗模式下的呼吸信号以及人体水分生理信息监测进行了深入分析，并重点针对基于动态阻抗模式下的呼吸信号实时监测系统设计进行了探讨。

关键词:动态阻抗；生理信息检测；呼吸信号；人体水分

引言

随着当今科学技术的不断成熟，整个医学检测手段也在逐步向着家庭化、智能化的方向发展，在医疗体系运行过程中各种医疗监护设备应用越来越广泛。作为一种常见的生理信息检测设备，医疗监护设备能够对人体的健康状况进行有效监测，而且也能够及时发现各种疾病的早期症状。通过对人体生理参数的实时监测，能够及时发现生理信号的异常情况，这样就能够大程度减轻医疗监护人员的负担，同时也能够为病患的有效治疗从基本保障。

1生理信息检测的测量原理及研究现状

1.1基于生物阻抗的呼吸信号测量原理及研究现状

人体在于自然环境进行气体交换的过程中会产生呼吸信号，针对人体的呼吸信号进行监测是目前医疗行业生理监测系统中非常重要的一个环节。通过呼吸信号能够直观的将人体的心肺功能进行直观的反映，在此基础上就能够对人的心肺功能进行精确评估。如果人体出现呼吸过快或者过慢的现象通常情况下都预示着人的机体出现了疾病，因此，在实际进行人体健康状况评价的过程中对呼吸信号进行有效监测能够发挥出重要的作用。

目前，整个医疗行业针对呼吸信号的检测已经相对比较成熟，实际监测过程中主要有接触式以及非接触式两种监测手段，非接触式测量方法主要是应用雷达来对人体的呼吸进行测量，通过发射雷达单频连续波，然后通过接收人体反射的信号来实现呼吸测量；另外一种接触式测量主要是应用光学成像仪器对人体胸腔起伏运动进行监测，以此来实现人体呼吸信号的检测。而接触时呼吸检测主要是在人体上通过设置传感器或者电机等设备来实现对人体呼吸的测量，接触式测量方法主要包括压力传感器检测法、温度传感器检测法以及阻抗测量法等几种。在接触时呼吸测量方法的应用过程中阻抗测量法应用相对比较广泛，阻抗法，呼吸监测主要是针对人体胸腔部位的电阻抗变化规律进行测试。生物阻抗检测法具有便捷的携带性能，而且检测过程相对比较简单，不会对人体产生创伤，在整个呼吸信号测量过程中得到了非常广泛的应用[1]。

1.2与生物阻抗的人体水分动态监测原理及研究

在临床诊断过程中人体水分评估一直以来都是非常重要的一个参考指标。人体在保持健康状况下，通过水分检测就能够针对其在经过体能状况进行有效评估。而如果存在一定肾病的患者，针对其人体水分指标进行严格监测能够发挥出非常重要的作用，通过水分动态变化监测能够对肾病患者透析治疗后的药物治疗状况进行直观的反映。在实际中对人体水分状况进行监测的过程中通常情况下都会使用同位素稀释测量方法，但是这种方法在具体实施过程中必须要对人体进行血样采集，因此会造成不同程度的创伤，也并不能够适用于延续性的监测。

但相关学者在研究过程中发现，人体水分与人体的阻抗之间会受到身高、年龄、性别等各种因素的影响，再通过建立相关的计算模型后可以发现，人体水分与阻抗之间存在一种特定的固有关系，但是这种关系会因为人的个体差异而存在较大差别，但是由于单独的个体在身高、体重、性别、年龄的几个方面是固定不变的，因此针对人体的阻抗变化进行精确测量，对于深入研究人体水分的变化具有非常深远的意义。而且也能够为临床上肾衰竭、肾移植、血液渗透的病人身体状况监测提供有价值的参考。

2新型动态阻抗测量系统设计

动态阻抗测量技术在实际应用过程中最大的难点就是与静态阻抗相比较，动态阻抗相对较小，从而导致在实际进行动态阻抗信号测量过程中会在很大程度上受到静态阻抗的限制和干扰。因此，如何有效消除静态阻抗的干扰卡成为了动态阻抗测量技术实施的关键问题。

2.1基于自平衡惠斯顿电桥呼吸监测仪系统设计

在实际进行新型呼吸监测系统设计的过程中，主要使用了CT8C3866AXI-04作为主控芯片,该芯片与普通的单片机存在较大的差异,该芯片内部集成了运算放大器、可编程放大器相关的组件,而且内部器件互相之间的连接主要是通过虚拟开关来实现。但实际中对电路进行设计的过程中，优先对芯片内部的器件进行了充分运用，这样就能够最大程度保证整个系统的小型化。在本次分析过程中针对人体阻抗的动态阻抗分量进行测量主要使用了惠斯顿电桥，该电桥主要是应用了数字锁相算法来实现对整个系统的解调，并且通过对进内部频率进行合理设置，就能够获取人体在呼吸过程中的阻抗变化曲线，以此来直观的反映出人体胸部的变化规律，在此情况下就能够实现对人体与外界进行气体交换过程中呼吸信号的连续性测量。该系统在实际运行过程中，首先通过主控芯片来形成插动恒压源，然后在人体的左右手分别设置一个电机，这样就能够对人体形成激励。系统内部的差动放大器在采集到相应的电压信号后会对其进行放大处理，并将采集到的信号传输到ADC中进行处理，然后通过系统内部的数字锁相算法来针对采样进行其变化幅度的计算，然后系统中的PID算法会根据该计算结果对整个电桥的平衡进行合理的调整。经过调整后，电桥处于平衡状态下，固定数字电位器的值，在此情况下，可以将可编程放大器曾一直调到最大限度或者是保持不失真的状态，就可以充分利用经过数字锁相算法调节后的信号将人体的呼吸变化而引起的动态阻抗变化规律进行直观的反映，在此基础上就能够实现对呼吸信号监测的实时性以及连续性[2]。

2.2呼吸信号监测仪硬件设置

在针对该型号的呼吸信号监测仪进行硬件设置的过程中必须要针对两路拉动恒压源进行科学设计以及惠斯顿桥路设计。在整个系统中主控芯片可以为整个系统提供除了电桥之外的全部硬件电路。

恒压源的频率能够为人体的激励提供激励源，因此必须要对恒压源的频率进行合理的选择。在充分考虑各种因素后最终选择了传统的单凭测量生物阻抗应用比较广泛的50kHz频率，当处于该频率模式下的时候，能够有效减少感性成分的影响，而由于高频激励状况非常少，因此，系统在运行过程中也不会受到容性成分的较大影响。在50kHz频率的状况下，完全可以将整个人体阻抗看作是一个纯电阻。在这种情况下充分利用惠斯通电桥法针对整个电路平衡进行调整，可以完全不对电容影响进行考虑，由于阻抗在很大程度上是一个纯电阻形式，因此，完全能够让整个电桥达到较高的平衡状态。在整个系统设计过程中两路恒压源采取的是完全相反的两个正弦波信号，并充分利用差动激励，完全实现了共模干扰的有效消除。在综合各个部分的电路后，并充分利用惠斯顿电桥完成了整个呼吸监测系统的硬件设计。

2.3呼吸监测系统软件设置

在该呼吸监测系统运行的过程中两路恒压源的反向激励电压必须要经过软件控制，才能够完成整个电路信号采集，并充分利用快速锁相算法实现对信号幅值的解调，这样就能够将经过解调的信号作为电桥的负反馈信号，然后充分利用PID来实现对电路平衡算法调节的自动控制，在实现整个电桥的平衡后，在充分利用ADC采样锁相针对信号进行解调，这样就能够得到人体呼吸信号而导致阻抗的变化分量，在此基础上就能够实现对人体呼吸信号的实时监测。该系统的软件部分设计过程中主要是针对系统内部各个硬件以及中断要初始化算法、PID自平衡算法等进行设计。

3结束语

综上所述，生物阻抗测量可以分为静态阻抗以及动态阻抗等两个主要的部分，而在动态阻抗中包含了大量的人体生理信息，在实际中对动态阻抗进行测量的过程中，静态阻抗作为一种背景噪声会产生一定的干扰。本文设计了一种新型的人体呼吸信号监测系统，该系统不仅具有方便携带，运行功耗低等优点，而且在充分利用蓝牙技术的条件下，能够实现对信号的无线传输。

参考文献:

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