阻抗法检测呼吸频率电路结题报告.doc

学生研究计划(SRP)项目
结题报告
目录

一、前言 3
二、项目总体设计 3
2.1、信号采集 4
2.2、设计与实现 4
2.2.1 高频激励电路 4
2.2.2 高频放大电路 5
2.2.3 检波解调电路 6
2.2.4 滤波放大电路 7
三、测试结果………………………………………………………………………………………8
四、小结 8
参考文献 8

阻抗法检测呼吸频率电路
研究报告
摘要：本文设计了用阻抗法检测呼吸信号的硬件电路，该方法简单、安全、无创，测出的呼吸波形完全能满足临床呼吸监护的需要，具有广泛的应用前景。
关键词:呼吸频率 阻抗法

一、前 言
呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测是现代医学监护技术的一个重要组成部分。随着社会进步和人民生活水平的不断提高，人们已经不再满足有病才看医生的被动模式，他们更希望随时了解自身的健康状况。这样，能够实现实时、动态、连续监护人体生理指标的便携式监护设备就成为未来家庭健康保健的首选，也是临床诊断和治疗所必不可少的。呼吸频率是呼吸呼吸行为一项重要的参数，通过对呼吸率的研究分析，可以获得许多隐藏在其背后的内在的生理信息，并且对它的检测也较易实现，所以现有的呼吸监护设备主要检测的就是呼吸频率。呼吸信号频率的检测有多种方法，然而以往的一些检测方法大都存在着不同程度的不便和干扰，这里介绍一种简单、安全、无创的检测呼吸频率的方法——阻抗法。
阻抗法是利用人体某部人体呼吸运动时，胸壁肌肉交变张弛，胸廓交替变形，机体组织的电阻抗也随之交替变化，变化量为0.1-3欧姆，称为呼吸阻抗（肺阻抗）。呼吸阻抗与肺容量存在一定的关系，肺阻抗随肺容量的增大而增大。阻抗式呼吸测量就是根据肺阻抗的变化而设计的。
由于该方法简单、安全、无创且不会对病人产生任何副作用，故近来得到了广泛的应用与发展。本文设计了用阻抗法检测呼吸信号的硬件电路。经实验验证，测出的呼吸波形完全能满足临床呼吸监护的需要。

二、项目总体设计
本项目实现了用阻抗法检测呼吸信号的硬件电路。数据采集模块采用二电极法提取呼吸波信号，在信号处理模块通过整流，滤波，放大，基本上排除了心动和血流的干扰，在示波器上得到令人满意的波形。
AD620放大器
检波解调
滤波放大
AD转换
激励脉冲发生器
信号显示
信号采集

图1 呼吸信号检测系统图

2.1 信号采集
在使用阻抗法测量过程中，采用相对较为方便的二电极法，电极一置于试验者右侧胸部，电极二置于试验者左侧腹部。试验者平静呼吸时胸腔阻抗会发生变化，采集信号后，通过对信号整流，滤波，放大，使得电极皮肤运动以及心动血流等低频信号的干扰大大降低。经实测证明，基本上可以满足临床呼吸监护的需要。
由于该方法简单，安全，无创，且不会对病人产生任何副作用，故近年来得到广泛的应用与发展。

图2 电极在电路中的位置

2.2 设计与实现
整个电路由高频激励电路，高频放大电路，检波解调电路，滤波放大电路及输出电路组成。

图3 阻抗法检测呼吸频率电路图

2.2.1 高频激励电路

图4 高频激励电路
电路由555定时器接成的多谐振荡器和一个D触发器组成。555定时器发出的脉冲频率由R1,Cl;R2,C2组成的串并联回路决定。D1,D2的作用是为了克服交越失真。由于人体在低频电流刺激下电极与皮肤会产生极化作用，且会引起肌肉收缩;而频率太高又容易使人体组织产生明显的热效应，综合两方面的原因，设计激励恒流的频率是125kHz，555定时器产生的高频方波脉冲经过D触发器的分频变为两个反相的62.5 kHz脉冲，所以接到人体身上的刺激脉冲为62.5 kHz。输出信号经R3，R4（33k恒流电阻）送往激励电极。这是因为在高频情况下人体的容抗很小，胸电阻一般也只有几十欧姆，远远小于恒流电阻，电路结构可大大简化。

2.2.2高频放大电路
从测量电极提出的是一个被呼吸信号调制的高频调幅信号，由于幅度很小，首先要进行放大。放大电路是由AD620专用放大器接成，放大倍数为11.5倍。

图5 高频放大电路
AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1-1000的低功耗、高精度仪表放大器。外形如图所示，尽管AD620由传统的三运算放大器发展而成，但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器，如电源范围宽（±2.3—±18V），设计体积小，功耗非常低（最大供电电流仅1.3mA），因而适用于低电压、低功耗的应用场合。

图6 AD620管脚图

图7 AD620内部结构
AD620内部结构见图7，为保护增益控制的高精度，输入端的三极管提供简单的差分双极输入，通过输入级内部T1-A1-R1和T2-A2-R2环路的反馈，保持鼠兔三极管的集电极电流恒定，所以输入电压相当与加到外部增益控制电阻R两端上。AD620的两个内部增益电阻R1，R2被精确确定为24.7K，因而增益方程式为G=49.4k/R +1。
管脚1、8跨接R5电阻来调整放大倍率，4、7需提供正负相等的工作电压，2、3接输入的放大电压，管脚5接地，从管脚6输出放大后的电压。AD620的放大增益关系式为G=49.4k/R +1，当R为4.7K时，计算得G等于11.5，即放大倍数为11.5倍。

2.2.3 检波解调电路
全波整流及滤波电路对高频调幅信号进行解调，用于检出阻抗变化的信号。

图8 检波解调电路

2.2.4 滤波放大电路

图9 滤波放大电路
电路由一个二阶低通滤波器和两个高通滤波器构成，并带有一定程度的放大作用。经过整流后的信号通过截止频率为lOHz的低通滤波器，滤除高频杂波和叠加在呼吸波上的心动、血流等低频信号的干扰；然后通过两个截止频率为0.05Hz的高通滤波器，滤除直流分量的干扰。由于呼吸频率一般为0. 3Hz左右，而心搏频率一般为1. 2Hz左右，故这样的设计滤波效果良好。同时，该级电路还对信号做一定的放大作用，这样就已经可以直接输出呼吸信号波形。

电路的主要技术指标：
激励频率:125kHz
恒流电流:1mA
输入阻抗:> 100M
响应频带:0. 05-10Hz
输出峰峰值:2V

三、 测试结果

图10 呼吸波形
本电路已经成功得到稳定的波形，经实测证明能较好地检测出人体的呼吸信号。实验中让测试者屏住呼吸以后可看到心动、血流等信号的干扰虽未完全滤除，但相对于检测出的呼吸信号来说，幅度已相当小，不会引起误判。该电路在信号的抗干扰性和可靠性方面具有明显的优点，应用前景广泛。
四、 小结
实验时发现电路实际效果不可能跟理论设想的完全一样，需要我们耐心地每一块电路检查，从中发现问题，思考解决问题的方法。在不断的试验中，我们对电路进行了很大的修改，直到最后出现满意的波形。同时我们进行无数次的检测以确保波形的稳定，把电路做出来只是一小步，要做成投入市场的产品还远不止这些工作，但我们在参加这个项目同时已经慢慢掌握发现问题，解决问题的能力，提高了自己的动手能力，也逐渐会运用书本的知识来分析问题，学以致用，这进一步加深我们对所学知识的理解，特别是看到所学知识的实际运用，对自己以后工作更有信心。感谢这次项目带给我的提高。

参考文献
1、 余学飞主编，现代医学电子仪器原理与设计，华南理工大学出版社
2、 戚建新，郭群恩，董苑，阻抗法检测呼吸信号的电路设计，第四军医大学西京医院