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基础医学

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背心式呼吸感应体积描记系统设计

    【摘要】  目的 为解决呼吸感应体积描记技术存在的高信噪比与低系统功耗之间的固有矛盾,并消除胸、腹信号耦合干扰,研发一种新型的呼吸感应体积描记技术,并以可穿戴技术的设计理念,设计出可穿戴式呼吸感应体积描记系统。方法 采用脉冲式分时激励的方案,在极短的时间内以极高的功率来依次轮流激励各传感线圈;设计了新型的传感线圈结构,将其嵌入背心中,实现了可穿戴式呼吸感应体积描记系统设计。结果 获得了高信噪比(高激励功率)、低系统功耗的设计效果,消除了胸、腹信号之间的耦合干扰;背心式的系统设计,外形美观,使用方便,可用于长期动态测量使用。结论 该系统性能优良,达到了设计要求,经过标定能够实现通气量无创测量,用于睡眠医学研究能够有效发现睡眠呼吸暂停事件并鉴别类型。
   【关键词】  呼吸感应体积描记术;背心;无创通气量测量;睡眠呼吸暂停事件;设计
  呼吸感应体积描记术(respiratory inductive plethysmograph,RIP)是一种性能优良的呼吸测量技术,该技术能够准确描记胸、腹呼吸运动曲线,经过标定能够定量呼吸容积,获得潮气量、肺通气量等定量信息,是无创、动态呼吸模式监测的有效手段。通过该技术还可以获得丰富的呼吸系统生理参数,如呼吸率、吸气时间分数、吸/呼比等时间参数,潮气量、每分通气量、胸腹呼吸贡献比等容积参数,还能获得呼吸流速、峰值吸气流速等呼吸力学参数。呼吸感应体积描记技术是迄今最为优良的呼吸测量技术,相对其他呼吸测量技术具有信号灵敏准确、获取定量信息、抗运动干扰能力强、使用方便、对病人负荷低等优点,特别适合长时间动态测量使用。尤其在航空、航天环境以及某些特殊作业环境下,需要对作业人员的生理参数进行长时间的动态监测,呼吸感应体积描记技术的低负荷特性以及能获得准确的通气指标、可对呼吸模式进行定量分析的优点[1],可以满足该领域的应用需求,可进行全程动态监测,提供丰富的生理、心理状态变化信息。  
  现有的呼吸感应体积描记技术系统功耗不够低,不能满足电池供电情况下的长时间测量使用,存在高信噪比(高激励功率)与低系统功耗之间的突出矛盾,胸、腹线圈之间也存在一定的耦合干扰。传统的两条缚带的使用形式,在使用过程会出现带子滑动、接插件脱落等问题,不便于长时间动态测量使用。本设计发展了呼吸感体积描记技术,采用脉冲式分时激励检测的思路,设计出新型呼吸感应体积描记技术,并改造了呼吸感应体积描记技术的传感器结构,以可穿戴技术的设计理念设计了背心式呼吸感应体积描记系统。最后以背心式呼吸感应体积描记技术为平台,开展了初步的应用研究。
新型呼吸感应体积描记技术设计
  呼吸感应体积描记技术基本原理  
  呼吸感应体积描记技术利用电磁感应的基本原理测量胸、腹呼吸运动。Goldberg[2]等人在1973年的专利中提出了用电磁感应原理测量物体截面积或者截面积变化量的方法:用弯曲成一定形状的绝缘线圈作为信号拾取传感器,线圈围绕在被测对象的横断面上,使用外加磁场的方法或者线圈中通入交变电流自身产生磁场的方法,实现横断面积(或者变化量)的测量。后一种方法由Sackner和Watson[3]等人逐步发展为一种简便、优良的呼吸测量技术——呼吸感应体积描记技术。现有呼吸感应体积描记技术的实现方法是:将附着在弹性缚带上的传感线圈作为电容三点式谐振电路的电感元件,呼吸运动引起线圈电感量的改变,导致谐振电路谐振条件改变,从而引起谐振幅度和谐振频率随呼吸运动而变化,采用调幅-检波思路或者调频-鉴频思路,就可实现呼吸运动的检测,通过胸、腹两条缚带,就可同时描记出胸、腹呼吸运动曲线。呼吸感应体积描记技术由于采用电感线圈作为传感器,因而测量的是肺通气过程中的呼吸腔体容积变化,虽然影响线圈自感量变化的因素较多,但Watson[4]等实验证明呼吸感应体积描记方法能够较准确测量截面积的变化,在一定范围内输出电压和截面积成线性关系。
现有呼吸感应体积描记技术存在的不足高信噪比与低系统功耗的矛盾                         
  我们认为现有的呼吸感应体积描记技术的系统功耗不够低(使用电流约20 mA左右),由于我们要将呼吸感应体积描记技术发展成可穿戴技术,实现数天甚至数月的连续动态监测,低系统功耗至关重要(使用电流降低到mA级)。现有技术除了存在系统功耗较高问题外,还存在高信噪比(高激励能量)与低系统功耗之间的固有矛盾,要想获得高信噪比信号,系统功耗通常较高。现有技术都采用连续激励测量的形式,持续地给传感线圈通电施加激励,如果将测量方案改成瞬间激励瞬间取出检测信号的形式,则可解决高信噪比与低系统功耗的固有矛盾,并进一步降低系统功耗。
  呼吸感应体积描记技术的传感器本质上是一条导线,采用谐振原理的测量电路将导线作为谐振电路的电感元件来看待,传感线圈的电感量通常较低,只有2 μH左右,电感的Q值(10~20)也较低。电容三点式振荡器的频率稳定度本身就不高,一般为3~10量级,加之传感器线圈的Q值较低,进一步降低了谐振电路的稳定性。对于LC谐振电路,即使采用了一定的稳频措施,其频率稳定度也不会太高,因而采用谐振测量原理的呼吸感应体积描记技术的谐振电路稳定性通常不高,无论采用检波还是鉴频方式取出呼吸信号,最终输出信号基线不够稳定。而且振荡电路元件参数受温度影响较大,为提高稳定性,通常要采用温度补偿型电容。
胸、腹信号耦合干扰                         
  上述的呼吸感应体积描记技术在设计时要用到胸、腹两个独立的谐振电路,测量使用中会发现,胸、腹线圈之间的互感带来的磁场耦合严重干扰线圈自感变化量的检测,导致测量曲线描记不准确甚至系统无法使用。为了尽可能消除胸、腹两个线圈之间的互感耦合,在设计时两个谐振电路的谐振点通常要差频50 kHz以上,这种设计减弱了线圈之间的互感耦合,使得两个线圈所在谐振电路中频率较低者对较高者的影响可以降低到很微弱,但较高频率对较低频率的影响还很明显,依然会有一条曲线描记结果不够准确。
新型呼吸感应体积描记技术  
  针对上述问题,我们根据呼吸感应体积描记技术的基本原理,发展了新型的呼吸感应体积描记技术:将线圈作为一个纯粹的感性负载,用高频的振荡信号源激励,呼吸运动带来线圈感抗的变化,从而引起线圈两端电压变化,检测该电压变化,就可描记出呼吸运动曲线。由于采用有源晶振作为系统激励信号源,解决了谐振电路稳定性问题。
  为了解决高信噪比与低系统功耗设计之间的突出矛盾,我们采用了脉冲式激励的方法:用一个约400 kHz的高频信号源在极短的时间内以极高的功率激励传感线圈,在激励的瞬间取出信号。在激励的瞬间传感线圈可获得极高的激励功率从而有极高的信噪比,但由于激励时间非常短,整个时间段内平均激励功率却很低,大大降低了传感系统功耗,从而可以获得高信噪比(高激励)、低系统功耗的设计效果。  
  为消除胸、腹信号耦合干扰,我们结合上述脉冲式激励方案采用分时激励的思路,周期性地顺序激励胸、腹线圈,每个激励过程只有一路传感线圈导通。该方法消除了胸、腹两路线圈的互感现象,从而确保了描记波形的准确性。综合上述两点最终设计出脉冲式分时激励传感系统(图1)。
设计效果 
  该系统的高频激励信号源由3.2768 M的有源晶振分频而来,稳定度很高,性能远远优于电容三点式谐振电路。系统的时序信号也由有源晶振分频而来,控制多路开关周期性地分时导通,激励传感线圈。信号调理部分为降低检测技术系统功耗进一步采用了多路复用思想,最终信号经另一模拟开关分时、串行输出。在本设计中每一路线圈用50 Hz的频率周期性地激励,每一次激励持续时间320 μs,瞬间激励电流达到20 mA(峰峰值)。虽然激励电流很高,但由于持续时间极短,一路线圈平均激励电流才为瞬间激励电流的16/1 000∶0.32 mA。采用该种方法,获得了极高的信噪比,信号稳定,抗干扰能力强,同时系统功耗又非常低。上述设计为呼吸感应体积描记技术的长时间动态测量使用提供了基础。
背心式系统设计 
  可穿戴技术是当今生物医学工程领域的一个研究热点,被认为是实现低负荷生理参数获取的有效途径。我们将上述的新型呼吸感应体积描记技术与可穿戴技术相结合,设计了背心式呼吸感应体积描记系统。该系统设计的简单思路是将呼吸感应体积描记的胸带、腹带分别移植到衣服的胸腹位置上。由于传感线圈存在一个接插头问题,如果保留接插头形式,衣服可以设计成开襟的形式,但是对接插件要求很高,且使用起来要经常插拔,使用不便且系统可靠性难以保证。若采用套头的形式,避免了接插件问题,但穿脱不便。为了使该技术与可穿戴技术更好地结合,我们改进了传感线圈的结构,设计出新型传感器。以胸带走线为例:线圈绕胸部一圈后,在前胸处贴近衣襟上行,绕颈部一圈后,贴近衣襟下行,在另一侧与线圈另一端汇合,接入信号调理电路。采用这种走线方式,整个系统可以一次设计成型,传感器和检测电路都嵌入在弹性背心中,用户使用时就和一件普通拉链背心一样,没有接插件,穿脱方便,不易损坏。导线绕颈部分围成的面积应尽量小,根据电磁感应的基本原理,绕颈部分在胸部横端面的投影面积越小,这一部分对测量结果的影响越小。从背心式呼吸感应体积描记系统的使用效果来看,该种走线方式没有对测量产生明显影响,测量结果准确可靠。
实 验
  我们以背心式呼吸感应描记系统为平台,开展了初步的应用研究,以检验该系统的性能。无创通气量测量  Konno和Mead实验证明,就肺通气而言,人类呼吸腔的运动可近似看作有胸腔和腹腔这两个自由度[5]。呼吸感应体积描记以Konno和Mead的两自由度系统为基本数学模型,通过测量胸腔截面积的变化△uVRC和腹腔截面积的变化△uVAB,经过标定来实现肺通气量△Vao的无创测量。根据Konno和Mead结论和呼吸感应体积描记技术测量的结果,有如下近似关系:△Vao=Z·△uVRC+L·△uVABZ和L分别是胸腔和腹腔的运动-容积相关系数。Z和L的求取有很多方法,本实验采用了最小二乘LSQ方法。 
实验设计                         
  选取胖、中、瘦3类体型、无既往呼吸疾病史的3个人参与实验,每个人分上、下午时段参与2次实验,每次实验先进行标定实验求取比例系数Z、L,接下来在维持标定姿势的状态下进行对比实验,将呼吸感应体积描记技术测得的潮气量与流量计测得的潮气量做对比,验证无创通气量测量的准确性。在共6人次实验中,每次实验过程标定时间约2 min,对比实验时间8~15 min不等,实验开始时受试者在站、坐、躺3个姿势下随机选择一个体位。
实验结果                         
  6人次的实验求得的比例系数Z、L不同,对同一个体,两次实验的Z、L也有差别,但对每一次实验,确定该次的比例系数Z、L后,采用该Z、L的潮气量测量平均值(VTRIP)和流量计测量潮气量平均值(VTFLOWMETER)比较,平均潮气量的相对误差(eVTRIP)很小(实验数据见表1),相对误差eVTRIP表达式为:
eVTRIP=100·(VTRIP-VTFLOWMETER)/VTFLOWMETER 睡眠呼吸事件检测 呼吸感应体积描记能够同时测量胸腹呼吸运动,估算潮气量,可用于睡眠呼吸事件检测。发生睡眠呼吸暂停或者低通气的情况下,潮气量下降,胸、腹呼吸运动模式发生改变,这些变化都会在呼吸感应体积描记及其衍生参数上有特征性的反映。表1  平均潮气量测量结果对比(略)
实验设计                           
  中/重度睡眠呼吸暂停低通气综合症患者,用背心式呼吸感应体积描记系统和多导睡眠图仪(PSG)同时记录,做整晚的睡眠记录并分析,PSG为北京新兴阳升公司生产的RS611型。实验开始时先用定性诊断校正(QDC)技术[6]对呼吸感应体积描记进行标定。
实验结果          
  整晚PSG数据采用计算机自动分析,再由专家进行校对的方法,给出整晚的睡眠呼吸事件检测结果。对应PSG检测出的呼吸事件,对比呼吸感应体积描记技术的胸、腹呼吸运动及其衍生的容量、流量变化曲线。1)阻塞型呼吸暂停特征(图2):发生阻塞型呼吸暂停时,气路阻塞,由于呼吸驱动依然存在,胸、腹呼吸运动不同步甚至呈反相位关系;通气量明显下降,呼吸感应体积描记计算所得容量、流量曲线基本成一条直线;事件结束时可以看到大幅度的胸、腹呼吸:呼吸用力(respiratory effort)发生。2)中枢型呼吸暂停(图3):发生中枢型呼吸暂停时,呼吸驱动消失,胸、腹呼吸运动消失,成直线状,通气量为零,呼吸感应体积描记计算所得的容量、流量曲线为直线;事件结束时呼吸运动逐渐恢复,没有大幅度的呼吸用力发生。3)混合型呼吸暂停(图4):发生混合型呼吸暂停时,中枢型和阻塞型呼吸事件先后发生。
结 论
  新型的呼吸感应体积描记技术由于采用了脉冲式分时激励的思路,在较低系统功耗的基础上可以获得极高的信噪比,能获得高质量的稳定信号,可满足长时间动态测量使用。背心式的结构设计,使该系统成为一种使用方便的低负荷检测手段,可广泛用于军事作业医学和睡眠医学。相应的实验结果表明,该系统设计信号稳定可靠,可用于无创通气量的准确测量,能准确描记胸、腹呼吸运动曲线,可用于睡眠医学研究。
讨 论
  电磁感应原理的呼吸感应体积描记技术相对于向患者灌入电流的阻抗呼吸体积描记技术,没有电流流经人体,更加安全可靠。更有意义的是呼吸感应体积描记技术描记出的呼吸波形更加准确,能真实地反应胸、腹呼吸运动模式,经过标定,可获得定量胸、腹呼吸运动和肺通气量。该技术取代阻抗呼吸体积描记技术用于多导睡眠图仪(PSG),将提供更准确的睡眠呼吸事件诊断信息。本文提出的脉冲式分时激励方案的呼吸感应体积描记技术是一种新型的呼吸感应体积描记技术,已申请国家发明专利,背心式的传感器结构设计、系统设计也已申请实用新型专利。通过该技术我们可获得一系列的有关呼吸系统的时间参数、容积参数以及表征呼吸道状态的呼吸力学参数,由于能获得通气指标,该技术还有望成为能长期研究动态代谢的新技术。以背心式呼吸感应体积描记系统为基础,集成其他的生理参数获取技术,该系统可成为军事作业医学研究的良好平台。
【参考文献】
 [1]Clarenbach CF, Senn O, Brack T,et al.Monitoring of ventilation during exercise by a portable respiratory inductive plethysmograph[J].Chest, 2005,128(3):12821290.
 [2]Goldberg HD,Goldberg MI.Deformable pickup coil and cooperating magnet for measuring physical quantities with means for rendering coil output independent of orientation[P]. US Patent, 3731184,1973.
 [3]Cohen KP, Panescu D, Booske JH, et al. Design of an inductive plethysmograph for ventilation measurement[J]. Physiol Meas,1994,15(2):217229
 [4]Watson HL, Poole DA, Sackner MA. Accuracy of respiratory inductive plethysmographic crosssectional areas[J]. Appl Physiol, 1988,65(1):306308.
 [5]Konno KJMead measurement of the separate volume changes of rib cage and abdomen during breathing[J]. Appl Physiol, 1967,22(3): 407422.
 [6]Sackner MA, Watson H, Belsito AS,et al.Calibration of respiratory inductive plethysmograph during natural breathing[J]. Appl Physiol, 1989,66(1): 410420.


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