姬 军 黄增跃 袁 青 王云龙

改进型呼吸体积描记系统的硬件设计与研究*

姬 军①*黄增跃②袁 青②王云龙②

目的：设计一种改进型的呼吸体积描记技术(RIP)测量系统，解决目前的RIP测量系统适应性差和抗噪声能力较弱等问题。方法：采用XILINX公司的CPLD芯片作为高精度恒流源电路的控制芯片，并通过滤波、前置放大、锁相放大、自动控制放大、模拟数字转换电路和TI公司的16位MCU等构成的微弱生理信号放大检测硬件平台对人体的呼吸信号进行检测。结果：实验测试结果表明，本系统检测的潮气量与呼吸频率等呼吸参数与现行的肺功能仪(PN)有显著的正相关性。结论：改进型的RIP测量系统具有检测人体呼吸参数的能力，测量精确，操作简单，可作为便携式的呼吸检测平台。

呼吸体积描记；微弱生理信号；高精度

[First-author’s address] Department of Clinical Engineering, The No.305 Hospital of PLA, Beijing 100017, China.

呼吸体积描记(respiratory inductive p1ethysmography，RIP)技术是一种新颖的呼吸监测技术，与传统肺功能流量计相比，RIP具有测量无创性，不影响呼吸模式，便携式和无呼吸测量的死腔等优点，成为近年来生物医学工程领域的研究热点之一[1-2]。然而，现有的RIP技术仍然存在一定的缺点，如测量环境对传感器的影响较大、产生的噪声干扰会降低测量的精度导致灵敏度不够高等，极大限制了RIP技术的推广应用。因此，本研究设计的RIP测量系统价格低廉、结构简单以及能在日常的测量环境中高精度地测量呼吸参数，是开展RIP技术应用的重要一步[3-4]。

1 RIP测量系统的构成

本研究涉及的RIP测量系统主要由高精度恒流源激励模块(CPLD控制器、DA转换器、缓冲器和低通滤波器)、电感线圈传感器、信号调理模块(主要有前置放大器、锁相放大器、增益自动控制器、减法器和后置放大器)、信号采集模块(16位微处理器MSP430F149和AD转换器)和软件处理模块构成(如图1所示)。系统采用的处理芯片是XILINX的CPLD芯片XC95108和TI单片机MSP430F149[5-6]。

图1 RIP系统结构框图

1.1 恒流源激励模块

电感线圈传感器对激励信号的频率比较敏感，而且在前期研究中发现，激励信号的频率在300～450 kHz范围内，能激励电感线圈传感器产生一个合适的感生电压而不引入较多的干扰信号和噪声[7-8]。为获得合适稳定的激励信号，系统采用了基于CPLD高精度恒流源的设计[9]。

高精度恒流源设计是由CPLD芯片(XILINX的XC95108芯片)产生有规律的数字信号，并由16位高精度数字模拟转换器(digita1 ana1og converter，DAC)和低通滤波模块将数字信号转换成平滑的模拟信号，再将模拟信号输入压控恒流源电路中，进而输出精度高、稳定性好的恒流源信号，激励后续的电感线圈传感器[10]。

1.2 信号调理模块

经过恒流源信号激励后电感线圈传感器会产生随人体呼吸运动而变化的传感信号，但此传感信号不够稳定，含有较多的噪声，且幅值与变化幅度非常小。因此，系统中的信号调理模块就显得非常重要，主要是放大传感信号，能够降低噪声的影响以及提高传感信号的变化量百分比(即电感线圈传感器变化的电感量与电感线圈总电感量之比)。此模块主要包括了前置放大电路、锁相放大电路、自动增益控制电路和后级放大电路，其主要功能如下。

(1)前置放大电路主要是将电感线圈传感器经激励后产生的传感信号放大至合适的幅度，并利用放大后的传感信号作为后续锁相放大电路的输入。由于传感信号的幅度非常小(＜50 mV，其中由呼吸运动所引起的变化只有数百μV)，因此本系统采用了宽带宽，线性度良好的弱信号放大器。

(2)锁相放大电路主要检测淹没在噪声中的微弱生理信号。在测量过程中由呼吸运动引起的传感器变化量非常小(数十至数百μV)。为了提高系统的检测精度和稳定性，本系统采用了基于AD630同步解调器的锁相放大电路来检测传感信号中的呼吸运动变化信号[11]。

(3)自动增益控制电路和后级放大电路的作用是放大锁相放大电路的输出信号，同时提高传感信号变化量百分比。由于不同个体之间的生理条件(如胸围、腹围、呼吸频率及肺活量大小等)不尽相同，放大信号时往往会出现放大饱和或放大不足的现象，本研究采用的自动增益控制电路可很好地解决上述问题，提高RIP系统的适应性[12]。

1.3 信号采集模块

传感信号经调理信号模块处理后信号的幅度为2～2.5 V，满足A/D采样的要求。本系统采用AD公司的16位Σ-Δ结构的A/D转换器AD7705，以及TI公司的MSP430F149微处理器芯片，完成电感传感信号的采样，并通过UART传到上位机进行数据处理与显示[13]。

1.4 软件处理模块

本研究研制的改进型RIP呼吸测量系统的软件模块是基于MATLAB7.2a集成开发环境下编译设计的，其主要功能是收集与存储由下位机传入的数据，并对数据进行处理和分析，将计算所得的参数与呼吸波形显示出来(如图2所示)。

图2 RIP系统的软件界面

2 实验结果

图3 RIP系统与PN测量潮气量与呼吸频率的结果对比图

实验利用本研究设计的改进型RIP系统选取14位健康成年人，其中男性6人，女性8人；年龄(24±0.74)岁；无吸烟史；对其进行呼吸监测，采用改进型最小二乘法对RIP系统进行校准，并将结果与德国耶格公司生产的型号为MASTERSCOPE的肺功能仪(pneumotachograph，PN)进行比较[14]。在平静呼吸模式下，RIP测得的平均潮气量为(503.45±93) m1，平均呼吸频率为(16.478±1.875)次/min，PN测得的平均潮气量为(495.37±94)m1，平均呼吸频率为(16.843±1.861)次/min；在用力呼吸模式下，RIP测得的潮气量为(1839.9±727.384)m1，PN为(1847.6±715.3)m1(如图3所示)。经统计分析，RIP系统在测量潮气量与PN存在较显著的正相关关系(平静呼吸模式下，r=0.987，P=0.001；用力呼吸模式下，r=0.991，P=0.001)，如图4所示。

图4 RIP系统在测量潮气量与PN的配对检验结果图

3 结语

本研究课题采用RIP、电感传感器技术以及微处理机技术，研制了一种改进型的RIP呼吸测量系统。该系统为使用者提供了一个人体呼吸参数测量装置，其适应性好，检测方便，而且不需要患者太多的训练与配合。经样机测试试验，RIP呼吸测量系统初步达到预期的检测技术要求。目前，该系统在应用性与制作工艺方面还有待进一步提高，使之更加符合临床实际测量要求。

[1]Gi1bert R，Auchinc1oss JH，Brodsky J，et a1.Changes in tida1 vo1ume，frequency，and venti1ation induced by their measurement[J].J App1 Physio1，1972，33(2)：252-254.

[2]Cohn MA，Rao AS，Broudy M，et a1.The respiratory inductive p1ethysmograph：a new non-invasive monitor of respiration[J].Bu11 Eur Physiopatho1 Respir，1982，18(4)：643-658.

[3]林芳.呼吸机潮气量校准及其不确定度评定[J].中国医学装备，2010，7(11)：7-9. Grossman P，Wi1he1m FH，Brutsche M.Accuracy

[4]of venti1atory measurement emp1oying ambu1atory inductive p1ethysmography during tasks of everyday 1ife[J].Bio1ogica1 Psycho1ogy，2010，84(1)：121-128.

[5]Bonato P.Wearab1e sensors systems and their impact on biomedica1 engineering[J].IEEE Eng Med Bio1 Mag，2003，22(3)：18-20.

[6]Leino K，Nunes S，Va1ta P.et a1.Va1idation of a new respiratory inductive p1ethysmograph[J]. Acta Anaesthesio1 Scand，2001，45(1)：104-111.

[7]吴丹，徐效文，王磊，等.穿戴式动态睡眠呼吸监测系统的设计[J].传感技术学报，2010，23(3)：322-325.

[8]郭劲松，邓亲恺.可穿戴式心电、呼吸传感器与检测系统的研制[J].中国医疗器械杂志，2006，30(5)：341-344.

[9]张政波，毕亚琼，俞梦孙，等.穿戴式呼吸感应体积描记用于睡眠呼吸事件检测[J].生物医学工程学杂志，2008，25(2)：318-322.

[10]姬军.呼吸感应体积描记法校准方法在不同呼吸状态下的适用性[J].航天医学与医学工程，2013，26(1)：43-46.

[11]何明霞，曲秋红，李萌，等.弱信号锁相放大CD552-R3电路[J].传感技术学报，2010，23(10)：1454-1457.

[12]陈银根，李秀玲，肖冬平.微弱信号检测-数字相关技术的研究[J].江西科学，2004，22(4)：268-271.

[13]Aguirre J，Medrano N，Ca1vo B，e1 a1.Lockin amp1ifier for portab1e sensing systems[J]. E1ectronics 1etters，2011，47(21)：1172-1173.

[14]沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：航空航天大学出版社，2008：3-6.

Hardware design and research on improved respiratory inductive plethysmograph system/

JI Jun, HUANG Zeng-yue, YUAN Qing, et al

China Medical Equipment,2014,11(7):13-15.

Objective:To design an improved RIP system for solving the problems of low adaptability for application, low anti-noise performance and others. Methods: To utilize the CPLD from XILINX Int as the controlling MCU for high-precision constant current source circuits, the low-pass filter, pre-amplifier, automatic gain control amplifier and an analog to digital converter circuits along with a 16-bit MCU from TI corporation as the hardware platform for detecting the weak biological signal. Results: The results of the ventilation, breath rate and other respiratory parameters from our system have a high positive correlation with those from pneumotachograph. Conclusion: The system has a good performance on measuring respiratory parameters with a high accuracy, simple operations and good portability.

Respiratory inductive plethysmograph; Weak biological signal; High-precision

1672-8270(2014)07-0013-03

R197.324

A

姬军，男，(1970- )，博士，副主任技师，硕士研究生导师。解放军第305医院医学工程科，从事生物医学信号检测与处理、智能医疗仪器设计、医疗设备计量与质量控制等方面工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.005

2014-01-07

首都医学发展科研基金(2007-3038)“基于可穿戴RIP技术的不典型症状哮喘诊断方法的研究”

①解放军第305医院医学工程科 北京 100017

②南方医科大学研究生学院 广东 广州 510515

*通讯作者: kx68@163.com