患者監護儀測量并顯示所連接患者的各種生命體征。感興趣的主要特征是患者的心電圖 （ECG） 信號，但其他感興趣和重要的參數包括溫度、血壓和呼吸頻率。本文介紹了基于胸阻抗的呼吸測量的性質。呼吸系統通過呼吸為我們的血液提供足夠的氧氣。身體中的所有細胞都需要氧氣來生存、生長并將食物轉化為能量。當我們呼吸時，我們吸入氧氣并呼出二氧化碳和水蒸氣作為細胞呼吸的副產品。呼吸主要是在自主神經系統控制下的非自愿且通常毫不費力的過程，自主神經系統會刺激橫膈膜和肺部周圍肌肉的收縮和放松。這種收縮和放松會產生有節奏的呼吸頻率和模式。放松的呼吸是恒定的，偶爾穿插著打哈欠或嘆息。休息時，只有吸氣肌在使用中，呼氣通常是一個被動過程，因為吸氣拉伸后肺部會反彈。

正常呼吸取決于多種因素，例如年齡、健康水平和壓力水平;并且通常以恒定的速率和數量。新生兒的呼吸量可能在每分鐘 30 到 60 次呼吸的范圍內，而成年人的正常呼吸頻率在同一分鐘時間范圍內可能在 12 到 20 次呼吸左右，隨著壓力、疾病和活動水平的增加而增加。使用呼吸技巧或處于冥想狀態的更放松的人可能會達到每分鐘三到五次呼吸的速度。

在醫院環境中，對脈搏、血壓、溫度、呼吸和意識水平的生理觀察為醫生和護士提供了與患者健康相關的及時信息。在這些參數中，呼吸頻率（提供有關患者痛苦或呼吸問題的重要信息的關鍵生命體征）有時未得到充分利用。3, 4呼吸頻率異常（超過表1所示）、呼吸節律變化或呼吸更加費力可能表明存在一些生理不穩定，并可能有助于識別有心臟問題風險的患者，例如CHF（慢性心力衰竭）。

確定患者呼吸頻率的關鍵是測量胸腔阻抗的變化，該阻抗隨每次吸氣和呼氣而變化。阻抗隨著患者吸氣而增加，隨著呼氣而降低。設計用于檢測這種阻抗變化的電路（基于阻抗氣動圖）通過一對電極向患者提供高頻差分電流。呼吸引起的阻抗變化會導致相應的電壓變化，可以在相同的電極上測量（2線呼吸測量），也可以在另一對電極上測量（4線呼吸測量）。

實現最佳呼吸測量在很大程度上取決于患者的位置。例如，如果患者正在睡覺或躺著，呼吸往往在腹部區域;因此，導聯II或導聯III可能提供最佳的2線測量。或者，如果患者處于直立位置，則導聯 I 電極對上可能獲得更好的信號。此外，壓力往往使我們只在上胸部呼吸，因此鉛II或鉛III可能仍然是我們中間較平靜的人的合適選擇。設計用于多路復用不同電極對的呼吸回路將確保完全覆蓋，從而捕獲最佳呼吸測量值。

圖1.肢體導聯的物理電極放置和導聯線配置。

驅動電路

典型的布置包括驅動和測量電路。驅動部分可以是DDS或DAC，它們以編程頻率將兩個異相交流耦合電流輸送到一對電極上。電流使用串聯電阻器和電容器驅動到患者身上。交流耦合用于將患者與直流隔離，減輕有關向患者提供共模電壓的任何擔憂。交流耦合電容的值決定了電流幅度。電容值越大，驅動電流越大，電壓差越大，從而增加信噪比。圖2所示為典型的信號鏈，顯示了呼吸驅動和測量電路。

圖2.阻抗測繪測量的典型信號鏈，顯示驅動和測量路徑。

醫學標準規定了可以安全注入患者的最大允許電流，從直流到1 kHz的50 μA rms開始。頻率每增加一倍，允許電流就會翻倍，在100 kHz時增加到1 mA，然后趨于平穩。如果呼吸功能與ECG電路共享相同的電極，則直流時的患者輔助電流限制為10 μA。

驅動頻率通常高于20 kHz，因為隨著頻率從低值增加到100 kHz，皮膚到電極阻抗降低約100倍。高于100 kHz的頻率對于呼吸驅動并不常見，因為雜散電容可能難以控制，并且手術設備等干擾源會成為問題。

圖3.患者皮膚阻抗與頻率的關系6.

載體電極之間的阻抗是電纜電阻的總和，包括每個電極中存在的任何除顫保護電阻（R電纜通常為 1 kΩ 至 10 kΩ，某些電纜更大）、電極-皮膚界面阻抗（50 Ω 至 700 Ω）和電極之間的人體體體積組織阻抗 （R胸的大約 100 Ω 至 500 Ω）。在存在這些大靜態阻抗的情況下，測量電路必須解析呼吸過程中發生的身體阻抗的微小亞歐姆變化（ΔR 通常為 0.2 Ω 至 5 Ω pk-pk）。圖4顯示了沿患者路徑分布的貢獻阻抗。

圖4.到患者的阻抗路徑，包括驅動組件。

測量電路

該電路的測量部分包括數字域中的高通濾波、放大、抗混疊、模數轉換和同步解調，如圖2所示。采集的信號在驅動頻率處是調幅載波，在呼吸頻率處是淺調制包絡。圖 5 顯示了這在時域中可能是什么樣子。載波調制很小，對貢獻的噪聲源施加了嚴格的限制，并且需要產生盡可能大的信號。載體和呼吸包絡的大小取決于驅動電路產生的電壓、胸部靜態和動態呼吸阻抗的值以及驅動器電路輸出之間的總電阻。測量分辨率受可用信噪比的限制。如前所述，胸腔的電阻抗在呼吸過程中會發生變化，在基線附近變化約0.2 Ω，高達10 kΩ（驅動和返回路徑中的總電纜阻抗）。這會產生300 mV信號約2 μV的變化，因此需要高分辨率ADC或過采樣。

圖5.對應于呼吸頻率的調制包絡。

與皮膚接觸的電極形成一個簡單的電池，每個電極可以表現出高達300 mV的半電池電位。高通濾波器可消除直流信號分量，并允許更大的交流增益。抗混疊后，ADC對信號進行數字化處理。將數字化信號乘以信號發生器的I和Q相位，并對結果進行低通濾波，以獲得與信號發生器同相和正交的信號分量的幅度。由于呼吸發生在低頻下，這些低通濾波器的截止頻率可以在數十赫茲范圍內。I-Q信號可以轉換為幅度相位格式，或由主機處理器直接用于進一步的濾波、呼吸速率提取和分析。

ADI公司的ADAS1000解決了設計呼吸測量電路所涉及的諸多挑戰。該芯片主要是一個多通道ECG前端，還提供具有驅動和測量功能的完整呼吸電路。ADAS1000提供靈活的呼吸布置，允許在不同的路徑（導聯I、導聯II和導聯III）之間切換驅動和測量，以確保檢測到最佳的呼吸信號。它還支持分離呼吸“驅動”和“接收”路徑的選項，如圖6所示，以提供比通過ECG電纜更大的驅動。這對于測量運動期間的呼吸很有用，當測量可能受益于驅動一組電極和測量另一組電極時。這種方法可以使用一種布置，例如，將載流子注入導聯I上，同時在另一組電極上進行測量（4線排列）。

圖6.ADAS1000顯示靈活的呼吸切換。

對于需要更高分辨率（<0.2 Ω）的情況，4線/電極測量可以顯著提高整體分辨率。使用外部驅動電容在引線I上注入阻抗載流子，并測量另一組電極上的呼吸信號，例如相對于RL的LL，能夠分辨低得多的阻抗水平。其他配置可以利用其他電極組合。

結論

患者呼吸測量是醫療保健專業人員與其他重要生命體征一起使用的關鍵參數。本文定義了感興趣的信號和測量該生命體征的一種方法。最近發布的ADAS1000提供了一種集成解決方案，不僅可以測量ECG信號，還可以測量呼吸，從而增加價值并簡化生命體征監測設備的設計。

審核編輯：郭婷