一种用电容式传感器检测呼吸率的方法
作者：葛伟庆 王生 刘世杰 罗致诚
单位：葛伟庆 王生 刘世杰 北京医科大学劳动卫生教研室，北京 100083；罗致诚 中国协和医科大学基础医学院，北京 100730
关键词：吸呼率；非接触检测；电容传感器；监护
航天医学与医学工程990215摘要：目的 介绍一种操作简单而成本低廉的呼吸率检测方法。方法 采用高灵敏度电容传感器，以及相应的检测系统，可以对呼吸活动进行检测。结果 在一般右胸上部大部分位置均能得到较为满意的信号。结论 应用前景广泛，可用于构成多参数监护仪中的呼吸模块，亦可单独用来检测呼吸波。
中图分类号：TH772.2,R318.6 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)02-0141-03
A Method of Detecting Respiratory Rate with A High-sensitivity Capacitance Transducer
, 百拇医药
GE Wei-qing,WANG Sheng,LIU Shi-jie,LUO Zhi-cheng
Abstract：Objective To introduce a simple and low cost respiratory rate detection method. Method A high-sensitivity capacitance transducer and corresponding detecting system were used in the system. Result Satisfactory signals were obtained at the upper portion of the right thorax with the method. Conclusion It could be used widely. It can be used to comprise the respiratory module in multi-parameter patient monitoring, or be used alone to detect respiratory rate.
, 百拇医药
Key words:respiratory rate；non-contact detection；capacitance sensor；monitoring
Address reprint requests to:GE Wei-qing.Occupational Department,Beijing Medical University,Beijing 100081,China
呼吸是最重要的生理功能之一，所以对呼吸的研究和监护一直是人们感兴趣的课题。例如，在手术过程中及手术后，呼吸率给麻醉科医生提供关于病人状况的基本信息；在危重病人监护和新生儿监护中，呼吸率也有着重要的意义；在某些医学成象场合，常需要呼吸波作为成象的时间参考；此外，在分析血流速度模式时也需检测呼吸率[1～5]。最普通的呼吸率的监护方法是对病人的视觉观察。传统的呼吸波的检测方法是采用力学传感器直接测量体表的位移，这种接触式的方法需要给胸廓施加一定的预压力，这会使受试者产生不适感；并且，更为重要的是，这必然会对原始呼吸活动造成影响。采用光学方法可以实现呼吸波的非接触式检测，但这种方法造价较高，且操作过程较为复杂。因而，研究人员致力于用其它方法对呼吸波进行检测，这其中包括阻抗容积法、呼吸气流测量法、气垫法、语音噪声法和微循环血流法等，并取得了一定的效果。这些方法有的需要将传感器安置在鼻前部，有的需要先进的滤波技术去除生理噪音[1]。
, 百拇医药
心动描记图原是一种用电磁法对心脏机械活动进行非接触检测的技术[6～9]。作者以往在电容式心动描记图检测系统的开发过程中，专门研制了具有高灵敏度和抗干扰性能的有源电容传感器[10]和相应的以计算机为中心的心动描记图系统[11]。研究中发现，该系统不但可用于心脏室壁运动的非接触检测，对于人体其它一些组织器官的位移性的生理活动，包括肺部的呼吸活动，亦可用来进行非接触检测。实验表明，这种电容式检测装置能够对呼吸波进行有效的无创检测，并且方法简单而价廉，从而有可能为临床提供一种新的可接受的呼吸波的检测方法，使该方法获得了新的用途。
方 法
原理 当面积为A的电容平板靠近人体时，平板与人体间构成电容C，即:
C=ε0εrA/d(1)
, 百拇医药
其中d为平板与人体间的距离。ε0是自由空间的介电常数，为8.8×10-12F/m。εr 是介质的相对介电常数，对于空气为1，对于人体则较为复杂。人体组织由浸在离子液体的细胞和胞外成份组成。组织的电特性与细胞密度结构和体液的特性有关。一个常用来描述生物组织的表达式是Cole-Cole经验公式
ε*＝ε∞+(εS-ε∞)/[1+(jω/ω0)1-k]-jσS/(ωε0)(2)
其中k是满足测量数据的经验参数。
当人体的某些位移性的生理活动, 例如呼吸运动, 导致决定C值的εr和d等物理量改变时, 将使C值产生相应的变化。因而对呼吸波的检测，即可通过对C值的变化进行检测而得出。电容式传感器的检测方法和电路有很多种[12]，我们这里采用的是有源式电流放大的方法。电容平板为直径为1 cm的圆形平板，与有源电流放大器做成一体，电容平板与人体之间通过有机玻璃隔离环保持5 mm的距离。信号源通过Ag-AgCl电极向人体送一50 kHz的等幅正弦电压源信号。假设C保持不变，则传感器电流放大器的输出仍为等幅正弦波；当C随人体位移性生理活动产生变化时, 传感器电流放大器的输出将为一包含其C变化信息的调幅波。通过相应的解调电路即可得出感兴趣的信号[10]。
, http://www.100md.com
系统构成 我们开发了基于电容传感器的呼吸波检测装置。该检测装置主要由5部分组成：精密正弦信号发生器、电容传感器、预处理电路、解调电路和输出级。图1所示为系统框图。精密正弦信号发生器产生正弦电压源送到人体，电容传感器检测电流(电容)的变化，将调幅波送到预处理电路，然后经解调和输出级，即得到呼吸波信号，可送入记录仪或计算机的A/D输入级，以便显示、记录和分析等。
图1 系统框图
Fig.1 System diagram
精密正弦信号发生器主要由精密函数发生器ICL8038构成，其随温度的频偏小于250 PPM/℃，通过移相电路分别输出正交的两路50 kHz正弦信号，一路通过电极送至受试者背部，经人体提供电容传感器的输入信号，另一路送至解调电路四相限乘法器的X端，作为参考信号。
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电容传感器的电流放大器主要由高性能运算放大器OP07构成，检测通过电容的检测电流，经电流—电压变换，得到与被测信号相关的调幅波信号，送到预处理电路。
预处理电路的主要组成部分为一个传统的由三个运算放大器组成的选频器，对电容传感器送入的信号进行选频，放大和相位补偿，并送到解调电路。
解调电路主要由四相限乘法器MC1495L组成，通过与信号发生器送入的参考信号相乘，对预处理电路送入的调幅波进行解调，乘法器的输出除感兴趣的低频信号外，还包括有载波的倍频成份，即:
cos(ωt).cos(ωt)=1+cos(2ωt)(3)
需用低通滤波器将其中的第二项去除。低通滤波器的截止频率为3.2 Hz。
输出级对解调电路送入的信号进一步放大整理，送出呼吸波信号供计算机进行数模转换以进行显示、记录和分析或直接送到其它类型的记录和控制装置。
, 百拇医药
结 果
实际测量时，信号电极可用一次性Ag-AgCl电极，直接粘贴于受试者背部任何位置。测量传感器则用松紧带固定在胸前，其检测电极通过有机玻璃环与胸壁绝缘并保持一定的距离(5 mm) 。因为测量系统对心血管系统导致的胸壁甚至胸廓内的机械运动亦较为敏感，因此对呼吸波的测量点应尽量远离心脏和主动脉等大血管，以免检测信号中包含过多的与心血管活动有关的信号(图2)。经对各个位置检测比较，一般右胸上部大部分位置均能得到较为满意的信号，图3所示即为在该位置测得的呼吸波。
图2 带有心脏活动影响的呼吸波
Fig.2 Respiratory waveform with the influence of cardiac activity
, 百拇医药
图3 没有心脏活动影响的呼吸波
Fig.3 Respiratory waveform without influence of cardiac activity
讨 论
该方法操作简单而成本低廉，其应用前景非常广泛，可用于构成多参数监护仪中的呼吸模块，亦可单独用来检测呼吸波，构成单独的呼吸检测系统，并用于某些成象场合中对时间的控制等。
本方法在技术实现上的某些方面类似于传统的阻抗法，但因采取了电容传感器和总体思路不同，所以明显优于阻抗法：检测电极没有极化阻抗，不受极化阻抗变化的影响；操作较为方便；能够分别得到胸部不同位置的不同信号，具有获得更多人体信息的潜力。本文的重点在于对呼吸率的检测，因而检测位置选择了其它生理活动影响较小的右胸上部。实际上，对其它位置的信号进行进一步分析，有可能得到其它信息，关于例如肺部的供血状况的信息。
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限于实验条件，目前我们只在实验室条件下对少量正常人进行了测试，明确了这种新方法用于呼吸率测量的可行性，今后将寻求与临床合作，结合不同病人进行进一步实验，并与其它现有呼吸率测量装置进行比较。
本文为消除心动描记图中的呼吸干扰奠定了实验基础。以往的心动描记图的传统的检测方法，由于其技术实现方法上的固有限制，难以形成实时消除呼吸干扰的检测系统，因而需要让受试者在检测过程中憋气才能进行检测，这就限制了这一方法在临床上的广泛使用。将本文介绍的方法检测的呼吸信号作为自适应滤波器的噪声输入端，同时将带有呼吸干扰的心动描记图信号作为自适应滤波器的信号输入端，进行实时处理，即对呼吸干扰进行消除，从而使之能够得到更广泛的应用。
参考文献
[1]Pettersson H,Stenow END,Cai H et al. Optical aspects of a fiber-optic sensor for respiratory rate monitoring[J]. Med & Biol Eng & Comput, 1996, 34(6):448～452
, 百拇医药
[2]沈德麟，唐庆玉，曹 宇. 监护仪用呼吸波检测电路的研制[J]. 中国医疗器械杂志, 1996, 20(2):104～105
[3]Ishijima M. Cardiopulmonary monitoring by textile electrodes without subject-awareness of being monitored[J]. Med & Biol Eng & Comput, 1997, 35(8):685～690
[4]戚建新, 林 原, 卞正中. 一种阻抗法呼吸信号检测电路的设计[J]. 中国医疗器械杂志, 1998, 22(1):9
[5]STORCK K, Karlsson M, Ask P et al. Heat transfer evaluation of the nasal thermistor technique[J]. IEEE Trans BME,1996, 43(12): 1187～1191
, 百拇医药
[6]Kwok MC,Pepper MG. Noninvasive detection of ventricular wall motion by electromagnetic coupling. Part 1 Theory: the changes in the reflected impedance of a coil over a semi-infinite medium with properties ranging from lossy dielectric to a conductor[J].Med & Biol Eng & Comput,1991,29(2)：136～140
[7]Pepper MG, Taylor DJE，Kwok MC. Noninvasive detection of ventricular wall motion by electromagnetic coupling. Part 2 Experimental: cardiokymography[J].Med & Biol Eng & Comput,1991,29(2):141～148
, 百拇医药
[8]李跃杰，罗致诚. 运用电容传感器阵列进行心脏运动非接触检测的研究[J].中国生物医学工程学报, 1994, 13(4):299～307
[9]葛伟庆. 心脏运动的非接触检测：原理与应用[J]. 国外医学生物医学工程分册, 1996, 19(1):20～28
[10]葛伟庆, 罗致诚. 用于心动描记系统的高灵敏度的电容传感器[J]. 中国医疗器械杂志, 1996, 20(6):322～324
[11]Ge WQ, Luo ZC, Jin J et al. Cardiokymograph system with a capacitance transducer and its preliminary application in the measurement of heart wall movement[J]. Med & Biol Eng & Comput,1998, 36(1):22～26
[12]约翰 G. 韦伯斯特主编, 马立业等译. 医学仪器—应用和设计[M]. 北京：新时代出版社,1982：68
收稿日期：1998-04-20, 百拇医药
单位：葛伟庆 王生 刘世杰 北京医科大学劳动卫生教研室，北京 100083；罗致诚 中国协和医科大学基础医学院，北京 100730
关键词：吸呼率；非接触检测；电容传感器；监护
航天医学与医学工程990215摘要：目的 介绍一种操作简单而成本低廉的呼吸率检测方法。方法 采用高灵敏度电容传感器，以及相应的检测系统，可以对呼吸活动进行检测。结果 在一般右胸上部大部分位置均能得到较为满意的信号。结论 应用前景广泛，可用于构成多参数监护仪中的呼吸模块，亦可单独用来检测呼吸波。
中图分类号：TH772.2,R318.6 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)02-0141-03
A Method of Detecting Respiratory Rate with A High-sensitivity Capacitance Transducer
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GE Wei-qing,WANG Sheng,LIU Shi-jie,LUO Zhi-cheng
Abstract：Objective To introduce a simple and low cost respiratory rate detection method. Method A high-sensitivity capacitance transducer and corresponding detecting system were used in the system. Result Satisfactory signals were obtained at the upper portion of the right thorax with the method. Conclusion It could be used widely. It can be used to comprise the respiratory module in multi-parameter patient monitoring, or be used alone to detect respiratory rate.
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Key words:respiratory rate；non-contact detection；capacitance sensor；monitoring
Address reprint requests to:GE Wei-qing.Occupational Department,Beijing Medical University,Beijing 100081,China
呼吸是最重要的生理功能之一，所以对呼吸的研究和监护一直是人们感兴趣的课题。例如，在手术过程中及手术后，呼吸率给麻醉科医生提供关于病人状况的基本信息；在危重病人监护和新生儿监护中，呼吸率也有着重要的意义；在某些医学成象场合，常需要呼吸波作为成象的时间参考；此外，在分析血流速度模式时也需检测呼吸率[1～5]。最普通的呼吸率的监护方法是对病人的视觉观察。传统的呼吸波的检测方法是采用力学传感器直接测量体表的位移，这种接触式的方法需要给胸廓施加一定的预压力，这会使受试者产生不适感；并且，更为重要的是，这必然会对原始呼吸活动造成影响。采用光学方法可以实现呼吸波的非接触式检测，但这种方法造价较高，且操作过程较为复杂。因而，研究人员致力于用其它方法对呼吸波进行检测，这其中包括阻抗容积法、呼吸气流测量法、气垫法、语音噪声法和微循环血流法等，并取得了一定的效果。这些方法有的需要将传感器安置在鼻前部，有的需要先进的滤波技术去除生理噪音[1]。
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心动描记图原是一种用电磁法对心脏机械活动进行非接触检测的技术[6～9]。作者以往在电容式心动描记图检测系统的开发过程中，专门研制了具有高灵敏度和抗干扰性能的有源电容传感器[10]和相应的以计算机为中心的心动描记图系统[11]。研究中发现，该系统不但可用于心脏室壁运动的非接触检测，对于人体其它一些组织器官的位移性的生理活动，包括肺部的呼吸活动，亦可用来进行非接触检测。实验表明，这种电容式检测装置能够对呼吸波进行有效的无创检测，并且方法简单而价廉，从而有可能为临床提供一种新的可接受的呼吸波的检测方法，使该方法获得了新的用途。
方 法
原理 当面积为A的电容平板靠近人体时，平板与人体间构成电容C，即:
C=ε0εrA/d(1)
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ε*＝ε∞+(εS-ε∞)/[1+(jω/ω0)1-k]-jσS/(ωε0)(2)
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系统构成 我们开发了基于电容传感器的呼吸波检测装置。该检测装置主要由5部分组成：精密正弦信号发生器、电容传感器、预处理电路、解调电路和输出级。图1所示为系统框图。精密正弦信号发生器产生正弦电压源送到人体，电容传感器检测电流(电容)的变化，将调幅波送到预处理电路，然后经解调和输出级，即得到呼吸波信号，可送入记录仪或计算机的A/D输入级，以便显示、记录和分析等。
图1 系统框图
Fig.1 System diagram
精密正弦信号发生器主要由精密函数发生器ICL8038构成，其随温度的频偏小于250 PPM/℃，通过移相电路分别输出正交的两路50 kHz正弦信号，一路通过电极送至受试者背部，经人体提供电容传感器的输入信号，另一路送至解调电路四相限乘法器的X端，作为参考信号。
, http://www.100md.com
电容传感器的电流放大器主要由高性能运算放大器OP07构成，检测通过电容的检测电流，经电流—电压变换，得到与被测信号相关的调幅波信号，送到预处理电路。
预处理电路的主要组成部分为一个传统的由三个运算放大器组成的选频器，对电容传感器送入的信号进行选频，放大和相位补偿，并送到解调电路。
解调电路主要由四相限乘法器MC1495L组成，通过与信号发生器送入的参考信号相乘，对预处理电路送入的调幅波进行解调，乘法器的输出除感兴趣的低频信号外，还包括有载波的倍频成份，即:
cos(ωt).cos(ωt)=1+cos(2ωt)(3)
需用低通滤波器将其中的第二项去除。低通滤波器的截止频率为3.2 Hz。
输出级对解调电路送入的信号进一步放大整理，送出呼吸波信号供计算机进行数模转换以进行显示、记录和分析或直接送到其它类型的记录和控制装置。
, 百拇医药
结 果
实际测量时，信号电极可用一次性Ag-AgCl电极，直接粘贴于受试者背部任何位置。测量传感器则用松紧带固定在胸前，其检测电极通过有机玻璃环与胸壁绝缘并保持一定的距离(5 mm) 。因为测量系统对心血管系统导致的胸壁甚至胸廓内的机械运动亦较为敏感，因此对呼吸波的测量点应尽量远离心脏和主动脉等大血管，以免检测信号中包含过多的与心血管活动有关的信号(图2)。经对各个位置检测比较，一般右胸上部大部分位置均能得到较为满意的信号，图3所示即为在该位置测得的呼吸波。
图2 带有心脏活动影响的呼吸波
Fig.2 Respiratory waveform with the influence of cardiac activity
, 百拇医药
图3 没有心脏活动影响的呼吸波
Fig.3 Respiratory waveform without influence of cardiac activity
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该方法操作简单而成本低廉，其应用前景非常广泛，可用于构成多参数监护仪中的呼吸模块，亦可单独用来检测呼吸波，构成单独的呼吸检测系统，并用于某些成象场合中对时间的控制等。
本方法在技术实现上的某些方面类似于传统的阻抗法，但因采取了电容传感器和总体思路不同，所以明显优于阻抗法：检测电极没有极化阻抗，不受极化阻抗变化的影响；操作较为方便；能够分别得到胸部不同位置的不同信号，具有获得更多人体信息的潜力。本文的重点在于对呼吸率的检测，因而检测位置选择了其它生理活动影响较小的右胸上部。实际上，对其它位置的信号进行进一步分析，有可能得到其它信息，关于例如肺部的供血状况的信息。
, http://www.100md.com
限于实验条件，目前我们只在实验室条件下对少量正常人进行了测试，明确了这种新方法用于呼吸率测量的可行性，今后将寻求与临床合作，结合不同病人进行进一步实验，并与其它现有呼吸率测量装置进行比较。
本文为消除心动描记图中的呼吸干扰奠定了实验基础。以往的心动描记图的传统的检测方法，由于其技术实现方法上的固有限制，难以形成实时消除呼吸干扰的检测系统，因而需要让受试者在检测过程中憋气才能进行检测，这就限制了这一方法在临床上的广泛使用。将本文介绍的方法检测的呼吸信号作为自适应滤波器的噪声输入端，同时将带有呼吸干扰的心动描记图信号作为自适应滤波器的信号输入端，进行实时处理，即对呼吸干扰进行消除，从而使之能够得到更广泛的应用。
参考文献
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[7]Pepper MG, Taylor DJE，Kwok MC. Noninvasive detection of ventricular wall motion by electromagnetic coupling. Part 2 Experimental: cardiokymography[J].Med & Biol Eng & Comput,1991,29(2):141～148
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[8]李跃杰，罗致诚. 运用电容传感器阵列进行心脏运动非接触检测的研究[J].中国生物医学工程学报, 1994, 13(4):299～307
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[11]Ge WQ, Luo ZC, Jin J et al. Cardiokymograph system with a capacitance transducer and its preliminary application in the measurement of heart wall movement[J]. Med & Biol Eng & Comput,1998, 36(1):22～26
[12]约翰 G. 韦伯斯特主编, 马立业等译. 医学仪器—应用和设计[M]. 北京：新时代出版社,1982：68
收稿日期：1998-04-20, 百拇医药