双路同步阻抗容积图测量仪的研制
作者：胡耄祺 采明勇 严洪 郭建平
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：阻抗容积图；恒流源；临床监护；数据处理
航天医学与医学工程000412摘要： 我们研制了一种多用途的阻抗容积图测量仪。该测量仪由二路阻抗测量放大器、一路心电放大器和计算机及打印机组成。阻抗测量放大器可以单独使用, 也可以二路同步测量。测量时, 根据不同的目的，可以用二电极法测量, 也可以用四电极法测量。测量的软件采用人机对话的菜单形式画面, 能实时采集和显示波形及主要参数。并有报警设置功能及较好的数据分析, 打印等功能。硬件系统还采用了浮地隔离技术, 使仪器使用安全可靠。该仪器可以应用于脑功能、心功能等方面的临床监护和有关的医学科研工作。
中图分类号：R857.2；R318.6 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)04-0286-04
, 百拇医药
A Dual Channel Simultaneous Impedance Plethysmograph
HU Mao-qi CAI Ming-yong YAN Hong GUO Jian-ping
(HU Mao-qi.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract:A multi-purpose impedance plethysmograph was developed. The hardware contained two impedance measurement channels, an ECG amplifier, a computer and a printer. The impedance channels could work alone or synchronously.Two electrodes or four electrodes could be chosen for different purpose. The hardware adopted isolation technique which assured safety for clinical use.
, 百拇医药
Key words:impedance plethysmography;constant current source;clinical custodial care;data processing
阻抗容积图, 通常称为阻抗血流图或电阻图等[1], 即给人体被检部位通过一种无损伤的微弱高频电流, 检测二电极间的器官阻抗的综合变化, 来测定体液的生物阻抗与循环功能和血流动力学变化的生物物理方法。这是一种简便的、无创伤性检查方法。国外从三十年代开始, 在基础医学、实验医学及临床医学等方面的应用日渐广泛, 成为一种估量心动周期时机体各部位搏动性血液供应的生物物理方法之一, 近年来颇受重视。我国科技工作者从六十年代开始这方面的研究工作。
目前阻抗容积图的测量方法有二种, 电桥式二电极法和直接式四电极法, 后者克服了电极接触电阻的影响, 且仪器操作简便。发展应用较快。近几年来又发展了导纳法测量技术, 目的是克服基础阻抗对计算公式的影响。但以上这些仪器多数为单通道形式, 对于同时要测量两个部位阻抗容积图时就比较困难, 国内有些双路阻抗测量仪，多为四电极法，公用恒流源，通过开关切换测量电极实现，而且测量时对环境和被测对象要求较严。我们根据科研工作的需要, 研制了应用于特殊实验室的脑阻抗容积图测量仪。
, http://www.100md.com
由于测量的环境特殊, 不允许在脑部放置更多的电极, 而且脑部电场分布不均匀, 作二边对照检查, 需二路同步测量, 据有关的资料介绍, 由于头部的电生理不对称而产生电流线的不对称，此时用四电极法测量不太合适[1]。为此, 作为监测, 提出应用二电极的方法。但电桥式二电极法, 作二路同步测量, 既有操作上调平衡的麻烦, 又有互相干扰的问题。为此, 我们通过多次实验探索, 应用他激式双向恒流源的技术, 使二个电极既是源电极又是测量电极，实现一种新的两电极测量法技术。同时采用内同步开关切换的办法, 解决了二路信号同步测量的问题。考虑到仪器的通用性, 又增加了从二电极法转换成四电极法的电路,使该仪器成为多用途的阻抗容积图测量仪。同时, 我们采取了浮地隔离措施, 使仪器使用安全可靠。该仪器可以应用于普通的临床医学和医学科研实验中。
主要功能和技术指标
二路浮地隔离式阻抗测量放大器 a.单路工作或二路同时工作方式可任选,二极法、四极法可任选择； b.采用的恒流源为 50 kHz正弦波，分为 0.5 mA、1 mA、2 mA 3档; c.每路输出信号: 基础阻抗Z0, 阻抗变化量△Z0, 及其微分波dZ/dt。
, 百拇医药
一路浮地隔离式心电放大器电路 增益分为1000, 1500, 2000三档。
软件功能 采用菜单式界面，实时采集、显示、存贮5路信号波形数据, 实验时每次存贮数据时间可自选，最长5 min。数据自动分析并实时显示: 心输出量(CO)、主波幅相对比值(Hi/H0)、心率(HR)、实验时间(Time)等主要参数,并具有报警予置功能。
硬件描述
整个仪器系统由测量电路、A/D板、计算机、显示器、打印机等组成,如图1所示,也可以增加多笔记录仪, 供不同的需要。
仪器的测量电路原理框图如图2所示。
本仪器测量电路由二路阻抗测量放大器电路、一路心电放大器电路组成。阻抗测量电路,采用可变的他激式双向恒流源组成的阻抗/电压变换器, 由激励源产生50 kHz正弦波, 激励恒流源(通过选择基准电阻)产生0.5 mA、1 mA、2 mA的电流, 该恒流源的二个电极, 既是恒流源的发射与接收电极, 同时又是测量电极, 而且调整极为方便。测量的输出信号经变压器隔离(实现浮地隔离), 耦合到检波电路。检波电路由四运放组成全波整流形式, 其输出分二路、一路作为Z0值输出, 另一路经交流耦合到△Z放大器,并设有增益控制, 将△Z信号放大, 并通过适当的滤波电路输出, 同时该信号通过微分电路, 得到dZ/dt波形, 每一路的几种参数输出级均由运放组成的电平可调输出级, 既降低输出阻抗, 又可以适应不同的A/D变换器对电平的要求。
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二路阻抗放大器同步测量是通过模拟开关切换控制实现的, 因为生理信号变化相对讲是缓慢的, 我们采用内同步技术,即用恒流源的激励源信号, 通过10分频, 整形后得到5 kHz的切换控制方波信号, 经过驱动器控制电路中同步模拟开关电路,切换通往两个恒流源的激励信号，使两个恒流源分时工作， 由于控制信号与激励源信号是同步的, 所以二路开关切换的波形干净整齐, 二路间无任何串扰, 这样就实现了二路快速切换达到准同步工作, 同时也可控制开关信号, 实现任选其中一路工作或二路同时工作的功能。
图1 仪器结构框图
Fig.1 Block diagram of instrument system
图2 测量电路原理框图
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Fig.2 Block diagram of measuring circuit
用同样的方法, 通过开关切换, 将恒流源的二电极只作源电极,另外加二电极, 作为测量电极, 通过前置放大器, 输入到检波电路,实现四电极法测量。经过实际使用, 这种转换方式是切实可行的。
阻抗容积图的参数分析、需由心电波作参考, 为此, 我们在仪器中加入一路心电放大器电路, 该放大器由AD620作为输入前置放大器,其输入阻抗和共模抑制比都很高。通过双光耦合电路(TLP-52), 实现浮地隔离后由四运放组成的主放大器及50 Hz滤波器电路及输出电平调节电路, 进一步改善了抗干扰性能和适应性。
软件功能描述
本系统软件包括4个主要的功能块, 分别为病历管理、数据采集、数据分析和参数设定, 以菜单形式, 通过人-机对话实现操作。基本功能如图3所示。现按软件工作顺序作一简单介绍。
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系统主菜单 在计算机屏上显示“参数设定、病历管理、数据采集、数据分析、帮助信息及退出系统”等模块，根据需要进行选择。
参数设定 设定本次操作的功能环境的常规参数, 报警的阈值: 采样时间、采样率、基础阻抗Z0、电极距离L、电阻率ρ、体表面积, 增益大小等, 为数据的采集和分析提供基本数据。
病历管理 可以创建新的病历, 修改原有病历: 姓名, 病历号, 年龄, 性别等, 本软件还可将病历库中一个病历名及相应的数据文件拷贝到软盘中去, 也可从软盘中拷入机器中。
数据采集 按设置的采样率, 本系统可同时采集5路信号, 实时显示波形, 在屏幕下方, 有实时动态显示主要的数据(参数)并以 Show表示采样状态, 只是对波形实时显示(相当于示波器), 按空格键后, 系统进入初始化状态(INITIAL), 系统自动进入监测(DETECT)状, 此时, 屏下方出现CO，HR，Hi/Ho，Time等参数, 当需要记录时按回车键, 进入存贮状态, 开始将数据存入硬盘, 在屏的右下角 Time显示存贮的时间。存贮后按ESC键结束数据的采集, 回到主菜单。
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数据分析 数据分析屏上分二个区域, 波形区和数据区。可用左、右箭头键前后翻页, 找到满意的一页波形。 用+-键放大, 缩小波形的高度。按F4键出现+号, 可人工选择特征点 分析完后, 可打印输出: 当页波形, 当页数据及分析结果。分析数据的数目和内容根据要求可以设定编制。
退出系统, 返回DOS状态。
结果与讨论
本仪器硬件和软件上各自采取多种技术, 实现技术要求。在实验室条件下, 模拟各种活动, 仪器可靠工作，我们用双路二极法同步记录了某被试者目测训练双侧脑阻抗图(见图4)，记录的波形清晰，符合应用要求。
作为阻抗容积图仪, 该仪器不仅可以用于脑阻抗测量, 还可用于心、肺、肢体等部位的血流容积波测量研究。仪器用于小循环心功能检测的技术研究，通过检测软件的算法研究，在去除呼吸波干扰方面并取得了一些初步的成果(见图5)，其中肺阻1(IPG1)为有呼吸干扰右胸肺阻图，肺阻2(IPG2)为去除呼吸干扰后基线平稳的右胸肺阻图。目前, 对电极的形状、大小、位置等, 有待进一步研究。以适应航天科研特殊环境的要求和临床开发应用。
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图3 系统软件功能图
Fig.3 Block diagram of system software
图4 双侧脑阻抗图
Fig.4 Dualside impedance cephalography
ICG:impedance cephalography;ICG1:ICG of right left;ICG2:ICG of right left
图5 右胸肺阻图
Fig.5 Impedance pneumography in seting position
, 百拇医药
[参考文献]
[1] 郑豁然.临床血流图学[M].吉林：吉林人民出版社，1980:1～8,13～41
[2] 冯健华，邵树永，李希臻等.肺阻抗的频谱分析与应用[J].中国生物电阻抗，1985，1(1)：43～48
[3] 冯健华，张新潮，邵树永.信号平均技术在处理生理信号中的应用[J].医用电阻抗，1989，3(2)：153～154
[4] Yang Zhaokang，Zang Yiming，Zhu Miaozhang.Dual channel impedance/admittance meter and system for measuring impedance loop[J].Chinse Journal of Medical Instrumentation,1993,17(1):31～33
, 百拇医药
杨照康，臧益民，朱妙章.双通道阻抗/导纳仪与心阻抗环检测系统[J].中国医疗器械杂志，1993，17(1)：31～33
[5] Zhang Jingzhou，Li Xizhen，Song Dandan et al.A development of clinical admittance/impedance plethysmography breth wave eliminating instrument[J].Beijing Biomedical Engineering，1995，14(4)：209～213
张泾周，李希臻，宋丹丹等.医用阻抗/导纳图呼吸波消除仪的研制[J].北京生物医学工程，1995，14(4)：209～211
[6] Tian Yunqing，Chen Shigui，Hu Maoqi et al.Adaptive filter for removing respiratory noise from iug impedance[J].Information of Medical Equipment,1998,4(1):1～3
田蕴青，陈士贵，胡耄祺等.在肺血图中应用自适应滤波去除呼吸干扰[J].医疗设备信息，1998，(4)：1～3
收稿日期：1999-11-30, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：阻抗容积图；恒流源；临床监护；数据处理
航天医学与医学工程000412摘要： 我们研制了一种多用途的阻抗容积图测量仪。该测量仪由二路阻抗测量放大器、一路心电放大器和计算机及打印机组成。阻抗测量放大器可以单独使用, 也可以二路同步测量。测量时, 根据不同的目的，可以用二电极法测量, 也可以用四电极法测量。测量的软件采用人机对话的菜单形式画面, 能实时采集和显示波形及主要参数。并有报警设置功能及较好的数据分析, 打印等功能。硬件系统还采用了浮地隔离技术, 使仪器使用安全可靠。该仪器可以应用于脑功能、心功能等方面的临床监护和有关的医学科研工作。
中图分类号：R857.2；R318.6 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)04-0286-04
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A Dual Channel Simultaneous Impedance Plethysmograph
HU Mao-qi CAI Ming-yong YAN Hong GUO Jian-ping
(HU Mao-qi.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract:A multi-purpose impedance plethysmograph was developed. The hardware contained two impedance measurement channels, an ECG amplifier, a computer and a printer. The impedance channels could work alone or synchronously.Two electrodes or four electrodes could be chosen for different purpose. The hardware adopted isolation technique which assured safety for clinical use.
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Key words:impedance plethysmography;constant current source;clinical custodial care;data processing
阻抗容积图, 通常称为阻抗血流图或电阻图等[1], 即给人体被检部位通过一种无损伤的微弱高频电流, 检测二电极间的器官阻抗的综合变化, 来测定体液的生物阻抗与循环功能和血流动力学变化的生物物理方法。这是一种简便的、无创伤性检查方法。国外从三十年代开始, 在基础医学、实验医学及临床医学等方面的应用日渐广泛, 成为一种估量心动周期时机体各部位搏动性血液供应的生物物理方法之一, 近年来颇受重视。我国科技工作者从六十年代开始这方面的研究工作。
目前阻抗容积图的测量方法有二种, 电桥式二电极法和直接式四电极法, 后者克服了电极接触电阻的影响, 且仪器操作简便。发展应用较快。近几年来又发展了导纳法测量技术, 目的是克服基础阻抗对计算公式的影响。但以上这些仪器多数为单通道形式, 对于同时要测量两个部位阻抗容积图时就比较困难, 国内有些双路阻抗测量仪，多为四电极法，公用恒流源，通过开关切换测量电极实现，而且测量时对环境和被测对象要求较严。我们根据科研工作的需要, 研制了应用于特殊实验室的脑阻抗容积图测量仪。
, http://www.100md.com
由于测量的环境特殊, 不允许在脑部放置更多的电极, 而且脑部电场分布不均匀, 作二边对照检查, 需二路同步测量, 据有关的资料介绍, 由于头部的电生理不对称而产生电流线的不对称，此时用四电极法测量不太合适[1]。为此, 作为监测, 提出应用二电极的方法。但电桥式二电极法, 作二路同步测量, 既有操作上调平衡的麻烦, 又有互相干扰的问题。为此, 我们通过多次实验探索, 应用他激式双向恒流源的技术, 使二个电极既是源电极又是测量电极，实现一种新的两电极测量法技术。同时采用内同步开关切换的办法, 解决了二路信号同步测量的问题。考虑到仪器的通用性, 又增加了从二电极法转换成四电极法的电路,使该仪器成为多用途的阻抗容积图测量仪。同时, 我们采取了浮地隔离措施, 使仪器使用安全可靠。该仪器可以应用于普通的临床医学和医学科研实验中。
主要功能和技术指标
二路浮地隔离式阻抗测量放大器 a.单路工作或二路同时工作方式可任选,二极法、四极法可任选择； b.采用的恒流源为 50 kHz正弦波，分为 0.5 mA、1 mA、2 mA 3档; c.每路输出信号: 基础阻抗Z0, 阻抗变化量△Z0, 及其微分波dZ/dt。
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一路浮地隔离式心电放大器电路 增益分为1000, 1500, 2000三档。
软件功能 采用菜单式界面，实时采集、显示、存贮5路信号波形数据, 实验时每次存贮数据时间可自选，最长5 min。数据自动分析并实时显示: 心输出量(CO)、主波幅相对比值(Hi/H0)、心率(HR)、实验时间(Time)等主要参数,并具有报警予置功能。
硬件描述
整个仪器系统由测量电路、A/D板、计算机、显示器、打印机等组成,如图1所示,也可以增加多笔记录仪, 供不同的需要。
仪器的测量电路原理框图如图2所示。
本仪器测量电路由二路阻抗测量放大器电路、一路心电放大器电路组成。阻抗测量电路,采用可变的他激式双向恒流源组成的阻抗/电压变换器, 由激励源产生50 kHz正弦波, 激励恒流源(通过选择基准电阻)产生0.5 mA、1 mA、2 mA的电流, 该恒流源的二个电极, 既是恒流源的发射与接收电极, 同时又是测量电极, 而且调整极为方便。测量的输出信号经变压器隔离(实现浮地隔离), 耦合到检波电路。检波电路由四运放组成全波整流形式, 其输出分二路、一路作为Z0值输出, 另一路经交流耦合到△Z放大器,并设有增益控制, 将△Z信号放大, 并通过适当的滤波电路输出, 同时该信号通过微分电路, 得到dZ/dt波形, 每一路的几种参数输出级均由运放组成的电平可调输出级, 既降低输出阻抗, 又可以适应不同的A/D变换器对电平的要求。
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二路阻抗放大器同步测量是通过模拟开关切换控制实现的, 因为生理信号变化相对讲是缓慢的, 我们采用内同步技术,即用恒流源的激励源信号, 通过10分频, 整形后得到5 kHz的切换控制方波信号, 经过驱动器控制电路中同步模拟开关电路,切换通往两个恒流源的激励信号，使两个恒流源分时工作， 由于控制信号与激励源信号是同步的, 所以二路开关切换的波形干净整齐, 二路间无任何串扰, 这样就实现了二路快速切换达到准同步工作, 同时也可控制开关信号, 实现任选其中一路工作或二路同时工作的功能。
图1 仪器结构框图
Fig.1 Block diagram of instrument system
图2 测量电路原理框图
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Fig.2 Block diagram of measuring circuit
用同样的方法, 通过开关切换, 将恒流源的二电极只作源电极,另外加二电极, 作为测量电极, 通过前置放大器, 输入到检波电路,实现四电极法测量。经过实际使用, 这种转换方式是切实可行的。
阻抗容积图的参数分析、需由心电波作参考, 为此, 我们在仪器中加入一路心电放大器电路, 该放大器由AD620作为输入前置放大器,其输入阻抗和共模抑制比都很高。通过双光耦合电路(TLP-52), 实现浮地隔离后由四运放组成的主放大器及50 Hz滤波器电路及输出电平调节电路, 进一步改善了抗干扰性能和适应性。
软件功能描述
本系统软件包括4个主要的功能块, 分别为病历管理、数据采集、数据分析和参数设定, 以菜单形式, 通过人-机对话实现操作。基本功能如图3所示。现按软件工作顺序作一简单介绍。
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系统主菜单 在计算机屏上显示“参数设定、病历管理、数据采集、数据分析、帮助信息及退出系统”等模块，根据需要进行选择。
参数设定 设定本次操作的功能环境的常规参数, 报警的阈值: 采样时间、采样率、基础阻抗Z0、电极距离L、电阻率ρ、体表面积, 增益大小等, 为数据的采集和分析提供基本数据。
病历管理 可以创建新的病历, 修改原有病历: 姓名, 病历号, 年龄, 性别等, 本软件还可将病历库中一个病历名及相应的数据文件拷贝到软盘中去, 也可从软盘中拷入机器中。
数据采集 按设置的采样率, 本系统可同时采集5路信号, 实时显示波形, 在屏幕下方, 有实时动态显示主要的数据(参数)并以 Show表示采样状态, 只是对波形实时显示(相当于示波器), 按空格键后, 系统进入初始化状态(INITIAL), 系统自动进入监测(DETECT)状, 此时, 屏下方出现CO，HR，Hi/Ho，Time等参数, 当需要记录时按回车键, 进入存贮状态, 开始将数据存入硬盘, 在屏的右下角 Time显示存贮的时间。存贮后按ESC键结束数据的采集, 回到主菜单。
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数据分析 数据分析屏上分二个区域, 波形区和数据区。可用左、右箭头键前后翻页, 找到满意的一页波形。 用+-键放大, 缩小波形的高度。按F4键出现+号, 可人工选择特征点 分析完后, 可打印输出: 当页波形, 当页数据及分析结果。分析数据的数目和内容根据要求可以设定编制。
退出系统, 返回DOS状态。
结果与讨论
本仪器硬件和软件上各自采取多种技术, 实现技术要求。在实验室条件下, 模拟各种活动, 仪器可靠工作，我们用双路二极法同步记录了某被试者目测训练双侧脑阻抗图(见图4)，记录的波形清晰，符合应用要求。
作为阻抗容积图仪, 该仪器不仅可以用于脑阻抗测量, 还可用于心、肺、肢体等部位的血流容积波测量研究。仪器用于小循环心功能检测的技术研究，通过检测软件的算法研究，在去除呼吸波干扰方面并取得了一些初步的成果(见图5)，其中肺阻1(IPG1)为有呼吸干扰右胸肺阻图，肺阻2(IPG2)为去除呼吸干扰后基线平稳的右胸肺阻图。目前, 对电极的形状、大小、位置等, 有待进一步研究。以适应航天科研特殊环境的要求和临床开发应用。
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图3 系统软件功能图
Fig.3 Block diagram of system software
图4 双侧脑阻抗图
Fig.4 Dualside impedance cephalography
ICG:impedance cephalography;ICG1:ICG of right left;ICG2:ICG of right left
图5 右胸肺阻图
Fig.5 Impedance pneumography in seting position
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[参考文献]
[1] 郑豁然.临床血流图学[M].吉林：吉林人民出版社，1980:1～8,13～41
[2] 冯健华，邵树永，李希臻等.肺阻抗的频谱分析与应用[J].中国生物电阻抗，1985，1(1)：43～48
[3] 冯健华，张新潮，邵树永.信号平均技术在处理生理信号中的应用[J].医用电阻抗，1989，3(2)：153～154
[4] Yang Zhaokang，Zang Yiming，Zhu Miaozhang.Dual channel impedance/admittance meter and system for measuring impedance loop[J].Chinse Journal of Medical Instrumentation,1993,17(1):31～33
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杨照康，臧益民，朱妙章.双通道阻抗/导纳仪与心阻抗环检测系统[J].中国医疗器械杂志，1993，17(1)：31～33
[5] Zhang Jingzhou，Li Xizhen，Song Dandan et al.A development of clinical admittance/impedance plethysmography breth wave eliminating instrument[J].Beijing Biomedical Engineering，1995，14(4)：209～213
张泾周，李希臻，宋丹丹等.医用阻抗/导纳图呼吸波消除仪的研制[J].北京生物医学工程，1995，14(4)：209～211
[6] Tian Yunqing，Chen Shigui，Hu Maoqi et al.Adaptive filter for removing respiratory noise from iug impedance[J].Information of Medical Equipment,1998,4(1):1～3
田蕴青，陈士贵，胡耄祺等.在肺血图中应用自适应滤波去除呼吸干扰[J].医疗设备信息，1998，(4)：1～3
收稿日期：1999-11-30, 百拇医药