一种用电容式传感器检测呼吸率的方法

　　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]。

　　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=ε₀ε_rA/d (1)

　　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

　　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]。