便携式心阻抗血流动力监测系统研究

　　引言

　　心/胸阻抗血流图(Impedance Cardiography, ICG)检测是人体阻抗测量技术在心血管血流动力学方面的一个典型应用。由于人体中血液的导电率高于胸腔中其它组织的导电率, 所以在心脏搏动时, 血液有规律地射入主动脉, 使主动脉容积随之变化,从而造成胸阻抗的变化。如果在胸腔两端加上一个恒流电源,则这种变化就可以转化成电压的变化。通过对人体胸腔的生物电阻抗及其变化 进行无创性测量, 可以得到包括心输出量等多种连续变化的生理参数。再经过对所参数作特定预处理, 在提高准确性的同时, 减少个体差异, 就能够较为准确地计算出被测对象的血流动力学活动并获得相关的生理参数, 并可对尚未表现出临床症状的某些疾病做出前瞻性预报。胸阻抗测量法有利于相关疾病的普查、预防和早期治疗, 具有十分重要的现实意义。

　　本文研究基于 USB2.0 接口的心阻抗血流图数据采集与分析系统———其功能是拾取、放大、采集阻抗血流图信号并通过USB2.0 接口送入计算机; 同时基于先进的信号处理和模式识别方法和技术, 利用可视化程序设计语言 VC++, 设计工作于Windows 环境下的心阻抗血流动力检测/监测软件系统, 它应具备数据采集、波形及参数显示、参数测算、报告打印、生命状态识别及异常状态报警等主要功能。这两部分相配合, 便可构成高性/价比的便携式血流动力监测系统。

　　1 系统硬件实现

　　整个系统被设计为由基于 USB2.0 接口硬件数据采集系统和基于VC++语言编写的软件监测系统组成。其硬件系统框图如图1 所示, 该系统主要由心电信号采集电路、阻抗信号采集电路、生理信号放大电路、MCP3208 型 A/D 采样板、USB 接口电路等组成。心电、心阻抗微分等信号数据经 USB 接口总线驱动上传到 PC 主机上, 在主机上, 通过一定的波形分析与处理获得对心功能各参数的诊断。

　　信号采集电路与 USB2.0 接口电路为该系统硬件设计的主要内容。该系统需要采集的生理信号包括基础阻抗(Z0)、阻抗变化(△Z)、阻抗微分(dZ/dt)和心电(ECG)信号 等, 相应地, 信号采集电路主要由阻抗信号采集电路和心电信号采集电路构成。阻抗信号采集电路的框图如图2 所示, 由信号源(ICL8038)、波形检测电路和滤波电路等组成。

　　其工作原理是先由恒流信号源产生 2mA、50KHz 的载波信号通过变压线圈和导联耦合至被测对象的胸腔( 变压线圈既充当耦合器, 又实现浮地隔离功能) , 在信号采集电路的输入端可以得到被测肢体的调制信号, 它反映了组织的阻抗变化即血管的容积变化对载波的调制。为了确保信号采集的准确, 抑制噪声干扰, 本方案采用了宽频带、高共模抑制比、低噪声的前置放大和二级放大电路; 再经过整流器进行全波整流, 以获取容积变化的包络信号; 其输出信号再经过一个低通滤波器滤波(截止频率为 40Hz), 得到两路缓变的信号, 其一作为 Zo 输出, 另一路耦合至三级放大电路( 增益可控) 后输出得到△Z。将△Z 信号输入微分电路并由一个六阶滤波电路( 0～80Hz) 滤波后就可以得到 dZ/dt 信号。为保证检测的精度, 在开始测试前需先将导联接至定标电阻 Zo( 30Ω) 上, 对设备进行定标。