摘要

生命體征監(jiān)測(cè)(VSM)設(shè)備可以采集多種電生理信號(hào)，例如心電圖(ECG)、光電容積脈搏波(PPG)和生物電阻抗(Bio-Z)。這些信號(hào)能夠反映人類生理狀態(tài)的多個(gè)方面，廣泛用于健康監(jiān)測(cè)、疾病預(yù)防和輔助治療。阻抗心動(dòng)圖(ICG)是一種重要的電生理信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。它通過(guò)追蹤瞬時(shí)平均胸阻抗的變化來(lái)測(cè)量心搏出量(SV)，從而評(píng)估人體的心臟血流動(dòng)力學(xué)功能。本文介紹了ICG的基本原理和測(cè)量方法，并基于ADI高度集成的模擬前端(AFE)芯片，提出并實(shí)現(xiàn)了一種ICG信號(hào)采集和SV計(jì)算解決方案。

引言

阻抗心動(dòng)圖(ICG)是一種無(wú)創(chuàng)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量與心臟活動(dòng)相關(guān)的胸生物電阻抗的變化來(lái)評(píng)估心血管功能。心動(dòng)周期中血容量的變化會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的阻抗變化，從中可以推導(dǎo)出阻抗心動(dòng)圖及其一階導(dǎo)數(shù)(dZ/dt)。dZ/dt波形包含反映心動(dòng)周期關(guān)鍵生理事件的明顯特征點(diǎn)，借助這些特征點(diǎn)可以提取重要血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如心搏出量(SV)和左心室射血時(shí)間(LVET)等。得益于其無(wú)創(chuàng)性、簡(jiǎn)易性和連續(xù)監(jiān)測(cè)能力，ICG已廣泛應(yīng)用于生命體征監(jiān)測(cè)(VSM)和心血管評(píng)估。

阻抗心動(dòng)圖

阻抗心動(dòng)圖（也稱為ICG信號(hào)）通過(guò)生物電阻抗(Bio-Z)技術(shù)生成，能夠反映血容量的變化。圖1所示為典型的阻抗心動(dòng)圖。

圖1.阻抗心動(dòng)圖(ICG)

其中，ΔZ表示總胸阻抗，dZ/dt是其一階導(dǎo)數(shù)。dZ/dt波形包含明顯的特征點(diǎn)和波分量。根據(jù)這些特征點(diǎn)的位置和幅度，可以計(jì)算SV等參數(shù)。心動(dòng)周期的特征點(diǎn)包括：

A點(diǎn)：在ICG信號(hào)中表現(xiàn)為向下偏轉(zhuǎn)，由心房收縮引起。

B點(diǎn)：表示等容收縮結(jié)束、半月瓣開啟，以及心室快速射血期的開始。在ICG信號(hào)中，它是收縮波的起始點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于血流加速度增長(zhǎng)最快的時(shí)刻。

C點(diǎn)：表示主動(dòng)脈血流達(dá)到最大值的時(shí)間，標(biāo)志著快速射血期結(jié)束，過(guò)渡到減慢射血期。在ICG信號(hào)中，它是收縮波的峰值（最大值）點(diǎn)。

X點(diǎn)：表示心室收縮的結(jié)束和半月瓣關(guān)閉的開始。在ICG信號(hào)中，它是收縮波之后的最小值點(diǎn)（隨心率變化），對(duì)應(yīng)于血流減速度增長(zhǎng)最快的點(diǎn)。

O點(diǎn)：表示左房室瓣開啟和心室充盈過(guò)程的開始。

生物阻抗測(cè)量原理

通過(guò)測(cè)量人體組織在弱交流電作用下的阻抗變化，可以獲得反映血容量變化的心臟阻抗信號(hào)。人體由眾多細(xì)胞組成，生物組織的電模型可以用圖2所示的等效電路表示。在該模型中，Cm是細(xì)胞膜的并聯(lián)電容，Re是細(xì)胞外液的電阻，Ri是細(xì)胞內(nèi)液的電阻。需要注意的是，該電路中的Cm、Re和Ri并非表示單個(gè)細(xì)胞的膜電容和細(xì)胞內(nèi)外液的電阻，而是整個(gè)生物組織的等效電容和電阻。該電路也被稱為生物阻抗的RC三元素模型。本文采用廣泛使用的四電極法來(lái)測(cè)量人體生物阻抗。此方法的原理是：通過(guò)一對(duì)電極施加激勵(lì)電流，同時(shí)使用另一對(duì)電極提取電壓。

圖2.人體組織的等效阻抗模型

如圖3所示，四個(gè)3M Ag/AgCl凝膠電極以標(biāo)準(zhǔn)配置布置，用于采集ICG信號(hào)。D1和D4用作一對(duì)激勵(lì)電極，而D2和D3用作一對(duì)檢測(cè)電極。高頻電流通過(guò)D1注入人體，并通過(guò)D4返回到芯片。將恒定電流施加于胸部時(shí)，D2和D3電極之間會(huì)產(chǎn)生電位差。胸阻抗會(huì)隨著心臟活動(dòng)而變化，故電位差也會(huì)相應(yīng)變化。這個(gè)變化的電位信號(hào)就是ICG信號(hào)。

在信號(hào)采集過(guò)程中，最佳電極布置方式如下：

D1激勵(lì)電極：附著在左右耳后凹陷處。

D4激勵(lì)電極：放置在上腹部。

D2檢測(cè)電極：對(duì)稱地附著在兩個(gè)鎖骨上方。

D3檢測(cè)電極：放置在劍突下方凹陷部位的兩側(cè)。

圖3.用于ICG信號(hào)采集的電極分配

SV計(jì)算

采集阻抗信號(hào)是為了通過(guò)其特征點(diǎn)生成ICG信號(hào)，隨后提取并計(jì)算血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，即SV。計(jì)算公式如下：

W (kg)和H (cm)分別表示受試者的體重和身高。

(dZ/dt)max是ICG信號(hào)的峰值幅度。LVET代表左心室射血時(shí)間。Z?是身體組織的基線阻抗。

IW表示理想體重，利用公式2計(jì)算。

適用于生物阻抗測(cè)量的高集成度AFE (MAX30009)解決方案

在這個(gè)生物阻抗測(cè)量應(yīng)用中，采用了ADI高度集成的模擬前端(AFE)解決方案。它有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，發(fā)射通道集成了一個(gè)正弦電流源，能夠在16 Hz到500 kHz的寬頻率范圍內(nèi)提供交流激勵(lì)電流，電流幅度范圍從16 nA rms到1.28 mA rms。頻率和電流都是完全可配置的。此外，其靈活的輸入/輸出多路復(fù)用器(mux)支持雙極性或四極性電極測(cè)量結(jié)構(gòu)。接收通道具有高輸入阻抗、低噪聲和高共模抑制比(CMRR)等特性。它還提供可編程增益、可配置的低通/高通濾波器，以及兩個(gè)集成的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)（20位），支持同步IQ信號(hào)采集。其次，對(duì)于需要高絕對(duì)阻抗精度的應(yīng)用，例如生物阻抗分析/光譜(BIA/BIS)或自動(dòng)體外除顫器(AED)中的身體阻抗測(cè)量，MAX30009提供了多種校準(zhǔn)選項(xiàng)。通過(guò)將外部精密電阻連接到專用四線校準(zhǔn)端口，可以實(shí)現(xiàn)非常高的精度。另外，其內(nèi)部調(diào)整的精密電阻也能提供出色的校準(zhǔn)性能。圖4顯示了內(nèi)部系統(tǒng)框圖。

圖4.MAX30009的內(nèi)部系統(tǒng)電路

如圖5所示，該系統(tǒng)是一個(gè)完整的生物阻抗測(cè)量解決方案。它采用高度集成且可編程的電源管理IC MAX20356來(lái)管理電源軌，并通過(guò)一個(gè)支持低功耗藍(lán)牙®的微控制器單元(MCU)與生物阻抗AFE MAX30009進(jìn)行通信?；谥敖榻B的生物阻抗測(cè)量原理，AFE的發(fā)射通道使用內(nèi)部直接數(shù)字頻率合成器(DDS)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)生成頻率可調(diào)的正弦波掃描電壓。此電壓通過(guò)偏置電阻轉(zhuǎn)換為電流激勵(lì)信號(hào)，并作用于人體。響應(yīng)信號(hào)由AFE接收通道通過(guò)輸入引腳處的測(cè)量獲得。在ICG測(cè)量中，常用的激勵(lì)信號(hào)頻率范圍為20 kHz到200 kHz，激勵(lì)電流有效值約為0.12 mA，對(duì)應(yīng)于0.1 Ω到0.4 Ω的人體交流阻抗范圍。該應(yīng)用將一個(gè)65.536 kHz和256 μA的激勵(lì)信號(hào)作用于人體進(jìn)行阻抗測(cè)量。

圖5.采用MAX32666、MAX20356和MAX30009的生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)框圖

ICG特征點(diǎn)檢測(cè)算法

原始阻抗信號(hào)首先依次通過(guò)50 Hz陷波濾波器、中值濾波器和低通濾波器處理，以獲得相對(duì)純凈的阻抗信號(hào)。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次微分以獲得ICG信號(hào)。ICG信號(hào)的峰值點(diǎn)（即C點(diǎn)）通過(guò)差分閾值法進(jìn)行檢測(cè)?；贗CG信號(hào)的C點(diǎn)，確定檢測(cè)B點(diǎn)和X點(diǎn)的時(shí)間窗口。在各自的時(shí)間窗口內(nèi)，按如下方式進(jìn)行檢測(cè)。

B點(diǎn)檢測(cè)算法：在B點(diǎn)時(shí)間窗口內(nèi)，ICG的二階導(dǎo)數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)于B點(diǎn)。如果該最大值小于Cpeak的15%，則將ICG信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)視為B點(diǎn)。如果未找到過(guò)零點(diǎn)，則將最接近0.15 × Cpeak的點(diǎn)作為B點(diǎn)。

X點(diǎn)檢測(cè)算法：在X點(diǎn)時(shí)間窗口內(nèi)，首先找到ICG信號(hào)的局部最大值，其對(duì)應(yīng)O點(diǎn)。然后將該時(shí)間窗口內(nèi)相對(duì)于O點(diǎn)斜率最大的位置選為X點(diǎn)。如果沒有找到這樣的點(diǎn)，則將該時(shí)間窗口內(nèi)的最小值視為X點(diǎn)。Cpeak被定義為(dZ/dt)max，B點(diǎn)和X點(diǎn)之間的時(shí)間差表示LVET。圖6顯示了ICG特征點(diǎn)檢測(cè)算法的流程圖。

圖6.ICG特征點(diǎn)檢測(cè)流程圖

結(jié)果

圖7顯示了利用圖5所示系統(tǒng)獲取的人體阻抗信號(hào)。圖8展示了利用ICG特征點(diǎn)檢測(cè)算法處理阻抗信號(hào)后獲得的ICG信號(hào)，信號(hào)上標(biāo)出了用于計(jì)算SV的特征點(diǎn)C、B和X。

圖7.原始生物阻抗

圖8.ICG BCX特征點(diǎn)檢測(cè)

結(jié)語(yǔ)

ICG信號(hào)是評(píng)估心血管健康狀況的重要生物信號(hào)之一，與心臟功能和血流動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。因此，準(zhǔn)確獲取和分析ICG信號(hào)對(duì)于心臟健康監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。MAX30009是一款專用的生物阻抗AFE器件，可生成各種激勵(lì)信號(hào)（如正弦掃描信號(hào)），并能通過(guò)正交解調(diào)準(zhǔn)確測(cè)量生物阻抗。它可用于采集ICG信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟活動(dòng)的詳細(xì)分析。它還支持與其他生物傳感器一起進(jìn)行同步測(cè)量，在可穿戴心血管監(jiān)測(cè)應(yīng)用中較傳統(tǒng)方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，它是構(gòu)建高精度ICG信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的理想選擇。