基于生物阻抗法的肺功能参数测量

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1、基于生物阻抗法的肺功能参数测量杨建明1，钟胜河1，邓亲恺1，郭劲松1，李伟龙2作者单位标注不清，李金明11南方医科大学基础医学院生物信息学系，广东广州510515摘要：研究目的：研制一种基于胸阻抗变化的测量，实现对人体肺功能参数监测的新的删除方法。研究方法：本文基于生物阻抗法所研制的样机系统包括两大部份：胸阻抗测量仪和PC。仪器设计以MSP430F1612为核心处理器，外围电路主要由直接数字合成芯片AD5933以及包络检波、放大和滤波电路组成，并由USB接口将数据发送至PC机以显示和保存所测数据。结果和结论：分别用所研制的实验样机和基于传统流

2、量计进行肺功能测量的MIR公司的spirolabⅢ肺功能仪，对10例健康人行了测量，所测肺功能参数包括：用力肺活量（FVC:forcedvitalcapacity）、一秒率（FEV1/FVC,FEV1:forcedexpiratoryvolumeinonesecond）和峰值流量（PEF,peakexpiratoryflow），对所测结果的分析表明两种方法具有较好的一致性。关键词：胸阻抗、阻抗变化、用力肺活量、一秒率、峰值流量、MSP430F1612、AD5933中图分类号：R318.6本刊文献标识码:A--理论与应用研究学术论文（包括综述报

3、告）基金项目：广东省科技计划项目(2012B010100026)，(2011B010200009)；广州市科技计划项目(11A32120831)作者简介：杨建明，在读硕士研究生，E-mail:361879471@qq.com通讯作者：李金明，教授，E-mail:jmli@smu.edu.cn郭劲松，高级工程师，E-mail:guojs@fimmu.com0引言严重的空气污染和快速的老龄化，致使我国的呼吸道疾病发病率呈逐年上升趋势，如今慢性呼吸道疾病死亡率已占全国疾病死亡率的16.0%！国内外医学界均把肺功能参数的测量，作为评估慢性呼吸道疾病的

4、重要指针。但市售肺功能测量仪普遍价格昂贵（均在万元以上），难以进入家庭；且传统的肺功能测量方法是直接通过口腔对流量计吸气与呼气进行测量，无法适用于长时间监护。临床监护仪基于生物阻抗测量原理，采用与心电电极共用的方法，通过检测胸阻抗的变化已实现了对呼吸频率的测量，本研究将拓展胸阻抗测量的应用,探索通过测量胸阻抗的变化达到对人体重要肺功能参数的测量。1测量原理1.1生物阻抗法测量原理生物组织内单个细胞的等效电路模型见图1(a)，其中Re是细胞外液的电阻，Ce是细胞外液并联电容，Rm是细胞膜的电阻，Cm是细胞膜的并联电容，Ri是细胞内液的电阻，Ci

5、是细胞内液的并联电容。在低频范围内(低于1MHz，本研究采用370KHZ)，细胞膜的漏电阻Rm很大，可视为开路，而内外液的并联电容Ci和Ce很小，也可视为开路，这样就可以得到如图1(b)所示的简化等效电路模型，此模型又被称为并联等效电路模型。该模型也可用串联等效电路模型。对于整个生物组织而言，由于生物组织是由大量的细胞组成，可视为许多细胞的集合，因此生物组织的电路模型也可用图2(b)应是图1（b）所示的电路等效，只是此时的Ri，Re，Cm已不再是代表某个细胞内、外液电阻和细胞膜电容，而是代表整个生物组织的等效内、外液电阻和膜电容，这就是所谓的

6、三元件生物阻抗模型。任何生物组织都可用如图1(b)所述的R-C三元件电路模型等效，若用Zt代表组织等效电路两端的总阻抗，Zt=R+jX，则等效电路两端组织的电阻抗模值为：（1）式（1）中Zt是复阻抗，。当电流频率很低时，跨膜电容将电流阻隔在细胞外，1/Zi接近于O，故Zt≈Ze=Re，本研究所测值为Re,为了统一，本文用Z表示Re。人体胸腔由于呼吸引起容积的扩大或缩小时，胸腔的电阻抗随之改变，阻抗的变化（△Z）可以通给给人体表面安置电极，经电极施加微弱的高频恒定电流，再从测量电极上以电压信号检测出来，经处理后在显示器上显示呼吸波轨迹。[1]实

7、验证明，△Z与其中的非导体成份，主要是空气紧密相关，在吸气时肺容量增加，阻抗增大；呼气时肺容量减少，阻抗减小，因为此，记录呼吸时的阻抗变化（△Z）即可反映出肺容量的变化（△V）。全胸阻抗Z=Zo+△Z,其中Zo为基础阻抗,在正常人为静息呼气末水平(即功能残气量FRC)时的阻抗值。在人体一呼一吸这一短暂的检测过程中，可以认为Zo是不变的，不影响△Z的测量[2]。(a)(b)图1生物阻抗等效模型图，(a)完整模型图，(b)为简化模型图Picture1Bioimpedanceequivalentmodel(a)Completemodel,(b)Si

8、mplifiedmodel1.2拟测定的肺功能参数及其定义肺功能参数如图2所示,现简述如下:1).肺总量(totallungcapacity,TLC)：深吸气后肺内