1、消除呼吸阻抗測(cè)量時(shí)運(yùn)動(dòng)干擾方法中關(guān)鍵參數(shù)的選取初探摘要雙頻率阻抗測(cè)試和自適應(yīng)處理技術(shù)相結(jié)合消除呼吸阻抗測(cè)量中運(yùn)動(dòng)干擾的方法是一種較簡(jiǎn)單且實(shí)用的方法，本文對(duì)該方法中關(guān)鍵參數(shù)的選取進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了該參數(shù)的變化趨勢(shì)，為正確應(yīng)用該方法得到更好的處理結(jié)果奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞雙頻率阻抗測(cè)試呼吸監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)干擾關(guān)鍵參數(shù) Preliminary Study on Select Value of Important Parameter of Method to Reduce Motion Artifacts in Monitoring Respiration Using Impedance Measuring

2、TechnologyWang Weihong, Bao Xianneng(Institute of Space Medico-Engineering 100094)Wang Boliang(National University of Defense Technolgy 410073)AbstractThe method of using two-frequency impedance pneumography and adaptive filter to reduce motion artifacts in monitoring respiration is not only simple

3、but also practical. The value of an important parameter is decisive factor in using this method to gain good results. The changing tendency of the parameter was found by doing human experiments and the results were presented in this paper.Key words:Two-frequency impedance measuring; Monitoring respi

4、ration ; Motion artifacts; Important parameter0引言呼吸是臨床和航天醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)中要監(jiān)測(cè)的重要生理指標(biāo)。用阻抗法監(jiān)測(cè)呼吸，具有無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)單、安全、廉價(jià)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但受人體運(yùn)動(dòng)引起的干擾影響較大。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者就如何解決呼吸阻抗測(cè)量中的運(yùn)動(dòng)干擾問(wèn)題進(jìn)行過(guò)研究，但結(jié)果都不太理想1。近來(lái)國(guó)外學(xué)者Javier Rosell等人提出應(yīng)用雙頻率阻抗測(cè)試和自適應(yīng)處理技術(shù)相結(jié)合的方法可能能夠消除呼吸阻抗測(cè)量中的運(yùn)動(dòng)干擾。我們?cè)鴮?duì)該方法進(jìn)行了研究，取得了較好的結(jié)果，并對(duì)該方法中關(guān)鍵參數(shù)K的取值問(wèn)題進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)探討，得出其變化的趨勢(shì)，為應(yīng)用該方法得到更好的處理結(jié)果

5、奠定了基礎(chǔ)。1方法原理1由于呼吸阻抗信號(hào)和運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)的幅度隨頻率變化的趨勢(shì)不同，隨著頻率的增加，與呼吸相關(guān)的阻抗變化信號(hào)的幅度增加，相反，由運(yùn)動(dòng)引起的干擾信號(hào)的幅度卻會(huì)降低2。因此，采用雙頻率阻抗測(cè)試和自適應(yīng)處理技術(shù)相結(jié)合的方法可以消除運(yùn)動(dòng)干擾。設(shè)高頻和低頻輸出的信號(hào)XHF(t)和XLF(t)分別由兩部分組成：要測(cè)的呼吸阻抗信號(hào)s(t)和由運(yùn)動(dòng)引起的以及其他的干擾信號(hào)(或噪聲)n(t)。則有：XHF(t)=A1S(t)+B1n(t)(1)XLF(t)=A2S(t)+B2n(t)(2)其中A1、A2、B1、B2分別為不同頻率下信號(hào)和噪聲的系數(shù)，因?yàn)樵诓煌l率下信號(hào)和噪聲的幅度是不同的，因此這里

6、在信號(hào)和噪聲的符號(hào)前加不同的系數(shù)。令K=A2/A1(3)d(t)=1/2XHF(t)+XLF(t)(4)y1(t)=KXHF(t)-XLF(t)(5)把(1)、(2)和(3)式分別代入(5)式，得到：y1(t)=A2B1/A1n(t)-B2n(t)(6)由(6)式可以看出，y1(t)是噪聲n(t)的一個(gè)表達(dá)式，因此這是一個(gè)與噪聲n(t)相關(guān)而與信號(hào)s(t)不相關(guān)的量，而d(t)是一個(gè)既包含信號(hào)s(t)又包含噪聲n(t)的量，因此把d(t)作為輸入信號(hào)，y1(t)作為參考輸入信號(hào)，分別代入自適應(yīng)抵消器的輸入和參考輸入端，則其輸出信號(hào)即為消除了運(yùn)動(dòng)干擾后的呼吸阻抗信號(hào)。從上述方法實(shí)現(xiàn)的原理中可以看

7、出，K的取值非常重要。如果實(shí)際值和所用的計(jì)算值不完全相同的話，那么在參考輸入中就包含了一部分要提取的信號(hào)，即包含了s(t)中的一部分值，通過(guò)自適應(yīng)抵消器之后，這部分值就會(huì)被抵消掉，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)有較大的誤差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，首先需要通過(guò)一個(gè)自適應(yīng)過(guò)程來(lái)得到較準(zhǔn)確的K值。具體原理如1所示。1系統(tǒng)使用的自適應(yīng)處理的原理其中，第一個(gè)自適應(yīng)過(guò)程僅在每次測(cè)量前啟動(dòng)，通過(guò)記錄正常呼吸時(shí)高頻和低頻兩路的呼吸阻抗信號(hào)來(lái)得到K值。在測(cè)量時(shí)，用y1(t)=KXHF(t)-XLF(t)作為第二個(gè)自適應(yīng)抵消器的參考輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)上述自適應(yīng)抵消處理之后，即可消除運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)，得到較好的呼吸阻抗信號(hào)。在K值的計(jì)算過(guò)

8、程中，采用比較簡(jiǎn)單的LMS算法3，其中u值取0.0001，濾波器的階數(shù)為一階。2K值的比較實(shí)驗(yàn)我們?cè)?jīng)對(duì)8名男性被試者進(jìn)行了跑臺(tái)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用上述方法消除運(yùn)動(dòng)干擾時(shí)，應(yīng)用正常呼吸時(shí)得出的K值進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)效果不好，有一部分信號(hào)也被抵消了。分析原因，主要是因?yàn)镵值取值偏小，通過(guò)增加K值，得到了較好的輸出結(jié)果。這提示，運(yùn)動(dòng)情況下的K值比正常呼吸時(shí)的K值要大。為了探尋K值在不同運(yùn)動(dòng)情況和不同呼吸狀態(tài)下的變化趨勢(shì)，以便在實(shí)際應(yīng)用中能夠更好地選取K值，進(jìn)行了K值的比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象：男性(身體健康，年齡為1820歲，體重為5965kg)8名。女性(身體健康，年齡為2630歲，體重為4755kg)8名。實(shí)驗(yàn)方

9、法：1.采用兩電極方法。電極選用極化電位較小的Ag/AgCl圓狀小電極，電極的粘貼部位選在兩側(cè)腋中線第五、六肋間。這是因?yàn)楫?dāng)電極貼在此處時(shí)，呼吸阻抗的靈敏度較高。2.實(shí)驗(yàn)中用我們自行研制的雙通道呼吸阻抗測(cè)量系統(tǒng)來(lái)記錄高低兩種頻率下的呼吸阻抗信號(hào)。兩種頻率分別設(shè)定為185kHz和57kHz，采樣率為60Hz。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)1男性運(yùn)動(dòng)與正常呼吸時(shí)K值的比較實(shí)驗(yàn)為了比較運(yùn)動(dòng)時(shí)與正常呼吸時(shí)的K值，選擇被試者做蹬自行車(chē)功量計(jì)的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樵谧鲞@種運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有腿部運(yùn)動(dòng)，上身基本保持不動(dòng)，因此這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)干擾非常小，它可以較好地反映出被試者運(yùn)動(dòng)時(shí)的呼吸阻抗信號(hào)的變化情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：男性被試者站立地面，記

10、錄正常呼吸時(shí)的呼吸波形各20個(gè)，然后坐在自行車(chē)功量計(jì)上，啟動(dòng)功量計(jì)，分別記錄當(dāng)自行車(chē)的功率為50W，蹬車(chē)速度為60圈min時(shí)以及自行車(chē)的功率為150W，蹬車(chē)速度為100圈min時(shí)的信號(hào)各1min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：2所示是功率為150W，蹬車(chē)速度為每分鐘100圈時(shí)記錄的某被試者的信號(hào)。2A所示為低頻一路的信號(hào)，2B所示為高頻一路的信號(hào)。由中可以看出，由蹬車(chē)所引起的運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)是很小的。這是實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)負(fù)荷最大情況下的信號(hào)，其他功率檔上的運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)就更小。2功率為150W、蹬車(chē)速度為100圈/min時(shí)某被試者的信號(hào)A.低頻一路的信號(hào)B.高頻一路的信號(hào)分別計(jì)算男性正常呼吸時(shí)低頻一路與高頻一路信號(hào)的比值K以

11、及功率為50W、蹬車(chē)速度為每分鐘60圈與功率為150W、蹬車(chē)速度為每分鐘100圈時(shí)低頻一路與高頻一路信號(hào)的比值K(記為K1)，發(fā)現(xiàn)K1均比正常呼級(jí)時(shí)得出的K值要大。表1所示是功率為50W、蹬車(chē)速度為每分鐘60圈時(shí)的K1值與正常呼吸時(shí)K值的比較表。從表1可以看出，K1的平均值比K值的平均值大7%。差異顯著性檢驗(yàn)(t檢驗(yàn))4的結(jié)果表明，兩種情況下K值的差異具有非常顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p0.001)。表2所示是功率為150W、蹬車(chē)速度為每分鐘100圈時(shí)的K1值與正常呼吸時(shí)K值的比較表。從表2可以看出，K1的平均值比K值的平均值大20%。差異顯著性檢驗(yàn)(t檢驗(yàn))4的結(jié)果表明，兩種情況下K值的差異具有非常

12、顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p0.01)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)時(shí)的K值的確比正常呼吸時(shí)的K值大。從表1和表2還可以看出，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增大，胸部呼吸深度增加，K值增加更多。表1男性正常呼吸時(shí)K值與功率為50W、蹬車(chē)速度為60圈/分時(shí)K值(記為K1)的比較表被試者K值K1值K1/K10.63220.65881.0420.49250.51351.0430.47130.49981.0640.56780.61431.0850.47930.53451.1160.49990.52551.0570.49150.55401.1080.51850.54001.04均值sd0.51910.05460.55510.05421.070.0

13、3表2男性正常呼吸時(shí)K值與功率為150W、蹬車(chē)速度為100圈/分時(shí)K值(記為K1)的比較表被試者K值K1值K1/K10.63220.69151.0920.49250.53981.1030.47130.59881.2740.56780.72711.2850.47930.59741.2560.49990.57841.1670.49150.64091.3080.51850.61881.19均值sd0.51910.05460.62410.06091.200.08實(shí)驗(yàn)2男性正常呼吸與女性正常呼吸以及女性正常呼吸與深呼吸時(shí)K值的比較實(shí)驗(yàn)?zāi)行赃\(yùn)動(dòng)與正常呼吸時(shí)相比，胸部呼吸深度增加。由男性正常呼吸與運(yùn)動(dòng)時(shí)K值

14、的比較實(shí)驗(yàn)可以得出，胸部呼吸深度增加則K值增大。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論的正確性，選擇女性來(lái)做比較實(shí)驗(yàn)。因?yàn)榕砸话阋孕夭亢粑鼮橹鞫行詣t一般以腹部呼吸為主5。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：女性被試者站立地面，記錄正常呼吸以及深呼吸時(shí)的波形各20個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：表3所示為男性正常呼吸與女性正常呼吸時(shí)K值的比較表。由表3可以看出：女性正常呼吸時(shí)K值的平均值比男性正常呼吸時(shí)K值的平均值大35%。兩個(gè)樣本均數(shù)差別的t檢驗(yàn)4的結(jié)果表明，兩種情況下K值的差異具有非常顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p0.001)，說(shuō)明女性正常呼吸時(shí)K值的確比男性正常呼吸時(shí)的K值大。 表3男性正常呼吸與女性正常呼吸時(shí)K值的比較表被試者男性正常呼吸時(shí)K值女性正常呼吸時(shí)

15、K值(K1表示)K1/K10.63220.716220.49250.598630.47130.637640.56780.669150.47930.717460.49990.741270.49150.767080.51850.7843均值sd0.51910.05460.70390.06411.35表4所示為女性正常呼吸與深呼吸時(shí)K值的比較表。由表4可以看出：女性深呼吸時(shí)K值的平均值比正常呼吸時(shí)K值的平均值大11%。差異顯著性檢驗(yàn)(t檢驗(yàn))4的結(jié)果表明，兩種情況下K值的差異具有非常顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p0.001)，說(shuō)明女性深呼吸時(shí)的K值的確比正常呼吸時(shí)的K值大。 表4女性正常呼吸與深呼吸時(shí)K值的比

16、較表被試者女性正常呼吸時(shí)K值女性深呼吸時(shí)K值(K1表示)K1/K10.71620.81541.1420.59860.68441.1430.63760.71291.1240.66910.75351.1350.71740.81931.1460.74120.77131.0470.76700.80921.0680.78430.83551.07均值sd0.70390.06410.77520.05471.110.043分析討論由以上實(shí)驗(yàn)可以得出：在不同呼吸狀態(tài)下K值是不同的。運(yùn)動(dòng)時(shí)的K值比正常呼吸時(shí)的K值大，而且隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加K值增大更多，女性正常呼吸比男性正常呼吸時(shí)的K值大，女性深呼吸比正常呼吸時(shí)的

17、K值大。這方面的研究工作目前在國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)報(bào)道。生理學(xué)研究表明：男性運(yùn)動(dòng)與正常呼吸時(shí)相比，胸部的呼吸活動(dòng)增加，呼吸深度增加，而且隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加胸部呼吸深度會(huì)更深。而女性與男性相比，一般女性以胸部呼吸為主，而男性一般以腹部呼吸為主。同樣是女性，深呼吸時(shí)呼吸時(shí)的深度自然要比正常呼吸時(shí)的深度要深。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，K值與胸部呼吸深度密切相關(guān)，K值隨胸部呼吸深度的增加而增大。至于K值為什么會(huì)有這樣的變化趨勢(shì)，也就是說(shuō)，為什么胸部呼吸加深時(shí)，K值會(huì)增加，其機(jī)理尚需進(jìn)一步探討。 4結(jié)語(yǔ)應(yīng)用雙頻率阻抗測(cè)試和自適應(yīng)處理技術(shù)相結(jié)合的方法消除呼吸阻抗測(cè)量中的運(yùn)動(dòng)干擾時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)K的準(zhǔn)確取值對(duì)于輸出結(jié)果有很大

18、的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在不同的呼吸狀態(tài)下K值是不同的。K值隨胸部呼吸深度的增加而增大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不同的運(yùn)動(dòng)情況，必須對(duì)K值進(jìn)行必要的修正，然后再加以應(yīng)用，才能獲得較好的呼吸阻抗信號(hào)。(致謝：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到趙國(guó)璇老師和劉向欣同志的熱情幫助和大力協(xié)助，特此致謝。)作者單位：王衛(wèi)紅鮑咸能航天醫(yī)學(xué)工程研究所(北京100094)王博亮國(guó)防科技大學(xué)(長(zhǎng)沙410073)5參考文獻(xiàn)1Rosell J,Cohen K P, and Webster J G. Reduction of motion artif acts using a two-frequency impedance plethysmograph and ada