CN115399750A - 一种呼吸阻抗的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及阻抗测量技术领域，具体是一种呼吸阻抗的测量方法，包括以下步骤：信号滤波：利用滤波模块滤除人体呼吸阻抗原始信号中的噪声；信号放大：利用基础阻抗放大电路对经过滤波处理后的差分信号进行差分转单端信号处理并放大；峰值检波；隔直放大：对峰值波形进行隔直后再放大，得出低分辨率ADC直接进行采集的呼吸波形；微分处理：利用微分电路对阻抗增量微分处理，将呼吸波形的变化程度展现出来；本发明通过对人体施加50KHz恒流源，使之人体阻抗数据叠加在高频信号上，使用欧姆定律，求出人体两端的电压值，而电压与电流之间的比率则代表人体的阻抗，本方案可操作性强，提供了一种简单、精确的呼吸信号测量方式。
Description
技术领域
本发明涉及阻抗测量技术领域，具体是一种呼吸阻抗的测量方法。
背景技术
对于直流电压来说，它表述为通过导体两点之间的电流与这两点之间的电压成正比。换言之，导体的电阻是恒定的，与电流无关。对于交流电压来说，情况则完全改变了，而且变得更加复杂。电阻变为阻抗，其定义为电压与电流在频域中的比率。幅度(或实部)代表电压和电流之间的比率，而相位(或虚部)则是电压与电流之间的相移值。
在医疗行业中有许多应用阻抗测量的用例，该技术可用于广泛的应用，例如获取某些特定人体参数、检测疾病或分析血液或唾液等人体液体。虽然这些应用的共同之处是进行阻抗测量，但每个应用又都有各自的一系列关键要求，现有技术中的呼吸阻抗的测量方法难以提供简单、精确的呼吸信号测量，且操作性不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种呼吸阻抗的测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的技术方案是：一种呼吸阻抗的测量方法，包括以下步骤：
S1、信号滤波：利用滤波模块滤除人体呼吸阻抗原始信号中的噪声；
S2、信号放大：利用基础阻抗放大电路对经过滤波处理后的差分信号进行差分转单端信号处理，并进行放大操作；
S3、峰值检波：利用呼吸波形调制电路消除50KHz的高频信号，只保留呼吸波形的包络，通过峰值检波电路，将50KHz信号转化为低频的峰值电路；
S4、隔直放大：对峰值波形进行隔直后再进行放大，得出低分辨率ADC直接进行采集的呼吸波形；
S5、微分处理：利用微分电路对阻抗增量微分处理，将呼吸波形的变化程度展现出来。
优选的，所述S1中，50KHz的恒流源经过人体，通过电极片的差分测量，可测得两路蕴含人体呼吸信号的一对差分信号，所述差分信号为50KHz的高频正弦或方波信号，且差分信号为人体呼吸阻抗原始信号。
优选的，所述S1中，滤波模块的输出信号为50KHz处的带通滤波，-3db通带为6.69khz至223.22khz。
优选的，所述S2中，基础阻抗放大电路主要采用程控增益仪表放大器。
优选的，所述程控增益仪表放大器的可编程增益为：1、2、5、 10，且具有高共模抑制比以降低呼吸信号的共模影响。
优选的，所述S4中，隔直放大的前一段将直流成分滤除，后一段将微小的呼吸阻抗变化放大为ADC可直接采集的信号，通过修改 R56的阻值修改放大倍数。
优选的，所述ADC采用低精度的12位ADC。
优选的，所述S5中，通过修改微分电路电容或电阻来修改微分电路时间常数，从而调整一阶微分值大小。
优选的，所述人体的基础阻抗、阻抗增量和阻抗一阶微分皆是单独的模拟量，可针对系统要求进行单独读取。
本发明通过改进在此提供一种呼吸阻抗的测量方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
本发明采用信号滤波、信号放大、峰值检波、隔直放大、微分处理的方法，每个步骤皆是通过硬件具体电路实现，通过对人体施加 50KHz恒流源，使之人体阻抗数据叠加在高频信号上，使用欧姆定律，求出人体两端的电压值，而电压与电流之间的比率则代表人体的阻抗，本方案可操作性强，提供了一种简单、精确的呼吸信号测量方式，可满足医疗条件下的人体呼吸信号采集。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释：
图1是本发明的测量方法流程图；
图2是本发明的滤波模块的硬件原理图；
图3是本发明的滤波模块的仿真分析图；
图4是本发明的基础阻抗放大电路的硬件原理图；
图5是本发明的峰值检波电路的硬件原理图；
图6是本发明的峰值检波电路的仿真波形图；
图7是本发明的隔直放大操作的硬件原理图；
图8是本发明的隔直放大操作的仿真图；
图9是本发明的微分电路的微分原理图；
图10是本发明的微分电路的仿真波形图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种呼吸阻抗的测量方法，本发明的技术方案是：
如图1所示，一种呼吸阻抗的测量方法，
包括以下步骤：
S1、信号滤波：利用滤波模块滤除人体呼吸阻抗原始信号中的噪声；具体的，50KHz的恒流源经过人体，通过电极片的差分测量，可测得两路蕴含人体呼吸信号的一对差分信号，此差分信号为50KHz的高频正弦或方波信号，由于人体或身处环境中存在各式各样的低频或高频噪声，通过对此差分信号进行简易带通滤波器，可极大程度上滤除人体环境中蕴含的噪声，硬件原理图如图2所示,仿真分析如图3 所示，通过简单元器件，即可达成输出信号在50KHz处的带通滤波， -3db通带为6.69khz至223.22khz；
S2、信号放大：利用基础阻抗放大电路对经过滤波处理后的差分信号进行差分转单端信号处理，并进行放大操作，具体的，基础阻抗放大电路主要采用程控增益仪表放大器对输入的差分信号进行差分转单端信号处理，并进行放大操作，此设计可编程增益为：1、2、5、 10，且具有高共模抑制比，可进一步降低呼吸信号的共模影响，硬件原理图如图4所示，此处设计可通过简单修改A0，A1电平即可改变此运放增益，可将此两处引脚接入单片机或电阻拉高拉低，操作简单；
S3、峰值检波：利用呼吸波形调制电路消除50KHz的高频信号，只保留呼吸波形的包络，通过峰值检波电路，将50KHz信号转化为低频的峰值电路；具体的，呼吸波形调制电路作用在于消除50KHz的高频信号，只保留呼吸波形的包络。通过电路上面峰峰值检波电路，可使原本需使用采样率100KHz以上的频率才能检测出波形具体信息的操作，使用1K以下的采样率即可完整的检测出呼吸参数，其硬件原理图如图5所示,仿真波形如图6所示，通过峰值检波电路，即可将 50KHz信号，转化为低频的峰值电路，此峰值幅度正比于人体基础阻抗，并且此峰值波形叠加着呼吸阻抗的变化，需要进一步说明的是，此电路仅适用于100KHz以下的峰值检波；
S4、隔直放大：对峰值波形进行隔直后再进行放大，得出低分辨率ADC直接进行采集的呼吸波形；具体的，由于呼吸波形叠加在人体基础阻抗波形中，此波形为直流量，需对此峰值波形进行隔直后才可进行放大，从而可得出低分辨率ADC直接进行采集的呼吸波形，硬件原理图如图7所示,仿真图如图8所示，此设计前一段可将直流成分滤除，后一段放大可将微小的呼吸阻抗变化，放大为ADC可直接采集的信号，通过修改R56的阻值，可简单修改放大倍数；
S5、微分处理：利用微分电路对阻抗增量微分处理，将呼吸波形的变化程度展现出来；具体的，微分电路是一种强化变化率的波形处理，通过对阻抗增量微分处理，可将呼吸波形的变化程度展现出来，微分原理图如图9所示,仿真波形如图10所示，微分电路可将变化率明显的展示出来效果，通过修改微分电路电容或电阻可简单修改微分电路时间常数，从而调整一阶微分值大小。
本发明采用信号滤波、信号放大、峰值检波、隔直放大、微分处理的方法，每个步骤皆是通过硬件具体电路实现，通过对人体施加 50KHz恒流源，使之人体阻抗数据叠加在高频信号上，使用欧姆定律，求出人体两端的电压值，而电压与电流之间的比率则代表人体的阻抗，本方案可操作性强，提供了一种简单、精确的呼吸信号测量方式。
上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、信号滤波：利用滤波模块滤除人体呼吸阻抗原始信号中的噪声；
S2、信号放大：利用基础阻抗放大电路对经过滤波处理后的差分信号进行差分转单端信号处理，并进行放大操作；
S3、峰值检波：利用呼吸波形调制电路消除50KHz的高频信号，只保留呼吸波形的包络，通过峰值检波电路，将50KHz信号转化为低频的峰值电路；
S4、隔直放大：对峰值波形进行隔直后再进行放大，得出低分辨率ADC直接进行采集的呼吸波形；
S5、微分处理：利用微分电路对阻抗增量微分处理，将呼吸波形的变化程度展现出来。
2.根据权利要求1所述的一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：所述S1中，50KHz的恒流源经过人体，通过电极片的差分测量，可测得两路蕴含人体呼吸信号的一对差分信号，所述差分信号为50KHz的高频正弦或方波信号，且差分信号为人体呼吸阻抗原始信号。
3.根据权利要求2所述的一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：所述S1中，滤波模块的输出信号为50KHz处的带通滤波，-3db通带为6.69khz至223.22khz。
4.根据权利要求1所述的一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：所述S2中，基础阻抗放大电路主要采用程控增益仪表放大器。
5.根据权利要求4所述的一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：所述程控增益仪表放大器的可编程增益为：1、2、5、10，且具有高共模抑制比以降低呼吸信号的共模影响。
6.根据权利要求1所述的一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：所述S4中，隔直放大的前一段将直流成分滤除，后一段将微小的呼吸阻抗变化放大为ADC可直接采集的信号，通过修改R56的阻值修改放大倍数。
7.根据权利要求6所述的一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：所述ADC采用低精度的12位ADC。
8.根据权利要求1所述的一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：所述S5中，通过修改微分电路电容或电阻来修改微分电路时间常数，从而调整一阶微分值大小。
9.根据权利要求8所述的一种呼吸阻抗的测量方法，其特征在于：所述人体的基础阻抗、阻抗增量和阻抗一阶微分皆是单独的模拟量，可针对系统要求进行单独读取。
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