摘要

     生命體征監測(VSM)設備可以采集多種電生理信號，例如心電圖(ECG)、光電容積脈搏波(PPG)和生物電阻抗(Bio-Z)。這些信號能夠反映人類生理狀態的多個方面，廣泛用于健康監測、疾病預防和輔助治療。阻抗心動圖(ICG)是一種重要的電生理信號檢測技術。它通過追蹤瞬時平均胸阻抗的變化來測量心搏出量(SV)，從而評估人體的心臟血流動力學功能。本文介紹了ICG的基本原理和測量方法，并基于ADI高度集成的模擬前端(AFE)芯片，提出并實現了一種ICG信號采集和SV計算解決方案。

引言

     阻抗心動圖(ICG)是一種無創技術，通過測量與心臟活動相關的胸生物電阻抗的變化來評估心血管功能。心動周期中血容量的變化會導致相應的阻抗變化，從中可以推導出阻抗心動圖及其一階導數(dZ/dt)。dZ/dt波形包含反映心動周期關鍵生理事件的明顯特征點，借助這些特征點可以提取重要血流動力學參數，如心搏出量(SV)和左心室射血時間(LVET)等。得益于其無創性、簡易性和連續監測能力，ICG已廣泛應用于生命體征監測(VSM)和心血管評估。

阻抗心動圖

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

圖1.阻抗心動圖(ICG)

     其中，ΔZ表示總胸阻抗，dZ/dt是其一階導數。dZ/dt波形包含明顯的特征點和波分量。根據這些特征點的位置和幅度，可以計算SV等參數。心動周期的特征點包括：

?A點：在ICG信號中表現為向下偏轉，由心房收縮引起。

?B點：表示等容收縮結束、半月瓣開啟，以及心室快速射血期的開始。在ICG信號中，它是收縮波的起始點，對應于血流加速度增長最快的時刻。

?C點：表示主動脈血流達到最大值的時間，標志著快速射血期結束，過渡到減慢射血期。在ICG信號中，它是收縮波的峰值（最大值）點。

?X點：表示心室收縮的結束和半月瓣關閉的開始。在ICG信號中，它是收縮波之后的最小值點（隨心率變化），對應于血流減速度增長最快的點。

?O點：表示左房室瓣開啟和心室充盈過程的開始。

生物阻抗測量原理

     通過測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。人體由眾多細胞組成，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是細胞膜的并聯電容，Re是細胞外液的電阻，Ri是細胞內液的電阻。需要注意的是，該電路中的Cm、Re和Ri并非表示單個細胞的膜電容和細胞內外液的電阻，而是整個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測量人體生物阻抗。此方法的原理是：通過一對電極施加激勵電流，同時使用另一對電極提取電壓。

圖2.人體組織的等效阻抗模型

     如圖3所示，四個3M Ag/AgCl凝膠電極以標準配置布置，用于采集ICG信號。D1和D4用作一對激勵電極，而D2和D3用作一對檢測電極。高頻電流通過D1注入人體，并通過D4返回到芯片。將恒定電流施加于胸部時，D2和D3電極之間會產生電位差。胸阻抗會隨著心臟活動而變化，故電位差也會相應變化。這個變化的電位信號就是ICG信號。

在信號采集過程中，最佳電極布置方式如下：

?D1激勵電極：附著在左右耳后凹陷處。

?D4激勵電極：放置在上腹部。

?D2檢測電極：對稱地附著在兩個鎖骨上方。

?D3檢測電極：放置在劍突下方凹陷部位的兩側。

圖3.用于ICG信號采集的電極分配

SV計算

     采集阻抗信號是為了通過其特征點生成ICG信號，隨后提取并計算血流動力學參數，即SV。計算公式如下：

W (kg)和H (cm)分別表示受試者的體重和身高。

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

IW表示理想體重，利用公式2計算。

適用于生物阻抗測量的高集成度AFE (MAX30009)解決方案

     在這個生物阻抗測量應用中，采用了ADI高度集成的模擬前端(AFE)解決方案。它有如下幾個優點。首先，發射通道集成了一個正弦電流源，能夠在16 Hz到500 kHz的寬頻率范圍內提供交流激勵電流，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/輸出多路復用器(mux)支持雙極性或四極性電極測量結構。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，以及兩個集成的高分辨率模數轉換器(ADC)（20位），支持同步IQ信號采集。其次，對于需要高絕對阻抗精度的應用，例如生物阻抗分析/光譜(BIA/BIS)或自動體外除顫器(AED)中的身體阻抗測量，MAX30009提供了多種校準選項。通過將外部精密電阻連接到專用四線校準端口，可以實現非常高的精度。另外，其內部調整的精密電阻也能提供出色的校準性能。圖4顯示了內部系統框圖。

圖4.MAX30009的內部系統電路

     如圖5所示，該系統是一個完整的生物阻抗測量解決方案。它采用高度集成且可編程的電源管理IC MAX20356來管理電源軌，并通過一個支持低功耗藍牙?的微控制器單元(MCU)與生物阻抗AFE MAX30009進行通信。基于之前介紹的生物阻抗測量原理，AFE的發射通道使用內部直接數字頻率合成器(DDS)和數模轉換器(DAC)生成頻率可調的正弦波掃描電壓。此電壓通過偏置電阻轉換為電流激勵信號，并作用于人體。響應信號由AFE接收通道通過輸入引腳處的測量獲得。在ICG測量中，常用的激勵信號頻率范圍為20 kHz到200 kHz，激勵電流有效值約為0.12 mA，對應于0.1 Ω到0.4 Ω的人體交流阻抗范圍。該應用將一個65.536 kHz和256 μA的激勵信號作用于人體進行阻抗測量。

圖5.采用MAX32666、MAX20356和MAX30009的生物阻抗測量系統框圖

ICG特征點檢測算法

     原始阻抗信號首先依次通過50 Hz陷波濾波器、中值濾波器和低通濾波器處理，以獲得相對純凈的阻抗信號。然后對信號進行一次微分以獲得ICG信號。ICG信號的峰值點（即C點）通過差分閾值法進行檢測。基于ICG信號的C點，確定檢測B點和X點的時間窗口。在各自的時間窗口內，按如下方式進行檢測。

B點檢測算法：在B點時間窗口內，ICG的二階導數的最大值對應于B點。如果該最大值小于Cpeak的15%，則將ICG信號的過零點視為B點。如果未找到過零點，則將最接近0.15 × Cpeak的點作為B點。

X點檢測算法：在X點時間窗口內，首先找到ICG信號的局部最大值，其對應O點。然后將該時間窗口內相對于O點斜率最大的位置選為X點。如果沒有找到這樣的點，則將該時間窗口內的最小值視為X點。Cpeak被定義為(dZ/dt)max，B點和X點之間的時間差表示LVET。圖6顯示了ICG特征點檢測算法的流程圖。

圖6.ICG特征點檢測流程圖

結果

     圖7顯示了利用圖5所示系統獲取的人體阻抗信號。圖8展示了利用ICG特征點檢測算法處理阻抗信號后獲得的ICG信號，信號上標出了用于計算SV的特征點C、B和X。

圖7.原始生物阻抗

圖8.ICG BCX特征點檢測

結語

     ICG信號是評估心血管健康狀況的重要生物信號之一，與心臟功能和血流動力學密切相關。因此，準確獲取和分析ICG信號對于心臟健康監測至關重要。MAX30009是一款專用的生物阻抗AFE器件，可生成各種激勵信號（如正弦掃描信號），并能通過正交解調準確測量生物阻抗。它可用于采集ICG信號，實現對心臟活動的詳細分析。它還支持與其他生物傳感器一起進行同步測量，在可穿戴心血管監測應用中較傳統方案具有明顯優勢。因此，它是構建高精度ICG信號測量系統的理想選擇。

作者：Tian Zhu，現場應用工程師

Elvin Chen，應用工程師

作者簡介

     Tian Zhu是ADI公司全球廣泛市場解決方案部門中國區的一名現場應用工程師。他主要為汽車電子和工業客戶提供技術支持。他于2023年獲得中國傳媒大學電子工程碩士學位，同年加入ADI公司。

     Elvin Chen是ADI公司中國技術支持中心的應用工程師。他的專業領域是RF信號鏈和集成收發器解決方案。他于2022年獲得中國電子科技大學的生物醫學工程碩士學位，同年加入ADI公司。