[论文解读] A Bioimpedance Measurement System for Pulse Wave Analysis

Roman Kusche, Turner Adornetto+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2019

Non-Invasive Vital Sign Monitoring参考文献 5被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种非侵入性、24位、每秒1000个样本的生物阻抗测量系统，采用50 kHz正弦电流注入，并同步进行容积光体积脉搏波描记法（PPG）以检测脉搏波。系统成功在前臂捕捉到每搏动40 mΩ的阻抗变化，证明了其在无痛感条件下评估动脉僵硬度的可行性。

ABSTRACT

The morphology and velocity of the pulse wave in the arteries provide meaningful information about the cardiovascular system. Nowadays, the pulse wave is usually acquired using common blood pressure cuffs at the extremities. This work describes a new measurement device which detects changes in bioimpedance due to the pulse wave. The system is able to measure up to 1000 bioimpedances per second with a resolution of 24 bits. For comparison purposes, an additional synchronized photoplethysmography circuit is implemented. Initial measurements proved that the system is able to acquire the pulse wave at the forearm.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入性、无痛的连续脉搏波监测方法，用于评估动脉僵硬度。
• 克服传统袖带式血压测量的局限性，后者令人不适且不适合长期使用。
• 实现高分辨率生物阻抗测量（每秒1000个样本，24位分辨率），以改善脉搏波形态分析。
• 集成同步PPG作为参考信号，用于验证和信号对比。
• 开发一种便携式、低功耗系统，适用于临床和长期监测应用。

提出的方法

• 32位微控制器（SAM4S16C）通过内部DAC生成50 kHz正弦激励信号。
• 信号经由背对背的4阶巴特沃斯低通滤波器和1阶高通滤波器进行滤波，以去除直流偏移和高次谐波。
• 采用Howland型电压控制电流源（VCCS）通过两个电流电极向受试者组织注入1 mA交流电流。
• 通过仪表放大器（INA128）差分测量组织两端及分流电阻上的电压降。
• 差分信号经乘法器集成电路（MPY634）平方后，再通过4阶有源低通滤波器（截止频率30 Hz）滤波。
• 6通道24位ADC（ADS131E06）以每秒1000个样本的速率对生物阻抗和PPG信号进行数字化，数据通过USB传输至PC，实现实时GUI和信号处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 高分辨率、非侵入性生物阻抗系统是否能在每秒1000个样本、24位分辨率下检测到每秒1000个样本的脉搏波形态？
• RQ2 在脉搏波检测方面，生物阻抗信号与PPG在形态和时序上相比如何？
• RQ3 该系统能否可靠地捕捉心脏搏动期间组织阻抗的搏动性变化？
• RQ4 在此设置下，前臂每搏动的阻抗变化幅度是多少？
• RQ5 运动伪影和信号稳定性在真实环境条件下对测量有何影响？

主要发现

• 系统成功以前臂一名年轻健康男性受试者为对象，以每秒1000个样本的采样率获取了脉搏波形态。
• 每搏动观察到约40 mΩ的一致性阻抗变化，表明组织阻抗存在可检测的搏动性变化。
• 生物阻抗信号形态与PPG信号高度相似，表明动脉脉搏波被可靠检测。
• 生物阻抗信号包含PPG信号中不存在的高频分量，表明其可能对额外的血流动力学或组织特性更敏感。
• 系统符合IEC60601-1安全标准，最大电流注入为1 mA。
• 同步PPG的集成实现了有效的信号验证，并增强了对脉搏波检测结果的信心。