阻抗心动描记法（ICG）作为一种重要的电生理信号，通过监测瞬时平均胸阻抗的变化来测量每搏输出量（SV），从而评估人体心脏的血流动力学功能。本文介绍了ICG的基本原理和测量方法，并基于ADI公司高度集成的模拟前端（AFE）芯片，设计并实现了一种用于ICG信号采集和SV计算的解决方案。.
引言
阻抗心动描记法 (ICG) 是一种无创技术，通过测量与心脏活动相关的胸腔生物电阻抗变化来评估心血管功能。心动周期中血容量的变化会引起相应的阻抗变化，由此可以导出阻抗心动图及其一阶导数 (dZ/dt)。dZ/dt 波形包含反映心动周期关键生理事件的特征点，从而可以提取重要的血流动力学参数，例如每搏输出量 (SV) 和左心室射血时间 (LVET)。由于其无创性、简便性和连续监测能力，ICG 已被广泛应用于生命体征监测 (VSM) 和心血管评估。
阻抗心动图。
阻抗心动图，也称为 ICG 信号/常数，是利用生物电阻抗 (Bio-Z) 技术获得的，反映了血容量的变化。图 1 显示了一个典型的阻抗心动图。
图 1. 阻抗心动图 (ICG)。.
其中，ΔZ代表总胸阻抗，dZ/dt是其一阶导数。dZ/dt波形包含特征点和波成分。基于这些特征点的位置和振幅，可以计算诸如每搏输出量（SV）等参数。一个心动周期的特征点包括：
• A点：在ICG信号中表现为向下偏转，由心房收缩引起。
• B点：代表等容收缩期结束、半月瓣开放以及快速心室射血期开始。在ICG信号中，它表现为收缩波的起始，对应于血流速度最大增加的时刻。
• C点：代表主动脉血流量达到最大值的时刻，标志着快速射血期结束并过渡到减慢射血期。在ICG信号中，它表现为收缩波的峰值（最大值）。
• X点：代表心室收缩结束和半月瓣关闭开始。在ICG信号中，它表现为收缩波（随心率变化）后的最小值，对应于血流减速最大增加的点。• O点：
代表左房室瓣开放和心室充盈开始。
生物阻抗测量原理：
通过测量人体组织在微弱交流电作用下阻抗的变化，可以获得反映血容量变化的心脏阻抗信号。人体由众多细胞组成，生物组织的电学模型可以用图2所示的等效电路表示。在该模型中，Cm为细胞膜的并联电容，Re为细胞外液的电阻，Ri为细胞内液的电阻。需要注意的是，该电路中的Cm、Re和Ri并非代表单个细胞的膜电容和细胞内、细胞外电阻，而是代表整个生物组织的等效电容和电阻。该电路也称为三元件RC生物阻抗模型。本文采用四电极法，该方法广泛用于测量人体生物阻抗。其原理是通过一对电极施加激励电流，同时通过另一对电极提取电压。
图 2. 人体组织的等效阻抗模型。.
如图3所示，四个3M Ag/AgCl凝胶电极按标准配置放置于ICG采集部位。D1和D4为激励电极对，D2和D3为传感电极对。高频电流通过D1注入人体，并通过D4返回芯片。当对胸部施加恒定电流时，电极D2和D3之间会产生电位差。由于胸腔阻抗随心脏活动而变化，电位差也随之变化。这种变化的电位信号即为ICG信号或恒定信号。
信号采集过程中，最佳电极放置位置如下：
• 激励电极D1：放置于左右耳后凹陷处。
• 激励电极D4：放置于上腹部。
• 传感电极D2：对称放置于双侧锁骨上方。
• 传感电极D3：放置于剑突下方凹陷处两侧。
SV计算：
阻抗信号的采集旨在通过其特征点生成ICG信号，随后提取并计算血流动力学参数，即SV。计算公式如下：
W (kg) 和 H (cm) 分别代表受试者的体重和身高。
(dZ/dt)max 为ICG信号的最大振幅。LVET 代表左心室射血时间。Z₀ 为人体组织的基线阻抗。
IW 代表理想体重，它是使用公式 2 计算出来的。.
用于生物阻抗测量的集成度极高的AFE解决方案（MAX30009）
此生物阻抗测量应用采用了ADI公司高度集成的AFE解决方案，具有多项优势。首先，其发射通道集成了一个正弦电流源，能够在16 Hz至500 kHz的宽频率范围内提供交流激励电流，电流幅度范围为16 nA rms至1.28 mA rms。频率和电流均可完全配置。此外，其灵活的输入/输出多路复用器(mux)支持双极或四极电极测量设置。接收通道具有高输入阻抗、低噪声和高共模抑制比(CMRR)。它还提供可编程增益、可配置的低通/高通滤波器以及两个集成的高分辨率(20位)模数转换器(ADC)，从而实现IQ信号的同步采集。其次，对于需要高绝对阻抗精度的应用（例如生物阻抗分析/光谱 (BIA/BIS) 或自动体外除颤器 (AED) 中的人体阻抗测量）， MAX30009 （https://www.analog.com/en/products/max30009.html）提供多种校准选项。将外部精密电阻器连接到专用的四线校准端口可实现最高精度。此外，其内部调谐的精密电阻器也提供出色的校准性能。图 4 显示了内部系统的框图。
图 4 为 MAX30009 系统的内部电路图。
如图 5 所示，该系统是一个完整的生物阻抗测量解决方案。该系统采用高度集成且可编程的 MAX20356 （ https://www.analog.com/en/products/max20356.html ）来管理电源轨，并通过低功耗蓝牙®微控制器单元 (MCU) 与 MAX30009 生物阻抗 AFE 通信。基于前文所述的生物阻抗测量原理，AFE 的发射通道使用内部直接数字合成器 (DDS) 和数模转换器 (DAC) 生成频率可调的正弦扫描电压。该电压通过偏置电阻转换为电流刺激并施加到人体。响应信号通过 AFE 的接收通道在输入引脚处进行测量获得。在ICG测量中，最常用的激励信号频率范围为20 kHz至200 kHz，均方根激励电流约为0.12 mA，对应于人体交流阻抗范围为0.1 Ω至0.4 Ω。本研究中，采用频率为65.536 kHz、电流为256 μA的激励信号对人体进行阻抗测量。
图 5. 具有 MAX32666、MAX20356 和 MAX30009 的生物阻抗测量系统的框图。.
ICG特征点检测算法：
首先将原始阻抗信号依次通过50 Hz陷波滤波器、中值滤波器和低通滤波器进行处理，以获得相对干净的阻抗信号。然后对该信号进行一次微分，得到ICG信号。采用差分阈值法检测ICG信号的峰值点，即C点。基于ICG信号的C点，确定用于检测B点和X点的时间窗口。在每个时间窗口内，检测过程如下。B
点检测算法：在B点时间窗口内，ICG信号二阶导数的最大值对应于B点。如果该最大值小于C峰值的15%，则将ICG信号的过零点作为B点。如果未找到过零点，则使用最接近0.15 × C峰值的点作为B点。
X点检测算法：在X点的时间窗口内，首先识别ICG信号的局部最大值，记为O点。然后，选择该时间窗口内相对于O点斜率最大的位置作为X点。如果未找到这样的点，则选择该时间窗口内的最小值作为X点。Cpeak定义为(dZ/dt)max，B点和X点之间的时间差代表左心室射血时间（LVET）。图6显示了ICG特征点检测算法的流程图。
结果
图 7 显示了使用图 5 中描述的系统采集的人体阻抗信号。图 8 显示了使用 ICG 特征点检测算法处理阻抗信号后获得的 ICG 信号，其中在信号上标记了用于计算 SV 的特征点 C、B 和 X。
结论：
ICG信号是评估心血管健康的重要生物信号，与心脏功能和血流动力学密切相关。因此，准确采集和分析ICG信号对于心脏健康监测至关重要。MAX30009是一款专用的生物阻抗AFE器件，能够生成各种刺激信号，例如正弦扫描信号，并通过正交解调精确测量生物阻抗。它可用于采集ICG信号并实现对心脏活动的详细分析。该器件还可以与其他生物传感器进行同步测量，使其在便携式心血管监测应用中优于传统方案。它是构建高精度ICG信号测量系统的理想选择。
作者简介：朱天是亚德诺半导体（ADI）中国区全球广域市场部门的现场应用工程师，主要负责汽车和工业客户的技术支持。他于2023年获得中国通信大学电子工程硕士学位，同年加入ADI 。陈艾文是亚德诺半导体（ADI）中国区中央应用部门的应用工程师，专长领域为射频信号链和集成收发器解决方案。他于2022年获得电子科技大学生物医学工程硕士学位，同年加入ADI 。
