基于體域網(wǎng)的動態(tài)呼吸監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉官正 吳 丹 梅占勇 朱青松 王 磊*（中國科學院深圳先進技術研究院，深圳 58055）

2（中山大學工學院生物醫(yī)學工程系，廣州 510275）

引言

近幾年來，非侵入式呼吸監(jiān)測得到了快速發(fā)展，被廣泛應用于慢性疾病的早期發(fā)現(xiàn)和診斷，如睡眠呼吸暫停綜合癥［1］，慢性阻塞性肺?。?］。事實上，基于氣體分析的呼吸監(jiān)測方法（諸如BIOPAC公司的CO2分析儀［3］）已被廣泛應用于醫(yī)院和監(jiān)護中心；然而，這類設備通常是笨重并且昂貴的臺式設備，不適用于日常生活（activities）情況下的呼吸監(jiān)測。

傳統(tǒng)呼吸信號檢測方法主要有壓力傳感、溫度傳感（如呼吸氣流引起溫度變化）、阻抗法［4-5］。呼吸信號檢測技術是一個不斷發(fā)展和創(chuàng)新領域。Y.P.Huang等提出了一種新型的壓電傳感呼吸氣流變化的非侵入式呼吸檢測方法［6］。Wei還專門設計了一種CMOS/MEMS呼吸氣流傳感器［7］。Mack等提出一種心沖擊體積描記法（ballistocardiography）來實現(xiàn)睡眠呼吸監(jiān)測［8］。C.R.Merritt等提出了一種新的容抗傳感方法對呼吸信號進行檢測［9］。葉繼倫則率先探討了病人監(jiān)測的呼吸測量方法及其有效性的評價，提出了一些評價指標，如誤檢率、漏檢率、準確率等［10］。張政波提出的呼吸感應體積描記技術（respiratory inductive plethysmography，RIP），相比其它方法不僅具有高的靈敏度，也適合穿戴式監(jiān)測［11］。此外，也有不少專家采用微波多普勒傳感器［12］和雷達［13］等新技術，對呼吸等體征信號檢測進行了探索和研究。

體域網(wǎng)（body area network，BAN）由監(jiān)測傳感器、處理器、收發(fā)器和電池組成，通過穿戴于被監(jiān)護者身上的監(jiān)測傳感器，采集人的各種生理參數(shù)和運動信息，以無線的方式由收發(fā)器上傳到處理器，可實現(xiàn)對被監(jiān)護者的長時間連續(xù)監(jiān)測和量化評估，以及治療和干預［14］。

本研究將這種技術用數(shù)字化方法實現(xiàn)［15］，并且與人體傳感網(wǎng)絡節(jié)點相結(jié)合，設計了無線動態(tài)監(jiān)測呼吸的穿戴式儀器。相對于傳統(tǒng)的RIP［11］來說，數(shù)字RIP抗干擾能力強，硬件設計大大簡化，它可以監(jiān)測不同日常生活和睡眠活動下的呼吸信號，也可以用于呼吸反饋來調(diào)節(jié)自主神經(jīng)紊亂。

1 系統(tǒng)設計

1.1 電子健康呼吸腰帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子健康腰帶是一種低負荷的“家庭式”電子健康產(chǎn)品，即滿足不影響人的正常生活情況下，可實現(xiàn)個人的健康狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測與呼吸反饋訓練。所研制的電子健康腰帶，主要包括縫在腰帶里的U型電感傳感器、嵌入于皮帶扣的呼吸監(jiān)測電路模塊，以及無線數(shù)據(jù)接收和PC機通信的基站。電子健康腰帶主要采用了數(shù)字RIP技術，適用于動態(tài)呼吸監(jiān)測和穿戴式呼吸反饋中。腰帶采用彈性尼龍布，穿戴舒適，無束縛感，且與皮膚間接接觸，不會造成皮膚過敏，并易于清潔。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實物如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)介紹。（a）結(jié)構(gòu)框圖；（b）系統(tǒng)實物圖Fig.1 Introduction of the system.（a）The system structure；（b）The pictures of the system

電路部分主要包括呼吸板和BSN節(jié)點板。呼吸傳感器板包括DC/DC升壓電路、電容3點式諧振電路和波形轉(zhuǎn)換電路3部分.低功耗的DC/DC電源轉(zhuǎn)換芯片（TPS61040）用于電路中進行升壓，為諧振電路提供電源。電容3點式諧振電路主要將呼吸運動引起的電感變化量轉(zhuǎn)換成頻率變化量，而波形轉(zhuǎn)換芯片（LM393）將頻率變化量轉(zhuǎn)化成脈沖變化量。同時，開發(fā)了BAN節(jié)點板［16］，它與呼吸傳感器板具有相同的23mm直徑，并且通過一個20腳的接插件堆疊在一起，作為一個整體放置在中心鎖扣中。BAN節(jié)點板上采用超低功耗的微處理器（MSP430F2418）進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和無線發(fā)送。在供電方面，采用3.7V的鋰電池，可以連續(xù)工作6h，并可以進行充電。

1.2 數(shù)字RIP呼吸監(jiān)測技術

采用的數(shù)字呼吸感應體積描記術（respiratory inductive plethysmography，RIP）是一種性能優(yōu)良的呼吸測量技術，相對于阻抗法測呼吸，能夠更為準確的得到胸、腹呼吸運動的狀況，抗干擾能力強，適宜動態(tài)監(jiān)測使用。RIP呼吸監(jiān)測方法，即通過呼吸感壓力感隨著呼吸運動所引起胸腹腔容積的變化，從而引起帶子中的電感變化，必然帶來諧振電路諧振頻率fo的變化，諧振電路振蕩幅度也會發(fā)生改變。而經(jīng)測試諧振頻率的變化比諧振幅度變化更為明顯，因此采用調(diào)頻—鑒頻的思路，就可以將非電量變化的呼吸容積變化轉(zhuǎn)變成電量變化（電壓或者電流），從而描記出胸、腹呼吸運動曲線。

電容3點式諧振電路，電感反饋電路中，變壓器高頻響應差，輻射嚴重，高次諧波嚴重，波形失真度大，而電容反饋式振蕩電路輸出電壓波形要好，而且設計簡單，因此選擇電容反饋設計。電容3點式電路如圖2所示，由諧振原理可計算振蕩頻率如式（1）所示。

式中，L為電感傳感器的電感值，C1和C2選用的是TPC校正電容，其具有較小的容差和很好的溫度特性，適用于諧振電路。

1.3 電感傳感器和電容比選擇

采用Multisim 10電路仿真軟件獲得不同電容比值（C1∶C2）與振蕩頻率的關系曲線（如圖3所示）。結(jié)果顯示：相同的電感值，電容比越大，諧振頻率越高；考慮到變壓器高頻響應差、容易失真，電容比選擇為1.5，其中電容C1選擇150nF，C2選擇100nF。針對電容比為1.5的這條曲線（空心圓的曲線），可以明顯看出，（1）電感值小于2μH時，曲線斜率最大，即電感變化所引起的頻率變化更大；（2）電感值L1大于4是，曲線相對平滑，即電感變化所引起的頻率變化不敏感；（3）電感值L1在（2～4μH）區(qū)間時，曲線斜率介于（1）和（3）之間，但可以避免高頻干擾。因此，電感傳感器工作頻率選擇在（2～4μH）區(qū)間內(nèi)；靜止狀態(tài)下，電感傳感器電感值L1約3μH，中心頻率約400kHz左右。

圖2 3點式電容振蕩電路（L1為呼吸帶電感傳感器；C1和C2為TPC校正電容）Fig.2 Three-point Capacitance Oscillator（L1is inductance sensor of respiration belt，C1andC2are TPC capacitances）

圖3 電容比值（C1∶C2）對振蕩頻率的影響Fig.3 The capacitance ratio（C1∶C2）influence on oscillation frequency

在信號處理方面，本系統(tǒng)建立了一個對信號質(zhì)量評判的閥值機制，對于受運動偽差和無線傳輸丟包影響的數(shù)據(jù)進行選擇性舍棄。這樣可以極大減少信號處理時間也可以保證有用信號的完整性。經(jīng)過信號質(zhì)量的評判后，可以根據(jù)原始信號提取出呼吸波形和呼吸率。

2 實驗

2.1 實驗協(xié)議

為了驗證系統(tǒng)的性能，對22個健康的志愿者進行了不同日?；顒酉碌暮粑O(jiān)測實驗（如表I）。所有的被測試者都是自愿參加實驗，并知情同意。實驗協(xié)議如下：

實驗1（坐-走-跑-恢復）：

22個被測試者中有12人自愿參加了這個實驗。首先被測試者坐在一張舒適的椅子上5min，然后在跑步機上以2m/s的速度行走3min，接著以6m/s慢跑5min；然后再坐在椅子上3min（恢復）。在實驗過程中，受試者戴上電子健康腰帶和BIOPAC公司的CO2呼吸監(jiān)測面具（金標準）。

表1 實驗協(xié)議Tab.1 The experiment protocol

實驗2（睡眠）：

22個被測試者中有10個自愿參加了這個實驗。被測試者晚上在寢室睡眠時，戴上電子健康腰帶連續(xù)監(jiān)測6h呼吸。

2.2 統(tǒng)計分析

主要研究電子健康腰帶進行呼吸率監(jiān)測的精度。測量絕對誤差表示為

式中，e表示呼吸監(jiān)測設備的絕對誤差，R表示電子健康腰帶所測量的呼吸率，r表示采用BIOPAC公司CO2100C測量模塊所測出的呼吸率。

使用SPSS 17.0軟件對所有測試進行了統(tǒng)計分析。采用均值和標準差來評估測量誤差，并采用獨立樣本檢驗來評估兩組數(shù)據(jù)的差異性。顯著差異水平為α=0.05。

3 實驗結(jié)果與討論

實驗1主要包括4種不同的日?；顒樱鹤?，慢跑和恢復。圖4表明了在4種常見的日?；顒酉?，電子健康腰帶都能夠準確得到呼吸率，在4種日常生活中平均精度約為95％。其中在恢復過程中誤差最?。ń^對誤差低于2％），在跑步機上走路的過程中測量絕對誤差最大（約8％）。我們的測量結(jié)果與金標準（BIOPAC公司的CO2呼吸監(jiān)測方法）均沒有顯著差異。

圖4 不同的日?；顒酉翿IP呼吸監(jiān)測方法的測量誤差Fig.4 The mean absolute errors of RIP during all activities（sitting，walking，running and recover）.Mean±standard deviation were plotted

影響測量精度的原因主要有兩個：運動偽差和腹部呼吸運動的深淺相關。例如坐和恢復（跑完之后坐）兩種日?；顒酉啾容^，恢復活動下呼吸運動更劇烈（深），所以絕對誤差更?。蛔呗愤^程中呼吸運動相對更劇烈（深），但運動偽差更大，所以絕對誤差要大；但在慢跑過程中，呼吸運動比較劇烈（深）而且運動偽差也比較大，所以坐與慢跑絕對誤差接近。

圖5 一位被測試者睡眠中1 h的呼吸率變化曲線（空白處表示數(shù)據(jù)丟失）Fig.5 The curve of 1-hour respiratory rate during sleep（The gap in the graph indicated the data was unable to reach the base station）

實驗2主要測試了電子健康腰帶長時間（睡眠）進行呼吸監(jiān)測的情況。圖5顯示其中一位被測者其中1h的呼吸監(jiān)測情況，其中空白處表示由于丟包、電池掉電等原因丟失的數(shù)據(jù)。由于丟包丟失的數(shù)據(jù)，采用離散補包的方式補回；電池掉電等意外丟失的數(shù)據(jù)，是無法補回。通過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)10位被測試者獲得的平均有效呼吸數(shù)據(jù)為82.7％。因此，電子健康腰帶可以進行長時間的呼吸監(jiān)測，即睡眠呼吸監(jiān)測。

4 結(jié)論

本研究設計了一種基于體域網(wǎng)技術的數(shù)字RIP呼吸監(jiān)測腰帶，并且著重探討各種日常生活中呼吸監(jiān)測的抗干擾能力。穿戴實驗結(jié)果顯示：此電子健康腰帶可以應用于不同日常生活的呼吸監(jiān)測，同時也可以于應用于睡眠呼吸監(jiān)測，其平均測量精度約為95％。

最近10年，各種動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)層出不窮，并且均進行了一定的實驗驗證，但在進入臨床應用前，還有待于進一步改善其性能。在以后的研究中，將嘗試自適應濾波等先進信號處理方法去除運動偽差，進一步提高測量精度，以實現(xiàn)臨床廣泛應用。

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