一種非接觸睡眠呼吸暫停報警裝置的研制

【作者】王夢夢，楊芳，王帥杰，張華，路國華 第四軍醫(yī)大學學員一旅四營十三連，西安市，700 第四軍醫(yī)大學基礎部教學實驗中心，西安市，700 第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院電子學教研室，西安市，700

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一種非接觸睡眠呼吸暫停報警裝置的研制

【作者】王夢夢1，楊芳2，王帥杰3，張華3，路國華3
1 第四軍醫(yī)大學學員一旅四營十三連，西安市，710032
2 第四軍醫(yī)大學基礎部教學實驗中心，西安市，710032
3 第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院電子學教研室，西安市，710032

【摘要】為了實現(xiàn)在低生理和心理負荷條件下實現(xiàn)睡眠呼吸暫停的報警，該文設計了一種裝置，包括微型化生物雷達、信號調(diào)理、控制與處理、報警以及電源五個模塊，分別實現(xiàn)人體呼吸信號非接觸檢測、呼吸信號特征提取、呼吸暫停檢測與報警功能。實驗結(jié)果表明，該睡眠呼吸暫停報警裝置不僅無需任何直接接觸人體電極或傳感器，而且體積小、功耗低、價格低廉，未來可廣泛用于家庭或醫(yī)院睡眠障礙患者的監(jiān)測。

【關(guān) 鍵 詞】睡眠呼吸暫停；生物雷達；非接觸

0　引言

睡眠呼吸暫停綜合癥（Sleep Apnea Syndrome, SAS），是一種具有潛在危險的病癥，長期的呼吸暫停會引起嚴重的低氧血癥及睡眠紊亂，可誘發(fā)高血壓、心律失常、心腦血管等疾病，少數(shù)嚴重患者甚至發(fā)生夜間猝死[1-2]。因此，對患者睡眠過程中呼吸信號的實時監(jiān)測對診斷及早期預防睡眠呼吸暫停的并發(fā)癥具有重要的參考價值[3]。

目前，市場現(xiàn)有的睡眠呼吸暫停監(jiān)測裝置主要采用微型擴音器、溫度傳感器、壓力傳感器、心電電極以及靜電荷靈敏床墊直接接觸人體，通過檢測呼吸音、鼻腔出氣溫度、胸腹部的位移、心電變化以及床墊形變來實現(xiàn)呼吸信號的檢測[4-8]，優(yōu)點是呼吸信號的檢測質(zhì)量高，不易受人體運動或其他外界干擾的影響，但測量時需要專業(yè)人員安裝電極或傳感器，而且要求受試者長時間監(jiān)測，從而增加了其心理負擔[6]，導致睡眠質(zhì)量下降。為此，需要研究睡眠過程中對人體毫無約束、無需任何接觸人體的電極或傳感器的非接觸呼吸檢測技術(shù)。

非接觸檢測呼吸信號的方法主要采用光學、電磁波等照射人體，通過檢測人體呼吸運動引起的體溫的變化或體表位移來間接檢測呼吸信號，常用的方法有紅外線檢測和生物雷達兩種。紅外線檢測不能直接穿透衣服進行檢測[9]，并且紅外裝置的成本較高，體積大，如果環(huán)境溫度變化大于人體體溫變化，檢測誤差較大。生物雷達[10]能夠直接穿透衣物，檢測過程無需任何電極或傳感器接觸人體，對人體無任何約束，是一種真正意義上的生理信號無創(chuàng)檢測。

本研究的目的是研制一種微型生物雷達，通過非接觸檢測人體的呼吸信號，經(jīng)過信號調(diào)理、特征提取等提取出人體的呼吸，通過設定合適的閾值，實現(xiàn)睡眠呼吸暫停的自動報警。

1　報警裝置系統(tǒng)設計

由于本報警裝置主要面向家庭應用，要求體積小、功耗低、價格低廉，而且使用時便于安裝和維修。為此，我們采用模塊化設計，將整個裝置按照信號檢測的功能劃分為五個部分：生物雷達、信號調(diào)理、控制與處理、報警和電源，各模塊之間的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1　報警裝置組成框圖Fig.1 The block diagram of the alarm device

生物雷達模塊主要實現(xiàn)人體體動信號的非接觸檢測。生物雷達采用微型化設計，收發(fā)電路采用高集成的CMOS收發(fā)電路、天線采用微帶天線陣列，其發(fā)射功率小于1 μW，體積與1元人民幣硬幣相當。當微型生物雷達探測區(qū)域內(nèi)有人體的胸部微動信號時，其輸出動態(tài)范圍為1～100 mV，直流漂移范圍20～100 mV，頻帶為0.05～0.6 Hz。

信號調(diào)理模塊主要實現(xiàn)對微型生物雷達的輸出信號進行放大和濾波。針對生物雷達的輸出動態(tài)范圍和直流漂移大、信號帶寬窄以及接近直流的特點，采用多級放大和濾波相結(jié)合的模式，由集成運放OP41117和電阻、電容網(wǎng)絡設計放大和濾波電路，要求總放大倍數(shù)為2 300倍，頻率輸出范圍為0.05～0.8 Hz。

控制與處理模塊主要實現(xiàn)對信號調(diào)理輸出信號的電平轉(zhuǎn)換、A/D采樣及控制。采用STM32F407微處理器，實現(xiàn)對信號調(diào)理電路輸出信號的A/D采樣、數(shù)字濾波、峰值檢測以及求和平均等處理，其中A/D采樣頻率為20 Hz，軟件開發(fā)工具使用KeilMDK（英國ARM公司）。

報警模塊主要實現(xiàn)對處理結(jié)果的報警與指示。該模塊采用發(fā)光二極管和蜂鳴器聲光報警，當微處理器檢測到呼吸暫停時，發(fā)光二極管和蜂鳴器工作。

電源模塊主要為微型生物雷達、信號調(diào)理、控制與處理以及為報警模塊提供穩(wěn)定的直流電壓。考慮到該裝置為家庭使用需連續(xù)工作10 h以上，我們采用3.7 V手機鋰電池，通過tps60110升壓電路和ICL7660反壓電路可輸出±5 V雙電源、+3.3 V電源[11]。

在制作印刷電路板（PCB）時，將各模塊的輸入和輸出預留測試節(jié)點，便于后續(xù)電路調(diào)試和故障排除。為縮小設備的體積，所有電阻電容都使用0603貼片封裝。報警裝置的實物如圖2所示，將報警模塊和控制處理模塊合并，并預留串口，便于上位機調(diào)試。除串口外還設有預備口，預備口實現(xiàn)設置復位等功能。

圖2　報警裝置實物圖Fig.2 The photo of the alarm device

2　呼吸暫停檢測方法—能量法

食管測壓法已經(jīng)證實當發(fā)生睡眠呼吸暫停時，呼吸誘發(fā)的胸腔內(nèi)壓力有變化，胸腹部的運動幅度明顯變小，即呼吸波形的幅度明顯小于正常呼吸的波形幅度[12]。針對該特點，我們采用能量法檢測呼吸暫停。

能量法的基本思想是對離散信號進行時域上的能量累計，計算公式如下：

x表示離散的呼吸信號，E表示信號的能量，代表呼吸信號的強弱。能量值越小，呼吸信號越弱。當呼吸暫停時，呼吸信號的能量值小于正常呼吸信號的能量值。

利用能量法判斷是否發(fā)生呼吸暫停的步驟如下：

① 對呼吸信號進行數(shù)字濾波，采用低通FIR濾波器，截止頻率為0.8 Hz；

② 對濾波后的呼吸信號取平均值，再用濾波后的呼吸信號減去平均值，去除直流成分；

③ 對去直流的呼吸信號加數(shù)字窗，窗寬為200個采樣點（采樣頻率20 Hz，對應10 s的數(shù)據(jù)長度）；

④ 按照公式(1)計算200個采樣點呼吸信號的能量值；

⑤ 重復步驟③和④，連續(xù)計算5段200個采樣點呼吸信號的能量值；

⑥ 取5段呼吸信號的能量值的平均值的一半作為判斷呼吸暫停的能量閾值；

⑦ 重復步驟③和④，連續(xù)計算第5段以后的呼吸信號的能量值，并與⑥ 的閾值進行比較；

⑧ 如果第6段以后的能量值小于閾值，判斷有呼吸暫停出現(xiàn)，并進行計數(shù)；

⑨ 重復步驟⑧，直到所有的呼吸信號處理完畢；

⑩ 如果呼吸暫停次數(shù)達到每小時5次以上或7 h的睡眠過程中暫停次數(shù)達30次以上，即可被認為發(fā)生了睡眠呼吸暫停。

3　實驗結(jié)果

我們將自行研制的非接呼吸暫停裝置首先用于檢測10名受試者的呼吸信號，要求受試者坐在高度為0.5 m的椅子上自由呼吸，人體距裝置的距離為2 m。在實驗過程中，首先要求受試者平靜呼吸30 s，然后屏住呼吸10 s，連續(xù)記錄10 min。其中1名受試者的實驗結(jié)果如圖3所示。

(a) 正常呼吸信號(a) Normal breathing signal

圖3　非接觸呼吸信號檢測結(jié)果Fig.3 The non-contact detection result of breathing signal

人體自由呼吸時的信號波形如圖3(a)所示，橫坐標表示記錄時間(單位：s)，縱坐標表示信號幅度(單位：V)。從圖中能看出呼吸波形的脈絡。有呼吸暫停信號發(fā)生的波形如圖3(b)所示，呼吸暫停信號與正常呼吸信號相比，其幅值較低，我們可以利用能量法來判斷有無發(fā)生呼吸暫停。

將報警裝置用于模擬呼吸暫停測量，在已知發(fā)生呼吸暫停的前提下，測量結(jié)果如表1所示。其平均準確率達到96%。

表1　使用報警裝置測量呼吸暫停結(jié)果Tab.1 Results of apnea using the alarm device

4　結(jié)果與討論

本文研制的睡眠呼吸暫停裝置，可以非接觸檢測到人體的呼吸信號，并自動對呼吸暫停進行報警，可以用于家庭或臨床睡眠障礙患者的床旁監(jiān)測，具有較廣泛的應用前景。

本報警裝置實驗時，主要測試短距離內(nèi)(2 m)、受試者正對生物雷達、模擬呼吸暫停的情況，未在不同頻率、不同幅度、不同距離和不同睡姿情況下進行試驗，故頻率、呼吸幅度、雷達與人體距離以及不同睡姿對判斷準確度的影響還有待研究。

由于該裝置在設計時沒有使用無線通訊模塊，目前無法使報警信號通過無線的方式遠距離傳送，不適用于遠程無線監(jiān)護；另外，人體自身的身體晃動也會產(chǎn)生干擾，現(xiàn)有的電路也無法消除。在下一步設計中，準備加入無線通信模塊，以實現(xiàn)遠程無線監(jiān)護，并且，在電路中加入人體異常運動抗干擾的模塊，以實現(xiàn)呼吸信號的精確測量。

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Development of an Alarm Device for Non-contact Detection of Sleep Apnea

【W(wǎng)riters】WANG Mengmeng1, YANG Fang2, WANG Shuaijie3, ZHANG Hua3, LU Guohua3
1 Company 13, Battalion 4, Cadet Brigade 1, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032
2 Department of Experimental Teaching Centre, School of Basic Medicine, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032
3 Department of Electronics, School of Biomedical Engineering, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032

【Abstract】To non-contact alarm the sleep apnea under low physical and mental load condition a device was designed including the modules of minimized bio-radar, signal conditioning, control, alarm and power supply, which can realize the function of non-contat detection of the breathing signal, sleep apnea detection and alarm. Experimental results showed that the device can not only non-contact detection the breathing signal without any sensors or electrodes touching the human body, but also has the advantages of small volume, low power consumption and low price, which may be widely used in monitor the patients with sleep apnea at home or in the hospital.

【Key words】sleep apnea, bioradar, non-contact

【中圖分類號】R197.39；TP277

【文獻標志碼】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.008

文章編號：1671-7104(2016)02-0103-03

收稿日期：2015-10-25

基金項目：國家自然科學基金課題（61271102），陜西省自然科學基金課題（2014JM2-6087）

作者簡介：王夢夢，E-mail: meng_36@163.com

通信作者：路國華，E-mail: lugh1976@fmmu.edu.cn