一種可穿戴式睡眠呼吸暫停綜合征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

摘要：本文針對(duì)睡眠呼吸暫停綜合征的潛在危害，提出了一種基于藍(lán)牙的可穿戴式呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到睡眠呼吸暫停綜合征的睡眠呼吸狀態(tài)?？纱┐骷夹g(shù)能實(shí)現(xiàn)鼻部溫度的低負(fù)荷獲取;藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)線傳輸且方便與Android智能手機(jī)通信，保證整夜睡眠過(guò)程中對(duì)病人的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)和報(bào)警。

關(guān)鍵詞：穿戴式;藍(lán)牙傳輸;呼吸監(jiān)測(cè)

睡眠呼吸暫停綜合征（Sleep Apnea Syndrome， SAS）是一種在睡眠過(guò)程中上呼吸道阻塞、呼吸暫停，具有潛在生命危險(xiǎn)的疾病，常發(fā)生于打鼾人群中，能使人呼吸驟停發(fā)生猝死，也是心腦血管病的重要誘因之一[1，2]。因此，在夜間對(duì)SAS進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。臨床上將連續(xù)睡眠7h過(guò)程中發(fā)生30次以上呼吸暫停，或平均每小時(shí)低通氣的次數(shù)超過(guò)5 次作為SAS的診斷標(biāo)準(zhǔn)。目前對(duì)睡眠呼吸的監(jiān)測(cè)采用的設(shè)備是多導(dǎo)睡眠儀[3]，此設(shè)備監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高，是SAS診斷的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，但外形較大，外接導(dǎo)聯(lián)比較多，佩戴繁瑣，操作復(fù)雜，價(jià)格較高，適合于重癥SAS患者在醫(yī)院中使用。對(duì)于癥狀較輕的SAS患者，平時(shí)沒(méi)有癥狀，偶然感覺(jué)呼吸不順暢，一般持續(xù)數(shù)十秒鐘，等日間到醫(yī)院做呼吸檢查時(shí)，癥狀已經(jīng)消失，醫(yī)生難以對(duì)病人確診。

本文提出了一個(gè)基于手機(jī)APP的SAS無(wú)線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以通過(guò)溫度傳感器測(cè)量鼻部的溫度，再通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)將測(cè)量到的溫度傳輸?shù)绞謾C(jī)上，在手機(jī)APP上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取和曲線繪制，當(dāng)符合SAS判斷時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音提醒。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1，該系統(tǒng)由鼻部溫度檢測(cè)電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、主控制器及藍(lán)牙傳輸?shù)葐卧M成。

將溫度傳感器粘附于鼻下部，當(dāng)呼吸氣流經(jīng)過(guò)熱敏電阻時(shí)，傳熱條件發(fā)生變化，熱敏電阻阻值隨之變化，放大器的輸入端電壓產(chǎn)生變化，經(jīng)放大器放大后輸出與呼吸氣流溫度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)計(jì)算出體溫的大小經(jīng)藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1測(cè)溫電路及前置放大電路

溫度采集模塊采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度傳感器，其阻抗隨著溫度的變化而變化。測(cè)溫電路要具有高靈敏度、高精度等特點(diǎn)。同時(shí)收集到的信號(hào)較弱，還需要將信號(hào)進(jìn)行放大。選擇體溫傳感器時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：（1）符合醫(yī)用體溫測(cè)量的精度要求，誤差小于0.1℃;（2）操作簡(jiǎn)便，可以快速使用溫度計(jì);（3）傳感器外殼密封，表面柔滑，最好兼具抑菌和抗消毒功能;（4）數(shù)據(jù)的控制和傳輸無(wú)需人工參與;（5）具有測(cè)量誤差補(bǔ)償功能，以解決電阻老化所致的溫度漂移問(wèn)題[4]。

2.2主控制器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

主控電路主要涉及對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口和藍(lán)牙模塊的控制。可采用STM32為主控微控制器單元（micro control unit，MCU），其內(nèi)置Cortex-M3，采用ARM V7架構(gòu)，是一款超低功耗和無(wú)線應(yīng)用型的芯片。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)主控MCU采集所有生命體征。

可選用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD7705為16位、低成本、Σ-Δ型ADC，采用SPI、QSPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接。還具有寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低功耗（3V時(shí)最大功耗為1mW）等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、直流和低頻交流測(cè)量等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.3藍(lán)牙模塊

低功耗藍(lán)牙即BLE是藍(lán)牙4.0的核心規(guī)范，有可靠性高、低成本、低功耗、傳輸距離長(zhǎng)（60～100米）、快速啟動(dòng)和安全性高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)定好工作頻率，建立藍(lán)牙主從及的連接和通訊，將得到的體溫值以一定的頻率通過(guò)藍(lán)牙從機(jī)發(fā)出去，手機(jī)作為藍(lán)牙主機(jī)進(jìn)行提問(wèn)數(shù)據(jù)的接收。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中單片機(jī)的主要功能是通過(guò)相關(guān)的寄存器，發(fā)出控制指令，控制并讀取經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出的并行數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)引腳經(jīng)串口輸出，并控制單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的通信。

3.2監(jiān)控軟件算法設(shè)計(jì)

手機(jī)端監(jiān)控軟件流程如圖2。

4.系統(tǒng)效果

監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)，手機(jī)APP設(shè)置個(gè)人基本參數(shù)，呼吸的實(shí)時(shí)情況可以在手機(jī)APP端進(jìn)行數(shù)值和曲線顯示，同時(shí)自動(dòng)判斷是否滿足SAS條件，如果滿足，可通過(guò)手機(jī)端發(fā)出報(bào)警信號(hào)以提示旁人進(jìn)行處理或喚醒病人進(jìn)行睡眠狀態(tài)調(diào)整。

5.討論

人體的呼吸過(guò)程有很多表現(xiàn)，主要為口鼻部氣流和溫度的變化，胸腔和腹腔的收縮和舒張引起的壓力變化。常見(jiàn)的檢測(cè)方法有：

①壓力法[5，6]，人體呼吸時(shí)，呼氣和吸氣產(chǎn)生周期性變換，呼吸道和胸腹部也會(huì)隨之產(chǎn)生周期性形變。壓力傳感器即是通過(guò)測(cè)量這種周期性形變來(lái)測(cè)定呼吸頻率的。這種接觸式的測(cè)量方法會(huì)給胸腹施加一定的預(yù)壓力，使受試者感到一些不適;

②溫度法[7]，利用某些材料或元件與溫度有關(guān)的物理特性，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電參量的變化。呼吸氣流的溫度變化幅度較小（1～2℃），采集口鼻部呼吸溫度的傳感器一般是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻;

③阻抗法[8]，通過(guò)檢測(cè)胸腔上的阻抗變化，采集人體的呼吸信號(hào)，此法需在胸腔綁上電極，使患者有不適感，造成睡眠不深，可能會(huì)影響呼吸暫停癥狀的出現(xiàn)，從而影響監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性?？紤]到SAS發(fā)生時(shí)，其臨床表現(xiàn)為口鼻氣流停止，而胸腹式呼吸仍存在，所以本文選用溫度法來(lái)監(jiān)測(cè)鼻部呼吸。

本文針對(duì)睡眠呼吸暫停低通氣綜合征對(duì)人體鍵康的危害，提出了一種可穿戴的、基于藍(lán)牙的、便攜式人體呼吸參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能與智能手機(jī)通信，可以在不影響病人正常睡眠的情況下記錄、分析和預(yù)警呼吸情況，幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷，做到早發(fā)現(xiàn)、早治療。

參考文獻(xiàn)：

[1]王蓓.睡眠呼吸障礙與冠心病及心律失常[J].中國(guó)呼吸與危重監(jiān)護(hù)雜志，2010，9（1）：2-4.

[2]葉志前，鄭濤，裘利堅(jiān).睡眠監(jiān)護(hù)技術(shù)的發(fā)展[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)（生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè)），2003，26（6）：244-248.

[3]中華醫(yī)學(xué)會(huì)呼吸病學(xué)分會(huì)睡眠呼吸疾病學(xué)組.阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征診治指南（2011年修訂版）[J].中華結(jié)核和呼吸雜志，2002，25（4）：195-198.

[4]康季槐，何史林，陳廣飛等.基于物聯(lián)網(wǎng)的病區(qū)智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（9）：9-12.

[5]萇飛霸，尹軍，顏先樂(lè)等.可穿戴式人體呼吸狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)與儀器儀表，2014，40（1）：79-82.

[6]李宏恩，周晉陽(yáng)，郝文延.一種可穿戴呼吸實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào)，2017，33（6）：78-81.

[7]申廣浩，劉娟，路麗華等.睡眠呼吸暫停綜合征遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（6）：16-19.

[8]龔國(guó)麗，曾建，李旦，干峰.睡眠呼吸遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2016，31（6）：50-52.

（作者單位：南京市金陵中學(xué)）