STM32單機(jī)片的智能止鼾器設(shè)計(jì)

廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 武夏林 李丹云

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（OSAHS），俗稱鼾癥，臨床表現(xiàn)有夜間睡眠打鼾伴呼吸暫停和白天嗜睡。目前已成為臨床常見的一大疾病，給人們的生活帶來嚴(yán)重困擾，降低生活質(zhì)量，尤其是睡眠質(zhì)量，并且可導(dǎo)致高血壓、糖尿病和心血管疾病等并發(fā)癥及交通事故，甚至出現(xiàn)夜間猝死，是一種有潛在致死性的睡眠呼吸疾病。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球有將近10億人受鼾癥影響，我國30-69歲成年人患病率達(dá)23.6%，并呈現(xiàn)出逐年增長趨勢。近年來，國家相關(guān)部委積極推動智慧健康的產(chǎn)業(yè)部署，促進(jìn)智能化醫(yī)療，鼓勵(lì)從預(yù)警、保護(hù)、預(yù)防多角度實(shí)現(xiàn)人體保健的“實(shí)時(shí)電子監(jiān)控”。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，亞健康群體對保健產(chǎn)品的需求和要求也在不斷提高，智能家用醫(yī)療保健器械表現(xiàn)出較強(qiáng)的市場競爭力。

本文設(shè)計(jì)制作了一種結(jié)合中醫(yī)療法的多功能智能止鼾器。止鼾器包括止鼾器主體、約束頭帶及約束頸帶，由主體外殼、按摩模塊、脈沖電流模塊以及鼾聲檢測模塊構(gòu)成止鼾器主體。鼾聲檢測模塊中預(yù)設(shè)鼾聲響度設(shè)定值，可根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)控制脈沖電流模塊，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控。按摩模塊可對患者廉泉穴進(jìn)行按摩緩解作用，約束頭帶可保證止鼾器主體貼附于喉頸位置，防止患者入眠后無意識的摘拔，提高睡眠期間的治療可靠性，起到有效止鼾作用。使用者可在手機(jī)端軟件中發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)改變工作模式、設(shè)定工作時(shí)間等功能，并可查看夜晚鼾聲數(shù)據(jù)，觀察鼾聲變化趨勢。此項(xiàng)目適用于臥室、辦公室、飛機(jī)、高鐵等多種場景。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 佩戴部分

佩戴部分的設(shè)計(jì)主要涉及止鼾器主體外殼、約束頭帶及約束頸帶。

主體外殼為C字形殼體，采用硬質(zhì)塑料制成，其弧形內(nèi)側(cè)面構(gòu)成用于與人體的喉頸輪廓配合的弧形貼合部，保證佩戴的良好貼合度和舒適性。為了提高佩戴舒適度，C字形殼體的外部包覆有海綿墊層，具有柔軟微彈、吸濕排汗的特性，能夠有效避免在睡眠期間患者的喉頸部出汗嚴(yán)重的問題。

約束頭帶與主體外殼連接并形成用于容納人體頭部的第一佩戴空間，通過約束頭帶可將止鼾器主體固定在人體頭部的下巴下側(cè)，同時(shí)也能夠約束患者的口部在睡眠時(shí)出現(xiàn)不自主張開的動作。另外，在C字形殼體上還連接有約束頸帶，與約束頭帶岔開布置，分別連接在C字形殼體的兩端位置，且約束頸帶與主體外殼之間形成用于容納人體頸部的第二佩戴空間。佩戴時(shí)，將約束頭帶緊繞在患者的頭部、約束頸帶緊繞在患者的頸部，既可保證按摩模塊對準(zhǔn)廉泉穴工作，又可防止止鼾器主體從頸部脫落，提高了睡眠期間的治療可靠性。

約束頭帶具有彈性伸縮段，與C字形殼體之間采用魔術(shù)貼粘接連接。具體的，約束頭帶包括中間的第一彈性伸縮段以及兩端的柔性布帶，約束頭帶的柔性布帶與C字形殼體固定連接，其中一端的柔性布帶為斷開式結(jié)構(gòu)，柔性布帶的斷開位置設(shè)有第一魔術(shù)貼，通過第一魔術(shù)貼之間的粘接配合從而使斷開的柔性布帶連接為一體，即實(shí)現(xiàn)了約束頭帶的可拆連接，又實(shí)現(xiàn)了止鼾器主體佩戴時(shí)的松緊可調(diào)。頸帶與頭帶的結(jié)構(gòu)相同。

為了適應(yīng)不同的使用需求，也可直接將約束頸帶省去，僅保留約束頭帶，并且在約束頭帶對應(yīng)頭頂位置設(shè)有網(wǎng)兜結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)兜結(jié)構(gòu)兜緊在患者的頭部。

1.2 按摩部分

按摩模塊位于C字形殼體的容納腔內(nèi)，包括驅(qū)動電機(jī)和按摩頭。在主體外殼對應(yīng)人體的廉泉穴位置設(shè)有供按摩頭伸出的通孔，開設(shè)于C字形殼體的弧形內(nèi)側(cè)壁上。另外，在C字形殼體容納腔中的弧形內(nèi)側(cè)壁還設(shè)有電機(jī)安裝座，驅(qū)動電機(jī)固定連接在電機(jī)安裝座上，其主軸與按摩頭連接。按摩頭的形狀為凹字形，按摩頭兩端的凸出部用于與人體皮膚摩擦接觸。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)工作時(shí)，通過主軸轉(zhuǎn)動帶動按摩頭旋轉(zhuǎn)動作，按摩頭兩端的凸出部與人體的廉泉穴皮膚摩擦接觸，模擬出傳統(tǒng)按摩手法中的環(huán)狀按揉動作，能夠持續(xù)刺激廉泉穴，增加局部血液的流動性和溫度，起到清咽利舌通暢氣機(jī)的作用，在入眠前期對患者起到有效緩解和預(yù)防打鼾的功效。

1.3 鼾聲檢測與脈沖電流部分

鼾聲檢測模塊與脈沖電流模塊電性連接，與電源一同位于C字形殼體容納腔內(nèi)。鼾聲檢測模塊中，處理器分別與麥克風(fēng)、呼吸傳感器、存儲器以及脈沖電流模塊電性連接，鼾聲響度設(shè)定值設(shè)于存儲器中。處理器選用STM32F103R6單片機(jī)，其采用CORTEX-M3內(nèi)核，具有能耗低、成本低和性能良好等特性；麥克風(fēng)為微型麥克風(fēng)，呼吸傳感器為PVDF呼吸傳感器，采用麥克風(fēng)和呼吸傳感器相結(jié)合的設(shè)計(jì)，分別用于檢測患者的鼾聲響度和呼吸頻率，通過鼾聲信號和呼吸信號共同檢測患者睡眠時(shí)打鼾的狀態(tài)。

電源為鼾聲檢測模塊各部分提供工作所需的電流。脈沖電流模塊中設(shè)有脈沖電流發(fā)生電路，用于電源輸出的直流電轉(zhuǎn)化成脈沖電流，其波形為方波脈沖，頻率為1至8Hz，大小約為1毫安遠(yuǎn)低于人體的安全電流，可模擬針灸的刺激效果。在C字形殼體的下側(cè)面對應(yīng)人體喉部兩側(cè)位置設(shè)有兩個(gè)導(dǎo)電貼片，與脈沖電流模塊之間連接有導(dǎo)線，通過脈沖電流模塊、導(dǎo)線、導(dǎo)電貼片以及人體皮膚之間形成構(gòu)成電流回路。鼾聲檢測模塊與脈沖電流模塊電路控制圖如圖1所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要用于鼾聲檢測與脈沖電流模塊的智能調(diào)控。

鼾聲檢測模塊中，麥克風(fēng)可實(shí)時(shí)獲取患者的鼾聲，并將鼾聲音頻信號轉(zhuǎn)化為鼾聲電信號傳輸至處理器中，處理器判斷當(dāng)前鼾聲是否超過存儲器中預(yù)設(shè)的鼾聲響度設(shè)定值，若是，則控制脈沖電流模塊工作，采用脈沖電流刺激患者體表，使患者自主調(diào)整睡眠姿態(tài)；若否，則繼續(xù)監(jiān)控。另外，呼吸傳感器的內(nèi)部具有濾波電路和型號為LM358的放大芯片，濾波電路用于處理環(huán)境噪聲及電路本身產(chǎn)生的工頻干擾，放大芯片用于對獲取患者的呼吸振動所產(chǎn)生的微弱電信號進(jìn)行增強(qiáng)，增強(qiáng)后的呼吸電信號傳輸至處理器，通過處理器判斷患者當(dāng)前是否處于呼吸暫停的危險(xiǎn)情況。通過兩種方式共同監(jiān)控患者的睡眠狀態(tài)，保證了患者處于睡眠期間的安全性。

圖1 鼾聲檢測模塊與脈沖電流模塊電路控制圖

C字形殼體中還設(shè)有藍(lán)牙接收模塊，其型號為HC05HC05主從一體藍(lán)牙模塊，可接收外部藍(lán)牙信號并傳輸至處理器中，進(jìn)而調(diào)節(jié)鼾聲檢測模塊的鼾聲響度設(shè)定值，以及脈沖電流模塊的脈沖電流大小。外部藍(lán)牙信號可為使用者手機(jī)端，通過開啟手機(jī)藍(lán)牙與止鼾器的藍(lán)牙接收模塊連接，操作手機(jī)即可方便調(diào)節(jié)止鼾器的工作模式和相應(yīng)參數(shù)。鼾聲檢測與脈沖電流模塊智能調(diào)控流程圖如圖2所示。

圖2 鼾聲檢測與脈沖電流模塊智能調(diào)控流程圖

結(jié)語：智能止鼾器是一種新型的醫(yī)療保健器械，該設(shè)計(jì)基于STM32單機(jī)片在睡眠期間止鼾的基礎(chǔ)之上，增加了結(jié)合中醫(yī)按摩療法、腧穴理論的治療作用，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測睡眠期間的鼾聲情況，預(yù)防呼吸暫停，發(fā)揮標(biāo)本兼顧的止鼾效果。隨著健康中國的不斷推進(jìn)，家用醫(yī)療保健器械逐步向智能化發(fā)展，智慧健康正走進(jìn)每一個(gè)人的生活。