基于Arduino的便攜式睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀

吳濤峰 甘舒琪 歐陽(yáng)丞俊 李結(jié)松 劉洋

（廣州醫(yī)科大學(xué) 廣東省廣州市 511436）

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS），是指睡眠時(shí)由于上氣道塌陷或通氣不足反復(fù)引發(fā)呼吸暫?；虻屯獾募膊　：粑鼤和５屯獠坏珪?huì)引起間歇性低氧，使得血氧飽和度下降；還會(huì)使心跳紊亂，造成睡眠結(jié)構(gòu)混亂的癥狀。因此，OSAHS 是原發(fā)性高血壓、冠心病、心肌梗死和腦卒中等高危疾病發(fā)病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[1]。近年來(lái)，人們對(duì)OSAHS 的認(rèn)識(shí)逐漸提高，針對(duì)此類疾病的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外醫(yī)療儀器領(lǐng)域的重要研究課題之一[2]。對(duì)此，盡可能早的發(fā)現(xiàn)可以讓患者得到合理的治療，明顯提高患者生活質(zhì)量并預(yù)防各種并發(fā)癥的發(fā)生。

目前國(guó)內(nèi)外有較多基于睡眠監(jiān)測(cè)的話題以及項(xiàng)目，例如浙江拓峰科技有限公司的一種新型睡眠呼吸暫停診治儀[3]，應(yīng)用壓電薄膜式傳感器檢測(cè)胸腹運(yùn)動(dòng)，為睡眠呼吸暫停征的普及檢測(cè)提供了一種簡(jiǎn)易手段。同時(shí)也有穿戴式動(dòng)態(tài)睡眠呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[4]，在基于數(shù)據(jù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將嵌入衣物中的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺(tái)分析，對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估[5]。在臨床應(yīng)用方面，便攜式睡眠監(jiān)測(cè)與多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)的臨床應(yīng)用分析也得到了廣泛應(yīng)用[6]。上海諾誠(chéng)股份有限公司的NPSG 系列多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀，它能夠?qū)崿F(xiàn)多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)功能，對(duì)多種生理電信號(hào)和生理參數(shù)進(jìn)行記錄分析，通過(guò)無(wú)線Wi-Fi 遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷。美國(guó)安波瀾醫(yī)療設(shè)備有限公司生產(chǎn)的S 系列多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)十余項(xiàng)的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)，特別是高性能呼吸運(yùn)動(dòng)傳感器能夠滿足新生兒及兒童的呼吸事件采集[2]。

然而復(fù)雜的設(shè)計(jì)，龐大的體積以及高昂的費(fèi)用讓大多數(shù)患者望而卻步。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款體積小、價(jià)格便宜、具備生理參數(shù)分析功能的睡眠呼吸監(jiān)測(cè)儀。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)監(jiān)測(cè)儀配套軟件測(cè)得的呼吸暫停或低通氣次數(shù)的判斷正確率為95%，血氧飽和度測(cè)試誤差上限為2%，該儀器可以較為準(zhǔn)確的評(píng)估測(cè)試者的睡眠狀況。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)《阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征診治指南（2011年修訂版）》的定義，呼吸暫停為睡眠過(guò)程中口鼻呼吸氣流消失或明顯減弱（較基線幅度下降≥90%）持續(xù)時(shí)間≥10s；低通氣為睡眠過(guò)程中口鼻氣流較基線水平下降≥30%并伴有血氧飽和度（SaO2）下降≥4%，持續(xù)時(shí)間≥10s，或口鼻氣流較基線水平下降≥50%并伴SaO2 下降≥3%，持續(xù)時(shí)間≥10s。此外，同步監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)心電與睡眠呼吸，可評(píng)估通氣障礙[7]。

由此可見(jiàn)，通過(guò)分析心電信號(hào)來(lái)判斷呼吸的狀態(tài)，并通過(guò)人體呼吸阻抗、脈搏和血氧等參數(shù)輔助判別患者是否出現(xiàn)呼吸暫停癥狀的策略具備較好的可行性。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用多參數(shù)監(jiān)測(cè)，包括人體心電信號(hào)、呼吸阻抗、脈搏和血氧飽和度等指標(biāo)。并通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至手機(jī)查看。

2.1 心電采集模塊

OSAHS 與心血管系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。睡眠時(shí)發(fā)生的呼吸暫停及低通氣可影響患者體內(nèi)的血氧飽和度和CO2含量，不斷刺激呼吸中樞的感受器，增強(qiáng)交感神經(jīng)興奮性，可能導(dǎo)致心律失常并誘發(fā)各種心血管系統(tǒng)疾病[8]。本系統(tǒng)以Arduino 為核心采集心電信號(hào)。本模塊采用AD8232 芯片作為采集前端，該芯片集成抑制運(yùn)動(dòng)噪聲、放大、濾波的功能，可以實(shí)時(shí)采集心電并將其傳輸?shù)教幚砥骱诵摹?/p>

2.2 呼吸阻抗采集模塊

呼吸狀態(tài)是生理監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要參數(shù)，在睡眠疾病診斷、臨床監(jiān)護(hù)、心血管系統(tǒng)等領(lǐng)域有著重要的研究?jī)r(jià)值。人體阻抗最大的是骨骼和空氣。阻抗式呼吸檢測(cè)方法是將胸腔測(cè)量區(qū)域等效為一個(gè)阻抗均勻分布的整體。人體呼吸會(huì)引起胸腔內(nèi)空氣容積的變化，進(jìn)而導(dǎo)致胸阻抗變化。基于此原理可以通過(guò)檢測(cè)胸阻抗間接實(shí)現(xiàn)人體呼吸的檢測(cè)。

本系統(tǒng)中采用監(jiān)測(cè)惠斯通電橋采集人體的呼吸阻抗信號(hào)。設(shè)定呼吸阻抗和電位器RV1、定值電阻R1、R2 構(gòu)成電橋，在電路工作時(shí)，調(diào)節(jié)RV1，使得此時(shí)電橋平衡，輸出端電壓為零。呼吸阻抗的變化會(huì)打破電橋平衡，輸出端電壓變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓變化實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)。利用惠斯通電橋可以靈敏地檢測(cè)出阻抗的微小變化，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RV1 可以使電路適用于不同個(gè)體呼吸阻抗阻值差異。

2.3 血氧飽和度采集模塊

當(dāng)出現(xiàn)呼吸暫?；虻屯鈺r(shí)，人體血氧飽和度會(huì)出現(xiàn)明顯下降，通過(guò)血氧飽和度輔助監(jiān)測(cè)患者呼吸行為是一種有效策略。根據(jù)《阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征診治指南（2011年修訂版）》，（85%≤LO2≤90%）為輕度低氧血癥，（80%≤LO2≤85%）為中度低氧血癥，（LO2 ≤80%）為重度低氧血癥[9]。

表1：睡眠監(jiān)測(cè)儀標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

血氧飽和度的檢測(cè)可以分為有創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)兩種方式。有創(chuàng)檢測(cè)是采集人體血液后通過(guò)生化分析儀確定血液中的氧和血紅蛋白含量。該方案檢測(cè)精度高，但創(chuàng)口會(huì)給患者造成痛苦并可能誘發(fā)感染，還存在非連續(xù)性檢測(cè)的缺陷。無(wú)創(chuàng)檢測(cè)是基于朗伯-比爾定律以及氧和血紅蛋白含量影響光吸收率的原理，使用特定頻率的光源照射手指，測(cè)量手指另一側(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度變化，進(jìn)而經(jīng)過(guò)處理與計(jì)算，間接得到血氧飽和度[10]。

2.4 脈搏測(cè)量模塊

脈搏是心臟收縮時(shí)，泵出血液所引起的動(dòng)脈跳動(dòng)。脈搏次數(shù)與心跳次數(shù)相一致，且節(jié)律均勻間隔相等。脈搏健康成年人安靜時(shí)的脈搏一般在每分鐘60-100 次范圍內(nèi)。

脈搏和血氧飽和度的檢測(cè)是通過(guò)MAX30100 實(shí)現(xiàn)的。MAX30100 是一款集成的脈搏血氧和心率檢測(cè)傳感器，上面置有兩個(gè)LED 燈，一個(gè)用來(lái)優(yōu)化光學(xué)的光電傳感器和低噪聲模擬信號(hào)處理器，另一個(gè)用來(lái)檢測(cè)脈搏的血氧飽和度和心率信號(hào)。

2.5 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙傳輸采用HC-05 模塊，具有體積小、功耗低、成本低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)。HC-05 藍(lán)牙模塊可以通過(guò)發(fā)送端TXD 和接收端RXD 實(shí)現(xiàn)控制核心與手機(jī)用戶的通信。低功耗可以確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航，藍(lán)牙模塊通過(guò)與手機(jī)終端連接上傳采集到的數(shù)據(jù)，可以提高效率、節(jié)省時(shí)間，并保護(hù)了病人的隱私。

2.6 電刺激模塊

電刺激模塊通過(guò)鋰電池、升壓模塊以及繼電器實(shí)現(xiàn)電容的充放電。正常時(shí)，繼電器的開(kāi)關(guān)連接到電源端，實(shí)現(xiàn)電容充電；當(dāng)人的呼吸出現(xiàn)異常時(shí)，繼電器的開(kāi)關(guān)接到電極貼片端，釋放電刺激，將人喚醒。放電過(guò)程中，主控制器會(huì)根據(jù)人體呼吸阻抗計(jì)算放電時(shí)間，在電刺激過(guò)程中確?；颊叩陌踩?。

3 系統(tǒng)測(cè)試思路

本系統(tǒng)啟動(dòng)后持續(xù)監(jiān)測(cè)患者的各項(xiàng)指標(biāo)，綜合心電信號(hào)、脈搏、血氧、呼吸阻抗等指標(biāo)來(lái)判斷使用者的呼吸狀況。根據(jù)指標(biāo)的變化，可分為以下三種情況：

情況一：當(dāng)指標(biāo)首次出現(xiàn)異常后，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)，若只有單個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)異常，此時(shí)系統(tǒng)將通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)出警報(bào)，提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)過(guò)來(lái)檢查患者情況。

情況二：當(dāng)指標(biāo)首次出現(xiàn)異常后，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)，如果多個(gè)指標(biāo)持續(xù)異常，分析系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)并判斷患者出現(xiàn)了呼吸暫停，此時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)提醒醫(yī)護(hù)人員過(guò)來(lái)檢查并對(duì)患者采取電刺激措施。

情況三：在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，患者的指標(biāo)出現(xiàn)短時(shí)間異常后恢復(fù)正常，這有可能是患者在睡眠過(guò)程中調(diào)整睡姿或儀器連接不穩(wěn)定等造成的，系統(tǒng)將會(huì)將數(shù)據(jù)記錄但不采取措施，持續(xù)監(jiān)測(cè)患者的狀態(tài)。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試說(shuō)明

患者穿戴好監(jiān)測(cè)儀并檢查無(wú)誤后，開(kāi)始準(zhǔn)備測(cè)試。系統(tǒng)采用醫(yī)用氯化銀電極作為測(cè)量電極。被測(cè)者在測(cè)試前，先用75%的酒精對(duì)測(cè)量部位進(jìn)行脫脂，待皮膚表面酒精蒸發(fā)后，將電極貼片分別貼于人體的左鎖骨下、右鎖骨下和右腹部。

在測(cè)量開(kāi)始之前，被測(cè)者應(yīng)平靜坐于靠椅上，保持情緒穩(wěn)定、呼吸均勻。開(kāi)始測(cè)試后，被測(cè)者先自主呼吸，觀察被測(cè)者的生理參數(shù)，并記錄副處理器的分析結(jié)果。一段時(shí)間后，被測(cè)者進(jìn)行憋氣，主動(dòng)創(chuàng)造呼吸暫停條件，觀察被測(cè)者的生理參數(shù)并記錄副處理器的分析結(jié)果，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。由測(cè)試結(jié)果可知，睡眠監(jiān)測(cè)儀的呼吸暫停誤判率大于95%，血氧飽和度測(cè)試誤差小于2%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的患者設(shè)計(jì)了一種體積小、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低的睡眠呼吸監(jiān)測(cè)儀。該儀器不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的各種生理狀態(tài)，在患者出現(xiàn)異常狀況時(shí)，還會(huì)對(duì)出現(xiàn)的情況進(jìn)行判斷與分析，減輕了醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)?；颊咴谑謾C(jī)也可以隨時(shí)通過(guò)手機(jī)查看自己的身體狀況，及時(shí)判斷自身的健康情況。隨著人口老齡化和許多疾病呈現(xiàn)年輕化的特點(diǎn)，人們的睡眠質(zhì)量下降，此類睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的市場(chǎng)需求大，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。