睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的呼吸信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)*

郭俊偉， 梁敏桐， 莫 忠

(中山大學(xué)新華學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510520)

0 引 言

睡眠呼吸暫停[1～3]是一種發(fā)病率高卻鮮為人知的功能失調(diào)性疾病，包括阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea,OSA) 和中樞性睡眠呼吸暫停(central sleep apnea,CSA)。呼吸信號(hào)是人體重要的生理信號(hào)，很多心血管類(lèi)疾病在發(fā)病前期呼吸信號(hào)多處于異常狀態(tài)，通過(guò)對(duì)人體呼吸功能及狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)并預(yù)防呼吸道、肺部以及心血管等部位的病變，降低此類(lèi)疾病的死亡率[4,5]。多導(dǎo)睡眠圖(polysomnography,PSG) 監(jiān)測(cè)是睡眠呼吸暫停綜合癥診斷和研究的常用技術(shù)手段，但由于儀器操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴，患者的舒適度較差，不適用居家環(huán)境下進(jìn)行睡眠監(jiān)測(cè)[6]。便攜式睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以很好地監(jiān)測(cè)患者的各種重要生理參數(shù)，系統(tǒng)使用方便，可以直接佩戴在患者身上，在家就能進(jìn)行睡眠檢測(cè)，并能在情況危急時(shí)給予預(yù)警[7]。

本文介紹了呼吸信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以性?xún)r(jià)

比高，功耗低的STM32F103C8T6芯片作為處理器，結(jié)合MCP6002運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)了一種呼吸信號(hào)采集裝置，信號(hào)的采集和處理由硬件端完成，通過(guò)USB端口傳輸將數(shù)據(jù)送入電腦端，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行顯示信號(hào)波形并加以處理。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的呼吸信號(hào)采集裝置整體設(shè)計(jì)如圖1所示，將壓力感應(yīng)電阻傳感器置于人體腹部并用彈性腰帶束縛，獲得人體腹部在呼吸時(shí)的電阻值并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波處理送入單片機(jī)，處理后的呼吸信號(hào)通過(guò)USB端口發(fā)送到電腦端進(jìn)行顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 呼吸信號(hào)采集裝置整體設(shè)計(jì)

2 電路設(shè)計(jì)

裝置的電路設(shè)計(jì)包括:電阻式壓力傳感器、電阻轉(zhuǎn)換電壓電路、前置及后級(jí)放大電路、濾波電路。

2.1 電阻式壓力傳感器

電阻式FSR402傳感器是一種新研發(fā)可彎曲的壓力傳感器，這種壓力薄膜的感應(yīng)表面的電阻值會(huì)因感應(yīng)表面的壓力大小進(jìn)行變化(如圖2所示)，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的壓力信息。本文運(yùn)用壓力薄膜傳感器測(cè)量人體腹部的運(yùn)動(dòng)交替過(guò)程，當(dāng)腹部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力變化就能檢測(cè)到人體的呼吸情況。

圖2 FSR402傳感器電阻值隨表面壓力的變化曲線

2.2 電阻轉(zhuǎn)換電壓電路

通過(guò)讓串聯(lián)一個(gè)電阻與薄膜壓力傳感器相連，測(cè)其相連點(diǎn)的電壓變化,如圖3所示。當(dāng)傳感器受外界壓力作用時(shí)，傳感器的阻值發(fā)生變化，測(cè)得的相連點(diǎn)的電壓值U0。

圖3 電阻轉(zhuǎn)電壓電路

式中U0為該電路輸出電壓，U為輸入電壓，RV1為薄膜傳感器的實(shí)際電阻變化值。

2.3 前置放大電路

由于人體呼吸的生理信號(hào)具有高阻抗、低頻率和信號(hào)微弱等特點(diǎn)，因此在整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路中，前置放大是必不可缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。基于呼吸生理信號(hào)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)高輸入阻抗、低噪聲和溫漂的前置放大電路，如圖4所示。為了滿足放大呼吸信號(hào)的需要，放大電路運(yùn)用了MCP6002運(yùn)算放大器。其中U3∶A是電壓跟隨器，在電路中，做緩沖級(jí)及隔離級(jí)，提高了輸入阻抗。在電路中，為了在輸入電壓高于VDD時(shí)保護(hù)運(yùn)放的輸入，設(shè)置了D1。電阻R4是為了防止輸入到輸入級(jí)的電流過(guò)大，而且在輸入電壓大于VDD時(shí)，可以限制輸入到D3上的電流。

圖4 前置放大電路

2.4 低通濾波電路

對(duì)于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)而言，特殊性和獨(dú)特性是其不可避免的特質(zhì)。很多有關(guān)測(cè)量生理的傳感器在輸出信號(hào)方面是十分微弱的。在強(qiáng)噪聲的影響下，這些生理信號(hào)容易丟失。將信號(hào)和噪聲區(qū)分是當(dāng)今信號(hào)檢測(cè)的一大難題。

人體自身阻抗由于通過(guò)傳感器或者電極形成一定量的噪聲干擾和電路發(fā)生隨機(jī)的擾動(dòng)造成的噪聲干擾，這兩者都是噪聲的重要產(chǎn)生途徑。健康成年人的呼吸頻率為 0.20～0.33 Hz，而噪聲和其他的工頻噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體呼吸頻率[8]。

因?yàn)樵肼暤念l率通常比呼吸信號(hào)要高得多，因此,為了除去模擬信號(hào)中的噪聲干擾，設(shè)計(jì)一個(gè)二階有源低通濾波器，容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，如圖5所示。

圖5 低通濾波電路

對(duì)于二階有源低通濾波器而言，其傳遞函數(shù)為

因?yàn)?-AVF>0，則當(dāng)AVF<3時(shí)才能穩(wěn)定工作，令R15=1 kΩ，R14=1 kΩ。

電壓增益為

A=AVF=1+R15/R14

(3)

截止頻率為

經(jīng)測(cè)試選定R1=R2=20 kΩ，C1=C2=0.1 μF，因此，截止頻率為7.961 Hz，基本上實(shí)現(xiàn)了低通濾波器的功能，使得高于7.961 Hz的噪聲干擾截止，符合系統(tǒng)的要求。

2.5 后級(jí)放大電路

由于薄膜壓力傳感器電阻轉(zhuǎn)電壓電路輸出的電壓很微弱(毫伏級(jí))，經(jīng)過(guò)前置放大和濾波后的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于測(cè)量的需求，因此,通過(guò)后級(jí)放大電路將電壓放大到所需要的值，如圖6所示。

圖6 后級(jí)放大電路

3 Protues仿真

Protues是一個(gè)集眾多的仿真器件、聯(lián)合仿真和極多的虛擬儀器為一體的優(yōu)秀軟件[9]。本文利用Protues仿真來(lái)設(shè)計(jì)電阻轉(zhuǎn)電壓電路、放大電路、濾波電路，并檢驗(yàn)這些電路的可行性和放大效果。

通過(guò)Protues的仿真結(jié)果來(lái)看，這個(gè)電路是可以運(yùn)行的，由圖7可知，呼吸信號(hào)的調(diào)理電路是可以將微弱的電壓信號(hào)(0.03 V)進(jìn)行放大處理輸出較強(qiáng)的電壓信號(hào)(2.71 V)，同時(shí)，電路增加的二階有源低通濾波電路使得高于7.961 Hz的噪聲干擾消除，一定程度上保證呼吸信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

圖7 電路仿真

4 測(cè)試結(jié)果

使用STM32F103C8T6芯片作為處理器，該處理器是基于ARM核心的32位微控制器，擁有64 kB或128 kB字節(jié)閃存、還自帶A/D轉(zhuǎn)換等眾多優(yōu)點(diǎn)。將這個(gè)信號(hào)采集裝置連接設(shè)備電源，并用腰帶將傳感器置于人體腹部。打開(kāi)串口調(diào)試助手，設(shè)置9 600 bps波特率，COM3為串口端口，TXT格式儲(chǔ)存端口數(shù)據(jù)，接收區(qū)設(shè)置為接受轉(zhuǎn)向文件格式。呼吸數(shù)據(jù)電腦串口COM3發(fā)送至計(jì)算機(jī)內(nèi)，并且儲(chǔ)存于特定的TXT文件內(nèi)。如圖8所示，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行讀取，將模塊內(nèi)數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，之后對(duì)呼吸波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和波形圖像數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，在計(jì)算機(jī)上獲得呼吸波形。

圖8 串口數(shù)據(jù)及MATLAB的仿真結(jié)果

采集到的呼吸信號(hào)波形如圖9所示，出現(xiàn)呼吸暫停時(shí)，呼吸波信號(hào)幾乎是一條線。通過(guò)單片機(jī)對(duì)呼吸波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)(A/D)采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字化的呼吸信號(hào)經(jīng)過(guò)算法處理，當(dāng)其強(qiáng)度低于設(shè)置的閾值時(shí)，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)將進(jìn)行提示和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)睡眠呼吸暫停的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖9 出現(xiàn)呼吸暫停時(shí)的呼吸波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種體積小、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜以及舒適性好的呼吸信號(hào)采集裝置。通過(guò)計(jì)算分析表明：本文信號(hào)采集裝置滿足對(duì)微弱生理呼吸信號(hào)的獲取、放大和濾波。為了防止未知的噪聲信號(hào)使放大器達(dá)到飽和，進(jìn)行了多級(jí)放大，設(shè)計(jì)的前置和后級(jí)放大電路能夠有效地將微弱的信號(hào)放大。同時(shí)，采用二階濾波對(duì)呼吸信號(hào)調(diào)節(jié)，將低于7.961 Hz的噪聲干擾過(guò)濾掉，也去除了電磁、工頻干擾等。設(shè)計(jì)的裝置針對(duì)醫(yī)療診斷的需要，在實(shí)際應(yīng)用中有重要的意義。