李 珍，張開生，于曉明

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)睡眠的監(jiān)控也迎來(lái)了新的機(jī)遇。傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)控采用傳導(dǎo)睡眠圖，但是該方法操作復(fù)雜且需要在睡眠者頭部固定電極，對(duì)正常睡眠造成不可忽視的影響，難以準(zhǔn)確反應(yīng)睡眠者的正常睡眠狀況。因此，本文提出了利用其他生理參數(shù)對(duì)睡眠質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控的方法[1-2]。脈搏信號(hào)中包含豐富的生理信息，各種脈搏傳感器的出現(xiàn)使脈搏測(cè)量變得非常方便。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有體積小、功耗低、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此非常適合于醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)。如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)相互結(jié)合，有效地監(jiān)測(cè)人們的睡眠狀態(tài)，改善睡眠質(zhì)量，是值得人們特別重視的。

1 設(shè)計(jì)思路

在睡眠過(guò)渡階段中,“失控的認(rèn)知活動(dòng)”致使人們?cè)馐懿煌潭鹊氖呃_。在近年的研究中,有許多跡象顯示,通過(guò)基于認(rèn)知科學(xué)的心理控制,有可能使失控的認(rèn)知活動(dòng)中斷，那些致使人們失眠的失控的認(rèn)知活動(dòng)會(huì)在外界刺激下導(dǎo)致注意轉(zhuǎn)移從而被抑制[3]。在從覺醒狀態(tài)向睡眠狀態(tài)過(guò)渡時(shí),脈搏會(huì)明顯減慢且呈現(xiàn)出不同的特征。因此可以通過(guò)傳感器采集脈搏信號(hào)，判斷睡眠者的睡眠狀態(tài)。可以通過(guò)嵌入式處理器不斷依據(jù)脈搏信號(hào)所反映的睡眠狀態(tài)提供刺激，中斷從清醒到睡著這一過(guò)渡過(guò)程中的失控思維活動(dòng)，使這些有害的思維活動(dòng)持續(xù)地處于被抑制狀態(tài)，直至最終失活。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路的基本認(rèn)知原理，系統(tǒng)采用脈搏監(jiān)測(cè)的方式來(lái)監(jiān)控睡眠，在不影響正常睡眠的情況下，利用脈搏傳感器采集人體脈搏信號(hào)，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測(cè)使用者的睡眠狀況[4]，在睡眠質(zhì)量不佳的情況下，利用嵌入式微處理器發(fā)出合理的聲音刺激以達(dá)到提高睡眠質(zhì)量的目的。整個(gè)系統(tǒng)由脈搏采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、微處理器模塊、聲音刺激模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及數(shù)據(jù)顯示分析處理平臺(tái)等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 脈搏信號(hào)采集模塊

人體的脈搏信號(hào)具有幅度小、干擾強(qiáng)、阻抗高、頻率低等特點(diǎn)，采集過(guò)程中容易引入外界干擾（如工頻干擾、人體活動(dòng)、高頻干擾和人體呼吸移動(dòng)引起的基線漂移），常伴有嚴(yán)重的背景噪聲[5]。因此，脈搏信號(hào)測(cè)量必須經(jīng)過(guò)放大和濾波等處理，才能滿足信號(hào)采集的要求。圖2為脈搏信號(hào)調(diào)理電路。

脈搏信號(hào)的能量頻段主要集中在2 Hz～20 Hz之間，最高頻率不超過(guò)40 Hz。脈搏傳感器采集到的電壓信號(hào)幅度值在0～20 mV之間，系統(tǒng)所采用的LPC2103片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值范圍為0～+3.3 V。為了滿足轉(zhuǎn)換要求，脈搏電壓信號(hào)需要被放大100～200倍。同時(shí)，為了更好地抗干擾，放大電路采用兩級(jí)放大。信號(hào)調(diào)理電路由一級(jí)放大電路、基線漂移抑制電路、50 Hz陷波電路、低通濾波器、二級(jí)放大電路組成。

一級(jí)放大電路采用差分輸入的方式,有效地抑制共模信號(hào)。差分放大器采用AD620，其具有極高的共模抑制比,可有效抑制工頻噪聲和人體靜電干擾。集成運(yùn)放

抑制基線漂移電路主要由U2和U4兩個(gè)運(yùn)放組成。為了降低工頻干擾，設(shè)計(jì)陷波器取R5=R6=2R7=9.6 kΩ，C4=C5=2C6=0.33 μF，得陷波器頻率：采用高輸入阻抗型。在電路設(shè)計(jì)中，設(shè)置一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)A為20倍，則：

由于脈搏信號(hào)的最高頻率不超過(guò)40 Hz，因此低通濾波的截止頻率設(shè)為40 Hz，采用二階低通濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè) R8=R9=R，C1=C2=C，則：

其中f0為自然頻率。由圖2可知，傳遞函數(shù)Au為：

根據(jù) fp=40 Hz得 C=0.1 μF，R=15 kΩ。 電壓增益為：

R10取 25 kΩ，R11取 5 kΩ。按上述設(shè)計(jì)調(diào)理電路的放大能力約為120倍，滿足設(shè)計(jì)需要。

3.2 微處理器

系統(tǒng)選用Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S內(nèi)核、LQFP48封裝的LPC2103處理器作為嵌入式系統(tǒng)核心。LPC2103采用3.3 V和1.8 V雙電源供電，最高工作頻率可達(dá)70 MHz，內(nèi)部集成8 KB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器。10 bit A/D轉(zhuǎn)換器提供8路模擬輸入使得調(diào)理后的脈搏信號(hào)可直接完成A/D轉(zhuǎn)化[6]。LPC2103價(jià)格低廉、低功耗以及小封裝充分滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。復(fù)位電路設(shè)計(jì)中采用專用電源監(jiān)控復(fù)位芯片CAT1025，以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

3.3 聲音刺激模塊

根據(jù)人在睡眠和清醒時(shí)的脈搏信號(hào)的不同，利用嵌入式微處理器控制刺激器來(lái)產(chǎn)生聲音刺激，利用微處理器產(chǎn)生特定頻率的方波使得揚(yáng)聲器發(fā)出聲響作為聲音刺激。只有合適響度的聲音才能抑制有害的思維活動(dòng)，過(guò)弱的聲音刺激不能很好地轉(zhuǎn)移使用者的注意，而過(guò)強(qiáng)的聲音刺激會(huì)成為自然入睡新的干擾源。所以選取響度為使用者剛好能聽到的聲音作為刺激，通過(guò)編程來(lái)調(diào)節(jié)方波的頻率可得到需要的聲音刺激。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)采用SD卡存儲(chǔ)睡眠過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。SD卡大量應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等大容量存儲(chǔ)設(shè)備，作為這些便攜式設(shè)備的存儲(chǔ)載體，具有功耗低、非易失性、保存數(shù)據(jù)無(wú)需消耗能量等特點(diǎn)，同樣適用于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件部分主要完成脈搏信號(hào)的采集、分析、傳輸以及發(fā)出聲音刺激，上位機(jī)軟件主要是脈搏數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件以ADS1.2為開發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言編寫。ADS（ARM Developer Suite）支持 ARM10之前的所有ARM系列微控制器，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)通過(guò)分析采集到的脈搏信號(hào)，根據(jù)脈搏信號(hào)變化判斷使用者的睡眠狀態(tài)，在睡眠異常時(shí)發(fā)出合理的聲音刺激。系統(tǒng)的軟件控制框圖如圖4示。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW8.5為開發(fā)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)(LabVIEW)采用圖形化的程序編程語(yǔ)言(即G語(yǔ)言)，編寫程序時(shí)，流程圖取代了以往復(fù)雜的程序代碼[7]。上位機(jī)軟件主要完成脈搏數(shù)據(jù)的采集顯示、存儲(chǔ)等功能，通過(guò)監(jiān)測(cè)脈搏信號(hào)的變化對(duì)睡眠狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且嵌入式系統(tǒng)可借助上位機(jī)軟件平臺(tái)監(jiān)測(cè)脈搏變化，結(jié)合使用者的反應(yīng)，反復(fù)試驗(yàn)，研究睡眠狀態(tài)與脈搏變化的相互關(guān)系，協(xié)助系統(tǒng)找到合適的聲音刺激來(lái)改善睡眠質(zhì)量。

基于上述技術(shù)建立的嵌入式系統(tǒng)，具有性能高、體積小、功耗低、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，可佩戴于手上對(duì)睡眠過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在大量的實(shí)驗(yàn)中，聲音刺激對(duì)使用者睡眠沒有造成干擾，并且能使他們較快入睡。通過(guò)采集人體脈搏信號(hào)并從中獲取睡眠信息，利用聲音刺激來(lái)干擾失眠機(jī)制，對(duì)于提高人們的睡眠質(zhì)量、保證身心健康有著深遠(yuǎn)的意義。

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[4]范志祥，田學(xué)隆.腕活動(dòng)睡眠監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28(8)：45-48.

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