張艷潔 李帥三 趙祥坤

基于3 G網(wǎng)絡的睡眠呼吸暫停綜合癥監(jiān)測系統(tǒng)研究※

張艷潔 李帥三 趙祥坤

對睡眠呼吸暫停綜合癥癥狀和當今普遍使用的3 G網(wǎng)絡技術進行了研究，為實現(xiàn)睡眠呼吸暫停綜合癥監(jiān)測的智能化，文章采用理論分析和實驗模擬的方法，提出了一種基于3 G網(wǎng)絡的睡眠呼吸暫停綜合癥監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括呼吸信號采集和利用3 G網(wǎng)絡進行傳輸兩大部分，為睡眠呼吸暫停綜合癥患者提供了一個方便有效的健康保障監(jiān)測平臺，可使患者病癥實時在線得到醫(yī)師和家屬的有效監(jiān)控，從而實現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護自動化處理。

睡眠呼吸暫停綜合癥；3 G網(wǎng)絡；監(jiān)測；電路設計；數(shù)/模轉換

睡眠呼吸暫停綜合癥（sleep apnea syndrome, SAS）是一種潛在的致死性疾病，其臨床特點表現(xiàn)為反復發(fā)作的嚴重打鼾、呼吸暫停、低通氣、低氧合癥和白天嗜睡。長期患有該疾病的患者還可能引發(fā)高血壓、心肌梗死、腦血管意外甚至猝死。因此，對睡眠呼吸暫停綜合癥進行實時監(jiān)測具有十分重要的現(xiàn)實意義[1-2]。

3 G（3rd-generation）是第三代移動通信技術的簡稱，具有支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢，能同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息（電子郵件、即時通信等），其代表特征是可提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務[3-4]。

本文根據(jù)睡眠呼吸暫停綜合癥患者在線實時監(jiān)測的迫切需求及3 G網(wǎng)絡的技術特點，設計了一種基于3 G網(wǎng)絡的睡眠呼吸暫停綜合癥患者監(jiān)測系統(tǒng)，采用最新的3 G通信技術，實現(xiàn)了呼吸信號的無線傳輸，為該疾病患者提供了方便有效的健康保障平臺，實現(xiàn)異地監(jiān)測，不影響患者睡眠，擺脫了大型醫(yī)療器械和地點的束縛，能得到醫(yī)師和家屬的有效監(jiān)控，從而實現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護的自動化。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的功能體系

1.1 系統(tǒng)的總體設計 基于3 G網(wǎng)絡的睡眠呼吸暫停綜合癥監(jiān)測系統(tǒng)的整個工作過程主要包含以下三個環(huán)節(jié)。

1.1.1 患者前端監(jiān)測部分，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的開端，主要完成呼吸信號的采集、模擬信號的處理，然后再進行模/數(shù)轉換，轉換為數(shù)字信號送入患者數(shù)字信號發(fā)送端。

1.1.2 3 G網(wǎng)絡傳輸部分，通過3 G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)以UDP/TCP包形式發(fā)送至Internet數(shù)據(jù)中心，并將Internet數(shù)據(jù)中心下傳的UDP/TCP包轉換為串口數(shù)據(jù)傳至終端設備[5]。

1.1.3 監(jiān)護終端部分，可以是現(xiàn)在常用的智能手機、PAD、筆記本等設備，監(jiān)護終端通過連接3 G無線網(wǎng)絡接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，再通過軟件顯示波形從而實現(xiàn)遠程監(jiān)護功能[6]。

1.2 系統(tǒng)結構組成 見圖1。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

1.3 患者前端監(jiān)測部分 本部分包括呼吸信號采集電路、信號放大電路、低通濾波電路、主放大電路、模/數(shù)轉換電路及患者數(shù)字信號發(fā)送端。

1.3.1 電路設計與實現(xiàn) 電路部分由呼吸信號采集電路、信號放大電路、低通濾波電路、主放大電路、數(shù)/模轉換電路5個電路組成，所有電路電源電壓均為5 V[7]。

1.3.1.1 呼吸信號采集電路 其電路如圖2所示。采用溫度感應式的方法采集呼吸信號，使用NTC（negative temperature coefficient）做呼吸氣流的傳感元件，將溫度變化轉化為電阻的變化，將對溫度的測量轉化為對電阻的測量。介于電橋測量有靈敏度高、線性好、測量范圍寬且容易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點，在呼吸信號感應的第一級采用電橋測量。

圖2 呼吸信號采集電路圖

1.3.1.2 信號放大電路 采用AD620放大器，及差分放大電路，將電橋輸出的毫伏級電壓進行放大，見圖3。

圖3 信號放大電路示意圖

1.3.1.3 低通濾波電路 采用LM324來實現(xiàn)低通濾波抑制高頻干擾，可使信號變得更加穩(wěn)定，見圖4。

圖4 低通濾波電路示意圖

1.3.1.4 主放大電路 由于從低通濾波來的信號比較微弱，不利于觀察和分析，因此需要進行放大。本論文采用可調的正向放大電路放大波形的峰值，便于醫(yī)護人員進行觀察和分析，見圖5。

1.3.1.5 模/數(shù)轉換電路 模/數(shù)轉換即A/D轉換作用是將放大的信號轉換為數(shù)字信號。模/數(shù)轉換電路應包括兩部分：采樣保持器和A/D轉換器。當某一通道進行A/D轉換時，由于A/D轉換需要一定時間，若輸入信號變化較快，將會引起較大的轉換誤差。因此，為保證A/D轉換精度，就需要增加采樣保持器。保持器是指在兩次采樣的間隔時間內，根據(jù)采樣信號而復現(xiàn)原信號的裝置。論文利用零階采樣保持器AD582，其電路見圖6。

圖5 主放大電路示意圖

圖6 零階采樣保持器原理示意圖

A/D轉換器能把輸入的模擬電壓變成與其成正比的數(shù)字量，即能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數(shù)字信息。A/D轉換器從原理上可分為逐位逼近式、雙積分式、電壓/頻率式等多種。因逐位逼近式A/D轉換器速度較快精度較高，是目前應用最為廣泛的一種，此處采用普通型8位單路ADC0801A/D轉換器。

一個n位A/D轉換器是由逐位逼近寄存器、D/A轉換器、比較器、控制時序和邏輯電路、數(shù)字量輸出鎖存器五部分組成，得出其A/D轉換表達式為：式中，B為轉換后的輸出數(shù)字量；VIN為要轉換的輸入模擬量；VR+、VR-基準電壓的正、負輸入。即當基準電壓源確定之后，n位A/D轉換器的輸出數(shù)字量B與要轉換的輸入模擬量VIN成正比[8]。

1.4 3 G網(wǎng)絡傳輸部分

1.4.1 患者信息發(fā)送端 將采集到的數(shù)據(jù)，通過3 G無線網(wǎng)絡方式發(fā)送無線接入點，再經(jīng)過Internet傳送至接收端無線接入點，醫(yī)院監(jiān)護終端和患者家屬監(jiān)護終端通過3 G無線網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)，再通過終端軟件顯示波形得到患者睡眠狀態(tài)，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)護功能。

1.4.2 3 G網(wǎng)絡傳輸部分結構組成 見圖7。

圖7 3 G網(wǎng)絡傳輸結構示意圖

2 系統(tǒng)優(yōu)點

基于3 G網(wǎng)絡睡眠呼吸暫停綜合癥監(jiān)測系統(tǒng)，對監(jiān)測得到的睡眠數(shù)據(jù)采用3 G無線網(wǎng)絡作為信號傳輸手段，具有如下優(yōu)點：①與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)相比有覆蓋面廣、布置方便、高數(shù)據(jù)吞吐量、監(jiān)控方便；②監(jiān)測系統(tǒng)安裝簡單、成本低，能方便應用于需要遠程監(jiān)測的場合；③數(shù)據(jù)可高速傳輸，3 G在各種環(huán)境下的傳輸速率為144 Kbps～2 Mbps[9]；④維修方便且維護費用較低，適合于普通大眾使用。

3 結束語

本研究實現(xiàn)了利用3 G網(wǎng)絡智能監(jiān)測睡眠呼吸暫停綜合癥技術，通過現(xiàn)有的移動平臺，能實現(xiàn)更為有效的醫(yī)療保健作用。監(jiān)測端可以是3 G智能手機、PAD或筆記本等，可在不影響患者睡眠質量的情況下實現(xiàn)對其遠程監(jiān)測，實現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護的自動化。同時系統(tǒng)具有結構簡單、無線數(shù)據(jù)傳輸距離遠、傳輸數(shù)據(jù)快、穩(wěn)定性及可靠性高等優(yōu)點，并通過簡單擴展能與患者其他監(jiān)測指標如血壓、脈搏等構成集成塊，從而實現(xiàn)身體健康狀況多參數(shù)共同監(jiān)測的作用，具有廣闊應用前景。

[1] 胡玉萍,章安平.阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥的監(jiān)測與護理對策[J].臨床肺科雜志,2009,14(7):993-993.

[2] 李帥三,丁晶,張文華,等.睡眠呼吸暫停綜合癥通過3G網(wǎng)絡遠程監(jiān)測的研究[J].中國醫(yī)療設備,2011,26(7):40-41.

[3] 劉佳,王軍峰,徐越群.第三代移動通信3G技術解析[J].石家莊鐵路職業(yè)技術學院學報,2010,9(3):65-67.

[4] 王景敏,蘇克曉,劉彩玲,等.基于3G無線網(wǎng)絡的石油測井數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2012(5):106-108.

[5] 王盛學,李著信,何平.基于3G無線網(wǎng)絡的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].測控技術與儀器儀表,2011,37(8):75-77.

[6] 陳浩,彭仁明,周連雙.基于移動通信和INTERNET網(wǎng)絡的心臟遠程監(jiān)護系統(tǒng)[J].綿陽師范學院學報,2010,29(8):9-13.

[7] Michell S L ,Morris J N,Park P S,et al.Terminal care for persons with advanced dementia inthe nursing home and home care settings[J]. Journal of Palliative Medicine,2004,7(6):808-816.

[8] 林敏.計算機控制技術及工程應用[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2012:33-37.

[9] 蔡康,李洪,朱英軍,等.3G網(wǎng)絡建設與運營[M].北京:人民郵電出版社,2007:15-28.

Research on Monitoring System of Sleep Apnea Syndrome based on 3G Network

Zhang Yanjie Li Shuaisan Zhao Xiangkun

The symptom of sleep apnea syndrome and widely used 3 G network are investigated and a monitoring system of sleep apnea syndrome based on 3 G network technology has been put forward.The theoretical calculation and the experimental simulation results verified the feasibility and intelligence of the system which is consisted of respiration signal acquisition and 3 G network transmission parts. The system that automates the medical care for sleep apnea syndrome patients has provided a real time health monitoring platform for both doctors and families.

Sleep Apnea Syndrome;3 G Network;Monitoring;Circuit Design;A/D Conversion

R318.13

A

1673-5846(2014)07-0195-03

牡丹江醫(yī)學院，黑龍江牡丹江 157011

黑龍江省衛(wèi)生廳資助項目（課題編號2011-330）

張艷潔（1973-），碩士，講師，從事牡丹江醫(yī)學院影像系教學和科研工作。研究方向：電子學、醫(yī)學物理。E-mail：zyj19730916@163.com