劉 一，張 琴，任占兵

(1．廣東技術(shù)師范學(xué)院電信學(xué)院，廣州510665;2．廣州體育學(xué)院，廣州510500)

LIU Yi1* ，ZHANGQin1，REN Zhanbing2

(1．Department of Electronic Information Engineering，Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510665，China;2．Guangzhou Sport University，Guangzhou 510500，China)

睡眠呼吸暫停低通氣綜合征SAHS(Sleep Apnea Hyponex Syndrome)是一種具有潛在危險(xiǎn)的病癥，可能誘發(fā)心肌梗死、腦血管意外等病癥，嚴(yán)重的情況下，甚至發(fā)生睡眠中猝死，危及生命。通過(guò)對(duì)患者睡眠呼吸情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以發(fā)現(xiàn)睡眠呼吸暫停綜合癥的長(zhǎng)度和頻度，不僅可以幫助患者診治，而且可以極早預(yù)防各種并發(fā)癥的發(fā)生，提高患者的存活率［1］。但現(xiàn)在市場(chǎng)上的設(shè)備價(jià)格昂貴、體積龐大，只能在專(zhuān)業(yè)醫(yī)院使用，不利于普及與推廣［2－3］。我們應(yīng)用胸腹運(yùn)動(dòng)檢測(cè)法，設(shè)計(jì)了一種基于光電二極管陣列的睡眠呼吸暫停監(jiān)測(cè)儀，這一檢測(cè)設(shè)備測(cè)量靈敏度高，佩戴方便、舒適，不影響睡眠質(zhì)量。

1 總體設(shè)計(jì)

正常呼吸情況下，吸氣時(shí)胸廓和腹部均隆起向外運(yùn)動(dòng)，呼氣時(shí)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而發(fā)生呼吸暫停情況下，呼吸運(yùn)動(dòng)暫時(shí)停止，氣流消失［4－6］。呼吸消失10 s以上定義為發(fā)生一次暫停，如果暫停達(dá)到20 s即報(bào)警。設(shè)計(jì)一款通過(guò)測(cè)量腹部、胸部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的儀器，來(lái)檢測(cè)呼吸暫停的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括:光源、光電二極管傳感陣列、單片機(jī)、無(wú)線發(fā)送、Flash存儲(chǔ)。如圖1所示，檢測(cè)裝置把光柵被嵌入在一條系在患者腰部的腹帶內(nèi)，在呼吸過(guò)程中，由于腹部體積的變化引起腹帶中光柵的位置發(fā)生變化。光電二極管陣列檢測(cè)光柵的運(yùn)動(dòng)的變化并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，單片機(jī)采集信號(hào)來(lái)判別呼氣和吸氣的過(guò)程，計(jì)算出患者的呼吸率和周期，當(dāng)呼吸的周期超過(guò)20 s時(shí)就進(jìn)行報(bào)警。呼吸頻率通過(guò)Flash存儲(chǔ)，并可以通過(guò)無(wú)線發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示、分析與存儲(chǔ)。

圖1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

光柵檢測(cè)傳感器通過(guò)腹帶穿戴在腹部，如圖2所示傳感器電路板上集成4只光電二極管，每只光電二極管的間距為1 mm，還集成了信號(hào)處理模塊和比較器模塊。在呼氣和吸氣過(guò)程中腹部的體積發(fā)生變化，從而引起腹帶周長(zhǎng)的變化，導(dǎo)致腹帶上光柵位置的移動(dòng)，光柵的周期是3．6 mm，通過(guò)光電二極管傳感器陣列電路檢測(cè)光柵位置的變化，單片機(jī)控制系統(tǒng)判別呼吸和吸氣的過(guò)程，由此分析出呼吸的頻率。光電二極管選用高速PIN管s5052，運(yùn)放選用AD8001，比較器選用lm339。

圖2 檢測(cè)裝置組成原理圖

一個(gè)光電二極管的信號(hào)處理模塊電路如圖3所示，其他3個(gè)光電二極管的信號(hào)處理模塊電路和圖3一樣。信號(hào)處理模塊電路把光電二極管檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓，光強(qiáng)則電壓高，光弱則電壓低。光柵是明暗相間的，當(dāng)明條紋在光電二極管前，則輸出電壓高;當(dāng)暗條紋在光電二極管前則輸出低電壓。光柵的周期設(shè)計(jì)恰好是比4個(gè)光電二極管的長(zhǎng)度小一點(diǎn)，當(dāng)光柵移動(dòng)，和同一個(gè)比較器相連的兩個(gè)光電二極管前面的條紋，由一個(gè)全暗條紋變成明條紋，或由一個(gè)全明條紋變成暗條紋時(shí)比較器就輸出電壓就發(fā)生反轉(zhuǎn)。這樣如圖2所示光電二極管陣列檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后，測(cè)得的波形如圖4所示。從圖中可以看出通道A與通道B的波形。當(dāng)光柵向左移動(dòng)時(shí)，通道A的上升沿早于通道B的上升沿，當(dāng)光柵向左移動(dòng)時(shí)，通道A的上升沿晚于通道B的上升沿。

圖3 信號(hào)處理電路

圖4 通道A與通道B波形測(cè)試圖

圖5所示，nRF24L01芯片與主控芯片采用SPI串行接口進(jìn)行通信，主控制芯片可以使用GPIO模擬SPI接口工作時(shí)序。單片機(jī)的外部中斷管腳P3．2和P3．3分別連接到圖2所示的檢測(cè)裝置通道A和通道B信號(hào)。

圖5 控制器電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，判斷呼吸的過(guò)程中光柵的運(yùn)動(dòng)方向，從而計(jì)算出呼吸的周期，系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。通過(guò)單片機(jī)對(duì)光柵運(yùn)動(dòng)方向的判斷，從而判斷呼吸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，一旦監(jiān)測(cè)到有暫?，F(xiàn)象發(fā)生，就置相應(yīng)的標(biāo)志位，當(dāng)持續(xù)的時(shí)間超過(guò)3 s后就，記錄下暫停發(fā)生的時(shí)間，當(dāng)恢復(fù)到正常呼吸狀態(tài)時(shí)，記錄下暫停持續(xù)的時(shí)間。處理完成后的信息參數(shù)資料存放于微控制器的緩存器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對(duì)監(jiān)測(cè)到的呼吸障礙類(lèi)別(阻塞性或中樞性窒息)、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可以查詢(xún)已經(jīng)發(fā)生的呼吸障礙類(lèi)別。

圖6 程序流程圖

4 測(cè)試與結(jié)論

圖7 實(shí)物圖

制作的實(shí)物如圖7所示，用此系統(tǒng)與BIOPAC公司的CO2 100C設(shè)備同時(shí)對(duì)志愿者的呼吸進(jìn)行檢測(cè)。選擇10名志愿者，分別進(jìn)行呼吸率檢測(cè)，每名志愿者每次測(cè)量15 min，測(cè)量結(jié)果求平均值，得到每分鐘呼吸的次數(shù)，即呼吸率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。從表1中可以看到，此系統(tǒng)測(cè)量的呼吸率和呼吸儀測(cè)量得到的呼吸率誤差很小，平均測(cè)量精確度在95%以上，完全可以滿(mǎn)足需要。

本設(shè)計(jì)基于光電二極管陣列的呼吸檢測(cè)傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器輸出的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，無(wú)需對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的放大濾波等處理，有效地防止了其他信號(hào)的干擾。在數(shù)據(jù)處理方面簡(jiǎn)單化，硬件成本低對(duì)，可連續(xù)、實(shí)時(shí)地檢測(cè)患者的呼吸頻率和周期，可有效的監(jiān)測(cè)睡眠呼吸暫停低通氣綜合征。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

［1］ 張政波，畢亞瓊，俞夢(mèng)孫，等．穿戴式呼吸感應(yīng)體積描記用于睡眠呼吸事件檢測(cè)［J］．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2008，25(2):318－322．

［2］ 張政波，王衛(wèi)東，吳昊，等．全數(shù)字呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)［J］．中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2007，31(3):179－181．

［3］ 吳丹，徐效文，王磊，等．穿戴式動(dòng)態(tài)睡眠呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(3):322 －325．

［4］ 劉官正，吳丹，梅占勇，等．基于體域網(wǎng)的動(dòng)態(tài)呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2012，31(2):316－320．

［5］ 皮喜田，趙素文，師小荃，等．基于微型呼吸傳感器的高血壓治療系統(tǒng)［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(12):70－73．

［6］ 高小強(qiáng)，劉洪英，朱蘭，等．基于霍爾傳感器微陣列的呼吸頻率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(5):121－123．