高翔　苗曉丹　蘇開明　楊卓青

摘要：針對阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥（OSAHS）這一常見疾病，本文設(shè)計了一種基于薄膜熱電偶的睡眠呼吸監(jiān)測傳感器，并通過賽貝克效應(yīng)和傳熱學(xué)原理分析了呼吸過程中溫度以及對流換熱系數(shù)的變化，為傳感器呼吸監(jiān)測能力的可行性提供了理論依據(jù)。本文采用COMSOL進行了有限元仿真，研究了基底厚度、熱電偶材料、熱電偶厚度以及導(dǎo)線排布方式對傳感器的影響，同時對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化處理。此后，還分析了在不同通氣情況下熱電偶熱端的溫度曲線差異，其結(jié)果表明傳感器具有判別OSAHS患者的能力。

關(guān)鍵詞：OSAHS;呼吸監(jiān)測;薄膜熱電偶;傳熱學(xué);有限元仿真

【Abstract】Aimingatobstructivesleepapneahypopneasyndrome（OSAHS），thispaperdesignsakindofsleeprespirationmonitoringsensorbasedonthinfilmthermocouple，andanalyzesthechangesoftemperatureandconvectiveheattransfercoefficientintheprocessofrespirationthroughSeebeckeffectandheattransfertheory，whichprovidesatheoreticalbasisforthefeasibilityofthesensor'srespirationmonitoringability.Inthisresearch，thefiniteelementsimulationofCOMSOLisusedtostudytheinfluenceofsubstratethickness，thermocouplematerial，thermocouplethicknessandwirearrangementonthesensor，andoptimizesthestructure.Finally，thetemperaturecurvedifferenceofthermocouple'shotjunctionunderdifferentbreathingconditionsisanalyzed.TheresultsshowthatthesensorhastheabilitytodistinguishOSAHSpatients.

【Keywords】OSAHS;respiratorymonitoring;thinfilmthermocouple;heattransfertheory;finiteelementsimulation

作者簡介：高翔（1996-），男，碩士研究生，主要研究方向：微機電系統(tǒng)。

0引言

目前阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥（OSAHS）被認為是一種嚴重的具有潛在致死性的睡眠呼吸疾病，容易導(dǎo)致中風和突發(fā)性心力衰竭并影響患者的心理健康[1]。臨床上一般使用多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀作為OSAHS的監(jiān)測手段。

根據(jù)美國睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會的分級標準，對睡眠呼吸暫停綜合癥的監(jiān)測和診斷可以分為4級：1級，標準多導(dǎo)睡眠儀檢查;2級，全指標便攜式多導(dǎo)睡眠儀檢查;3級，改良便攜式睡眠呼吸暫停檢查;4級，單或雙生物指標持續(xù)記錄[2]。

作為一種傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)測設(shè)備，多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀是睡眠監(jiān)測領(lǐng)域的最為權(quán)威的監(jiān)測手段。目前的應(yīng)用范圍主要覆蓋醫(yī)院和睡眠實驗室。多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀可以記錄人體在整個睡眠過程中的各種生理信號，包括心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）、眼電圖（EOG）、肌電圖（EMG）、呼吸信號、氧飽和度、睡眠姿勢等[3]。但由于存在著基礎(chǔ)費用昂貴、對患者有著巨大的身心壓力等缺點，近年來針對便攜式睡眠呼吸監(jiān)測設(shè)備（2級、3級和4級）上的研究也逐漸成為熱點。

Zhu等人[4]提出了一種基于小波變換的實時呼吸節(jié)律和脈搏率的實時測量方法，該方法利用枕頭下充液管采集的壓力信號，準確地獲得呼吸節(jié)律和脈搏率。Bu等人[5]采用氮化鋁（AlN）材料制成的柔性壓電薄膜傳感器。由于AlN薄膜傳感器具有良好的靈敏度，因此壓力波動所測得的信號可進一步分解為與呼吸和心跳相對應(yīng)的信號。Beattie等人[6]通過安裝在床下的測壓元件來監(jiān)測運動、心率和呼吸。同時也描述了如何使用測壓計數(shù)據(jù)來區(qū)分臨床相關(guān)的呼吸障礙（呼吸暫停和低通氣）和正常呼吸。Jiang等人[7]研制了一種便攜式睡眠呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，包括3個傳感器模塊，具體就是：用于監(jiān)測鼻氣流的熱膜式氣流傳感器、用于監(jiān)測胸呼吸、身體姿勢、身體活動多參數(shù)的三軸加速度計和用于監(jiān)測血氧飽和度的脈搏血氧儀。

本文基于賽貝克效應(yīng)，設(shè)計了一種便攜式睡眠呼吸監(jiān)測傳感器，通過對熱電偶的溫差電動勢的測量，來實現(xiàn)對呼吸信號的監(jiān)測。在呼吸作用下，熱電偶熱端溫度會產(chǎn)生變化，同時冷端溫度保持不變，由于冷熱兩端存在溫差而產(chǎn)生電動勢。可以通過分析和處理電動勢信號來對睡眠呼吸暫停綜合癥做出診斷。該傳感器的優(yōu)點在于攜帶起來方便、經(jīng)濟性好、對人體友好、并且沒有心理負擔。

1呼吸監(jiān)測傳感器模型及理論

1.1呼吸監(jiān)測傳感器模型

睡眠呼吸監(jiān)測傳感器的示意圖如圖1所示。由圖1可看到，將聚酰亞胺薄膜（PolyimideFilm）作為基底材料，薄膜上設(shè)置有3處凸起結(jié)構(gòu)，在其上濺射有金屬導(dǎo)線作為熱電偶。薄膜貼在鼻端，上方凸起部分伸入鼻腔內(nèi)部，下方凸起部分放置在嘴唇上方。在呼吸的作用下，熱電偶節(jié)點的溫度發(fā)生改變，由此產(chǎn)生電勢信號。通過外部導(dǎo)線，信號傳輸?shù)酱┐魇巾椚?，在項圈中進行信號的采集、放大和過濾。此后即將電勢信號轉(zhuǎn)換為呼吸信號。

通過CAD軟件繪制光刻掩膜板，薄膜上熱電偶導(dǎo)線分布情況如圖2所示。

1.2賽貝克效應(yīng)及熱傳遞

塞貝克效應(yīng)在1821年首次觀察到。研究可知，塞貝克效應(yīng)就是：當2種不同金屬在2節(jié)點連接，并且2個節(jié)點保持不同的溫度，就會有電流連續(xù)不斷流過電路。賽貝克效應(yīng)可用以下公式進行表示[8]：

賽貝克系數(shù)在不同的溫度下會發(fā)生改變，表1中賽貝克系數(shù)為熱端100°，冷端為0°時的情況。考慮到經(jīng)濟性以及對人體無毒的要求，研究中選取了銅-銅鎳（康銅）作為熱電偶材料。

1.3工藝制造

通過MEMS微加工工藝對呼吸監(jiān)測薄膜進行制造，其中涉及的工藝內(nèi)容可表述如下。

（1）清洗。使用碳酸鈣擦拭pi膜表面，在去離子水中進行超聲波清洗，稍后進行烘干。

（2）光刻。在玻璃基底上附著清洗好的pi膜，放入甩膠機中進行甩膠。預(yù)甩膠10s，轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/min，正式甩膠30s，轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/min。甩膠厚度為6.5μm。烘干后進行光刻圖形化，曝光時間為90s，顯影時間為100s。

（3）濺射。在聚酰亞胺薄膜表面濺射500nm的銅，通過NaOH去除光刻膠。去除光刻膠后，更換掩膜板并重復(fù)光刻的步驟，接下來會濺射500nm的康銅，最后再次去膠。要注意的是，為保證2種金屬材料相接，掩膜板的線條需要部分重疊。

2睡眠呼吸信號分析

將呼吸氣流的變化近似為正弦函數(shù)，已知正常人睡眠狀態(tài)的潮氣量約為0.6L[9]，一個呼吸周期為3s，則人體肺部氣體體積Q的曲線圖像如圖3所示。而Q隨時間t的變化可以表示為：

3呼吸監(jiān)測傳感器的有限元仿真分析

3.1對薄膜的仿真分析

假設(shè)在沒有呼吸的情況下，將薄膜貼在鼻端，研究其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。將鼻端的溫度設(shè)定為37℃。同時，薄膜受到空氣自然對流的影響。環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，此時的自然對流換熱系數(shù)設(shè)定為5W/（m2·K）。對流換熱系數(shù)的值影響傳熱的快慢，在穩(wěn)態(tài)研究中決定溫度平衡點的位置。獲得的穩(wěn)態(tài)結(jié)果如圖6所示。

隨后改變薄膜的厚度，研究不同厚度下薄膜中心表面溫度隨時間的變化情況，仿真結(jié)果如圖7所示，隨薄膜厚度的增加，溫度提升速度也隨之減慢，同時人體溫度與外界溫度的平衡點下降，但總體的下降幅度不大。

在本文的原定方案中曾設(shè)計將熱電偶冷端安置在薄膜上，與引出冷端的方案相比，該方案能夠能節(jié)省空間來設(shè)置更多的節(jié)點。但通過本次的仿真結(jié)果會發(fā)現(xiàn)pi膜本身的熱阻率并不理想，無法滿足在薄膜上設(shè)置的冷端的要求。這里提出2個解決方案。一是采用熱阻率更好的材料，二是將冷端引出薄膜表面。本文中選擇了第二個方案。

在數(shù)量級上，薄膜的面積要遠遠大于薄膜的厚度，由此其在厚度方向的傳熱能力遠大于平面方向的傳熱能力。根據(jù)圖6中的仿真結(jié)果可知，薄膜與鼻端接觸處會受到人體溫度的影響，而薄膜突起處由于不和人體直接接觸，故所受的影響較小。因而將熱端設(shè)置在突起處是可行的，冷端卻不能設(shè)置在薄膜上，同時因為溫差電動勢只和導(dǎo)體兩端溫差有關(guān)，和導(dǎo)體中間溫度分布無關(guān)，所以無需考慮薄膜受人體溫度影響的部分。

3.2對熱電偶節(jié)點的仿真分析

假設(shè)此時環(huán)境溫度為20℃，人體呼吸溫度為37℃，兩者溫差為17℃。穩(wěn)態(tài)情況下，對單個熱電偶產(chǎn)生的溫差電動勢進行熱電耦合仿真，材料選擇為銅-康銅，賽貝克系數(shù)SAB取43μV/K。熱電偶的冷端如圖8所示，產(chǎn)生的溫差電動勢為7.30×10-4V。

按照給定的塞貝克系數(shù)，在17℃的溫差下，通過上文提到的公式（2）可以得出其溫差電動勢為：

假定在有呼吸的作用下，進行瞬態(tài)研究。呼吸信號的頻率范圍為0～0.35Hz。正常成年人呼吸頻率是16～20次/min，即3～4次/s[11]。將其轉(zhuǎn)化為溫度信號，其中前1.5s為呼出，后1.5s為吸入。呼出空氣為37℃，吸入空氣為20℃。以此獲得一個周期內(nèi)的薄膜溫度變化情況。這里采用簡化模型，暫不引入對流換熱系數(shù)的變化情況。由于溫度信號和電勢差信號成線性關(guān)系（塞貝克系數(shù)固定），所以這里僅展示了節(jié)點的溫度變化情況.仿真結(jié)果如圖9所示。

通過改變熱電偶厚度研究其對溫度變化的影響，不同厚度下的溫度變化情況如圖10所示。

將熱端溫度達到最高溫度90%的時間作為響應(yīng)速度。不同厚度下的熱電偶響應(yīng)速度見表2。通過表2可知，隨著熱電偶厚度的減小，節(jié)點的響應(yīng)速度也隨之增快。

其中，ρ表示電阻率;L表示導(dǎo)體長度;S表示導(dǎo)體截面積。電阻過大會不利于信號的采集，所以不應(yīng)該過度追求響應(yīng)速度的快慢而減小厚度。

3.3不同呼吸狀態(tài)下的仿真分析

將對流換熱系數(shù)作為仿真邊界條件輸入，同時進行參數(shù)化掃描，研究發(fā)生低通氣情況下的溫度變化情況。呼吸暫停時曲線無明顯變化，這里不做討論。仿真研究結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，低通氣與正常呼吸的溫度變化曲線有著顯著的不同。

進一步分析可知，后幾個呼吸周期與第一次周期之間存在明顯的區(qū)別，分析原因是由于溫度變化的范圍存在一個穩(wěn)定的區(qū)間，需要時間來達成這一穩(wěn)定化的過程。其中，藍色和綠色曲線分別是氣流減小70%和50%的情況，熱電偶冷熱端最高溫差分別下降了15.6%和9.31%。

4結(jié)束語

本論文對基于熱電偶的呼吸監(jiān)測傳感器的工作原理進行分析并加以仿真?；谫愗惪诵?yīng)可知，熱電偶冷熱端的溫差能夠產(chǎn)生溫差電動勢，可以計算出溫差的大小。同時通過對流換熱的理論分析，即可知曉在不同呼吸情況下，對流換熱系數(shù)存在明顯區(qū)別，該特點可以作為傳感器工作的理論依據(jù)。通過研究仿真發(fā)現(xiàn)，冷端若放置在薄膜上，會受到人體溫度的影響，因而選擇將冷端引出薄膜。熱電偶厚度對響應(yīng)速度的影響很大，厚度越薄、響應(yīng)速度越快，但厚度的減小會導(dǎo)致電阻值的增加不利于信號采集，因此在厚度選擇上應(yīng)該綜合考量各方面因素。此外，論文中的仿真也驗證了正常呼吸和低通氣/呼吸暫停之間的信號差異，可以用來判斷是否患有OSAHS。

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