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)，很多心血管類疾病在發(fā)病前期呼吸信號(hào)多處于異常狀態(tài)，通過對(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)，以性價(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)過放大濾波處理送入單片機(jī)，處理后的呼吸信號(hào)通過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)?；诤粑硇盘?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，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Protues的仿真結(jié)果來看，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，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。