無線型睡眠呼吸暫停癥監(jiān)視系統(tǒng)

摘要：本系統(tǒng)可測量睡眠時多項的生理參數(shù)，其中包含打鼾次數(shù)，呼吸暫停時間及次數(shù)、心跳變化等，將數(shù)據(jù)暫時記錄，再使用藍(lán)牙無線模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成微波傳輸至PC中，利用VisualBasic軟件撰寫一套應(yīng)用軟件分析，各項生理參數(shù)與睡眠呼吸暫停癥間的相互關(guān)系，以提供醫(yī)師和患者了解睡眠時的呼吸狀況性生理變化，作出有效的防范與治療。

前言

睡眠呼吸暫停癥是一種很常見的睡眠呼吸疾病，根據(jù)研究調(diào)查，在美國約有24％的成年男性及9％成年女性或超過200萬人口患有此疾病，在中國臺灣至少有35萬人也有此問題。

一般在診斷患者是否罹患睡眠呼吸暫停癥是指患者在睡眠中出現(xiàn)呼吸暫停和低通氣的總次數(shù)超過每小時5次。其中呼吸暫停是指在睡眠中，出現(xiàn)10秒以上的呼吸氣流消失，低通氣是指呼吸氣流并未完全停止，只是減少到原來的20％～50％，同時血氧濃度下降4％以上的呼吸紊亂。目前醫(yī)生在診斷睡眠呼吸暫停癥時常使用夜間睡眠呼吸多項生理監(jiān)測儀，記錄一整夜的睡眠周期，其中包括呼吸暫停以及呼吸變淺的次數(shù)、型態(tài)、缺氧指數(shù)、次數(shù)、心電圖的變化、口鼻腔氣流、胸腹部呼吸運動、耳垂血氧等信號的記錄、打鼾次數(shù)等情形。使用夜間睡眠呼吸多項生理監(jiān)測儀雖然精確，但需要在身上配戴多種儀器，也必須在特定的醫(yī)院中由專業(yè)人士操作才能進(jìn)行測量，非常不方便也容易影響患者的睡眠，所以不適合做長期的監(jiān)測。因此一般患者除非到了非常嚴(yán)重的地步是不會走進(jìn)醫(yī)院進(jìn)行這項檢查。更何況睡眠呼吸多項生理監(jiān)測儀是一項價格昂貴的儀器，一般患者不會購買在居家中自行測量，所以很難達(dá)到普遍性。本系統(tǒng)主要針對這些缺點發(fā)展出一套使用簡單、察覺性更低、價格低廉及適合在居家睡眠環(huán)境下作長期監(jiān)測的監(jiān)測系統(tǒng)，達(dá)到幫助醫(yī)師了解病患的病情，并提供醫(yī)生追蹤治療過程的改善情形。研究方法與系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)是由(1)生理參數(shù)測量計及(2)生理參數(shù)分析器所構(gòu)成。生理參數(shù)測量計包含有生理信號感測裝置、微控制器。生理參數(shù)分析器則是利用藍(lán)牙無線模塊接收生理測量計所測量到的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，加以分析，并以具親和力的操作畫面顯示出來，提供病患睡眠生理變化情形。

生理參數(shù)測量計

生理信號感測裝置

心跳變化使用的感測組件為光傳感器，主要利用人體心臟收縮時血管中的血流量及血氧濃度會因此而產(chǎn)生變化。本系統(tǒng)采用光耦合器(CNY70)利用光反射法偵測血管末端血流量的變化。

音頻信號接收器主要是接收睡眠時因呼吸道阻塞所產(chǎn)生的鼾聲，本系統(tǒng)采用電容式音頻接收器作為信號接收的主要組件，利用接收音波壓力改變振動膜的位移量，使振動膜與鋁質(zhì)外殼間的電容C_T隨著音波強(qiáng)弱改變電容量，再經(jīng)FET完成阻抗的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生R_ECM，使R_EXT和R_ECM的分壓改變，得到不同的輸出。圖3為音頻接受器內(nèi)部架構(gòu)及動作原理。

呼吸傳感器的工作原理是利用呼吸時胸腔會產(chǎn)生起伏而拉動臥式可變電阻因而產(chǎn)生電阻值的改變。

·生理信號感測電路

1．心跳感測電路

心跳變化時，傳感器所測量到的信號，包含有直流偏壓(DC Offset)、心跳變化的信號、呼吸及肌肉顫動、60Hz及高頻的噪聲，其中心跳變化的信號為所需的信號，其它信號一律視為噪聲，因此分別采用硬件的前置濾波電路及軟件兩種處理方式，以消除不同的噪聲對測量所造成的影響。前置濾波電路主要特點是可以減輕軟件程序進(jìn)行數(shù)字信號處理所需的運算量及時間，避免造成信號處理過程中延遲情形。

2．鼾聲感測電路

以音頻接收器測量到的鼾聲信號包含很多噪聲及背景雜音的影響，必須利用硬件濾波器去除高頻、低頻噪聲只留下鼾聲頻帶內(nèi)的信號，Smithson[1995]研究中顯示鼾聲的頻率大約在1～200Hz的聲音頻帶內(nèi)，其它聲音的頻率域則較廣。首先由音頻接收器從量得的信號，信號放大，再經(jīng)由200Hz低通濾波器濾除其它聲音所造成的噪聲干擾。

3．呼吸感測電路

利用呼吸時胸腔的起伏拉動臥式可變電阻改變電阻值因而產(chǎn)生的電壓變化，經(jīng)由信號放大電路、比較電路，即可判斷呼吸的情形。

·CPU及顯示電路

CPU是使用盛群半導(dǎo)體股份有限公司所生產(chǎn)的HT46R24微控制器，其中由PortA及PDnc驅(qū)動15*4中文顯示型LCD，作為生理參數(shù)數(shù)據(jù)的顯示，Port B為生理參數(shù)及定時器的輸入端，而Port D則經(jīng)過MAX232準(zhǔn)位轉(zhuǎn)換做串行傳輸。

·固件程序

生理參數(shù)測量計之程序如下：在生理參數(shù)測量時為了避免讀取到身體翻轉(zhuǎn)時的錯誤信號，利用多重讀取的方式加以避免，在信號變化時連續(xù)讀取，且每次讀取間加入一段時間延遲，再經(jīng)過比對讀取的信號是否相同，此方式可降低信號讀取時的錯誤率。處理完成后的生理參數(shù)資料存放于微控制器的緩存器，并通過中文型LCD顯示所測量到的生理參數(shù)。藍(lán)牙無-線模塊傳輸方面，主要將儲存在微控制器內(nèi)部緩存器的生理參數(shù)數(shù)據(jù)通過RS-232串行傳輸與個人計算機(jī)間做數(shù)據(jù)通訊。

生理參數(shù)分析器

以Visual Basic6.0為開發(fā)工具，通過藍(lán)牙無線模塊接收由生理參數(shù)測量計所傳輸?shù)纳韰?shù)數(shù)據(jù)，儲存于數(shù)據(jù)庫中，并將每個時間點的生理參數(shù)進(jìn)行分析，連接Excel將每個時間點所測量的生理參數(shù)資料進(jìn)行分析及統(tǒng)合以曲線圖的方式顯示每個時間點的生理變化狀況，讓醫(yī)師在診斷上更加方便。

結(jié)果

圖16為由醫(yī)院所取得正確的數(shù)據(jù)經(jīng)過本系統(tǒng)實際仿真測量所得之曲線分析圖。本系統(tǒng)提供一組一般正常睡眠時的呼吸生理參數(shù)數(shù)據(jù)及曲線圖，增加醫(yī)師在比對及判斷的方便性。

圖16上方為未罹患睡眠呼吸暫停癥的睡眠呼吸生理變化情形；下方則為罹患睡眠呼吸暫停癥患者睡眠時的睡眠生理變化情形。

表1為圖16各個顏色曲線所代表的意義。

圖16曲線分析及比對可以發(fā)現(xiàn)，睡眠呼吸暫停癥的患者睡眠時呼吸通常伴隨著鼾聲，當(dāng)有睡眠呼吸暫停的情況發(fā)生，心跳次數(shù)在同一時間域內(nèi)有非常明顯的下降情形，因此能判斷罹患睡眠呼吸暫停癥的患者在長期未接受有關(guān)睡眠呼吸暫停癥治療的情況下，心臟長期在睡眠時未有規(guī)律的跳動而容易罹患有關(guān)心血管方面的疾病。

結(jié)語

在設(shè)計單芯片微控制器的軟件時，必須以時間軸為基準(zhǔn)，測量各項生理參數(shù)，才能于重建時找出各個生理參數(shù)間的關(guān)系。為了使生理參數(shù)測量計的體積小型化，必須選擇低消耗電量及體積較小的組件，并使用微控制器使整體電源消耗最小化。藍(lán)牙無線傳輸模塊為低功率消耗且高安全性的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

在生理參數(shù)測量時，必須將生理信號感測裝置固定于患者身體上，因為睡覺時頭部、身體對癥狀的評估。所以生理參數(shù)測量計的傳感器體積必須要很小，固定容易、不易脫落及避免影響患者的睡眠，處理生理參數(shù)的數(shù)據(jù)時，必須要先利用濾波器，將其噪聲除去，只顯示真正的睡眠呼吸的生理參數(shù)的波形，這樣才更容易得到準(zhǔn)確的生理參數(shù)，進(jìn)而提高醫(yī)師診斷上的正確性。

另外，要配合生理參數(shù)測量計內(nèi)各個電路模塊，系統(tǒng)的電源供應(yīng)就顯得很重要。傳統(tǒng)電源處理方式是由電力公司所提供110V 60Hz(編者注：此指標(biāo)為臺灣電力)的電源經(jīng)由一個重量、體積不小的變壓器，經(jīng)過不斷的整流及穩(wěn)壓才能得到系統(tǒng)所需的電壓，而此過程所產(chǎn)生溫度容易因為散熱不完全而導(dǎo)致組件容易損毀。為了要讓生理參數(shù)測量計體積小、重量輕、且不會產(chǎn)生高溫，因此生理參數(shù)測量計采用市面上110V 60Hz轉(zhuǎn)換成5V 1A的電源轉(zhuǎn)換器，提供微控制器使用，再通過直流轉(zhuǎn)直流一雙組一電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成感測電路模塊所需的±5v電源，相較于以往不但降低電源設(shè)計的難度，使得攜帶更加的方便。

(本文選自《零組件》雜志)