基于3 G網絡的睡眠呼吸暫停綜合癥監測系統研究※

張艷潔 李帥三 趙祥坤

基于3 G網絡的睡眠呼吸暫停綜合癥監測系統研究※

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網絡技術進行了研究，為實現睡眠呼吸暫停綜合癥監測的智能化，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網絡的睡眠呼吸暫停綜合癥監測系統。該系統主要包括呼吸信號采集和利用3 G網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測平臺，可使患者病癥實時在線得到醫師和家屬的有效監控，從而實現醫療監護自動化處理。

睡眠呼吸暫停綜合癥；3 G網絡；監測；電路設計；數/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，其臨床特點表現為反復發作的嚴重打鼾、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測具有十分重要的現實意義[1-2]。

3 G（3rd-generation）是第三代移動通信技術的簡稱，具有支持高速數據傳輸的優勢，能同時傳送聲音及數據信息（電子郵件、即時通信等），其代表特征是可提供高速數據業務[3-4]。

本文根據睡眠呼吸暫停綜合癥患者在線實時監測的迫切需求及3 G網絡的技術特點，設計了一種基于3 G網絡的睡眠呼吸暫停綜合癥患者監測系統，采用最新的3 G通信技術，實現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，實現異地監測，不影響患者睡眠，擺脫了大型醫療器械和地點的束縛，能得到醫師和家屬的有效監控，從而實現醫療監護的自動化。

1 監測系統的功能體系

1.1 系統的總體設計 基于3 G網絡的睡眠呼吸暫停綜合癥監測系統的整個工作過程主要包含以下三個環節。

1.1.1 患者前端監測部分，是整個監測系統的開端，主要完成呼吸信號的采集、模擬信號的處理，然后再進行模/數轉換，轉換為數字信號送入患者數字信號發送端。

1.1.2 3 G網絡傳輸部分，通過3 G網絡將數據以UDP/TCP包形式發送至Internet數據中心，并將Internet數據中心下傳的UDP/TCP包轉換為串口數據傳至終端設備[5]。

1.1.3 監護終端部分，可以是現在常用的智能手機、PAD、筆記本等設備，監護終端通過連接3 G無線網絡接收監測數據，再通過軟件顯示波形從而實現遠程監護功能[6]。

1.2 系統結構組成 見圖1。

圖1 系統結構示意圖

1.3 患者前端監測部分 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/數轉換電路及患者數字信號發送端。

1.3.1 電路設計與實現 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/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溫度補償等優點，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來實現低通濾波抑制高頻干擾，可使信號變得更加穩定，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，便于醫護人員進行觀察和分析，見圖5。

1.3.1.5 模/數轉換電路 模/數轉換即A/D轉換作用是將放大的信號轉換為數字信號。模/數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，根據采樣信號而復現原信號的裝置。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轉換器的輸出數字量B與要轉換的輸入模擬量VIN成正比[8]。

1.4 3 G網絡傳輸部分

1.4.1 患者信息發送端 將采集到的數據，通過3 G無線網絡方式發送無線接入點，再經過Internet傳送至接收端無線接入點，醫院監護終端和患者家屬監護終端通過3 G無線網絡接收數據，再通過終端軟件顯示波形得到患者睡眠狀態，從而實現遠程監護功能。

1.4.2 3 G網絡傳輸部分結構組成 見圖7。

圖7 3 G網絡傳輸結構示意圖

2 系統優點

基于3 G網絡睡眠呼吸暫停綜合癥監測系統，對監測得到的睡眠數據采用3 G無線網絡作為信號傳輸手段，具有如下優點：①與傳統監測系統相比有覆蓋面廣、布置方便、高數據吞吐量、監控方便；②監測系統安裝簡單、成本低，能方便應用于需要遠程監測的場合；③數據可高速傳輸，3 G在各種環境下的傳輸速率為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

本研究實現了利用3 G網絡智能監測睡眠呼吸暫停綜合癥技術，通過現有的移動平臺，能實現更為有效的醫療保健作用。監測端可以是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對其遠程監測，實現醫療監護的自動化。同時系統具有結構簡單、無線數據傳輸距離遠、傳輸數據快、穩定性及可靠性高等優點，并通過簡單擴展能與患者其他監測指標如血壓、脈搏等構成集成塊，從而實現身體健康狀況多參數共同監測的作用，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網絡遠程監測的研究[J].中國醫療設備,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無線網絡的石油測井數據傳輸系統[J].工業儀表與自動化裝置,2012(5):106-108.

[5] 王盛學,李著信,何平.基于3G無線網絡的工業監控系統設計[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網絡的心臟遠程監護系統[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:國防工業出版社, 2012:33-37.

[9] 蔡康,李洪,朱英軍,等.3G網絡建設與運營[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

牡丹江醫學院，黑龍江牡丹江 157011

黑龍江省衛生廳資助項目（課題編號2011-330）

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