一種非接觸睡眠呼吸暫停報(bào)警裝置的研制

【作者】王夢(mèng)夢(mèng)，楊芳，王帥杰，張華，路國(guó)華 第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)員一旅四營(yíng)十三連，西安市，700 第四軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)部教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，西安市，700 第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子學(xué)教研室，西安市，700

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一種非接觸睡眠呼吸暫停報(bào)警裝置的研制

【作者】王夢(mèng)夢(mèng)1，楊芳2，王帥杰3，張華3，路國(guó)華3
1 第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)員一旅四營(yíng)十三連，西安市，710032
2 第四軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)部教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，西安市，710032
3 第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院電子學(xué)教研室，西安市，710032

【摘要】為了實(shí)現(xiàn)在低生理和心理負(fù)荷條件下實(shí)現(xiàn)睡眠呼吸暫停的報(bào)警，該文設(shè)計(jì)了一種裝置，包括微型化生物雷達(dá)、信號(hào)調(diào)理、控制與處理、報(bào)警以及電源五個(gè)模塊，分別實(shí)現(xiàn)人體呼吸信號(hào)非接觸檢測(cè)、呼吸信號(hào)特征提取、呼吸暫停檢測(cè)與報(bào)警功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該睡眠呼吸暫停報(bào)警裝置不僅無(wú)需任何直接接觸人體電極或傳感器，而且體積小、功耗低、價(jià)格低廉，未來(lái)可廣泛用于家庭或醫(yī)院睡眠障礙患者的監(jiān)測(cè)。

【關(guān) 鍵 詞】睡眠呼吸暫停；生物雷達(dá)；非接觸

0　引言

睡眠呼吸暫停綜合癥（Sleep Apnea Syndrome, SAS），是一種具有潛在危險(xiǎn)的病癥，長(zhǎng)期的呼吸暫停會(huì)引起嚴(yán)重的低氧血癥及睡眠紊亂，可誘發(fā)高血壓、心律失常、心腦血管等疾病，少數(shù)嚴(yán)重患者甚至發(fā)生夜間猝死[1-2]。因此，對(duì)患者睡眠過(guò)程中呼吸信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)診斷及早期預(yù)防睡眠呼吸暫停的并發(fā)癥具有重要的參考價(jià)值[3]。

目前，市場(chǎng)現(xiàn)有的睡眠呼吸暫停監(jiān)測(cè)裝置主要采用微型擴(kuò)音器、溫度傳感器、壓力傳感器、心電電極以及靜電荷靈敏床墊直接接觸人體，通過(guò)檢測(cè)呼吸音、鼻腔出氣溫度、胸腹部的位移、心電變化以及床墊形變來(lái)實(shí)現(xiàn)呼吸信號(hào)的檢測(cè)[4-8]，優(yōu)點(diǎn)是呼吸信號(hào)的檢測(cè)質(zhì)量高，不易受人體運(yùn)動(dòng)或其他外界干擾的影響，但測(cè)量時(shí)需要專業(yè)人員安裝電極或傳感器，而且要求受試者長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，從而增加了其心理負(fù)擔(dān)[6]，導(dǎo)致睡眠質(zhì)量下降。為此，需要研究睡眠過(guò)程中對(duì)人體毫無(wú)約束、無(wú)需任何接觸人體的電極或傳感器的非接觸呼吸檢測(cè)技術(shù)。

非接觸檢測(cè)呼吸信號(hào)的方法主要采用光學(xué)、電磁波等照射人體，通過(guò)檢測(cè)人體呼吸運(yùn)動(dòng)引起的體溫的變化或體表位移來(lái)間接檢測(cè)呼吸信號(hào)，常用的方法有紅外線檢測(cè)和生物雷達(dá)兩種。紅外線檢測(cè)不能直接穿透衣服進(jìn)行檢測(cè)[9]，并且紅外裝置的成本較高，體積大，如果環(huán)境溫度變化大于人體體溫變化，檢測(cè)誤差較大。生物雷達(dá)[10]能夠直接穿透衣物，檢測(cè)過(guò)程無(wú)需任何電極或傳感器接觸人體，對(duì)人體無(wú)任何約束，是一種真正意義上的生理信號(hào)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。

本研究的目的是研制一種微型生物雷達(dá)，通過(guò)非接觸檢測(cè)人體的呼吸信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、特征提取等提取出人體的呼吸，通過(guò)設(shè)定合適的閾值，實(shí)現(xiàn)睡眠呼吸暫停的自動(dòng)報(bào)警。

1　報(bào)警裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于本報(bào)警裝置主要面向家庭應(yīng)用，要求體積小、功耗低、價(jià)格低廉，而且使用時(shí)便于安裝和維修。為此，我們采用模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)裝置按照信號(hào)檢測(cè)的功能劃分為五個(gè)部分：生物雷達(dá)、信號(hào)調(diào)理、控制與處理、報(bào)警和電源，各模塊之間的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1　報(bào)警裝置組成框圖Fig.1 The block diagram of the alarm device

生物雷達(dá)模塊主要實(shí)現(xiàn)人體體動(dòng)信號(hào)的非接觸檢測(cè)。生物雷達(dá)采用微型化設(shè)計(jì)，收發(fā)電路采用高集成的CMOS收發(fā)電路、天線采用微帶天線陣列，其發(fā)射功率小于1 μW，體積與1元人民幣硬幣相當(dāng)。當(dāng)微型生物雷達(dá)探測(cè)區(qū)域內(nèi)有人體的胸部微動(dòng)信號(hào)時(shí)，其輸出動(dòng)態(tài)范圍為1～100 mV，直流漂移范圍20～100 mV，頻帶為0.05～0.6 Hz。

信號(hào)調(diào)理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)微型生物雷達(dá)的輸出信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。針對(duì)生物雷達(dá)的輸出動(dòng)態(tài)范圍和直流漂移大、信號(hào)帶寬窄以及接近直流的特點(diǎn)，采用多級(jí)放大和濾波相結(jié)合的模式，由集成運(yùn)放OP41117和電阻、電容網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)放大和濾波電路，要求總放大倍數(shù)為2 300倍，頻率輸出范圍為0.05～0.8 Hz。

控制與處理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)理輸出信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換、A/D采樣及控制。采用STM32F407微處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)的A/D采樣、數(shù)字濾波、峰值檢測(cè)以及求和平均等處理，其中A/D采樣頻率為20 Hz，軟件開(kāi)發(fā)工具使用KeilMDK（英國(guó)ARM公司）。

報(bào)警模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)處理結(jié)果的報(bào)警與指示。該模塊采用發(fā)光二極管和蜂鳴器聲光報(bào)警，當(dāng)微處理器檢測(cè)到呼吸暫停時(shí)，發(fā)光二極管和蜂鳴器工作。

電源模塊主要為微型生物雷達(dá)、信號(hào)調(diào)理、控制與處理以及為報(bào)警模塊提供穩(wěn)定的直流電壓?？紤]到該裝置為家庭使用需連續(xù)工作10 h以上，我們采用3.7 V手機(jī)鋰電池，通過(guò)tps60110升壓電路和ICL7660反壓電路可輸出±5 V雙電源、+3.3 V電源[11]。

在制作印刷電路板（PCB）時(shí)，將各模塊的輸入和輸出預(yù)留測(cè)試節(jié)點(diǎn)，便于后續(xù)電路調(diào)試和故障排除。為縮小設(shè)備的體積，所有電阻電容都使用0603貼片封裝。報(bào)警裝置的實(shí)物如圖2所示，將報(bào)警模塊和控制處理模塊合并，并預(yù)留串口，便于上位機(jī)調(diào)試。除串口外還設(shè)有預(yù)備口，預(yù)備口實(shí)現(xiàn)設(shè)置復(fù)位等功能。

圖2　報(bào)警裝置實(shí)物圖Fig.2 The photo of the alarm device

2　呼吸暫停檢測(cè)方法—能量法

食管測(cè)壓法已經(jīng)證實(shí)當(dāng)發(fā)生睡眠呼吸暫停時(shí)，呼吸誘發(fā)的胸腔內(nèi)壓力有變化，胸腹部的運(yùn)動(dòng)幅度明顯變小，即呼吸波形的幅度明顯小于正常呼吸的波形幅度[12]。針對(duì)該特點(diǎn)，我們采用能量法檢測(cè)呼吸暫停。

能量法的基本思想是對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行時(shí)域上的能量累計(jì)，計(jì)算公式如下：

x表示離散的呼吸信號(hào)，E表示信號(hào)的能量，代表呼吸信號(hào)的強(qiáng)弱。能量值越小，呼吸信號(hào)越弱。當(dāng)呼吸暫停時(shí)，呼吸信號(hào)的能量值小于正常呼吸信號(hào)的能量值。

利用能量法判斷是否發(fā)生呼吸暫停的步驟如下：

① 對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，采用低通FIR濾波器，截止頻率為0.8 Hz；

② 對(duì)濾波后的呼吸信號(hào)取平均值，再用濾波后的呼吸信號(hào)減去平均值，去除直流成分；

③ 對(duì)去直流的呼吸信號(hào)加數(shù)字窗，窗寬為200個(gè)采樣點(diǎn)（采樣頻率20 Hz，對(duì)應(yīng)10 s的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）；

④ 按照公式(1)計(jì)算200個(gè)采樣點(diǎn)呼吸信號(hào)的能量值；

⑤ 重復(fù)步驟③和④，連續(xù)計(jì)算5段200個(gè)采樣點(diǎn)呼吸信號(hào)的能量值；

⑥ 取5段呼吸信號(hào)的能量值的平均值的一半作為判斷呼吸暫停的能量閾值；

⑦ 重復(fù)步驟③和④，連續(xù)計(jì)算第5段以后的呼吸信號(hào)的能量值，并與⑥ 的閾值進(jìn)行比較；

⑧ 如果第6段以后的能量值小于閾值，判斷有呼吸暫停出現(xiàn)，并進(jìn)行計(jì)數(shù)；

⑨ 重復(fù)步驟⑧，直到所有的呼吸信號(hào)處理完畢；

⑩ 如果呼吸暫停次數(shù)達(dá)到每小時(shí)5次以上或7 h的睡眠過(guò)程中暫停次數(shù)達(dá)30次以上，即可被認(rèn)為發(fā)生了睡眠呼吸暫停。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們將自行研制的非接呼吸暫停裝置首先用于檢測(cè)10名受試者的呼吸信號(hào)，要求受試者坐在高度為0.5 m的椅子上自由呼吸，人體距裝置的距離為2 m。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先要求受試者平靜呼吸30 s，然后屏住呼吸10 s，連續(xù)記錄10 min。其中1名受試者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

(a) 正常呼吸信號(hào)(a) Normal breathing signal

圖3　非接觸呼吸信號(hào)檢測(cè)結(jié)果Fig.3 The non-contact detection result of breathing signal

人體自由呼吸時(shí)的信號(hào)波形如圖3(a)所示，橫坐標(biāo)表示記錄時(shí)間(單位：s)，縱坐標(biāo)表示信號(hào)幅度(單位：V)。從圖中能看出呼吸波形的脈絡(luò)。有呼吸暫停信號(hào)發(fā)生的波形如圖3(b)所示，呼吸暫停信號(hào)與正常呼吸信號(hào)相比，其幅值較低，我們可以利用能量法來(lái)判斷有無(wú)發(fā)生呼吸暫停。

將報(bào)警裝置用于模擬呼吸暫停測(cè)量，在已知發(fā)生呼吸暫停的前提下，測(cè)量結(jié)果如表1所示。其平均準(zhǔn)確率達(dá)到96%。

表1　使用報(bào)警裝置測(cè)量呼吸暫停結(jié)果Tab.1 Results of apnea using the alarm device

4　結(jié)果與討論

本文研制的睡眠呼吸暫停裝置，可以非接觸檢測(cè)到人體的呼吸信號(hào)，并自動(dòng)對(duì)呼吸暫停進(jìn)行報(bào)警，可以用于家庭或臨床睡眠障礙患者的床旁監(jiān)測(cè)，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

本報(bào)警裝置實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要測(cè)試短距離內(nèi)(2 m)、受試者正對(duì)生物雷達(dá)、模擬呼吸暫停的情況，未在不同頻率、不同幅度、不同距離和不同睡姿情況下進(jìn)行試驗(yàn)，故頻率、呼吸幅度、雷達(dá)與人體距離以及不同睡姿對(duì)判斷準(zhǔn)確度的影響還有待研究。

由于該裝置在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有使用無(wú)線通訊模塊，目前無(wú)法使報(bào)警信號(hào)通過(guò)無(wú)線的方式遠(yuǎn)距離傳送，不適用于遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)護(hù)；另外，人體自身的身體晃動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生干擾，現(xiàn)有的電路也無(wú)法消除。在下一步設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)備加入無(wú)線通信模塊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)護(hù)，并且，在電路中加入人體異常運(yùn)動(dòng)抗干擾的模塊，以實(shí)現(xiàn)呼吸信號(hào)的精確測(cè)量。

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Development of an Alarm Device for Non-contact Detection of Sleep Apnea

【W(wǎng)riters】WANG Mengmeng1, YANG Fang2, WANG Shuaijie3, ZHANG Hua3, LU Guohua3
1 Company 13, Battalion 4, Cadet Brigade 1, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032
2 Department of Experimental Teaching Centre, School of Basic Medicine, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032
3 Department of Electronics, School of Biomedical Engineering, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032

【Abstract】To non-contact alarm the sleep apnea under low physical and mental load condition a device was designed including the modules of minimized bio-radar, signal conditioning, control, alarm and power supply, which can realize the function of non-contat detection of the breathing signal, sleep apnea detection and alarm. Experimental results showed that the device can not only non-contact detection the breathing signal without any sensors or electrodes touching the human body, but also has the advantages of small volume, low power consumption and low price, which may be widely used in monitor the patients with sleep apnea at home or in the hospital.

【Key words】sleep apnea, bioradar, non-contact

【中圖分類號(hào)】R197.39；TP277

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.008

文章編號(hào)：1671-7104(2016)02-0103-03

收稿日期：2015-10-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金課題（61271102），陜西省自然科學(xué)基金課題（2014JM2-6087）

作者簡(jiǎn)介：王夢(mèng)夢(mèng)，E-mail: meng_36@163.com

通信作者：路國(guó)華，E-mail: lugh1976@fmmu.edu.cn