一種可穿戴式睡眠呼吸暫停綜合征監測系統的設計研究

摘要：本文針對睡眠呼吸暫停綜合征的潛在危害，提出了一種基于藍牙的可穿戴式呼吸監測系統方案設計。通過該系統可以實時監測到睡眠呼吸暫停綜合征的睡眠呼吸狀態?？纱┐骷夹g能實現鼻部溫度的低負荷獲取;藍牙實現低功耗無線傳輸且方便與Android智能手機通信，保證整夜睡眠過程中對病人的連續實時監護和報警。

關鍵詞：穿戴式;藍牙傳輸;呼吸監測

睡眠呼吸暫停綜合征（Sleep Apnea Syndrome， SAS）是一種在睡眠過程中上呼吸道阻塞、呼吸暫停，具有潛在生命危險的疾病，常發生于打鼾人群中，能使人呼吸驟停發生猝死，也是心腦血管病的重要誘因之一[1，2]。因此，在夜間對SAS進行實時監測具有十分重要的意義。臨床上將連續睡眠7h過程中發生30次以上呼吸暫停，或平均每小時低通氣的次數超過5 次作為SAS的診斷標準。目前對睡眠呼吸的監測采用的設備是多導睡眠儀[3]，此設備監測準確度高，是SAS診斷的專業設備，但外形較大，外接導聯比較多，佩戴繁瑣，操作復雜，價格較高，適合于重癥SAS患者在醫院中使用。對于癥狀較輕的SAS患者，平時沒有癥狀，偶然感覺呼吸不順暢，一般持續數十秒鐘，等日間到醫院做呼吸檢查時，癥狀已經消失，醫生難以對病人確診。

本文提出了一個基于手機APP的SAS無線監護系統設計，該系統可以通過溫度傳感器測量鼻部的溫度，再通過藍牙技術將測量到的溫度傳輸到手機上，在手機APP上進行數據存儲、讀取和曲線繪制，當符合SAS判斷時會發出報警聲音提醒。

1.系統結構設計

系統總體設計圖如圖1，該系統由鼻部溫度檢測電路、放大電路、模數轉換、主控制器及藍牙傳輸等單元組成。

將溫度傳感器粘附于鼻下部，當呼吸氣流經過熱敏電阻時，傳熱條件發生變化，熱敏電阻阻值隨之變化，放大器的輸入端電壓產生變化，經放大器放大后輸出與呼吸氣流溫度相對應的電壓信號。再通過AD轉換，由單片機計算出體溫的大小經藍牙無線傳輸模塊發送給智能手機進行實時監測和報警。

2.硬件設計

2.1測溫電路及前置放大電路

溫度采集模塊采用負溫度系數的熱敏電阻作為溫度傳感器，其阻抗隨著溫度的變化而變化。測溫電路要具有高靈敏度、高精度等特點。同時收集到的信號較弱，還需要將信號進行放大。選擇體溫傳感器時主要應考慮以下幾點：（1）符合醫用體溫測量的精度要求，誤差小于0.1℃;（2）操作簡便，可以快速使用溫度計;（3）傳感器外殼密封，表面柔滑，最好兼具抑菌和抗消毒功能;（4）數據的控制和傳輸無需人工參與;（5）具有測量誤差補償功能，以解決電阻老化所致的溫度漂移問題[4]。

2.2主控制器和模數轉換模塊

主控電路主要涉及對模數轉換接口和藍牙模塊的控制?？刹捎肧TM32為主控微控制器單元（micro control unit，MCU），其內置Cortex-M3，采用ARM V7架構，是一款超低功耗和無線應用型的芯片。整個監測系統通過主控MCU采集所有生命體征。

可選用AD7705模數轉換芯片，AD7705為16位、低成本、Σ-Δ型ADC，采用SPI、QSPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接。還具有寬動態范圍、自校準、優良的抗噪聲性能以及低功耗（3V時最大功耗為1mW）等特點，非常適合儀表測量、直流和低頻交流測量等領域的應用。

2.3藍牙模塊

低功耗藍牙即BLE是藍牙4.0的核心規范，有可靠性高、低成本、低功耗、傳輸距離長（60～100米）、快速啟動和安全性高等優點。設定好工作頻率，建立藍牙主從及的連接和通訊，將得到的體溫值以一定的頻率通過藍牙從機發出去，手機作為藍牙主機進行提問數據的接收。

3.軟件設計

3.1單片機軟件設計

本系統中單片機的主要功能是通過相關的寄存器，發出控制指令，控制并讀取經模數轉換后輸出的并行數據。對數據進行預處理后，數據通過單片機引腳經串口輸出，并控制單片機與藍牙模塊的通信。

3.2監控軟件算法設計

手機端監控軟件流程如圖2。

4.系統效果

監測開始時，手機APP設置個人基本參數，呼吸的實時情況可以在手機APP端進行數值和曲線顯示，同時自動判斷是否滿足SAS條件，如果滿足，可通過手機端發出報警信號以提示旁人進行處理或喚醒病人進行睡眠狀態調整。

5.討論

人體的呼吸過程有很多表現，主要為口鼻部氣流和溫度的變化，胸腔和腹腔的收縮和舒張引起的壓力變化。常見的檢測方法有：

①壓力法[5，6]，人體呼吸時，呼氣和吸氣產生周期性變換，呼吸道和胸腹部也會隨之產生周期性形變。壓力傳感器即是通過測量這種周期性形變來測定呼吸頻率的。這種接觸式的測量方法會給胸腹施加一定的預壓力，使受試者感到一些不適;

②溫度法[7]，利用某些材料或元件與溫度有關的物理特性，將溫度的變化轉化為電參量的變化。呼吸氣流的溫度變化幅度較小（1～2℃），采集口鼻部呼吸溫度的傳感器一般是負溫度系數熱敏電阻;

③阻抗法[8]，通過檢測胸腔上的阻抗變化，采集人體的呼吸信號，此法需在胸腔綁上電極，使患者有不適感，造成睡眠不深，可能會影響呼吸暫停癥狀的出現，從而影響監測的準確性?？紤]到SAS發生時，其臨床表現為口鼻氣流停止，而胸腹式呼吸仍存在，所以本文選用溫度法來監測鼻部呼吸。

本文針對睡眠呼吸暫停低通氣綜合征對人體鍵康的危害，提出了一種可穿戴的、基于藍牙的、便攜式人體呼吸參數監測系統設計，該系統能與智能手機通信，可以在不影響病人正常睡眠的情況下記錄、分析和預警呼吸情況，幫助醫生進行診斷，做到早發現、早治療。

參考文獻：

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[7]申廣浩，劉娟，路麗華等.睡眠呼吸暫停綜合征遠程監護系統的設計[J].醫療衛生裝備，2010，31（6）：16-19.

[8]龔國麗，曾建，李旦，干峰.睡眠呼吸遠程監測系統的設計[J].中國醫療設備，2016，31（6）：50-52.

（作者單位：南京市金陵中學）