便攜式睡眠血氧監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

趙曉明 何偉 廖彥劍 胡寧

摘要：基于無創(chuàng)光學(xué)技術(shù)血氧檢測，針對整夜血氧數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)的可視化分析和氧減飽和度指數(shù)（0-DI4）參數(shù)的計算，提出了一套包括便攜式睡眠血氧監(jiān)測和數(shù)據(jù)可視化分析軟件的系統(tǒng)解決方案，對系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試，滿足對睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（sAHS）等疾病的初篩要求。

關(guān)鍵詞：血氧飽和度;數(shù)據(jù)可視化;氧減飽和度指數(shù)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）36-0203-02

整夜的血氧監(jiān)測對于初篩一些慢性疾病具有重要的應(yīng)用價值，ODI4定義為在每小時睡眠過程中，血氧飽和度值下降≥4%的次數(shù)。國內(nèi)外的相關(guān)研究指出：ODI4是SAHS較好的篩查指標(biāo)，能夠較好地反映SAHs嚴(yán)重程度，選用適當(dāng)?shù)腛DI4標(biāo)準(zhǔn)對SAHS患者具有較高診斷價值，單純的血氧監(jiān)測在國內(nèi)被認(rèn)為是一種簡易的SAHS初篩診斷方法。因此，本文旨在設(shè)計一套可對血氧進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測、并對SAHS等疾病進(jìn)行初篩的便攜式睡眠血氧監(jiān)測系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)的整體設(shè)計架構(gòu)

便攜式睡眠血氧監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計主要由基于單片機(jī)便攜式睡眠血氧監(jiān)測軟硬件設(shè)計和基于Pc機(jī)數(shù)據(jù)可視化分析軟件設(shè)計構(gòu)成，系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)整體功能指標(biāo)要求如下所示：（1）睡眠監(jiān)測數(shù)據(jù)的讀取和儲存。（2）整夜監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線的繪制。（3）睡眠血氧醫(yī)學(xué)參數(shù)的計算，主要包括：最低血氧飽和度（LSpO2）、平均血氧飽和度（MSpO2）、血氧飽和度低于90%占有效記錄時間的百分比（TS90%）、睡眠過程中每小時血氧飽和度值下降≥4%的次數(shù)（ODI4）。

二、系統(tǒng)設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)

便攜式睡眠血氧監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計包括：便攜式睡眠血氧監(jiān)測單片機(jī)硬件設(shè)計、便攜式睡眠血氧監(jiān)測單片機(jī)軟件設(shè)計、Pc機(jī)數(shù)據(jù)可視化分析軟件設(shè)計三個部分。

（一）便攜式睡眠血氧監(jiān)測單片機(jī)硬件設(shè)計

硬件采用雙電源供電方案，在睡眠監(jiān)測時通過鋰電池進(jìn)行供電，當(dāng)設(shè)備通過USB連接上位機(jī)時，自動切換為USB供電，同時對設(shè)備進(jìn)行充電。硬件實(shí)物圖如圖1所示。

（二）便攜式睡眠血氧監(jiān)測單片機(jī)軟件設(shè)計

單片機(jī)軟件設(shè)計采用了嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)FreeRTOSv10.0.0。便攜式睡眠血氧監(jiān)測單片機(jī)軟件包括血氧監(jiān)測模式、USB通訊模式和關(guān)機(jī)模式設(shè)計。血氧監(jiān)測模式下的程序流程圖如圖2所示。

用戶可待血氧測量穩(wěn)定后，手動進(jìn)入睡眠監(jiān)測，待睡醒之后，退出睡眠監(jiān)測。睡眠監(jiān)測期間的測量數(shù)據(jù)會被存儲，可以通過配套的數(shù)據(jù)可視化分析軟件讀取并存儲至上位機(jī)。

（三）Pc機(jī)數(shù)據(jù)可視化分析軟件

Pc機(jī)軟件設(shè)計通過Qt5.10.1平臺進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)可視化分析軟件能夠讀取便攜式睡眠血氧監(jiān)測儀中讀取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制整夜的血氧和脈率變化曲線圖，可以計算包括LSpO2、MSpO2、TS90%、ODI4在內(nèi)的眾多參數(shù)。

三、系統(tǒng)的指標(biāo)測試及分析

采用University College Dublin Sleep Apnea Database中的血氧飽和度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行算法測試。對此數(shù)據(jù)庫中25例疑似SAHS患者的血氧數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)可視化分析軟件進(jìn)行計算，得到ODI4、MSpO2、LSpO2、TS90%等參數(shù)，并計算各參數(shù)與AHl的相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果如表1所示。

由計算結(jié)果可得，AHI與0DI4、TS90%成正相關(guān)，與MSpOz、LSpO2成負(fù)相關(guān)，其中與ODI4成顯著正相關(guān)。與國內(nèi)外論文中ODI4與AHI的高相關(guān)性結(jié)論相一致，證實(shí)算法的準(zhǔn)確性以及具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

四、結(jié)束語

采用上下位機(jī)結(jié)合的便攜式睡眠血氧監(jiān)測和數(shù)據(jù)可視化分析軟件的系統(tǒng)解決方案，經(jīng)測試，能實(shí)現(xiàn)血氧長時間連續(xù)監(jiān)測、IDO4算法計算分析、SAHs初篩診斷等功能，滿足相關(guān)指標(biāo)要求，對睡眠呼吸暫停低通氣綜合征等疾病的初篩研究具有重要的應(yīng)用價值。