一種非接觸式呼吸暫停報警裝置的研制

胡冶，李川濤，祁富貴，王帥杰，張華，王健琪，路國華第四軍醫大學 .學員旅三營十連；.生物醫學工程學院，陜西 西安710032

一種非接觸式呼吸暫停報警裝置的研制

胡冶a，李川濤b，祁富貴b，王帥杰b，張華b，王健琪b，路國華b
第四軍醫大學 a.學員旅三營十連；b.生物醫學工程學院，陜西 西安710032

本文闡述了一種非接觸式呼吸暫停報警裝置的研制過程。該裝置主要由信號檢測模塊、控制與報警模塊、電源模塊3部分組成，可在低生理和心理負荷條件下對睡眠呼吸暫停進行非接觸檢測。該裝置首先利用生物雷達實現對人體呼吸信號的非接觸采集，然后通過硬件電路對呼吸信號進行多次濾波及放大，再通過微處理器對放大后的信號進行綜合處理，最終實現對睡眠呼吸暫停的非接觸檢測，并且可根據處理結果進行報警。

睡眠呼吸暫停綜合征；生物雷達；呼吸信號；非接觸檢測

0 前言

睡眠呼吸暫停綜合征（SAS），又稱睡眠呼吸暫停低通氣綜合征，一般是指成人每晚7 h睡眠期間，發作次數≥30次，每次發作時口、鼻停止通氣≥10 s，并伴有心率減慢、紫紺或肌張力減低等表現的臨床綜合征。呼吸暫停時，通氣量會降低甚至停止，從而導致人體血氧飽和度下降。長期頻繁發生呼吸暫停可引起嚴重的低氧血癥及睡眠紊亂，并與高血壓、心律失常、心腦血管疾病及呼吸衰竭等疾病的發生密切相關，少數患者可夜間猝死。因此，對睡眠過程中的呼吸暫停進行檢測、判斷和危險預警就顯得極為重要[1]。

要進行睡眠呼吸暫停預警，首先要監測呼吸信號。目前常用于檢測睡眠呼吸暫停的方法有接觸式和非接觸式兩類[2]。接觸式檢測方法主要是利用壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器直接接觸人體，通過檢測呼吸引起的胸腹部位移或鼻腔出氣溫度來實現對呼吸信號的檢測，其優點是呼吸信號檢測信噪比高，缺點是限制了人體自由，會使人產生不舒適感。非接觸式檢測方法的典型代表有紅外線檢測法和生物雷達檢測法，能夠克服接觸式檢測方法的缺點，給檢測目標提供相對自由的檢測環境，實現低生理和心理負荷條件下的呼吸信號檢測，適用于戰場傷員和燒傷病人等特殊群體，是呼吸檢測方法的發展趨勢。

基于紅外的非接觸式呼吸檢測技術可通過檢測呼吸氣流引起的溫度變化來實現對呼吸信號的檢測，但不能直接穿透衣服進行檢測[3-4]。生物雷達技術融合了生物醫學工程及雷達技術，可檢測到呼吸引起的胸腹部微弱運動[5]。本研究設計了一種非接觸式呼吸暫停報警裝置，主要采用生物雷達傳感器對呼吸信號進行非接觸式檢測，通過硬件電路對信號進行預處理，最后將預處理后的信號接入單片機進行呼吸暫停綜合判斷及報警。

1 系統設計

1.1 生物雷達工作原理

設生物雷達發射的微波波長為λ，當其照射人體時受胸腔微動反射而產生回波信號，回波信號與生物雷達發射信號產生相位差θ，其大小隨呼吸引起的胸腔位移而變化，與生物雷達的波長成反比，胸腔微動引起雷達回波信號相位變化的模型圖，見圖1。呼吸引起的人體胸腔微動位移量范圍為4～15 mm[6]，為了保證雷達能夠檢測到呼吸信號，雷達的工作頻率范圍為2～75 GHz。本研究選用工作頻率為24 GHz（λ為12.5 mm）的生物雷達，通過后續的放大、濾波等處理，就可以實現對呼吸信號的非接觸式檢測。

圖1 胸腔微動引起雷達回波信號相位變化的模型圖

1.2 系統設計

根據前期的實驗結果，生物雷達的輸出信號幅度為1～10 mV，頻率為0～1 Hz，要求硬件電路至少能夠放大到1～5 V，頻帶＜1 Hz，因此需要多級、低頻放大。

整個裝置由信號檢測模塊、控制與報警模塊、電源模塊3部分組成。總體設計框圖，見圖2。

圖2 非接觸式呼吸暫停報警裝置總體設計框圖

電源模塊用于實現干電池供電，然后經過一系列處理將其轉換為±5 V電源給后續電路供電。因呼吸信號幅度小、頻率低，因此信號檢測模塊用于對呼吸信號進行多級濾波放大并將其轉換為可經單片機處理的信號。單片機系統對預處理后的呼吸信號進行綜合處理后，判斷是否發生呼吸暫停，并根據結果決定是否報警。

1.3 硬件電路實現

1.3.1 信號檢測模塊

由生物雷達傳感器測得的呼吸信號幅度較弱，噪聲較大，尤其是遠距離測量時，呼吸信號會被噪聲完全淹沒，且信號存在大約20 mV的基線漂移，因此要對信號進行前級放大，考慮到運放可能飽和，因此設置放大倍數約15倍。

放大后的信號因基線漂移噪聲更大，而且雷達自身存在高頻信號，因此需要先經過低通濾波器濾波，濾除雷達自身高頻信號，后經過高通濾波器濾波，濾除直流及準直流信號，消除基線漂移，以便于二級放大。消除基線漂移的方式還可以是無源濾波即阻容RC隔直電路，但由于RC時間常數較大，須經較長時間才能趨于穩定，因此采用有源濾波。

信號經過二次放大后有所改善，但仍然存在較弱的高頻信號，因此需再次經過低通濾波器以徹底濾除高頻信號。低通濾波后的信號基線漂移較大，不便于放大，但呼吸信號幅度依然較弱，不便于單片機AD（模擬機）采樣，因此需再次經過高通濾波器濾除基線漂移后放大。第三次放大可視具體情況調節呼吸信號幅度，經3次放大后的信號幅度較大，無基線漂移。為了便于單片機采樣，因此需經過電壓跟隨器。

1.3.2 控制與報警模塊

單片機系統的作用是對呼吸信號進行綜合處理，根據需要，選取管腳較少的STC12C5201AD單片機，該單片機具有AD采樣功能，對信號進行AD采樣后，求得一定時間內的數據的平方和，以獲取呼吸的平均能量，以后每隔約10 s測一次平均能量，若平均能量相差較大，則判定為發生呼吸暫停，并觸發報警電路。單片機及其子系統電路圖，見圖3。

圖3 單片機及其子系統電路圖

報警部分采用Led及蜂鳴器，當發生呼吸暫停時，單片機會將P17置高電平，三極管導通，使Led發出光信號及蜂鳴器發出聲信號，提醒陪護人員，病人已發生呼吸暫停。

1.3.3 電源模塊

由于該裝置主要為家用設計，所以整個電路可用鋰電池或干電池供電。

選用tps60110芯片可將2.7 V～5.4 V的輸入電壓轉換為5 V的穩定電壓，并產生最大值為300 mA的負載電流。再用ICL7660將所得到的+5 V電壓轉換為-5 V電壓，這樣就形成了一個雙電源供電系統。電源模塊電路圖，見圖4。

圖4 電源模塊電路圖

2 實驗及分析

將自行研制的呼吸暫停報警裝置放置于實驗桌上（高度為1.2 m），±5 V電源由直流穩壓電源提供。實驗受試者為男性，23歲，無呼吸性疾病，平躺在鋼絲床上（高度為0.5 m）自由呼吸。床與實驗桌水平距離為1.5 m。

呼吸暫停報警裝置的輸出信號經多導生理記錄儀（PowerLab，澳大利亞）AD采集到計算機進行數字濾波和頻譜分析，分析結果見圖5。

圖5 呼吸信號的波形及其頻譜圖

從頻譜圖中可以看出，頻率分量在0.23 Hz處達到最大值，因此呼吸率約為14次/min。

3 結論

目前，針對睡眠呼吸暫停的監測方法主要為多導睡眠監測法（PSG）和氣道壓力法[7-8]，但這兩種方式最明顯的缺陷就是傳感器需要與人體接觸，一方面，傳感器會增加人體心理與生理負荷，限制人身自由；另一方面，人體睡眠時的運動可能會對傳感器造成損害，如若人體運動使電極脫落，則會造成假報警或不報警，威脅病人生命。相比于接觸式監測，非接觸式檢測使傳感器與人體相互獨立，互不影響。因此，隨著睡眠呼吸監測越來越受重視，非接觸式睡眠呼吸監測必然具有廣泛的應用前景。

本文研制的呼吸暫停報警裝置，可以非接觸地檢測人體的呼吸信號，經過兩次高通濾波、兩次低通濾波和三級放大后接入單片機進行能量檢測，若10 s能量與平均能量相差較大，則報警。整個電路環環相扣、結構清晰、利于推廣。

由于裝置中沒有設置無線通訊模塊，因此無法使報警信號通過無線的方式遠距離傳送，不適用于遠程無線監護，因此在設計過程中存在不足；另外，對于人體運動產生的干擾，電路也無法消除。在下一步設計中，準備加入無線通信模塊，以實現遠程無線監護，并會在電路中加入拮抗人體異常運動的模塊，以實現呼吸信號的精確監量。

[1] Lettieri CJ,Eliasson AH,Andrada T,et al.Obstructive sleep apnea syndrome:are we missing an at-risk population[J].J Clin Sleep Med,2005,1(4):381-385．

[2] 張鵬飛,張華,拜軍,等.呼吸信號檢測技術研究現狀[J].國際生物醫學工程雜志,2012,35(6):365-369.

[3] Nakajima K,Matsumoto Y,Tamura T.Development of real time image sequence analysis for evaluating posture change and respiratory rate of a subject in bed[J].Physiol Meas,2001,22(3): 21-28.

[4] Chekmenev Y,R ara H,Farag A.Non-contact,wavelet-based measurement of vital signs using thermal imaging[J].ICGST International Journal on Graphics,Vision and Image Processing, 2006,6(2):25-30.

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[8] 劉濤.阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的診斷治療[J].中外健康文摘,2013,(1):157-158.

Development of a Non-Contact Sleep Apnea Alarming Device

HU Yea, LI Chuan-taob, QI Fu-guib, WANG Shuai-jieb, ZHANG Huab, WANG J ian-qib, LU Guo-huab
a.No.10 Company of the 1stBattalion, Student Brigade; b.School of Bio-Medical Engineering, the Fourth Military Medical University, Xian Shaanxi 710032, China

This paper expounded the research and development of a non-contact sleep apnea alarming device, which consisted of three modules (the signal detecting module, control and alarming module and power module) and was intended for non-contact detection of sleep apnea under the conditions of low physical and mental workloads. Firstly, the device made use of bio-radar for non-contact collection of the respiratory signals from human subjects. And then, the signals were amplifi ed and fi ltered repeatedly by hardware circuits. Finally ,the amplifi ed signals were processed by the microprocessor to realize the noncontact detection of sleep apnea and to give alarms according to the processing results.

sleep apnea; bio-radar; respiratory signals; non-contact detection

TN911.23

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.005

1674-1633(2015)05-0018-03

2015-02-04

2015-03-09

國家自然科學基金課題（61271102）。

路國華，副教授。

通訊作者郵箱：lugh1976@fmmu.edu.cn