便攜式微型睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

【作 者】葉繼倫，杜風(fēng)玲，張旭，陳思平，汪天富

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

便攜式微型睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

【作 者】葉繼倫1,2，杜風(fēng)玲1，張旭1,2，陳思平1,2，汪天富1,2

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

通過對睡眠呼吸暫停綜合癥的病理原理、評價指標(biāo)以及診斷需求等各方面的研究，設(shè)計了一種使用方便、利用無線傳輸、無擾監(jiān)測的便攜式睡眠監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用微型氣囊結(jié)合壓力傳感器監(jiān)測呼吸，通過光譜吸收法監(jiān)測血氧飽和度，利用診斷分析軟件評價睡眠質(zhì)量并給出監(jiān)測的各項(xiàng)指標(biāo)和OSAHS的病情程度。分別對呼吸和血氧監(jiān)測進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，試驗(yàn)證明本監(jiān)測平臺具有很好的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，可以有效地初步診斷OSAHS的病情，為家庭監(jiān)護(hù)提供了方便。

睡眠呼吸暫停綜合癥；睡眠監(jiān)測；血氧飽和度；呼吸；便攜式

0 引言

人的一生中有1/3左右的時間在睡眠中度過，良好的睡眠是提高人們的生活質(zhì)量和工作效率的重要因素。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，世界范圍內(nèi)約有1/3的人患有睡眠障礙疾病，而患有睡眠呼吸暫停綜合癥的人群則占據(jù)了4%～6%[1]。其中，阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥[2](Obstructive Sleep Apnea-Hypopnea Syndrome, OSAHS)是最為常見的睡眠窒息癥，屬于嚴(yán)重危害人們身體健康的慢性睡眠呼吸疾患，而且大部分患者尚未得到及時的診斷和治療。

OSAHS是指由于睡眠過程中氣道的阻塞、狹窄導(dǎo)致反復(fù)發(fā)生呼吸暫停和低通氣，并引起低氧血癥、高碳酸血癥及睡眠結(jié)構(gòu)紊亂[3]，從而導(dǎo)致多器官功能的損害，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量和壽命。目前，多導(dǎo)睡眠圖仍是診斷OSAHS的“金標(biāo)準(zhǔn)”[4]，但由于其監(jiān)測程序累贅、費(fèi)用昂貴、不具備無擾監(jiān)測的缺陷，使其臨床的普及性及實(shí)用性受到限制。因此，為了讓睡眠監(jiān)護(hù)技術(shù)惠及到普通家庭，對患者睡眠質(zhì)量給出有效的評價，為診斷提供有力的依據(jù)，設(shè)計一套微型、簡單、易用的睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)[5]具有非常重要的意義。

1 監(jiān)測原理和方法

1.1 呼吸監(jiān)測方法

綜合對比各種呼吸監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用了一種新型的呼吸監(jiān)測方法，利用微型氣囊作為呼吸監(jiān)測的感應(yīng)器，通過特殊的繃帶把感應(yīng)器固定于腹部，利用氣路連通呼吸監(jiān)測模塊上的傳感器、泵、閥；利用感應(yīng)氣囊監(jiān)測患者的呼吸狀態(tài)，不會給患者的正常休息帶來干擾和不適。

通過采用此種方法與采用阻抗容積法的心電監(jiān)護(hù)儀同步監(jiān)測呼吸對比，發(fā)現(xiàn)此種方法能夠快速、準(zhǔn)確、靈敏、方便地獲取到患者高質(zhì)量的呼吸信號，從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)這兩種方法監(jiān)測呼吸具有非常好的一致性。

1.2 血氧監(jiān)測方法

血氧飽和度的測量是基于Beer–Lambert定

律，利用光譜吸收法[6]，根據(jù)血液中氧合血紅蛋白（HbO2）與還原血紅蛋白（Hb）的分子對不同波長入射光有著不同的吸收率的特性來獲取脈搏氧狀態(tài)。一般選擇660 nm波長的可見光與940 nm波長的紅外光作為入射光。

2 睡眠監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計簡述

2.1 系統(tǒng)方案

本睡眠監(jiān)測系統(tǒng)包括：監(jiān)測系統(tǒng)、血氧探頭、呼吸監(jiān)測傳感器及連接附件、無線接收器、PC機(jī)監(jiān)測軟件和分析診斷軟件，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，整機(jī)實(shí)物如圖2所示。

圖1 睡眠監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Framework of sleep monitoring system

圖2 整機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Pictures of whole products

監(jiān)測系統(tǒng)分為呼吸監(jiān)測模塊和血氧監(jiān)測模塊，監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線的方式上傳給PC機(jī)監(jiān)測軟件，PC軟件把接收的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示并存儲起來。為了讓本監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中最大限度的發(fā)揮便攜性、方便監(jiān)測、人性化的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用鋰電池供電，單鍵啟動/停止監(jiān)測，通過USB接口連接血氧探頭或充電。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計簡介

本睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)采用模塊化的方式設(shè)計完成，主要包括呼吸監(jiān)測模塊、血氧監(jiān)測模塊、無線通信模塊、電源管理模塊、看門狗模塊等。硬件系統(tǒng)設(shè)計的概略框圖如圖3所示。

2.3 監(jiān)測軟件和分析診斷軟件

對于本監(jiān)測系統(tǒng)，PC機(jī)監(jiān)測軟件和診斷分析軟件是最重要的組成部分之一，主要包括實(shí)時監(jiān)測、趨勢顯示、診斷分析三方面的內(nèi)容。如圖4所示，睡眠監(jiān)測軟件能夠?qū)崟r動態(tài)的顯示監(jiān)測的所有信息，包括：血氧飽和度、脈率、脈搏波形、呼吸率和呼吸波形。軟件具有存儲實(shí)時數(shù)據(jù)的功能，以備診斷分析。當(dāng)超過10 s沒有檢測到呼吸或血氧值過低時會啟動報警功能，當(dāng)呼吸和SpO2恢復(fù)正常后自動停止報警。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計概略框圖Fig.3 Block diagram of system hardware design

圖4 睡眠監(jiān)測主界面Fig.4 The main interface of sleep monitoring

如圖5所示，趨勢顯示軟件是對實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)抽樣，界面上顯示的曲線從上到下分別代表一段時間內(nèi)患者的SpO2、脈率、呼吸率各參數(shù)的變化趨勢，縱坐標(biāo)從左到右分別表示這三個單位的意義。橫坐標(biāo)表示的時間長度信息顯示在右上角，所代表的時間長度可以設(shè)置。軟件以曲線的形式反映一段時間內(nèi)患者的SpO2、呼吸率、脈率各參數(shù)的變化趨勢。

圖5 趨勢顯示界面Fig.5 Trend display

圖6 數(shù)據(jù)回放分析界面Fig.6 Interface of data playback analysis

如圖6所示，診斷分析軟件是將存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)回放顯示出來，顯示監(jiān)測時的所有監(jiān)測信息：脈搏波形、血氧飽和度變化曲線、呼吸波形、呼吸率、脈率，軟件主要功能是分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出診斷結(jié)果，人性化的顯示和分析各種信息。

診斷分析是依據(jù)中華醫(yī)學(xué)會呼吸病學(xué)分會睡眠呼吸障礙學(xué)組2011年修訂的《阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征診治指南》[7]，其中將睡眠呼吸暫停低通氣指數(shù)(Apnea Hypopnea Index, AHI)即平均每小時睡眠中呼吸暫停和低通氣的次數(shù)作為診斷標(biāo)準(zhǔn)。在波形回放界面標(biāo)記出異常情況的數(shù)據(jù)波形，給出分析的AH值、HI值、AHI評測值，評測是否有呼吸暫停癥狀，并給出OSAHS的等級和低血氧癥狀的等級評定。

3 睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

在系統(tǒng)調(diào)試并且裝配完畢后，做了一系列的測試來驗(yàn)證本監(jiān)測平臺的準(zhǔn)確性和可靠性。測試分為兩部分，先通過對血氧監(jiān)測和對呼吸監(jiān)測驗(yàn)證各個模塊的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，再測試整個睡眠監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 模塊性能簡易測試

3.1.1 呼吸監(jiān)測測試

在對呼吸監(jiān)測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的測試中，對比設(shè)備采用的是某公司心電監(jiān)測儀，通過本系統(tǒng)和心電監(jiān)護(hù)儀的呼吸監(jiān)測同步測試同一位受試者，對比分析測量結(jié)果而初步評測呼吸監(jiān)測模塊測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

在對呼吸監(jiān)測的基本性能測試中，參加測試的有6名受試者，4名男性2名女性，受試者平躺著，戴上呼吸傳感器和血氧探頭，貼上電極片，每個受試者監(jiān)測35 min左右，啟動系統(tǒng)監(jiān)測，待到系統(tǒng)穩(wěn)定后，大約每一分鐘記錄一組數(shù)據(jù)，每個受試者記錄30組數(shù)據(jù)，一共180組數(shù)據(jù)，在監(jiān)測期間，有兩位受試者要求刻意輕微的調(diào)節(jié)過呼吸。圖7為本睡眠監(jiān)測系統(tǒng)與心電監(jiān)測儀同步測試的180組數(shù)據(jù)的對比曲線。

圖7 對比測試曲線圖Fig.7 Contrast test curve

表1為180組測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，由此測試分析結(jié)果可初步說明本系統(tǒng)的呼吸監(jiān)測模塊具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Test data statistical results

3.1.2 血氧監(jiān)測測試

在工程應(yīng)用中，采用有創(chuàng)的方式對血氧監(jiān)護(hù)儀的臨床有效性進(jìn)行驗(yàn)證。通過比對分析待驗(yàn)證設(shè)備與血?dú)夥治鰞x的檢測結(jié)果，對70%～100%段之間的數(shù)據(jù)做統(tǒng)計學(xué)分析，驗(yàn)證和判斷其臨床監(jiān)測SpO2的有效性。

本系統(tǒng)中所采用的血氧監(jiān)測模塊技術(shù)是直接移植已通過有創(chuàng)性驗(yàn)證的血氧模塊。采用FLUKE的Index 2XL SpO2Simulator對血氧模塊分別進(jìn)行了基本性能測試、低灌注[8]性能測試以及抗干擾測試并長時間運(yùn)行。其中，基本性能測試為70%～100%段的16個點(diǎn)；低灌注測試中，取PI值為0.025%～20%內(nèi)若干點(diǎn)；在抗干擾測試中，采用了模擬器的6種可能的患者狀態(tài)進(jìn)行測試，包括弱脈狀態(tài)、心動過緩狀態(tài)、心動過速狀態(tài)、老年?duì)顟B(tài)、嬰兒狀態(tài)和低血氧狀態(tài)。測試結(jié)果表明血氧模塊部分的脈搏氧飽和度和脈率值在灌注指數(shù)PI≥0.075%時都有很好的一致性，并且本血氧模塊在各種病患狀況下顯示出穩(wěn)定的性能。模擬器測試的結(jié)果雖然不能評定系統(tǒng)臨床監(jiān)測的有效性，但可以很好地說明本系統(tǒng)測量的一致性。

3.2 睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)測試

3.2.1 模擬測試

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，在測試中沒有OSAHS癥狀的對象可以通過屏住呼吸的方法模擬具有睡眠呼吸障礙的患者[9]，通過這種方法來檢測系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。因此，根據(jù)這種方式模擬患者簡單地測試了本系

統(tǒng)。在監(jiān)測中，把監(jiān)測的數(shù)據(jù)存儲起來，做了大量的模擬測試，通過手動分析和診斷軟件分析，對比分析的結(jié)果。表2是對本系統(tǒng)模擬檢測的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表2 模擬測試數(shù)據(jù)Tab.2 Simulation test data

在模擬測試中，為了讓模擬的最低血氧值盡可能的降低，以檢測系統(tǒng)的報警功能，在對對象3和對象4測試時，部分監(jiān)測時間是通過血氧模擬器來達(dá)到降低血氧值目的。診斷軟件會對打開的數(shù)據(jù)做詳細(xì)的分析，依據(jù)中華醫(yī)學(xué)會呼吸病學(xué)分會睡眠呼吸障礙學(xué)組修訂的指南給出診斷結(jié)果。

3.2.2 主要優(yōu)勢

易用性 軟件顯示信息直觀，數(shù)據(jù)分析操作簡單，使用方便簡易，采用USB充放電，單鍵開關(guān)啟動或停止監(jiān)測。

便攜性 利用藍(lán)牙無線傳輸數(shù)據(jù)，體積小，重量輕，采用專門設(shè)計的外殼，只有52 mm×116 mm×16 mm迷你外觀，方便攜帶。

準(zhǔn)確性 通過對比測試，呼吸監(jiān)測具有良好的準(zhǔn)確性；血氧監(jiān)測的曲線是通過有創(chuàng)的方式標(biāo)定過。

舒適性 血氧監(jiān)測，采用軟指套血氧探頭，適合長時間監(jiān)測。在呼吸監(jiān)測中，對人體呼吸信號測量方法有很多種，常用的監(jiān)測方法有：口鼻腔壓力測量法、喉音測量法、鼻氣流溫度測量法，這些方法雖然簡單但易給監(jiān)測對象帶來不適，影響監(jiān)測對象的休息和睡眠；阻抗容積法是心電監(jiān)測中監(jiān)測呼吸的方法[10]，雖準(zhǔn)確，但電路復(fù)雜、傳感器昂貴、抗干擾性較差、不適合從心電監(jiān)測中單獨(dú)分離出來監(jiān)測呼吸；實(shí)驗(yàn)證明壓電傳感器放置呼吸道上檢測呼吸的方法檢測的呼吸信號噪聲很大且不穩(wěn)定，靈敏度差。本系統(tǒng)中采用了一種新型的呼吸監(jiān)測方法，不會給患者帶來干擾和不適，具有良好的無擾性和舒適性。

4 結(jié)束語

通過一系列的測試和實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證和說明了本系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。本系統(tǒng)提出了一種新型監(jiān)測呼吸的方法，原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適合在可穿戴式睡眠監(jiān)測設(shè)備中使用。整個系統(tǒng)的使用不會影響正常的睡眠休息，具有操作簡單、監(jiān)測可靠的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地診斷OSAHS，可廣泛應(yīng)用于普通家庭。為了讓診斷結(jié)果更為客觀，更為有效，一般情況下，分析一整晚（大約7 h左右）的監(jiān)測數(shù)據(jù)來診斷OSAHS更為合理。目前本系統(tǒng)還沒有做臨床測試，只做了基本的準(zhǔn)確性和可靠性測試。下一步工作將是臨床測試，進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，為系統(tǒng)的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

當(dāng)然，在應(yīng)用時也發(fā)現(xiàn)了一些問題，監(jiān)測時需要連接PC機(jī)保存數(shù)據(jù)后才能診斷等，這些問題的存在也影響了系統(tǒng)的實(shí)用性。今后，對硬件系統(tǒng)應(yīng)該做進(jìn)一步改進(jìn)，可以給系統(tǒng)拓展一個外部大容量Flash，支持在不連接電腦情況下離線監(jiān)測，存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，先監(jiān)測再讀取存儲的數(shù)據(jù)做診斷分析。分析診斷軟件可以進(jìn)一步加強(qiáng)，使得軟件更為人性化、操作簡單、分析信息更為明朗、回放操作更為豐富。在未來，可以以方便、準(zhǔn)確監(jiān)測為前提，以無擾監(jiān)測為基礎(chǔ)拓展其他監(jiān)測模塊，讓整個系統(tǒng)監(jiān)測的信息更為豐富。

[1] 胡裕軒. 便攜式呼吸睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 浙江大學(xué), 2014.

[2] Ghanil STA. Obstructive sleep apnea- hypopnea syndrome: Etiology and diagnosis[J]. Avicenna J Med, 2012, 2(1): 3-8.

[3] Wen XH , Wang NY ,Liu JF, et al. Detection of cognitive impairment in patients with obstructive sleep apnea hypopnea syndrome using mismatch negativity[J]. Neural Regenerat Res, 2012, 7(20):1591-1598.

[4] 王玲. 176例多導(dǎo)睡眠呼吸監(jiān)測結(jié)果及臨床分析[D]. 大連醫(yī)科大學(xué), 2010.

[5] 朱彩兵, 宋艷濤, 魏蘭蘭,等. 微型睡眠監(jiān)護(hù)評價系的研究[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2013, 37(6): 414-416.

[6] 陳濤, 毛文林, 葉繼倫. 脈搏血氧傳感器的噪聲消除方法[J]. 傳感器技術(shù), 2004, 03: 67-71.

[7] 中華醫(yī)學(xué)會呼吸病學(xué)分會睡眠呼吸障礙學(xué)組. 阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征診治指南(2011年修訂版)[J]. 中華結(jié)核和呼吸雜志, 2012, 35(1): 9-12.

[8] Hartmut G, Christoph H, Holger M, et al. The effects of motion artifact and low perfusion on the performance of a new generation of pulse oximeters in volunteers undergoing hypoxemia[J]. Respirat Care, 2001, 47(1): 48-60.

[9] 胡寒冬, 陳洪波, 陳真誠,等. 便攜式睡眠呼吸暫停低通氣監(jiān)測儀的設(shè)計[J]. 電子測量與儀器學(xué)報, 2011, 25(9): 812-816.

[10] 葉繼倫, 鄧云, 黃燕,等. 病人監(jiān)測的呼吸測量方法及其 有效性的評價[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2011, 35(2): 94-96.

Design and Application of Portable Micro Sleep Monitoring System

【W(wǎng)riters】YE Jilun1,2, DU Fengling1, ZHANG Xu1,2, CHEN Siping1,2, WANG Tianfu1,2
1 Institute of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 Guangdong Key Laboratory of Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

Through the study of the pathology of sleep apnea-hypopnea syndrome, evaluation indexes, diagnosis requirements and so on, a portable sleep monitoring system was designed, which had the characteristics of convenience, wireless transmission and no disturbance. The system can be assessed by respiration monitoring and pulse oximetry, which is based on the pressure variation in miniature air-bag and spectral absorption method. It provides the value of the apnea-hypopnea index (AHI), which is used to evaluate OSAHS severity. The experiment of the system’s stability and accuracy is done, which exhibits good performance, it can diagnose OSAHS effectively and provide convenience for home monitoring.

OSAHS, sleep monitoring, SpO2, respiration, portable

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.002

1671-7104(2015)03-0162-04

2015-02-06

深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目(SDSY20120612094855904，

JCY20140418182819121)；廣東省科技廳項(xiàng)目(2012A032200025)

張旭，E-mail: zhangxu729@hotmail.com