新生兒呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀自救模塊的研發(fā)

管 吉 高 磊 詹寧波 楊 震 管 葉

新生兒呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀自救模塊的研發(fā)

管 吉①高 磊①詹寧波①楊 震①管 葉②*

目的：研制一種基于新生兒監(jiān)護(hù)儀平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新生兒呼吸暫停監(jiān)測(cè)自救的功能。方法：通過對(duì)呼吸暫停信號(hào)的提取，由監(jiān)護(hù)儀觸發(fā)研制的自救模塊，突破傳統(tǒng)的馬達(dá)震動(dòng)喚醒原理，改用研發(fā)的低頻脈沖電模擬針灸按摩，深度喚醒呼吸暫停的新生兒。結(jié)果：經(jīng)過對(duì)低頻脈沖電流系統(tǒng)的研究分析發(fā)現(xiàn)，脈沖電模擬針灸按摩優(yōu)于傳統(tǒng)的喚醒方式，可快速刺激新生兒神經(jīng)系統(tǒng)，使其恢復(fù)自主呼吸，是最佳的刺激傳導(dǎo)方法。結(jié)論：本研究設(shè)計(jì)合理，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是一種簡(jiǎn)便高效、無(wú)創(chuàng)、無(wú)干擾以及低成本的呼吸暫停自救方法，適合在臨床借鑒使用。

新生兒呼吸暫停；監(jiān)護(hù)儀；低頻脈沖電流喚醒；呼吸暫停自救

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.07.014

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, No. 302 Military Hospital, Beijing 100039, China.

嬰兒呼吸暫停是世界共同關(guān)注的課題，而引起嬰幼兒呼吸暫停造成窒息的原因是由新生兒生理特點(diǎn)所至。新生兒的呼吸系統(tǒng)尚未發(fā)育健全，出生前從體內(nèi)通過臍帶供氧，出生后轉(zhuǎn)為肺呼吸供氧，需要一個(gè)轉(zhuǎn)換過程。嬰幼兒在睡眠狀態(tài)下呼吸中樞神經(jīng)對(duì)缺氧及二氧化碳儲(chǔ)留反映不敏感，因此新生兒會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的呼吸暫停，早產(chǎn)兒更易出現(xiàn)頻繁窒息。常常由于缺乏必要的監(jiān)護(hù)和及時(shí)的救助，致使世界每年因呼吸障礙失去生命的嬰兒為20余萬(wàn)人，因呼吸障礙所造成的智力障礙及呆傻的新生兒為80余萬(wàn)人。經(jīng)專家最新論證，呼吸暫停導(dǎo)致心動(dòng)過緩常伴有腦灌注和血流量減少，缺氧、缺血導(dǎo)致新生兒腦損害或加重其他原因的腦損傷，嚴(yán)重者危及生命或有中樞神經(jīng)系統(tǒng)后遺癥。反復(fù)發(fā)作的呼吸暫停常導(dǎo)致呼吸功能不全及多器官功能損傷[1]。新生兒生理性呼吸暫停不應(yīng)＞15 s，發(fā)達(dá)國(guó)家早在數(shù)年前使用單一窒息監(jiān)護(hù)儀對(duì)每個(gè)出生的嬰兒進(jìn)行常規(guī)呼吸監(jiān)護(hù)。然而，傳統(tǒng)喚醒嬰兒的方法既耗費(fèi)人力，又效率低下，而目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)獨(dú)立模塊化。本研究研發(fā)匹配于監(jiān)護(hù)儀的呼吸暫停自救模塊，旨在促使這一薄弱領(lǐng)域能夠擁有新的技術(shù)。

1 呼吸暫停自救模塊系統(tǒng)總體方案

新生兒呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)的硬件和軟件部分組成。對(duì)于呼吸暫停自救監(jiān)護(hù)儀而言，應(yīng)根據(jù)調(diào)研和收集的資料確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和目標(biāo)，分析需要解決的問題，實(shí)現(xiàn)喚醒新生兒的基本功能[2]。呼吸暫停自救的新生兒監(jiān)護(hù)儀通過血氧監(jiān)測(cè)模塊采集新生兒的血氧信號(hào)，并根據(jù)血氧信號(hào)獲取血氧飽和度，同時(shí)采用呼吸監(jiān)測(cè)模塊采集新生兒的呼吸信號(hào)，并根據(jù)呼吸信號(hào)獲取呼吸頻率。主控模塊接收新生兒的血氧信號(hào)、血氧飽和度、呼吸信號(hào)及呼吸頻率，判斷接收的血氧飽和度、呼吸頻率是否超出閾值范圍，若超出閾值范圍時(shí)主控模塊控制自救模塊刺激新生兒的腳心從而使新生兒恢復(fù)自主呼吸[3]。

總體思路應(yīng)簡(jiǎn)潔可行，為了解決睡眠過程中存在的呼吸暫停的問題，研制的新生兒呼吸暫停自救監(jiān)護(hù)儀具有下述功能。

(1)呼吸暫停信號(hào)的采集。通過心電和血氧傳感器采集呼吸暫停信號(hào)[4]。

(2)對(duì)采集信號(hào)的處理。對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，加之血氧飽和度信號(hào)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)雙重保險(xiǎn)，得出呼吸是否異常的判斷結(jié)論。

(3)對(duì)信號(hào)采集的監(jiān)視。在監(jiān)視信號(hào)采集過程中系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示信號(hào)采集情況；其監(jiān)護(hù)儀技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

(4)報(bào)警顯示的能力。自救監(jiān)護(hù)儀具備報(bào)警顯示的能力，可直接利用監(jiān)護(hù)儀的技術(shù)。

(5)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，具有呼吸暫停自救功能，且啟動(dòng)方便簡(jiǎn)潔。

1.1 系統(tǒng)硬件部分

系統(tǒng)硬件部分基于以上的需求分析，可以得到呼吸暫停自救系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)護(hù)儀主體、信號(hào)采集部分、信號(hào)預(yù)處理部分、監(jiān)護(hù)儀單片機(jī)處理部分(CPU)、自救模塊電路部分、自救模塊探頭部分、報(bào)警部分、電源部分、顯示部分以及抗干擾屏蔽機(jī)殼等部分組成[5](如圖1所示)。

(1)信號(hào)采集部分。主要負(fù)責(zé)采集呼吸暫停信號(hào)，可通過串口擴(kuò)展芯片擴(kuò)展多個(gè)串口方式，或利用單片機(jī)的IO口模擬一個(gè)接收端口等[6]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

(2)信號(hào)預(yù)處理部分。主要負(fù)責(zé)將采集到的呼吸信號(hào)經(jīng)過一定的放大、濾波處理，使之能夠被送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，繼而進(jìn)行其他的操作。

(3)監(jiān)護(hù)儀單片機(jī)處理部分(CPU)。CPU是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制和管理，并對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過捕獲呼吸暫停信號(hào)，并且與血氧參數(shù)進(jìn)行比較，確定是否需要進(jìn)行報(bào)警以及自救操作。

(4)報(bào)警部分。以引起操作人員的注意，主要有光電報(bào)警(發(fā)光二極管)和聲音報(bào)警(揚(yáng)聲器或蜂鳴器)等。

(5)自救模塊電路。為了實(shí)現(xiàn)低頻脈沖電路，設(shè)計(jì)涵蓋了調(diào)壓整流電路、頻率調(diào)控電路、波形變換電路、電流換向電路以及放大電路等。

(6)自救模塊探頭。設(shè)計(jì)使用的電刺激法最合理美觀的探頭也是導(dǎo)聯(lián)及電極片，既安全衛(wèi)生又可批量化生產(chǎn)。

(7)電源部分。主要負(fù)責(zé)為呼吸暫停自救監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)施提供標(biāo)準(zhǔn)電源的模塊，特殊之處是為自救模塊提供9 V直流電，使其能夠正常工作[7]。

(8)監(jiān)護(hù)儀顯示部分。主要負(fù)責(zé)顯示常規(guī)參數(shù)以及重點(diǎn)是呼吸及血氧等信息。

1.2 系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分主要完成的工作是將采樣經(jīng)放大、濾波后的呼吸暫停信號(hào)，通過分析處理，判斷呼吸暫停是否＞10 s，如果＞10 s則啟動(dòng)報(bào)警[8]。結(jié)合血氧的參數(shù)判斷是否需要自救功能啟動(dòng)，以減少誤操作，同時(shí)系統(tǒng)的軟件部分會(huì)控制液晶屏的顯示?；诒O(jiān)護(hù)儀技術(shù)已相當(dāng)成熟，監(jiān)護(hù)儀本身即可實(shí)現(xiàn)呼吸暫停信號(hào)的采集顯示，因此重點(diǎn)是研究自救模塊軟件部分。

本研究設(shè)計(jì)芯片采用EMC78P156，也可用MSP430系列單片機(jī)，但設(shè)計(jì)后期發(fā)現(xiàn)自救模塊輸出的波形不穩(wěn)定。為了得到穩(wěn)定波形，使得新生兒無(wú)強(qiáng)烈的不適感，首選規(guī)則方波輸出，需在波形變換電路上加載波形變換控制電路，在電流換向電路上加載換向控制電路，此時(shí)輸出的方波整齊穩(wěn)定[9]。

2 呼吸暫停自救模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)采用的低頻脈沖電流對(duì)人體主要有3種生理作用，即興奮神經(jīng)肌肉組織、促進(jìn)局部血液循環(huán)及鎮(zhèn)痛，故對(duì)人體具有安全保健作用。對(duì)于新生兒要注重嬰兒的承受范圍和感覺，既要喚醒嬰兒，又不能對(duì)嬰兒造成傷害，該電路能輸出模擬人手的按摩針灸，其強(qiáng)度可調(diào)。各種元器件均為市場(chǎng)上的普通元件，電感為普通色環(huán)電感，輸出部分應(yīng)采用專用的貼片。自救模塊的芯片采用EMC78P156，為了安全起見電路設(shè)計(jì)采用9 V直流供電，可將50～60 Hz轉(zhuǎn)換為0.1～1 Hz，屬于新生兒可承受的范圍[10]。

2.1 電路主要部分實(shí)現(xiàn)解析

(1)控制電路。由滑動(dòng)變阻器、單片機(jī)及蜂鳴器組成，按對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)變阻器，對(duì)應(yīng)的功能輸出，對(duì)應(yīng)不同高低的蜂鳴音量，模式強(qiáng)度可調(diào)，一般輸出強(qiáng)度為能耐受為宜，不宜太強(qiáng)。

(2)升壓電路。在P5.2口輸出一定脈寬、頻率的方波，用來(lái)使Q1處于開關(guān)狀態(tài)，電源通過L1，Q1，D1，C1組成的升壓電路，在電容C1兩端產(chǎn)生比電源高出數(shù)倍的電壓。如果要加大強(qiáng)度，只需加寬輸出信號(hào)的時(shí)間，強(qiáng)度變化不可太大，應(yīng)逐步加強(qiáng)，否則嬰兒身體會(huì)難以忍受[11]。

(3)波形控制及輸出電路。輸出波形時(shí)先使升壓電路工作，然后輸出時(shí)的波形是相同的，只是相位相差

180

o。這樣可以在輸出端得到2個(gè)輸出端同樣的感覺，不會(huì)出現(xiàn)只有一個(gè)端口有感覺，而另一端口無(wú)感覺的現(xiàn)象[12]。在本套系統(tǒng)的2個(gè)端口中，可以分別控制輸出電路的通、斷以及升壓電路的電壓模擬按摩手法。

(4)無(wú)輸出自動(dòng)停止電路。此電路是在輸出無(wú)負(fù)載的情況下無(wú)電流流經(jīng)，其上面無(wú)電壓降，無(wú)基極電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)高電平時(shí)間＞5 s則表示無(wú)負(fù)載，自動(dòng)停止；如果有負(fù)載則有電流流過；D端、Q端有基極電壓則處于導(dǎo)通狀態(tài)，P端口得到低電平則表示有負(fù)載，避免漏電流以及誤操作[13]。

2.2 自救模塊硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

借鑒監(jiān)護(hù)儀心電導(dǎo)聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)，患者端導(dǎo)聯(lián)設(shè)計(jì)是本研究的獨(dú)特之處，其采用導(dǎo)聯(lián)和電極片傳導(dǎo)低頻脈沖電流，真實(shí)模仿按摩針灸的效果，且不會(huì)灼燒皮膚[14]。導(dǎo)聯(lián)線設(shè)計(jì)為可插拔式，電極片為專用電極片，以充分接觸嬰兒身體。從設(shè)計(jì)美觀的角度而言，電極片的應(yīng)用更簡(jiǎn)潔得體，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)可與心電導(dǎo)聯(lián)線合并在一個(gè)端口上，而其中有2根導(dǎo)聯(lián)則用于自救喚醒功能。電極片將成為一種可更換式的一次性耗材，便于貼在腳掌及其他部位，既衛(wèi)生安全又合理利用其成熟技術(shù)。本研究設(shè)計(jì)的自救模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自救模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及患者端導(dǎo)聯(lián)示意圖

3 結(jié)論

本研究通過對(duì)新生兒呼吸暫停的病理解析，在設(shè)計(jì)中以多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀為平臺(tái)，以提取并處理呼吸暫停信號(hào)為嵌入點(diǎn)，研發(fā)以低頻脈沖電流為喚醒方式的自救模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新生兒呼吸暫停監(jiān)測(cè)自救的功能，主要完成了自救硬件電路、患者端導(dǎo)聯(lián)電極片的設(shè)計(jì)，其主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控新生兒的呼吸狀況，當(dāng)有呼吸暫停發(fā)生時(shí)則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且觸發(fā)自救模塊喚醒嬰兒，從而使新生兒恢復(fù)自主呼吸[15]。本設(shè)計(jì)將自救功能加載在監(jiān)護(hù)儀上最為合理，便于嬰兒復(fù)蘇后的監(jiān)護(hù)。在未來(lái)，這一技術(shù)有望應(yīng)用于治療成人及老年人的“睡眠呼吸暫停綜合癥”，使監(jiān)護(hù)儀可增添新的急救功能。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有待應(yīng)用該技術(shù)研制形成獨(dú)立單機(jī)，以便將其檢測(cè)功能同時(shí)應(yīng)用在臨床診療中。

[1]黃曉波,祈春蕾,王建鋒,等.nCPAP治療對(duì)OSAHS患者CRP及IL-6水平的影響[J].寧夏醫(yī)學(xué)雜志, 2013,35(10):896-898.

[2]中華醫(yī)學(xué)會(huì)呼吸病學(xué)分會(huì)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.

[3]黃明芳.低溫射頻消融術(shù)治療阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征的臨床療效[J].中國(guó)當(dāng)代醫(yī)藥,2010,17(2): 161.

[4]丁莉,張薔.阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征與心率變異性的相關(guān)性研究進(jìn)展[J].中國(guó)老年保健醫(yī)學(xué),2010, 8(6):45-46.

[5]潘佚,邱蕾.國(guó)產(chǎn)便攜式血糖儀功能改進(jìn)及低功耗設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代儀器與醫(yī)療,2013,19(1):38-40.

[6]肖敏,蔡光卉,張榆鋒.一種呼吸信號(hào)檢測(cè)方法[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2008,27(3):188-192.

[7]張鵬飛,拜軍,荊西京,等.一種基于能量譜非接觸呼吸暫停檢測(cè)技術(shù)的研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2012, 33(11):13-15.

[8]孟倩,鄭利星,郭紅蕊,等.胎心聲音存儲(chǔ)回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床,2013,17(2):184-186.

[9]黃呈鳳,張慶勇,牛雷雷,等.檢測(cè)儀設(shè)置對(duì)呼吸機(jī)性能檢測(cè)的影響研究[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2012,9(7):21-25.

[10]郭國(guó)法,張開生.基于脈象傳感器的睡眠監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(5-1):146-147.

[11]許敏光,閆偉,趙紅,等.呼吸機(jī)的質(zhì)量控制及分析[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2013,10(7):24-25.

[12]周洪建.HHT譜分析方法在利用ECG信號(hào)檢測(cè)睡眠呼吸暫停中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2009, 26(4):1309-1313.

[13]張瑞華,葉逢春,一種具有自動(dòng)補(bǔ)償功能的呼吸信號(hào)檢測(cè)電路[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2009,30(3):62-63,65.

[14]張永瑞.電子測(cè)量基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1994:1-300.

[15]鄧親愷.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理[M].北京:科學(xué)出版社,2004:1-527.

Development of self-help modules of neonatal apnea monitor

GUAN Ji, GAO Lei, ZHAN Ning-bo, et al
China Medical Equipment,2015,12(7)∶40-43.

Objective∶ To develop a new platform based on neonatal monitors, and achieve selfhelp function system. Methods∶ The extraction of apnea signal to trigger the monitor developed by the self-help module, breaking the traditional motor vibration wake principle in favor of the development of low-frequency pulse simulated acupuncture massage, deep wake newborn. Results∶After studying systematic analysis of low frequency pulse current, pulse was found superior to the traditional wake-up mode, you can quickly stimulate the nervous system, so that the newborn resume spontaneous breathing is the best stimulus conduction methods. Conclusion∶ The method design is reasonable, accurate and reliable, is a simple and effective, non-invasive, non-interference, low-cost self-help tools apnea for industry reference.

Neonatal apnea; Monitors; Frequency pulse current wake; Apnea self-help

1672-8270(2015)07-0040-04

R197.324

A

管吉,男,(1990- ),本科學(xué)歷，技師。解放軍第302醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障管理中心，從事醫(yī)療設(shè)備維修和質(zhì)量控制管理工作。

2015-01-07

①解放軍第302醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障管理中心 北京 100039

②解放軍總醫(yī)院門診眼科 北京 100853

*通訊作者：1973521767@qq.com