睡眠呼吸遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

龔國麗，曾建，李旦，干峰

中山大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 設(shè)備科，廣東廣州 510060

睡眠呼吸遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

龔國麗，曾建，李旦，干峰

中山大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 設(shè)備科，廣東廣州 510060

本文設(shè)計了一款睡眠呼吸遠程監(jiān)測系統(tǒng)，以幫助睡眠呼吸暫停綜合征患者進行日常的家庭保健或日常監(jiān)測。首先基于LabVIEW虛擬軟件平臺開發(fā)應(yīng)用程序，采用基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）的網(wǎng)絡(luò)模式實現(xiàn)遠程監(jiān)護和控制功能，然后通過模擬仿真實驗采集人體的阻抗信號及血氧飽和度進行系統(tǒng)測試驗證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地讀取患者生理參數(shù)，并實現(xiàn)遠程監(jiān)護。該系統(tǒng)不但能幫助醫(yī)護人員遠程監(jiān)測患者的睡眠呼吸狀況，還能為社區(qū)醫(yī)療或家庭護理提供一種新的診斷模式。

睡眠呼吸暫停綜合征；阻抗信號；血氧飽和度；遠程監(jiān)護

0 引言

隨著人們對睡眠質(zhì)量關(guān)注與重視程度的提高，與睡眠疾病監(jiān)測及診斷相關(guān)的研究漸漸興起。睡眠呼吸障礙疾病是影響睡眠質(zhì)量的主要因素，而睡眠呼吸障礙疾病以阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（Obstructive Sleep Apnea Syndrome，OSAS）最為常見，容易造成血氧不足、血碳酸過多以及心臟損失等病癥。由于睡眠呼吸疾病具有潛在的致死性[1-2]，在社區(qū)醫(yī)療或家庭護理中對該類患者進行長期有效的實時監(jiān)測和預(yù)警尤為重要。

目前睡眠呼吸暫停綜合征診斷的金標(biāo)準(zhǔn)是通過多導(dǎo)睡眠記錄儀（Polysomnography，PSG）[3]進行睡眠監(jiān)測，但存在價格昂貴、操作復(fù)雜等缺點，難以滿足家庭或社區(qū)日常保健的需求。因此，針對家庭或社區(qū)保健對睡眠呼吸疾病監(jiān)測的需要，結(jié)合遠程醫(yī)療的發(fā)展熱點[4-5]，本文設(shè)計了一款便攜式的睡眠呼吸疾病遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）的網(wǎng)絡(luò)模式實現(xiàn)遠程監(jiān)護和控制，通過采集受試者不同呼吸狀態(tài)下的阻抗信號以及血氧飽和度，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，從而驗證系統(tǒng)的可行性，為開發(fā)提供實驗支持。

1 檢測方法

臨床上將夜間睡眠過程中呼吸暫停或低通氣反復(fù)發(fā)作30次以上，或平均每小時內(nèi)發(fā)生呼吸暫停與低通氣的次數(shù)超過5次并伴有嗜睡作為睡眠呼吸暫停綜合征的診斷標(biāo)準(zhǔn)。睡眠呼吸暫停是指睡眠過程中口鼻呼吸氣流停止超過10 s以上，低通氣是指睡眠呼吸氣流降低30%以上并伴有血氧飽和度下降≥4%。由此可見，睡眠呼吸檢測的主要參數(shù)是呼吸信號和血氧飽和度。

睡眠呼吸信號常見的檢測方法有：① 壓力法，根據(jù)壓力傳感器監(jiān)測呼吸運動產(chǎn)生的瞬時壓力變化來檢測呼吸信號[6]；② 溫度法，利用溫度傳感器捕獲元器件溫度發(fā)生變化時，檢測電路檢測到的轉(zhuǎn)換電量來獲取呼吸信號[7]；③阻抗法，通過檢測呼吸時胸腔的阻抗變化檢測人體呼吸信號[8-9]，該方法是目前呼吸監(jiān)測設(shè)備中最為常用的技術(shù)[10]，具有無創(chuàng)、簡單、安全、廉價等優(yōu)點。血氧飽和度的檢測主要分為有創(chuàng)檢測法和無創(chuàng)檢測法[11]，無創(chuàng)檢測法主要是基于朗伯-比爾定律檢測光信號變化引起的生理信號變化，從而計算血氧飽和度，可有效克服有創(chuàng)檢測容易造成感染以及無法連續(xù)實時監(jiān)測的缺點。

本系統(tǒng)采用阻抗法和透射式無創(chuàng)檢測法來檢測人體呼吸信號和血氧飽和度作為監(jiān)測參數(shù)。

2 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)整體框架，見圖1。系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成，硬件：采用美國Biopac生理記錄儀采集人體生理數(shù)據(jù)；軟件：采用LabVIEW軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、分析、存儲及遠程預(yù)警等功能。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)中人體生理數(shù)據(jù)的采集是通過美國Biopac生理記錄儀實現(xiàn)的。使用100 μA及50 kHz激勵電流的EBI100C雙通道模塊測量胸腹部阻抗信號，使用OXY100C放大器、TSD123系列傳感器采集血氧飽和度。在采集數(shù)據(jù)前，需預(yù)先進行血氧飽和度模塊定標(biāo)。

4 軟件設(shè)計

采用LabVIEW虛擬程序作為開發(fā)平臺，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、運算以及結(jié)果顯示和遠程預(yù)警功能。睡眠呼吸暫停低通氣檢測流程，見圖2。

本系統(tǒng)采用基于B/S模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對需要長期監(jiān)控的睡眠呼吸疾病患者，醫(yī)護人員可通過瀏覽器遠程訪問并實時動態(tài)監(jiān)測患者睡眠呼吸疾病的發(fā)展趨勢[12]。當(dāng)監(jiān)護對象的生理參數(shù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)軟件會以報警閃屏的方式提示異常情況，方便醫(yī)務(wù)人員及時提供遠程醫(yī)療幫助。遠程監(jiān)測交互界面，見圖3。若監(jiān)護終端沒有安裝LabVIEW軟件，同時需要進行遠程控制，就必須安裝LabVIEW Run-Time引擎，并確保遠程監(jiān)控的VI處于打開狀態(tài)。

圖2 睡眠呼吸暫停低通氣檢測流程

圖3 遠程監(jiān)測交互界面

5 測試驗證

有關(guān)研究表明，模擬呼吸阻塞或暫停的實驗用以仿真真實睡眠呼吸暫停綜合征具有一定的參考性[13-14]。本實驗擬通過募集正常人來模擬呼吸阻塞或暫停，采集呼吸運動信號幅值變化及血氧飽和度數(shù)據(jù)，從而驗證系統(tǒng)的可信度。本研究選取了10位受試者進行模擬仿真實驗，所有受試者均為學(xué)生，年齡24～31歲，身體指數(shù)（Body Mass Indexes，BMI）21～24，均無呼吸疾病或其他重大疾病。在測試開始前向所有受試者闡述本次實驗的流程。測量數(shù)據(jù)，見表1。

通過統(tǒng)計分析（配對t檢驗）得出，受試者在各狀態(tài)下的呼吸阻抗幅值均值間具有顯著性差異（P＜0.05）；血氧飽和度在正常狀態(tài)與呼吸暫停狀態(tài)具有顯著性差異，在阻塞和暫停兩種狀態(tài)沒有明顯差異。因此通過仿真實驗進行系統(tǒng)驗證是可行的。通過反復(fù)運行系統(tǒng)得出呼吸暫停低通氣指數(shù)（Apnea Hypopnea Index，AHI），與人工記錄次數(shù)比較，可以得出監(jiān)測結(jié)果與測試數(shù)據(jù)基本一致，從而證實了系統(tǒng)的可靠性。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

6 小結(jié)

隨著人們家庭保健意識的不斷增強，社區(qū)家庭式的睡眠呼吸暫停綜合征檢測儀有著廣闊的應(yīng)用前景[15]。本文針對睡眠呼吸疾病人群的差異性，以呼吸阻抗信號及血氧飽和度為監(jiān)測參數(shù)，基于LabVIEW虛擬軟件平臺開發(fā)應(yīng)用程序，構(gòu)建遠程監(jiān)測及預(yù)警評價系統(tǒng)，不僅可以幫助醫(yī)護人員遠程掌握患者疾病的變化趨勢，還有利于慢性疾病的長期監(jiān)測，在一定程度上提高了診斷的準(zhǔn)確率，具有一定的篩查意義。

[1] 王蓓.睡眠呼吸障礙與冠心病及心律失常[J].中國呼吸與危重監(jiān)護雜志,2010,9(1):2-4.

[2] 葉志前,鄭濤,裘利堅.睡眠監(jiān)護技術(shù)的發(fā)展[J].國外醫(yī)學(xué)(生物醫(yī)學(xué)工程分冊),2003,26(6):244-248.

[3]中華醫(yī)學(xué)會呼吸病學(xué)分會睡眠呼吸疾病學(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,2002,25(4):195-198.

[4] 薛詩靜,高帥鋒,高平.可穿戴式心電監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2015,30(1):6-9.

[5] 賈文娟,白燕萍,繩秀君,等.生理多參數(shù)遠程監(jiān)護系統(tǒng)的研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2009,24(8):76-78.

[6] 李靜,薛培麗,韓芳,等.壓力傳感器監(jiān)測呼吸氣流在診斷睡眠呼吸障礙中的價值[J].廣東醫(yī)學(xué),2007,28(1):13-15.

[7] 彭思,陳淑鈴,宋愛國,等.用于呼吸暫停綜合征的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2008,21(8):1325-1328.

[8] Sepp? VP,Viik J,Naveed A,et al.Signal waveform agreement between spirometer and impedance pneumography of six chest band electrode configurations[C].World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering,2009,25:689-692.

[9] 汪洪彬,周恒艷,張春健.基于電阻抗技術(shù)的多通道呼吸監(jiān)測系統(tǒng)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2013,32(6):601-605.

[10] 席濤,楊國勝,湯池.呼吸信號檢測技術(shù)的研究進展[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2004,25(12):26-28.

[11] 阮程,徐寅林,羅珺.無創(chuàng)血氧飽和度檢測儀的研究[J].儀表技術(shù),2011,(1):52-53.

[12] 陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW 8.2程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:308-315.

[13] Bradley TD,Hall MJ,Ando SI,et al.Hemodynamic effects of simulated obstructive apneas in humans with and without heart failure[J].Chest,2001,119(6):1827-1835.

[14] Tang J,Rosen CL,Larkin EK,et al.Identification of sleepdisordered breathing in children: variation with event definition[J].Sleep,2002,25(1):72-79.

[15] 孫小青,殷敏,程雷.便攜式睡眠監(jiān)測儀在阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征診斷中的應(yīng)用[J].中華臨床醫(yī)師雜志(電子版),2011,5(6):1695-1697.

Design of a Remote Sleep Respiration Monitoring System

GONG Guo-li, ZENG Jian, LI Dan, GAN Feng
Department of Equipment, Sun Yat-Sen University Cancer Hospital, Guangzhou Guangdong 510060, China

A remote sleep respiration monitoring system was designed in this paper to help patients with sleep apnea syndrome for household healthcare or daily monitoring. Firstly, the application was developed based on the LabVIEW virtual software platform, which used the B/S (Browser/Server) network mode to realize remote monitoring and control functions. Then, the system was tested and validated by acquisition of human impedance signal and blood oxygen saturation in simulation experiment. According to the results, the system could accurately read the patients’ physiological parameter data, and realize the remote monitoring functions. The system not only can help medical personnel in remote monitoring of patients’ sleep conditions, but also can provide community health care or home care with a new diagnosis model.

sleep apnea syndrome; impedance signals; blood oxygen saturation; remote monitoring

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.010

1674-1633(2016)06-0050-03

2016-02-01

2016-03-01

作者郵箱：582569819@qq.com