基于PVDF壓電薄膜的阻塞型呼吸暫停監(jiān)測(cè)方法*

賈學(xué)斌， 廖曦文， 商春恒， 王云峰,3,4

(1.中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029； 2.中國(guó)科學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇 無(wú)錫 214000；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 101400； 4.新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引 言

阻塞型睡眠呼吸暫停綜合征[1]是一種嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的常見(jiàn)多發(fā)病。阻塞型呼吸暫停綜合征、其為最為常見(jiàn)的呼吸暫停癥狀，本文以阻塞型為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

多導(dǎo)睡眠圖(polysomnography,PSG)監(jiān)測(cè)是診斷和研究睡眠疾病的“金標(biāo)準(zhǔn)”，也是目前診斷阻塞型睡眠呼吸暫停綜合征最常用的方法，但由于監(jiān)測(cè)時(shí)需要粘貼大量的電極、導(dǎo)線，患者的舒適度較差[2]。測(cè)試時(shí)，隨著呼吸和心跳的進(jìn)行，胸腔會(huì)產(chǎn)生微弱的振動(dòng)。這種振動(dòng)可以被聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)壓電薄膜采集到，從而產(chǎn)生相應(yīng)的壓電信號(hào)。壓電信號(hào)可以反映出人體的呼吸、心跳和體動(dòng)等信息。用采集壓電信號(hào)的方式代替PSG可以避免電極和導(dǎo)線對(duì)患者的影響，提高舒適度，具有很好的應(yīng)用前景。本文算法通過(guò)分析人在睡眠狀態(tài)下PVDF壓電薄膜采集到的壓電信號(hào)，來(lái)進(jìn)行阻塞型呼吸暫停的監(jiān)測(cè)。

1 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 壓電信號(hào)采集系統(tǒng)框圖

PVDF[3～5]壓電薄膜可以隨著施加在薄膜上的壓力的變化產(chǎn)生微弱的電荷信號(hào)。采集信號(hào)時(shí)，人躺在放置了PVDF壓電薄膜的床墊上進(jìn)行測(cè)試。PVDF壓電薄膜的引出兩條線路作為差分輸入接入印刷電路板(printed circuit board,PCB)的輸入端。

輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)1.5 V的電壓抬高以保證波形的完整。因?yàn)镻VDF壓電薄膜自身的阻抗一般在108以上，需要利用電荷放大器匹配輸入阻抗并把微弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。人的呼吸信號(hào)的頻率范圍約為0.2～0.8 Hz。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的50 Hz工頻噪聲和人在測(cè)試過(guò)程中的體動(dòng)產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)最終算法的結(jié)果產(chǎn)生影響。為了減小噪聲的影響，放大之后的信號(hào)需要使用截止頻率為5 Hz的二階貝塞爾低通濾波器進(jìn)行濾波處理。

經(jīng)濾波的信號(hào)為模擬信號(hào)，為了方便進(jìn)行算法處理，使用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MK22FN512VLH12型MCU芯片對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣頻率為60 Hz的16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital conversion,ADC)處理。ADC得到數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)微控制器單元(microcontroller unit,MCU)的串口接口輸出至PC端進(jìn)行下一步的處理。

2 信號(hào)預(yù)處理

由串口接收到的壓電信號(hào)需要進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理以濾除不必要的信息才能滿足進(jìn)行算法處理的要求。串口接收到的原始信號(hào)如圖2(a)所示。

圖2(a)中展示的原始信號(hào)中較大的起伏的波形為呼吸信號(hào)的波形，在呼吸信號(hào)上疊加的“毛刺”為由于人體心跳而產(chǎn)生胸沖擊信號(hào)[6]。為了避免胸沖擊和由于1.5 V抬高而產(chǎn)生的基線信號(hào)對(duì)呼吸信號(hào)的干擾，采用小波理論對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理以提取出相對(duì)純凈的呼吸信號(hào)。

首先對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行小波分解。分解使用的小波基為db8小波，分解層數(shù)為10層。再對(duì)分解得到結(jié)果進(jìn)行6層和10層重構(gòu)，分別得到呼吸信號(hào)和基線信號(hào)。將呼吸信號(hào)與基線信號(hào)作差即可得到去掉基線的相對(duì)純凈的呼吸信號(hào)。預(yù)處理的結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2 信號(hào)預(yù)處理

可以看出，預(yù)處理之后的呼吸信號(hào)基本上沒(méi)有原始信號(hào)中的胸沖擊信號(hào)和基線，已經(jīng)滿足了算法處理的要求。

3 呼吸暫停監(jiān)測(cè)算法

經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后的壓電信號(hào)中的一個(gè)完整的呼吸波形如圖3所示。

圖3 小波處理后的呼吸信號(hào)

呼吸過(guò)程包括吸氣和呼氣2個(gè)過(guò)程。吸氣過(guò)程中，隨著氣體進(jìn)入肺部，胸腔的體積變大，對(duì)壓電薄膜的壓力也逐漸增大，產(chǎn)生的電荷量變多，電荷經(jīng)過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓，即為壓電信號(hào)。因此壓電信號(hào)呈現(xiàn)出由A點(diǎn)到C點(diǎn)的上升過(guò)程。呼氣過(guò)程與吸氣的過(guò)程相反，呈現(xiàn)出了從C點(diǎn)到B點(diǎn)的下降的過(guò)程。如果把壓電信號(hào)看作圍繞基線(圖中虛線)上下振蕩的周期波形，其與基線圍成的面積之和可以看作吸氣產(chǎn)生的電荷量和呼氣產(chǎn)生的電荷量變化之和。這是因?yàn)閷?shí)際上吸氣的過(guò)程是電荷放大器電容器充電的過(guò)程，呼吸的過(guò)程是電荷放大器電容器放電的過(guò)程。因此可以用壓電信號(hào)與基線圍成的面積來(lái)表示呼吸的強(qiáng)弱。由壓電信號(hào)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的單位，可以將壓電信號(hào)表示的呼吸強(qiáng)度A的單位定義為V·s，即

A=S1+S2+S3

(1)

在出現(xiàn)呼吸暫停時(shí)，人體呼吸幾乎停止，但由于存在心跳信號(hào)，使得壓電信號(hào)并不是一條線。但是和正常呼吸波形相比，出現(xiàn)呼吸暫停時(shí)壓電信號(hào)與基線圍成的面積明顯要小很多，這為區(qū)分正常呼吸和呼吸暫停現(xiàn)象提供了可能性。出現(xiàn)呼吸暫停時(shí)，呼吸信號(hào)波形圖如圖4所示。

圖4 出現(xiàn)呼吸暫停時(shí)的呼吸信號(hào)

算法開(kāi)始首先采用求極小值方法確定波谷的位置，即圖3中A和B的位置。即把壓電信號(hào)看作函數(shù)，找到其二階導(dǎo)數(shù)大于零的點(diǎn)作為初步的波谷的點(diǎn)。初步確定波谷之后，還要剔除其中波谷值大于零的波谷點(diǎn)和兩個(gè)過(guò)于接近的波谷中的前一個(gè)。完成尋找波谷之后，對(duì)壓電信號(hào)進(jìn)行取絕對(duì)值操作，以便計(jì)算與基線圍成的面積。之后，以波谷點(diǎn)為分界，對(duì)每個(gè)呼吸波形進(jìn)行積分以求出與基線的面積，即為每個(gè)呼吸的呼吸強(qiáng)度A。因?yàn)槊總€(gè)人的呼吸強(qiáng)度都是不同的，因此，在進(jìn)行判斷之前，要取前該測(cè)試者的10次正常呼吸的呼吸強(qiáng)度的均值作為標(biāo)準(zhǔn)呼吸強(qiáng)度A0。之后，對(duì)每次的呼吸的強(qiáng)度進(jìn)行判斷。由于個(gè)體的不同，此處的閾值是以A0為基礎(chǔ)的，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定閾值A(chǔ)th為0.3倍的A0。

根據(jù)呼吸暫停的臨床診斷依據(jù)：呼吸暫停是指睡眠呼吸氣流量降低到50 %以下并持續(xù)10 s以上[7]。除了判斷強(qiáng)度之外，還要判斷低于閾值的呼吸時(shí)長(zhǎng)是否大于10 s，如果滿足條件，則將呼吸暫停次數(shù)加1。重復(fù)上述判斷，直到判斷完最后一個(gè)呼吸波形。圖5為一次測(cè)試中的呼吸暫停算法監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖5 呼吸暫停監(jiān)測(cè)算法結(jié)果

由圖5可知，正常的呼吸波形與出現(xiàn)呼吸暫停時(shí)的波形的呼吸強(qiáng)度存在明顯差異，圖5(b)中的虛線為閾值A(chǔ)th，圖中低于閾值的7次呼吸正是圖5(a)出現(xiàn)呼吸暫停的 7個(gè)時(shí)間段。由此可知，該算法可以識(shí)別出呼吸暫停現(xiàn)象。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

由于并沒(méi)有患有阻塞型呼吸暫停綜合征的患者作為志愿者，可以采用正常人憋氣的方式來(lái)模擬睡眠時(shí)的呼吸暫停狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)由5男5女正常人組成。每位測(cè)試者都躺在鋪有PVDF壓電薄膜的床墊上，測(cè)試共分為2個(gè)階段：1)測(cè)試者正常呼吸2 min;2)測(cè)試自行選擇時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行憋氣。要求憋氣的時(shí)長(zhǎng)在5～12 s之間，2次憋氣的間隔至少為10次呼吸。憋氣的次數(shù)最少為3次，具體次數(shù)由測(cè)試者決定。當(dāng)完成最后一次憋氣之后，需要正常呼吸幾次之后再通知記錄人員測(cè)試結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 人工模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可以看出，測(cè)試的準(zhǔn)確率達(dá)到90 %以上，說(shuō)明本文提出的方法可以較為準(zhǔn)確地判斷出呼吸暫停。

5 結(jié)束語(yǔ)

PVDF壓電薄膜在睡眠監(jiān)測(cè)方向具有很大的潛力。本文介紹了一種基于壓電信號(hào)的阻塞型呼吸暫停監(jiān)測(cè)方法并實(shí)驗(yàn)證明了其具有較高的準(zhǔn)確率。將本文所介紹的方法與藍(lán)牙4.0無(wú)線傳輸模塊結(jié)合可以設(shè)計(jì)出無(wú)線睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從而更好地監(jiān)測(cè)人體睡眠狀態(tài)。