一種可穿戴式睡眠呼吸暫停綜合征監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究

摘要：本文針對睡眠呼吸暫停綜合征的潛在危害，提出了一種基于藍牙的可穿戴式呼吸監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計。通過該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測到睡眠呼吸暫停綜合征的睡眠呼吸狀態(tài)。可穿戴技術(shù)能實現(xiàn)鼻部溫度的低負荷獲取;藍牙實現(xiàn)低功耗無線傳輸且方便與Android智能手機通信，保證整夜睡眠過程中對病人的連續(xù)實時監(jiān)護和報警。

關(guān)鍵詞：穿戴式;藍牙傳輸;呼吸監(jiān)測

睡眠呼吸暫停綜合征（Sleep Apnea Syndrome， SAS）是一種在睡眠過程中上呼吸道阻塞、呼吸暫停，具有潛在生命危險的疾病，常發(fā)生于打鼾人群中，能使人呼吸驟停發(fā)生猝死，也是心腦血管病的重要誘因之一[1，2]。因此，在夜間對SAS進行實時監(jiān)測具有十分重要的意義。臨床上將連續(xù)睡眠7h過程中發(fā)生30次以上呼吸暫停，或平均每小時低通氣的次數(shù)超過5 次作為SAS的診斷標準。目前對睡眠呼吸的監(jiān)測采用的設(shè)備是多導睡眠儀[3]，此設(shè)備監(jiān)測準確度高，是SAS診斷的專業(yè)設(shè)備，但外形較大，外接導聯(lián)比較多，佩戴繁瑣，操作復雜，價格較高，適合于重癥SAS患者在醫(yī)院中使用。對于癥狀較輕的SAS患者，平時沒有癥狀，偶然感覺呼吸不順暢，一般持續(xù)數(shù)十秒鐘，等日間到醫(yī)院做呼吸檢查時，癥狀已經(jīng)消失，醫(yī)生難以對病人確診。

本文提出了一個基于手機APP的SAS無線監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)可以通過溫度傳感器測量鼻部的溫度，再通過藍牙技術(shù)將測量到的溫度傳輸?shù)绞謾C上，在手機APP上進行數(shù)據(jù)存儲、讀取和曲線繪制，當符合SAS判斷時會發(fā)出報警聲音提醒。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1，該系統(tǒng)由鼻部溫度檢測電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、主控制器及藍牙傳輸?shù)葐卧M成。

將溫度傳感器粘附于鼻下部，當呼吸氣流經(jīng)過熱敏電阻時，傳熱條件發(fā)生變化，熱敏電阻阻值隨之變化，放大器的輸入端電壓產(chǎn)生變化，經(jīng)放大器放大后輸出與呼吸氣流溫度相對應(yīng)的電壓信號。再通過AD轉(zhuǎn)換，由單片機計算出體溫的大小經(jīng)藍牙無線傳輸模塊發(fā)送給智能手機進行實時監(jiān)測和報警。

2.硬件設(shè)計

2.1測溫電路及前置放大電路

溫度采集模塊采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度傳感器，其阻抗隨著溫度的變化而變化。測溫電路要具有高靈敏度、高精度等特點。同時收集到的信號較弱，還需要將信號進行放大。選擇體溫傳感器時主要應(yīng)考慮以下幾點：（1）符合醫(yī)用體溫測量的精度要求，誤差小于0.1℃;（2）操作簡便，可以快速使用溫度計;（3）傳感器外殼密封，表面柔滑，最好兼具抑菌和抗消毒功能;（4）數(shù)據(jù)的控制和傳輸無需人工參與;（5）具有測量誤差補償功能，以解決電阻老化所致的溫度漂移問題[4]。

2.2主控制器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

主控電路主要涉及對模數(shù)轉(zhuǎn)換接口和藍牙模塊的控制。可采用STM32為主控微控制器單元（micro control unit，MCU），其內(nèi)置Cortex-M3，采用ARM V7架構(gòu)，是一款超低功耗和無線應(yīng)用型的芯片。整個監(jiān)測系統(tǒng)通過主控MCU采集所有生命體征。

可選用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD7705為16位、低成本、Σ-Δ型ADC，采用SPI、QSPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接。還具有寬動態(tài)范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低功耗（3V時最大功耗為1mW）等特點，非常適合儀表測量、直流和低頻交流測量等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.3藍牙模塊

低功耗藍牙即BLE是藍牙4.0的核心規(guī)范，有可靠性高、低成本、低功耗、傳輸距離長（60～100米）、快速啟動和安全性高等優(yōu)點。設(shè)定好工作頻率，建立藍牙主從及的連接和通訊，將得到的體溫值以一定的頻率通過藍牙從機發(fā)出去，手機作為藍牙主機進行提問數(shù)據(jù)的接收。

3.軟件設(shè)計

3.1單片機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中單片機的主要功能是通過相關(guān)的寄存器，發(fā)出控制指令，控制并讀取經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出的并行數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，數(shù)據(jù)通過單片機引腳經(jīng)串口輸出，并控制單片機與藍牙模塊的通信。

3.2監(jiān)控軟件算法設(shè)計

手機端監(jiān)控軟件流程如圖2。

4.系統(tǒng)效果

監(jiān)測開始時，手機APP設(shè)置個人基本參數(shù)，呼吸的實時情況可以在手機APP端進行數(shù)值和曲線顯示，同時自動判斷是否滿足SAS條件，如果滿足，可通過手機端發(fā)出報警信號以提示旁人進行處理或喚醒病人進行睡眠狀態(tài)調(diào)整。

5.討論

人體的呼吸過程有很多表現(xiàn)，主要為口鼻部氣流和溫度的變化，胸腔和腹腔的收縮和舒張引起的壓力變化。常見的檢測方法有：

①壓力法[5，6]，人體呼吸時，呼氣和吸氣產(chǎn)生周期性變換，呼吸道和胸腹部也會隨之產(chǎn)生周期性形變。壓力傳感器即是通過測量這種周期性形變來測定呼吸頻率的。這種接觸式的測量方法會給胸腹施加一定的預(yù)壓力，使受試者感到一些不適;

②溫度法[7]，利用某些材料或元件與溫度有關(guān)的物理特性，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電參量的變化。呼吸氣流的溫度變化幅度較小（1～2℃），采集口鼻部呼吸溫度的傳感器一般是負溫度系數(shù)熱敏電阻;

③阻抗法[8]，通過檢測胸腔上的阻抗變化，采集人體的呼吸信號，此法需在胸腔綁上電極，使患者有不適感，造成睡眠不深，可能會影響呼吸暫停癥狀的出現(xiàn)，從而影響監(jiān)測的準確性。考慮到SAS發(fā)生時，其臨床表現(xiàn)為口鼻氣流停止，而胸腹式呼吸仍存在，所以本文選用溫度法來監(jiān)測鼻部呼吸。

本文針對睡眠呼吸暫停低通氣綜合征對人體鍵康的危害，提出了一種可穿戴的、基于藍牙的、便攜式人體呼吸參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)能與智能手機通信，可以在不影響病人正常睡眠的情況下記錄、分析和預(yù)警呼吸情況，幫助醫(yī)生進行診斷，做到早發(fā)現(xiàn)、早治療。

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（作者單位：南京市金陵中學）