便攜式睡眠血氧監測系統的設計及實現

趙曉明 何偉 廖彥劍 胡寧

摘要：基于無創光學技術血氧檢測，針對整夜血氧數據的獲取、數據的可視化分析和氧減飽和度指數（0-DI4）參數的計算，提出了一套包括便攜式睡眠血氧監測和數據可視化分析軟件的系統解決方案，對系統的各項指標進行測試，滿足對睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（sAHS）等疾病的初篩要求。

關鍵詞：血氧飽和度;數據可視化;氧減飽和度指數

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）36-0203-02

整夜的血氧監測對于初篩一些慢性疾病具有重要的應用價值，ODI4定義為在每小時睡眠過程中，血氧飽和度值下降≥4%的次數。國內外的相關研究指出：ODI4是SAHS較好的篩查指標，能夠較好地反映SAHs嚴重程度，選用適當的ODI4標準對SAHS患者具有較高診斷價值，單純的血氧監測在國內被認為是一種簡易的SAHS初篩診斷方法。因此，本文旨在設計一套可對血氧進行連續監測、并對SAHS等疾病進行初篩的便攜式睡眠血氧監測系統。

一、系統的整體設計架構

便攜式睡眠血氧監測系統設計主要由基于單片機便攜式睡眠血氧監測軟硬件設計和基于Pc機數據可視化分析軟件設計構成，系統整體架構圖如圖1所示。

系統整體功能指標要求如下所示：（1）睡眠監測數據的讀取和儲存。（2）整夜監測數據變化曲線的繪制。（3）睡眠血氧醫學參數的計算，主要包括：最低血氧飽和度（LSpO2）、平均血氧飽和度（MSpO2）、血氧飽和度低于90%占有效記錄時間的百分比（TS90%）、睡眠過程中每小時血氧飽和度值下降≥4%的次數（ODI4）。

二、系統設計方案及實現

便攜式睡眠血氧監測系統設計包括：便攜式睡眠血氧監測單片機硬件設計、便攜式睡眠血氧監測單片機軟件設計、Pc機數據可視化分析軟件設計三個部分。

（一）便攜式睡眠血氧監測單片機硬件設計

硬件采用雙電源供電方案，在睡眠監測時通過鋰電池進行供電，當設備通過USB連接上位機時，自動切換為USB供電，同時對設備進行充電。硬件實物圖如圖1所示。

（二）便攜式睡眠血氧監測單片機軟件設計

單片機軟件設計采用了嵌入式實時操作系統FreeRTOSv10.0.0。便攜式睡眠血氧監測單片機軟件包括血氧監測模式、USB通訊模式和關機模式設計。血氧監測模式下的程序流程圖如圖2所示。

用戶可待血氧測量穩定后，手動進入睡眠監測，待睡醒之后，退出睡眠監測。睡眠監測期間的測量數據會被存儲，可以通過配套的數據可視化分析軟件讀取并存儲至上位機。

（三）Pc機數據可視化分析軟件

Pc機軟件設計通過Qt5.10.1平臺進行開發，數據可視化分析軟件能夠讀取便攜式睡眠血氧監測儀中讀取的監測數據，繪制整夜的血氧和脈率變化曲線圖，可以計算包括LSpO2、MSpO2、TS90%、ODI4在內的眾多參數。

三、系統的指標測試及分析

采用University College Dublin Sleep Apnea Database中的血氧飽和度監測數據進行算法測試。對此數據庫中25例疑似SAHS患者的血氧數據，通過數據可視化分析軟件進行計算，得到ODI4、MSpO2、LSpO2、TS90%等參數，并計算各參數與AHl的相關系數，計算結果如表1所示。

由計算結果可得，AHI與0DI4、TS90%成正相關，與MSpOz、LSpO2成負相關，其中與ODI4成顯著正相關。與國內外論文中ODI4與AHI的高相關性結論相一致，證實算法的準確性以及具有實際的應用意義。

四、結束語

采用上下位機結合的便攜式睡眠血氧監測和數據可視化分析軟件的系統解決方案，經測試，能實現血氧長時間連續監測、IDO4算法計算分析、SAHs初篩診斷等功能，滿足相關指標要求，對睡眠呼吸暫停低通氣綜合征等疾病的初篩研究具有重要的應用價值。