一種適用于床旁非接觸監(jiān)測(cè)睡眠呼吸暫停的報(bào)警裝置

郭云出，馬洋洋，卓雁文，朱明明,2，李釗，雷濤，張自啟，路國(guó)華

1. 空軍軍醫(yī)大學(xué) a. 學(xué)員五大隊(duì)十七隊(duì)；b. 軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，陜西 西安 710032；2. 西寧聯(lián)勤保障中心 藥品儀器監(jiān)督檢驗(yàn)站，甘肅 蘭州 730050

引言

隨著人們健康意識(shí)的不斷增強(qiáng)，越來越多的人希望可以對(duì)威脅生命安全的身體異常做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防。睡眠呼吸暫停綜合征是一種具有潛在危險(xiǎn)且發(fā)病率高的常見疾病，它會(huì)造成睡眠過程中氣道嚴(yán)重阻塞，口鼻氣流減少甚至中斷，臨床癥狀主要為睡眠時(shí)鼾聲突然中斷，無法呼吸或者呼吸困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到人體的生命安全[1]。

目前，市場(chǎng)上的睡眠呼吸暫停監(jiān)測(cè)裝置主要有多導(dǎo)睡眠生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀、睡眠床墊、微型擴(kuò)音器和腕式活動(dòng)記錄儀等。這些設(shè)備的監(jiān)測(cè)精度較高，不易受人體運(yùn)動(dòng)或其他外界干擾的影響，但是它們均為接觸式的監(jiān)護(hù)設(shè)備，在使用時(shí)需要患者一直佩戴，這種方式會(huì)限制人的自由，給患者帶來嚴(yán)重心理負(fù)擔(dān)，進(jìn)而影響休息，也會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)區(qū)分困難的難題。尤其是在遇到因皮膚燒傷、皮膚上有傷口等導(dǎo)致無法貼電極片或者綁帶的患者時(shí)，這類設(shè)備使用受限。

為此，本研究創(chuàng)新性地采用非接觸測(cè)量的方式，在保證使用者睡眠自由、無干擾的條件下，對(duì)使用者呼吸和心跳參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示，并在發(fā)生睡眠呼吸暫停綜合征時(shí)及時(shí)報(bào)警。

相比市面上現(xiàn)有的主流監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，本裝置具有以下兩大優(yōu)勢(shì)：① 本裝置使用的傳感器是生物雷達(dá)[2-4]，通過收發(fā)高頻電磁波的方式監(jiān)測(cè)人體呼吸、心跳信號(hào)，無須與用戶產(chǎn)生任何身體接觸，可以保證用戶睡眠時(shí)不會(huì)受到監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的干擾，盡可能地保證用戶的睡眠自由和質(zhì)量；② 本裝置體積較小，可以嵌入到合適的裝置中，本文中我們將裝置嵌入到臺(tái)燈中，既可以使該裝置不多占用房屋空間，又能保證臺(tái)燈正常的照明功能，不會(huì)產(chǎn)生諸如找不到地方放置、使用時(shí)需要取出占用空間、收拾麻煩之類的問題，兼顧了美觀性和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括生物雷達(dá)傳感器、單片機(jī)、藍(lán)牙模塊以及報(bào)警所需的LED燈和蜂鳴器。軟件端為Android APP，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示和報(bào)警條件判斷。兩者之間通過HC-06藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線連接，APP接收硬件端的數(shù)據(jù)，并分析處理。當(dāng)軟件端判斷出呼吸暫停綜合征時(shí)，會(huì)向硬件端發(fā)送報(bào)警指令，觸發(fā)硬件端的報(bào)警裝置工作。總體設(shè)計(jì)框圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

1.2 硬件電路實(shí)現(xiàn)

1.2.1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)述

系統(tǒng)硬件包括生物雷達(dá)傳感器、STM32F103C8T6單片機(jī)、HC-06藍(lán)牙模塊、供電裝置、LED燈和蜂鳴器，共6部分。我們將硬件系統(tǒng)嵌入到臺(tái)燈中，使其既具備正常的照明功能，又可同時(shí)進(jìn)行睡眠呼吸暫停的監(jiān)測(cè)。該多功能臺(tái)燈的內(nèi)部構(gòu)造及整體外形如圖2所示。

圖2 多功能臺(tái)燈的內(nèi)部構(gòu)造（a）以及整體外形（b）

1.2.2 生物雷達(dá)傳感器

生物雷達(dá)傳感器采用原第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系電子學(xué)教研室荊西京教授研發(fā)的專利產(chǎn)品[5]，型號(hào)為JC122H-3.3AU2。該傳感器的覆蓋范圍垂直方向±40°，水平方向±16°；檢測(cè)距離2 m；輸出信號(hào)為呼吸心跳信號(hào)；輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為0～3.3 V。生物雷達(dá)發(fā)射微波照射人體，由于人呼吸胸腔微動(dòng)和心臟搏動(dòng)反射而產(chǎn)生回波信號(hào)，根據(jù)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差可以提取生理信號(hào)[6-8]，根據(jù)這兩種信號(hào)頻率不同可加以區(qū)分。一般來講，胸腔起伏面積和位移越大，生物雷達(dá)對(duì)于呼吸信號(hào)的辨別準(zhǔn)確率越高，波形越好。而由于心臟搏動(dòng)快且位移小，易受胸腔運(yùn)動(dòng)干擾，所以生物雷達(dá)對(duì)于心臟搏動(dòng)的信號(hào)拾取能力較弱，準(zhǔn)確率有待加強(qiáng)，由于該裝置主要針對(duì)睡眠呼吸暫停患者，生物雷達(dá)能較好地滿足需求，可靠性高。

1.2.3 STM32F103C8T6單片機(jī)

本系統(tǒng)的單片機(jī)程序[9]是一個(gè)閉環(huán)算法，能夠根據(jù)APP端發(fā)送的指令進(jìn)行相應(yīng)的處理操作，并循環(huán)監(jiān)測(cè)患者的睡眠生理信號(hào)，真正做到時(shí)刻監(jiān)測(cè)患者睡眠時(shí)的生命安全，并進(jìn)行相應(yīng)緊急處置的目的。單片機(jī)的編程軟件為KEIL5，與手機(jī)端通過藍(lán)牙串口通信。

單片機(jī)流程圖如圖3所示。打開電源開關(guān)并接收到手機(jī)端APP的開始指令后，單片機(jī)進(jìn)行初始化配置與引腳設(shè)置；在主函數(shù)中，每隔50 ms（頻率20 Hz）進(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換；累積時(shí)長(zhǎng)2.5 s后，為數(shù)據(jù)添加包頭、包尾，一次性通過藍(lán)牙向手機(jī)端發(fā)送呼吸、心跳信號(hào)，共計(jì)204個(gè)字節(jié)；一直循環(huán)直至接收到報(bào)警指令。

圖3 單片機(jī)流程圖

1.2.4 藍(lán)牙

基于小型化、低耗電和方便使用的考慮，最終決定采用藍(lán)牙模塊HC-06[10-11]，其靈敏度達(dá)到-80 dbm，是低功耗、低成本無線收發(fā)系統(tǒng)。

1.2.5 電池、LED燈和蜂鳴器

由于生物雷達(dá)、藍(lán)牙模塊和單片機(jī)低功耗的特性，出于簡(jiǎn)單考慮，采用兩節(jié)3.0 V干電池為系統(tǒng)供電，以電池盒形式封裝。LED燈包含紅、綠各1支，5 V供電，當(dāng)硬件端接收到報(bào)警指令后，交替連續(xù)閃爍20次。蜂鳴器為有源蜂鳴器，5 V供電，當(dāng)硬件端接收到報(bào)警指令后，間斷響起報(bào)警聲20次。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 Android程序設(shè)計(jì)

安卓 APP 編程軟件為 Android studio 3.3.2，SDK 版本25，支持Android 7.1及以上版本[12]。APP工作流程如圖4所示；其軟件主界面如圖5所示。

圖4 APP工作流程圖

圖5 APP主界面

1.3.2 UI界面設(shè)計(jì)

基于界面適配、簡(jiǎn)潔、美觀和清晰的考慮，查閱相關(guān)的UI設(shè)計(jì)資料，編程時(shí)界面設(shè)計(jì)將按權(quán)重進(jìn)行線性布局的方法和相對(duì)布局的方法結(jié)合起來，成功做到適配任何屏幕大小的手機(jī)，不會(huì)出現(xiàn)因手機(jī)型號(hào)不同造成軟件頁面變形的現(xiàn)象。運(yùn)用以上方法，共完成了5個(gè)主要界面的編程，包括：① 主界面：顯示心率、呼吸率、呼吸波波形，在主界面左上角可添加緊急聯(lián)系人，當(dāng)睡眠時(shí)呼吸出現(xiàn)異常時(shí)提供報(bào)警功能；② 藍(lán)牙連接界面：搜索可用藍(lán)牙設(shè)備；③ 體質(zhì)指數(shù)（Body Mass Index，BMI）和體脂率測(cè)試界面：輸入身高、體重、年齡、性別等參數(shù)顯示BMI和體脂率值，并對(duì)BMI和體脂率分別顯示參考值和建議；④ 睡眠小貼士界面：可以提供呼吸暫停、心率和體動(dòng)的相關(guān)知識(shí)；⑤ BMI知識(shí)界面：可提供BMI的相關(guān)知識(shí)。

1.3.3 呼吸率和心率計(jì)算

每當(dāng)數(shù)據(jù)累積夠10 s時(shí)，即1000點(diǎn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)，執(zhí)行下列算法操作[13-17]：① 0.5 Hz低通濾波；② 去均值濾波（為了去直流和周圍背景噪聲）；③ 0.1 Hz高通濾波；④ FFT變換，判斷其FFT最大分量是否大于設(shè)定的閾值，如果是，則這就是得到的呼吸或心跳的頻率，否則是空采的信號(hào)或者周圍背景噪聲；⑤ 將之上得到的頻率在APP界面上顯示并畫圖。

1.3.4 BMI與體脂率分析

BMI是用體重千克數(shù)除以身高米數(shù)的平方得出的數(shù)字，是國(guó)際上常用的衡量人體胖瘦程度以及是否健康標(biāo)準(zhǔn)之一。當(dāng)我們需要比較及分析一個(gè)人的體重對(duì)于不同高度的人所帶來的健康影響時(shí)，BMI值是一個(gè)中立而可靠的指標(biāo)。中國(guó)參考標(biāo)準(zhǔn)如圖6所示。

圖6 BMI參考標(biāo)準(zhǔn)

體脂率是指人體內(nèi)脂肪重量在人體總體重中所占的比例，又稱體脂百分?jǐn)?shù)，它反映人體內(nèi)脂肪含量的多少。肥胖會(huì)提高罹患各種疾病的風(fēng)險(xiǎn)，例如高血壓、糖尿病、高血脂等。成年人的體脂率正常范圍分別是女性20%～25%，男性15%～18%。體脂率的計(jì)算有多個(gè)公式，為與BMI結(jié)合且計(jì)算所需參數(shù)少?gòu)亩奖丬浖褂谜叩目紤]，采取如式(1)計(jì)算公式：

根據(jù)計(jì)算出來的體脂率數(shù)值和正常范圍值的對(duì)比，軟件會(huì)給出相應(yīng)的建議以方便使用者參考。

1.3.5 睡眠呼吸暫停報(bào)警

睡眠呼吸暫停是指在連續(xù)7 h睡眠中發(fā)生30次以上的呼吸暫停，每次氣流中止10 s以上（含10 s）。我們將監(jiān)測(cè)時(shí)報(bào)警條件設(shè)計(jì)為：當(dāng)連續(xù)3次監(jiān)測(cè)呼吸率異常，即呼吸率小于10次/min或大于45次/min連續(xù)10 s（3次監(jiān)測(cè)時(shí)間7.5 s+延遲2.5 s）進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警方式為向自己輸入的緊急聯(lián)系人號(hào)碼發(fā)送報(bào)警短信，同時(shí)通過藍(lán)牙控制單片機(jī)從而控制LED燈和蜂鳴器工作，工作方式為L(zhǎng)ED燈循環(huán)交替閃爍20次（8 s），與此同時(shí)蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴時(shí)間與LED燈工作時(shí)間相同。發(fā)送報(bào)警短信情況如圖7所示；生理預(yù)警算法框圖如圖8所示。

圖7 APP短信報(bào)警示意圖

圖8 生理參數(shù)預(yù)警算法框圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 探測(cè)距離

將自行研制的呼吸暫停報(bào)警裝置放置于座椅上（高度為0.6 m），受試人員（無呼吸性疾病）靜躺于折疊床上，進(jìn)行自主呼吸。首先將裝置放置于離被測(cè)者所躺折疊床0.5 m處，每次移動(dòng)0.5 m，測(cè)試結(jié)果證實(shí)該裝置有效探測(cè)距離為2 m以上。

2.2 呼吸暫停檢測(cè)準(zhǔn)確率

將自行研制的呼吸暫停報(bào)警裝置放置于座椅上（高度為1.2 m），受試人員（無呼吸性疾病）側(cè)躺于折疊床上，身體正對(duì)生物雷達(dá)傳感器自主呼吸。本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行10組，每次模擬呼吸暫停10次，記錄下實(shí)際報(bào)警次數(shù)，計(jì)算其平均準(zhǔn)確率。從平均準(zhǔn)確率上看，此裝備可靠性高，準(zhǔn)確率高達(dá)96%，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 報(bào)警準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3 討論

本次實(shí)驗(yàn)，只測(cè)試了在正對(duì)短距離情況下對(duì)呼吸暫停的判斷情況。由于雷達(dá)性能的局限性，且在覺醒狀態(tài)下模擬睡眠呼吸暫停較為困難，并未在不同頻率、不同幅度、不同距離和不同睡姿情況下進(jìn)行試驗(yàn)，故頻率、呼吸幅度、雷達(dá)與人體距離以及不同睡姿對(duì)判斷準(zhǔn)確度的影響和最終的綜合判斷算法還有待研究。

本系統(tǒng)具有非接觸測(cè)量的核心優(yōu)勢(shì)，能夠在不影響使用者正常睡眠自由的條件下獲取用戶的呼吸和心跳參數(shù)，并根據(jù)特定算法判斷用戶是否發(fā)生睡眠呼吸暫停綜合征。相比目前市面上主流的測(cè)量方式，比如多導(dǎo)睡眠圖法、睡眠床墊式測(cè)量或腕式活動(dòng)測(cè)量等，本測(cè)量系統(tǒng)給用戶帶來的心理壓力最小，且不會(huì)影響使用者的睡眠空間自由。

此外，本系統(tǒng)的另一特色是小型可嵌入。該系統(tǒng)可以嵌入到一些常見的家居用品中，比如臺(tái)燈、床頭柜或衣柜等。這種嵌入方式一方面可以減少系統(tǒng)所占用戶的生活空間，帶給用戶更少的干擾；另一方面，系統(tǒng)嵌入家具用品的方式，同樣可以消除用戶使用系統(tǒng)時(shí)取出、收回的煩瑣過程，只需在手機(jī)端APP點(diǎn)擊開始測(cè)量按鈕，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶睡眠狀態(tài)。值得一提的是，日常生活中，如果每次測(cè)量都需要將系統(tǒng)取出、再放回，勢(shì)必會(huì)影響用戶的使用體驗(yàn)。因此，相比于多導(dǎo)睡眠圖法等測(cè)量方式，本系統(tǒng)能更加照顧使用者的使用體驗(yàn)，切實(shí)解決用戶生活中可能出現(xiàn)的問題。

綜上，本系統(tǒng)能夠在切實(shí)解決用戶監(jiān)測(cè)預(yù)警睡眠呼吸暫停的基本需求條件上，更加貼合用戶的實(shí)際生活，更加照顧用戶的使用體驗(yàn)，更能受到用戶的青睞，具有更大的應(yīng)用潛力和市場(chǎng)前景，是一款集創(chuàng)新性和實(shí)用性于一體的電子醫(yī)療類新產(chǎn)品。