STM32單機片的智能止鼾器設計

廣州中醫藥大學第一臨床醫學院 武夏林 李丹云

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（OSAHS），俗稱鼾癥，臨床表現有夜間睡眠打鼾伴呼吸暫停和白天嗜睡。目前已成為臨床常見的一大疾病，給人們的生活帶來嚴重困擾，降低生活質量，尤其是睡眠質量，并且可導致高血壓、糖尿病和心血管疾病等并發癥及交通事故，甚至出現夜間猝死，是一種有潛在致死性的睡眠呼吸疾病。相關數據顯示，全球有將近10億人受鼾癥影響，我國30-69歲成年人患病率達23.6%，并呈現出逐年增長趨勢。近年來，國家相關部委積極推動智慧健康的產業部署，促進智能化醫療，鼓勵從預警、保護、預防多角度實現人體保健的“實時電子監控”。隨著社會經濟的發展以及科學技術的進步，亞健康群體對保健產品的需求和要求也在不斷提高，智能家用醫療保健器械表現出較強的市場競爭力。

本文設計制作了一種結合中醫療法的多功能智能止鼾器。止鼾器包括止鼾器主體、約束頭帶及約束頸帶，由主體外殼、按摩模塊、脈沖電流模塊以及鼾聲檢測模塊構成止鼾器主體。鼾聲檢測模塊中預設鼾聲響度設定值，可根據檢測到的數據控制脈沖電流模塊，實現智能調控。按摩模塊可對患者廉泉穴進行按摩緩解作用，約束頭帶可保證止鼾器主體貼附于喉頸位置，防止患者入眠后無意識的摘拔，提高睡眠期間的治療可靠性，起到有效止鼾作用。使用者可在手機端軟件中發送指令實現改變工作模式、設定工作時間等功能，并可查看夜晚鼾聲數據，觀察鼾聲變化趨勢。此項目適用于臥室、辦公室、飛機、高鐵等多種場景。

1 硬件設計

1.1 佩戴部分

佩戴部分的設計主要涉及止鼾器主體外殼、約束頭帶及約束頸帶。

主體外殼為C字形殼體，采用硬質塑料制成，其弧形內側面構成用于與人體的喉頸輪廓配合的弧形貼合部，保證佩戴的良好貼合度和舒適性。為了提高佩戴舒適度，C字形殼體的外部包覆有海綿墊層，具有柔軟微彈、吸濕排汗的特性，能夠有效避免在睡眠期間患者的喉頸部出汗嚴重的問題。

約束頭帶與主體外殼連接并形成用于容納人體頭部的第一佩戴空間，通過約束頭帶可將止鼾器主體固定在人體頭部的下巴下側，同時也能夠約束患者的口部在睡眠時出現不自主張開的動作。另外，在C字形殼體上還連接有約束頸帶，與約束頭帶岔開布置，分別連接在C字形殼體的兩端位置，且約束頸帶與主體外殼之間形成用于容納人體頸部的第二佩戴空間。佩戴時，將約束頭帶緊繞在患者的頭部、約束頸帶緊繞在患者的頸部，既可保證按摩模塊對準廉泉穴工作，又可防止止鼾器主體從頸部脫落，提高了睡眠期間的治療可靠性。

約束頭帶具有彈性伸縮段，與C字形殼體之間采用魔術貼粘接連接。具體的，約束頭帶包括中間的第一彈性伸縮段以及兩端的柔性布帶，約束頭帶的柔性布帶與C字形殼體固定連接，其中一端的柔性布帶為斷開式結構，柔性布帶的斷開位置設有第一魔術貼，通過第一魔術貼之間的粘接配合從而使斷開的柔性布帶連接為一體，即實現了約束頭帶的可拆連接，又實現了止鼾器主體佩戴時的松緊可調。頸帶與頭帶的結構相同。

為了適應不同的使用需求，也可直接將約束頸帶省去，僅保留約束頭帶，并且在約束頭帶對應頭頂位置設有網兜結構，通過網兜結構兜緊在患者的頭部。

1.2 按摩部分

按摩模塊位于C字形殼體的容納腔內，包括驅動電機和按摩頭。在主體外殼對應人體的廉泉穴位置設有供按摩頭伸出的通孔，開設于C字形殼體的弧形內側壁上。另外，在C字形殼體容納腔中的弧形內側壁還設有電機安裝座，驅動電機固定連接在電機安裝座上，其主軸與按摩頭連接。按摩頭的形狀為凹字形，按摩頭兩端的凸出部用于與人體皮膚摩擦接觸。當驅動電機工作時，通過主軸轉動帶動按摩頭旋轉動作，按摩頭兩端的凸出部與人體的廉泉穴皮膚摩擦接觸，模擬出傳統按摩手法中的環狀按揉動作，能夠持續刺激廉泉穴，增加局部血液的流動性和溫度，起到清咽利舌通暢氣機的作用，在入眠前期對患者起到有效緩解和預防打鼾的功效。

1.3 鼾聲檢測與脈沖電流部分

鼾聲檢測模塊與脈沖電流模塊電性連接，與電源一同位于C字形殼體容納腔內。鼾聲檢測模塊中，處理器分別與麥克風、呼吸傳感器、存儲器以及脈沖電流模塊電性連接，鼾聲響度設定值設于存儲器中。處理器選用STM32F103R6單片機，其采用CORTEX-M3內核，具有能耗低、成本低和性能良好等特性；麥克風為微型麥克風，呼吸傳感器為PVDF呼吸傳感器，采用麥克風和呼吸傳感器相結合的設計，分別用于檢測患者的鼾聲響度和呼吸頻率，通過鼾聲信號和呼吸信號共同檢測患者睡眠時打鼾的狀態。

電源為鼾聲檢測模塊各部分提供工作所需的電流。脈沖電流模塊中設有脈沖電流發生電路，用于電源輸出的直流電轉化成脈沖電流，其波形為方波脈沖，頻率為1至8Hz，大小約為1毫安遠低于人體的安全電流，可模擬針灸的刺激效果。在C字形殼體的下側面對應人體喉部兩側位置設有兩個導電貼片，與脈沖電流模塊之間連接有導線，通過脈沖電流模塊、導線、導電貼片以及人體皮膚之間形成構成電流回路。鼾聲檢測模塊與脈沖電流模塊電路控制圖如圖1所示。

2 軟件設計

軟件設計主要用于鼾聲檢測與脈沖電流模塊的智能調控。

鼾聲檢測模塊中，麥克風可實時獲取患者的鼾聲，并將鼾聲音頻信號轉化為鼾聲電信號傳輸至處理器中，處理器判斷當前鼾聲是否超過存儲器中預設的鼾聲響度設定值，若是，則控制脈沖電流模塊工作，采用脈沖電流刺激患者體表，使患者自主調整睡眠姿態；若否，則繼續監控。另外，呼吸傳感器的內部具有濾波電路和型號為LM358的放大芯片，濾波電路用于處理環境噪聲及電路本身產生的工頻干擾，放大芯片用于對獲取患者的呼吸振動所產生的微弱電信號進行增強，增強后的呼吸電信號傳輸至處理器，通過處理器判斷患者當前是否處于呼吸暫停的危險情況。通過兩種方式共同監控患者的睡眠狀態，保證了患者處于睡眠期間的安全性。

圖1 鼾聲檢測模塊與脈沖電流模塊電路控制圖

C字形殼體中還設有藍牙接收模塊，其型號為HC05HC05主從一體藍牙模塊，可接收外部藍牙信號并傳輸至處理器中，進而調節鼾聲檢測模塊的鼾聲響度設定值，以及脈沖電流模塊的脈沖電流大小。外部藍牙信號可為使用者手機端，通過開啟手機藍牙與止鼾器的藍牙接收模塊連接，操作手機即可方便調節止鼾器的工作模式和相應參數。鼾聲檢測與脈沖電流模塊智能調控流程圖如圖2所示。

圖2 鼾聲檢測與脈沖電流模塊智能調控流程圖

結語：智能止鼾器是一種新型的醫療保健器械，該設計基于STM32單機片在睡眠期間止鼾的基礎之上，增加了結合中醫按摩療法、腧穴理論的治療作用，并能實時監測睡眠期間的鼾聲情況，預防呼吸暫停，發揮標本兼顧的止鼾效果。隨著健康中國的不斷推進，家用醫療保健器械逐步向智能化發展，智慧健康正走進每一個人的生活。