一種非接觸式呼吸暫停檢測與遠程監(jiān)護裝置的設(shè)計

曹育森，雷濤，李釗，朱明明,2，夏娟娟，景裕，路國華

1.空軍軍醫(yī)大學(xué) 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)督檢驗站，甘肅 蘭州 730050

引言

睡眠呼吸暫停綜合征（Sleep Apnea Syndrome，SAS）是一種較為常見的睡眠障礙疾患，引起此類疾病的主要原因為上呼吸道阻塞，它具有較多的并發(fā)癥如高血壓、心律失常、心腦血管疾病及呼吸衰竭等疾病，此類疾病會造成患者睡眠缺陷，工作效率降低，記憶力及反應(yīng)能力削減，從而導(dǎo)致意外事故發(fā)生率上升。呼吸暫停疾病嚴(yán)重危害人體健康，因此設(shè)計一種呼吸暫停檢測與遠程監(jiān)護裝置極其必要。

現(xiàn)階段檢測SAS的主要方法大多采用約束式可穿戴設(shè)備[1]，多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(Polysomnography，PSG)以及呼吸機等檢測儀器對病人呼吸信號進行采集與分析。由 PSG 檢測所得結(jié)果需要通過人為分析及校正，此類方法需要較為昂貴的設(shè)備成本及人力消耗[2]。接觸式的檢測設(shè)備對病人產(chǎn)生約束反應(yīng)，影響病人睡眠質(zhì)量從而降低測試的準(zhǔn)確性。也有使用生物雷達，結(jié)合藍牙近距離傳輸信息的方式[3]，進行呼吸暫停的檢測。但由于藍牙的通信距離較短與抗干擾性較差，因此并不適用于遠程監(jiān)護的醫(yī)護場景。

為此，本文提出一種非接觸的呼吸暫停檢測和遠程監(jiān)護裝置，采用生物雷達實時非接觸式的采集患者呼吸信號，通過LoRa技術(shù)進行實時的遠程的無線傳輸至醫(yī)護站，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及分析，對病人呼吸狀況進行實時的非接觸式遠程監(jiān)護、呼吸暫停預(yù)警以及呼吸狀況記錄，可提高醫(yī)護救治的效率，檢測患者睡眠狀況等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)前端采用生物雷達傳感器采集病人呼吸信號，經(jīng)過STM32單片機以50 ms/次（頻率20 Hz）對被試者呼吸信號進行A/D轉(zhuǎn)換，使用LoRa模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行遠距離實時的無線傳輸[4]。在接收端采用SerialChart上位機對數(shù)字信號進行實時的處理還原為呼吸信號，以便于醫(yī)護人員實時遠程查看病人的呼吸狀況，通過單片機對病人暫停次數(shù)、暫停持續(xù)時間進行記錄。當(dāng)患者出現(xiàn)長時間呼吸異常的狀況時，單片機會啟動蜂鳴器進行呼吸異常報警，及時通知醫(yī)護人員進行查看[5-6]。

呼吸暫停報警設(shè)計主要包括：呼吸數(shù)值處理方案設(shè)計與單片機觸發(fā)蜂鳴器程序設(shè)計：① 通過計算一個周期內(nèi)呼吸信號數(shù)值（BR）的極差（BN），得到區(qū)分呼吸暫停與正常呼吸的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)（BS）；② 由STM32單片機對BR進行周期性的存儲及BN的計算，當(dāng)病人處于正常呼吸階段時，對其呼吸數(shù)據(jù)進行記錄存儲；③ 設(shè)計短時間呼吸異常數(shù)據(jù)存儲，降低環(huán)境干擾，提升檢測準(zhǔn)確率。當(dāng)病人長時間呼吸異常時觸發(fā)蜂鳴器進行及時報警操作，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控芯片

本次硬件電路設(shè)計使用的主控芯片型號為單片機STM32F103C8T6，它是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64 kb，芯 片 集 成 定 時 器 Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等內(nèi)部資源和外設(shè)接口[7-8]。

使用開發(fā)工具KEIL實現(xiàn)C編程并下載至單片機主控模塊[9]，完成將生物雷達采集到的模擬呼吸信號經(jīng)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、LoRa模塊的配置、呼吸信號的遠程傳輸、呼吸數(shù)據(jù)處理判斷、呼吸暫停報警等功能。

2.2 生物雷達

生物雷達的基本原理是：發(fā)射不對稱的寬波束信號，正常人呼吸時的胸腔會對雷達傳感器發(fā)射出來的微波進行反射產(chǎn)生回波信號。將采集到的回波信號經(jīng)過放大與濾波即可得到較為理想的波形，通過觀察這個波形可以觀察患者的呼吸狀況[10-11]。生物雷達傳感器的感知能力極其靈敏，水平角度感知范圍：±40°，垂直角度：±16°，可采用電池供電，體積小、功耗低。

2.3 無線通信模塊

本次設(shè)計采用的LoRa芯片型號為SX1278，通過AT指令的配置將LoRa模塊配置為透明傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ絒12-13]，即發(fā)送端與接收端的信息完全相同，需要將LoRa模塊接收端與發(fā)送端配置為相同的通信地址、信道與速率。LoRa配置流程圖如圖2所示。當(dāng)模塊配置成功后，LoRa模塊配置成功后藍色的LED燈會閃爍兩次然后滅掉[14-15]，串口會將配置信息和傳感器初始化信息打印出來（圖3～4）。

圖2 LoRa配置流程圖

圖3 LoRa配置指示燈

圖4 LoRa配置信息串口打印

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)可視化設(shè)計

在使用傳感器進行硬件開發(fā)的過程中，需要對大量的數(shù)據(jù)進行處理，通過串口調(diào)試助手難以發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的特征，使用特定的數(shù)據(jù)處理軟件或程序，將這些數(shù)據(jù)實時地繪制為可視化的波形圖時，通過觀察波形圖走勢的變化，問題得到了很好的解決。

串口數(shù)據(jù)可視化的方法有很多，如：① 調(diào)用Python的yecharts、matplotlib等工具庫,實現(xiàn)大量串口數(shù)據(jù)波形顯示的效果；② 使用可自主設(shè)計的編程工具LabVIEW[16]，調(diào)用串口數(shù)據(jù)進行處理實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)可視化的目的；③ 使用可自定義編程的串口數(shù)據(jù)可視化工具SerialChart。

本系統(tǒng)通過配置SerialChart軟件，自定義了端口號、波特率、接收數(shù)據(jù)的大小范圍。對波形顯示通道、波形顏色、波形窗口背景顏色進行了合理的設(shè)計。成功地將患者呼吸數(shù)據(jù)實時的繪制為可視化的波形圖，較好地反映了患者呼吸狀況，可以有效地提高醫(yī)護人員的監(jiān)測效率。

3.2 呼吸數(shù)據(jù)分析設(shè)計

3.2.1 呼吸數(shù)據(jù)獲取

由生物雷達采集的人體呼吸信號經(jīng)過STM32單片機進行A/D轉(zhuǎn)換后得到呼吸信號的數(shù)字信號，將ADC轉(zhuǎn)換值進行公式：BR=LSB*（ADC_ConvertedValue）/0.033 的計算，得到一組數(shù)值在0～100范圍內(nèi)的呼吸數(shù)據(jù)BR。通過軟件SerialChart將數(shù)據(jù)實時的繪制為波形圖便于觀察患者呼吸信號的變化狀況。

設(shè)計多組模擬呼吸暫停的對比實驗，觀察呼吸波形圖，得到這一結(jié)論：正常人體呼吸波形較為規(guī)律（圖5），而呼吸暫停的波形是較為平穩(wěn)的（圖6）。從而通過波形圖的變化，實現(xiàn)遠距離、非接觸式、實時地監(jiān)測患者呼吸狀況。

圖5 正常呼吸波形圖

圖6 呼吸暫停波形

3.2.2 呼吸暫停報警

設(shè)計對照實驗，實驗組分為4組：吸氣后呼吸暫停、呼氣后呼吸暫停分別兩組模擬實驗，對照組分為4組：淺呼吸、緩慢呼吸、急促呼吸、深呼吸。模擬不同人群的呼吸狀態(tài)，增加實驗可靠性。全面分析呼吸暫停與正常呼吸的差異，記錄不同類型正常呼吸與呼吸暫停的一個周期內(nèi)的呼吸數(shù)值BR（表1），從集中趨勢、離中趨勢等方面進行分析。

表1 周期性記錄BR

分別計算多組實驗呼吸數(shù)值（BR）的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差，從表2數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以得出結(jié)論：呼吸暫停的呼吸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是低于30的，而這與正常呼吸的對比并不是很明顯。由于生物雷達檢測人體呼吸信號是通過雷達檢測人體呼吸時胸腔產(chǎn)生的震動，不同人群的呼吸習(xí)慣又是不盡相同的，從而使得通過使用上述方法區(qū)分正常呼吸與呼吸暫停的效果并不是很理想。

表2 BR處理結(jié)果

由上述實驗得到如下啟發(fā)：在單個周期中，正常呼吸組的極差總是遠大于呼吸暫停組的極差，由此得到區(qū)分正常呼吸與呼吸暫停的閾值BS。編寫單片機程序?qū)⒑粑鼣?shù)據(jù)周期性地存入數(shù)組中進行最大值與最小值差值BN的計算，當(dāng)這一數(shù)值小于BS時，記錄呼吸暫停次數(shù)、每次暫停持續(xù)時間。當(dāng)患者長時間呼吸異常時觸發(fā)蜂鳴器進行緊急報警，提示醫(yī)護人員及時查看病人狀況。

4 系統(tǒng)性能測試

4.1 患者有效探測距離測試

本系統(tǒng)遠程監(jiān)護患者的方法為觀察醫(yī)護站接收到的呼吸信號實時波形圖，當(dāng)患者出現(xiàn)較長時間呼吸暫停時系統(tǒng)會使用蜂鳴器報警，提示醫(yī)護人員及時查看。經(jīng)多次試驗得出結(jié)論：較為規(guī)律部分的波形為檢測到人體正常呼吸信號，較為平緩且雜亂的波形為檢測到人體呼吸暫停的信號。將生物雷達模塊放置人體胸腔前1 m的位置進行檢測，逐次增加0.5 m。經(jīng)測試，生物雷達檢測人體呼吸信號的有效距離可達2 m以上。

4.2 系統(tǒng)最大通信距離測試

系統(tǒng)采用LoRa無線傳輸?shù)姆绞竭M行通信，在不同環(huán)境下經(jīng)過多組測試結(jié)果分析，得出結(jié)論：系統(tǒng)最大通信距離L最大可達1 km以上（系統(tǒng)無線通信框如圖7所示）。測試通信距離的步驟如下：

圖7 無線通信框圖

（1）在空曠環(huán)境下，將裝置采集發(fā)送端位置固定，改變接收處理端與采集發(fā)送端之間的距離。逐次增加L，測試所得LoRa通信距離L最大可達1.2 km。

（2） 在多房屋遮擋環(huán)境下，將裝置采集發(fā)送端位置固定，改變接收處理端與采集發(fā)送端之間的距離。逐次增加L，測試所得LoRa通信距離L最大可達1 km。

4.3 呼吸暫停報警測試

呼吸暫停報警測試結(jié)果如圖8所示：① 在周期性呼吸暫停檢測中的被試者處于正常呼吸狀態(tài)，系統(tǒng)會記錄呼吸數(shù)據(jù)并提示呼吸正常的信息（Normal Breath）；② 當(dāng)被試者模擬短暫呼吸暫停后系統(tǒng)檢測到呼吸數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)會記錄呼吸暫停次數(shù)（Stop Times）以及每次暫停持續(xù)時間（Pause Time）；③ 當(dāng)被試者處于長時間持續(xù)呼吸異常時系統(tǒng)會啟用蜂鳴器進行報警。如圖9所示，當(dāng)被試者呼吸暫停時間持續(xù)在15 s及以上時系統(tǒng)會提示“warning!!!!!”的信息，同時啟用蜂鳴器進行報警。

圖8 呼吸暫停記錄效果圖

圖9 呼吸暫停報警效果圖

如圖10所示，呼吸信號采集端由生物雷達傳感器、STM32單片機、LoRa模塊、蜂鳴器、開關(guān)等元器件組成，生物雷達傳感器實現(xiàn)人體呼吸信號的采集，經(jīng)過STM32單片機A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后經(jīng)LoRa模塊將呼吸信號遠距離實時傳輸至接收處理端（圖11），它包括STM32單片機、LoRa模塊及蜂鳴器。LoRa模塊將接收到的呼吸信號通過串口通信的方式發(fā)送給STM32單片機進行呼吸暫停的判斷處理，通過蜂鳴器及時反饋病人呼吸暫停情況。

圖10 呼吸信號采集端

圖11 接收處理端

將呼吸暫停檢測裝置放置在與被試人員胸腔距離1.5 m的位置。被試人員每次模擬10次的呼吸暫停，進行報警測試實驗，詳見表3，記錄實際報警次數(shù)進行驗證統(tǒng)計，結(jié)果表示平均準(zhǔn)確率可達94%，得出本系統(tǒng)具有較高的可靠性。

表3 報警準(zhǔn)確率實驗結(jié)果表

5 討論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種適用于醫(yī)護的非接觸式呼吸暫停檢測與遠程監(jiān)護裝置。由生物雷達檢測患者呼吸信號，后經(jīng)LoRa遠距離通信傳輸至醫(yī)護站，實現(xiàn)了患者呼吸信號的檢測和呼吸暫停預(yù)警以及呼吸狀況記錄，可提高醫(yī)護救治效率，檢測患者睡眠狀況等功能。

相比通過測量血壓和心率[17-18]、血氧飽和度[19]以及胸阻抗法[20]的檢測方式，本系統(tǒng)采用非接觸式檢測手段采集人體呼吸信號，使用LoRa無線通信的方式將呼吸信號進行傳輸，通過統(tǒng)計學(xué)分析得出呼吸暫停標(biāo)準(zhǔn)。綜合以上方法，設(shè)計并實現(xiàn)了一種準(zhǔn)確率較高的呼吸暫停檢測與遠程監(jiān)護裝置。此外，該裝置還具有制作成本低、體積小的優(yōu)點，可以更好地推向市場使用。盡管本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)患者呼吸信號的遠程檢測和呼吸暫停報警，但在后續(xù)研究中，將進一步開展以下工作：① 對于需要同時監(jiān)護較多病人的條件下，采用LoRa多發(fā)一收的工作模式，更好地完善呼吸暫停檢測與遠程監(jiān)測裝置；② 由于設(shè)計較少被試者的實驗背景，更多的患者的呼吸狀況使得呼吸暫停報警的準(zhǔn)確性將受到限制，為了更好地提高這一準(zhǔn)確性，將不斷優(yōu)化呼吸暫停報警機制。