一種家用式可監測并緩解OSA的智能枕頭設計

陳逸嘉，白思源，曹育森，李釗，雷濤，朱明明，夏娟娟，王健琪，路國華

空軍軍醫大學 a.基礎醫學院；b.軍事生物醫學工程學系，陜西 西安 710032

引言

阻塞性睡眠呼吸暫停（Obstructive Sleep Apnea，OSA）是一種多發的睡眠疾病，主要表現為睡眠中的呼吸中斷、打鼾、憋氣，給患者帶來了諸多危害[1-6]。OSA的慢性反復發作將使得人體的多器官受到損害，急性發作時患者會出現呼吸困難的癥狀，甚至導致猝死。

目前的睡眠呼吸暫停監測裝置主要有多導睡眠監測儀，體動儀和其他穿戴式睡眠監測裝置[7-9]。此類設備需要嚴格按照要求佩戴或穿戴，操作過程繁瑣復雜。增加了受檢者的精神和身體負荷，降低了檢測方法的可靠性，并且不能對患者出現的呼吸暫停做出及時有效的緩解或幫助。許多患者由于發生OSA時得不到及時地調整與幫助，常常導致嚴重的后果。

為此，本文提出了一種家用的非接觸式OSA智能監測并緩解癥狀的裝置。在保證不干擾使用者睡眠的前提下，對使用者睡眠生理參數進行實時監測。被試者一旦呼吸異常，系統會立即自動撥打緊急求助電話，并且通過對患者的頭部睡姿采取主動干預以緩解癥狀。

1 系統需求

1.1 檢測OSA

系統采用生物雷達對患者進行非接觸的呼吸信號檢測，通過藍牙通信的方式將呼吸數據傳輸至APP端進行處理。設計軟件內置算法，計算患者特定時間內的呼吸指數，以此來反映睡眠呼吸暫停是否發生。對于長時間呼吸暫停事件，系統會進行自動報警并觸發緩解裝置進行及時處理。同時對呼吸異常事件進行記錄，對患者睡眠狀況進行多方面的分析。

1.2 改善癥狀

OSA的主要發病原因是上呼吸道的狹窄和阻塞[10]。研究表明，睡眠時頭部的偏側可以減小上呼吸道阻力，保證呼吸通暢，避免由呼吸受限或呼吸暫停導致的不良后果[11]。所以，本裝置在檢測到用戶睡眠呼吸暫停后，通過一側氣囊的充氣使得枕頭與患者頭部形成一定夾角，迫使患者頭部的偏轉，從而達到減輕呼吸障礙、緩解呼吸暫停癥狀的目的。

2 系統設計

2.1 系統總體設計

系統主要分為呼吸暫停緩解裝置及手機端APP，通過將緩解裝置嵌入枕頭內部，在不失舒適性的前提下達到緩解呼吸暫停的目的。緩解裝置硬件主要包括生物雷達傳感器、HC-06藍牙模塊、STM32單片機、靜音充氣泵及氣囊。本裝置使用生物雷達非接觸式地采集患者呼吸信號，通過STM32單片機對信號進行實時A/D轉換。使用藍牙模塊把數據傳輸至手機APP端進行處理，通過計算患者呼吸指數的方式判斷OSA事件的發生，當軟件端判斷患者發生OSA時，系統會向緩解裝置發送充氣指令，觸發硬件端開始工作對患者頭部姿勢進行調整，從而達到緊急處理的目的。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2.2 硬件電路實現

2.2.1 生物雷達傳感器

生物雷達是一種結合生物醫學工程、雷達技術，能夠實現非接觸實時監測生命信號的前沿技術[12-14]。其基本原理是：向人體發射電磁波，采集由人呼吸時胸腔微動和心臟搏動反射而產生的回波信號，將回波信號經過處理即可得到較為理想的反映患者的生理狀況的波形。由于本裝置要滿足無干擾的條件下檢測用戶睡眠呼吸，生物雷達能夠較大地契合需求。

2.2.2 STM32單片機

STM32單片機是一種程序存儲器容量為64 KB的32位微控制器[15-16]，工作電壓2～3.6 V。具體實現的功能為：將生物雷達采集到的人體生理信號通過A/D轉換成為數字信號，與APP端通過藍牙串口通信，發送呼吸暫停報警指令控制繼電器等。單片機的程序設計可以循環監測用戶的睡眠生理信號，單片機流程圖如圖2所示。

圖2 單片機流程圖

2.2.3 其他硬件設備

本裝置使用的藍牙模塊 HC-06是一款低功耗、高性能的無線收發系統[17]。繼電器作為啟動充氣泵的開關，為兼顧實用與小巧的特點，選擇SRD-05VDC-SL-C 模塊的一路5 V觸發的繼電器，當信號輸入端有信號輸入，公共端與常開端導通，充氣泵開始工作，對氣囊進行充氣。在供電方面，由于生物雷達、藍牙模塊和單片機低功耗的特性，本系統采用兩節 3.0 V 干電池作為電源。另外，充氣泵工作電壓220 V，額定功率25 W，空氣流量25 L/min。枕頭內置大小為48 cm×48 cm的氣囊，材料安全無害，經過多次安全測試，可以滿足實際需求。

2.3 軟件設計

2.3.1 Android程序設計

《蘇北女人》是一部以農耕文明為敘事底色的長篇小說。雖然這部小說只字未提《詩經》，也沒有提到《七月》，但是將《蘇北女人》與《七月》稍加比較，我們就可以看出它們之間存在的超時空的互文關聯。《七月》中的“流火”劃過小說的天空，主宰著小說的意蘊和節奏，也召喚出《蘇北女人》的對稱結構：

用戶打開APP后點擊左上角進行藍牙匹配連接，接收單片機模數轉換后的呼吸數據。系統內置算法對數據進行處理，根據自定義的睡眠呼吸暫停標準判斷用戶是否發生OSA。如果發生，在APP界面會顯示報警信息并且撥打用戶存儲的緊急聯系人電話，同時會向單片機發送呼吸暫停指令，觸發緩解裝置工作。如果用戶沒有發生OSA，APP界面會顯示正常的呼吸波形，并且繼續監測用戶睡眠情況，APP工作流程圖如圖3所示。

圖3 軟件端工作流程圖

2.3.2 呼吸指數計算

實驗設計四組正常呼吸和四組模擬呼吸暫停為實驗背景，進行呼吸信號的采集及呼吸指數的計算，正常呼吸組（NR1、NR2、NR3、NR4），呼吸暫停組（OSA1、OSA2、OSA3、OSA4）。通過對生物雷達采集的呼吸信號數值進行周期性的分析，計算得到如表1所示的呼吸指數。實驗結果表明，在一段周期內的正常呼吸與模擬呼吸暫停的呼吸指數有著明顯的差別。

表1 呼吸指數計算結果

其中呼吸指數的計算步驟主要分為：① 生物雷達采集的呼吸信號以50 ms/次（20 Hz）的頻率做A/D轉換；② 數據通過藍牙模塊傳輸至APP端；③ 通過APP內置算法計算呼吸指數RI （Respiration Index），見公式(1)。

其中，RI指呼吸指數；s(n) 指單片機A/D轉換后的呼吸信號值；I指采樣點數[18]。

2.3.3 OSA報警

OSA信號表現為幅值較小，詳見圖4[19]。而呼吸指數可以衡量呼吸信號的波動程度，波動越小呼吸指數越小。當有 OSA 的情況發生時，呼吸信號波動很小，幾乎是一條直線。根據睡眠呼吸暫停的診斷條件[20]，本文中我們將監測時報警條件設計為 ：當連續 5次監測呼吸指數異常進行報警，報警方式為向系統預設的緊急聯系人號碼撥打電話，同時通過藍牙向單片機下發充氣指令，從而觸發繼電器和充氣泵工作。通過多次實驗得出結論：當充氣泵向氣囊充氣2 s時，枕頭中的氣囊可以推動人體頭部向一側轉動，從而達到緩解OSA的目的。

圖4 呼吸暫停波形圖

針對OSA患者，APP的UI界面設計遵循簡易性、清晰性、記憶負擔最小化、操作自由舒適、美觀大方等原則。具體功能包括：① 在主界面左上角可添加緊急聯系人，當睡眠出現異常時提供報警功能；② 藍牙連接界面搜索可用藍牙設備；③ 睡前助眠音樂播放器；④ 睡眠情況監測部分：當用戶睡眠正常時，APP中間會顯示一個平躺的小人圖片，詳見圖5。一旦通過軟件內部編程算法判斷出用戶此時睡眠情況出現異常，界面中間會立即出現紅色警報信號，同時撥打事先存好的緊急聯系人電話，詳見圖6。

圖5 正常睡眠情況下APP界面呈現

圖6 用戶出現睡眠異常情況時APP界面及撥打緊急電話

3 實驗結果

3.1 實驗環境

通過進行實際環境下的阻塞性睡眠呼吸監測實驗，驗證裝置的有效性。將生物雷達裝置安裝在床正上方1.5 m處，受試人員（無呼吸性疾病）靜躺于床上，實驗共十組，每組中受試人員會模擬十次呼吸暫停，同時操作人員在一旁觀察APP工作狀況，分析實驗所得結果，得到實驗結論。

3.2 實驗結果

記錄實際報警次數與枕頭充氣次數，經統計可得呼吸暫停檢測的準確率為90%±5%，參考其他診斷OSA的監測裝置[21-22]，本研究是一種可靠的檢測OSA的裝置，具有一定的使用價值應用市場。

4 討論

本次研究通過人體發生OSA時，頭部姿勢調整有利于恢復呼吸通暢的特點，設計了非穿戴式的睡眠異常檢測與反應一體化設備。通過生物雷達檢測呼吸信號，反映受試者睡眠狀態，再由APP處理信號并讓裝置做出相應反饋。

目前對于OSA的檢測方法主要分為可穿戴式的檢測設備、非接觸式的生物雷達檢測以及基于鼾聲的檢測裝置等。本設備減少了傳統睡眠監測儀器對受試者睡眠監測影響，提高了準確率，對于突發病況做出及時處理及應。對于發生OSA的患者，通過氣囊調整頭部位置減少患者因呼吸受限導致其他并發癥的可能。

本裝置具有以下創新性：① 使用生物雷達采集人體睡眠時的生理參數，這種非穿戴的監測方式可以很大程度地保證用戶的睡眠質量；② 通過計算呼吸指數對患者呼吸狀況進行分析，提升了OSA檢測的可靠性；③ 發生緊急情況時，通過枕頭充氣的方式，及時調整患者頭部位置以緩解癥狀。對于長時間呼吸異常情況進行及時報警處理；④ 本裝置具有空間占用小、操作簡單及反應靈敏的特點。系統設計采用靜音氣泵，當檢測到患者呼吸異常時，可以無干擾地幫助患者度過危機。

本實驗是對OSA及睡姿調整枕頭的定性研究，研究精度和深度還不夠，許多設計的細節沒有得到很好的解決和進一步改善，具體如下：① 本設備配備的生物雷達只滿足了基本需求，并沒有考慮障礙物、雷達與人體的相對位置、其他信號干擾等因素對實驗結果的影響，在其性能上還可做進一步優化；② 本設備沒有考慮個體差異帶來的不同，例如無法保障不同患者在氣囊充氣后頭部的偏移；③ 本設備處于測試階段，實驗數據量少，缺乏定性的數據說明，算法也有待優化。

綜上，本設備實現傳統睡眠設備能夠監測呼吸的功能外，簡化了產品操作，做出了反饋調節，更符合實際需求，在健康管理設備市場具有較大的發展潛力。