基于壓電陶瓷的呼吸監測系統設計

葛亮 毛雪文 胡海珊 鄧孟杰 祝天培

摘要：隨著社會的快節奏發展，現代人承受著巨大的壓力，許多人不注重日常睡眠的管理，從而出現失眠、睡眠紊亂等癥狀。這些睡眠問題將會帶來其他的一些慢性疾病，比如糖尿病、心血管疾病、肥胖和抑郁癥等，同時嚴重時還會引發睡眠呼吸暫停綜合征，呼吸是睡眠研究領域和睡眠診斷的重要標準，對呼吸進行監測具有重要意義。

1.前言

目前針對呼吸檢測技術的發展也越來越多，其中多導睡眠圖是一種用于監測睡眠和診斷睡眠障礙的重要新技術，對于許多疾病例如良性鼾癥、睡眠室息感、睡眠呼吸障礙包括阻塞性和中樞性睡眠呼吸暫停綜合征、睡眠呼吸急促等，起著先導的檢測作用，對檢測人體健康有著巨大的作用。通過對睡眠過程中能檢測到的生理參數進行分析，通過與健康時的參數的比較可以讓醫師與患者、使用者對自身身體狀況和睡眠問題有相對充分的認識。但多導睡眠監測時，裝置不可移動，測試給使用者帶來不適感，且價格昂貴。

2.監測系統原理

由于壓電傳感器具有較高的靈敏度和精確性，相對于薄膜壓電傳感器和其它相關壓電傳感器，陶瓷壓電傳感器的結構簡單，傳感器為薄片剛性材料，其耐壓性和耐用性較強，同時成本較低，因此，在研宄中，我們采用陶瓷壓電傳感器采集睡眠生理信號。陶瓷壓電傳感器將采集睡眠過程中的壓電信號首先交給前端運放電路進行基本的信號處理，將壓電陶瓷產生的感應電荷進行放大，使產生的電壓信號經過運算放大達到適合單片機處理的電壓大小。這些經過初步處理的電壓信號，通過濾除交流電噪聲得到適合于處理的電信號。這些電信號需耍通過算法處理，可以將大致的呼吸信號提取出來，ADC（模數轉換）可以把電信號轉換成用于算法處理的數字信號，并在MCU中對這些數字信號進行分析。具體的呼吸心跳監測系統的整體流程如圖1所示。

首先將陶瓷壓電傳感器按照人體睡眠時的壓力分布，放置于乳膠床墊下部，并排布好，通過前端的運算放大電路和工頻濾波電路輸入采樣信號，并在STM32芯片中完成通道選擇功能，然后利用呼吸與心跳檢測方法對呼吸和心跳進行判斷計算。最后通過藍牙模塊上傳到手機APP端用于用戶展示功能的實現。

3.呼吸檢測方法

睡眠對象平靜躺在床上時，睡眠信號主要分為呼吸信號和心跳信號，并且，壓電睡眠信號中幅度較大的完整波形與呼吸有關。呼吸信號相比心跳信號頻率較低、信號幅度較大，相對應頻譜能量較大，波形相對容易區分。因此，呼吸信號提取采用自回歸模型功率譜估計計算呼吸周期。

根據隨機信號通過線性系統的相關理論，我們可以得到信號 的功率譜，進而通過AR模型以及功率譜相關知識求解呼吸率。

壓電陶瓷傳感器是一種是對壓力非常敏感的器件，當睡眠對象有微弱的體動時采集的信號通過放大電路將會出現較大波動，這將導致AR功率譜估計出現偏差，此時，需要使用短時平均幅度差函數對呼吸率進行補償。

短時平均幅度差函數是由短時自相關函數改進的一種信號處理方法，假定相鄰兩次呼吸是有相關性的，計算相關函數得到能夠呼吸信號的周期特點。但是，自相關函數運算量很大，避免不了的矩陣乘法計算加大計算時間。相反，短時平均幅度差函數加減運算操作，計算簡單并且也能夠找出信號的周期特點。假定信號 是完全的周期信號，周期為 ，有：

在實際的睡眠信號中 ，因此需要在呼吸間隔整數倍周期區域內對其近似優化求解。

4.結尾語

針對睡眠時呼吸暫停事件發生時有發生，根據原始數據采集波形判別呼吸暫停難度較大的問題。本文設計了一種呼吸監測系統，基于自回歸模型對夜間睡眠時的呼吸信號進行實時采集監測，包括系統設計的原理及具體的呼吸檢測方法。最終將所設計的各個硬件模塊與所研究的呼吸檢測算法進行集成得到用戶呼吸的實時監測系統。

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本項目受衢州市科技局項目2019K02資助。