朱彩兵，宋艷濤，魏蘭蘭，葉繼倫,，張旭

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

微型睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)的研究

【作 者】朱彩兵1，宋艷濤1，魏蘭蘭1，葉繼倫1,2，張旭2

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

通過對人體睡眠呼吸障礙疾病的病理原理、睡眠呼吸測量方法、監(jiān)護(hù)評價指標(biāo)的研究，設(shè)計(jì)一種微型睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)。分別基于光譜吸收法和力變化的方法，利用高性能的脈搏氧飽和度監(jiān)測技術(shù)，以及新型傳感器的呼吸監(jiān)測技術(shù)，測量人體血氧飽和度和胸腹呼吸信號，從算法和傳感器安裝使用上提高信號的質(zhì)量與可靠性，從而研制了一款成本低、易用性高，方便家庭使用的睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)。

睡眠；微型；脈搏血氧飽和度；呼吸；評價

0 引言

隨著生活質(zhì)量的提高，人們對睡眠質(zhì)量越來越關(guān)注，也更加重視睡眠相關(guān)疾病。影響睡眠質(zhì)量的因素很多，其中，睡眠呼吸障礙疾病是影響睡眠的主要因素，特別是睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥[1]（SAHS）是睡眠疾病中僅次于失眠的第二大睡眠障礙疾病，是一組發(fā)生在睡眠期間，反復(fù)發(fā)作的呼吸變淺或停止，從而導(dǎo)致反復(fù)發(fā)作的低氧、高碳酸血癥，甚至可引起心、肺、腦等多器官功能損害的臨床綜合癥[2]。研究表明SAHS對高血壓、冠心病、腦血管疾病的發(fā)病具有獨(dú)立危險(xiǎn)[3]。

因此，為了讓睡眠監(jiān)護(hù)技術(shù)惠及每個家庭，設(shè)計(jì)一套微型、簡單、易用的睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)尤為重要，通過對患者睡眠過程中的血氧飽和度和呼吸進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，給患者的血氧飽和度、脈率、呼吸波形、呼吸率等數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得出睡眠質(zhì)量評價參數(shù)指標(biāo)，從而對患者睡眠質(zhì)量給出有效的評價，為患者的疾病診斷提供有力的依據(jù)。

1 睡眠監(jiān)測方法

1.1脈搏氧飽和度測量方法

脈搏氧飽和度測量是利用光譜吸收法[4]，根據(jù)血液中氧合血紅蛋白（HbO2）與還原血紅蛋白(Hb)的分子分別吸收600 nm波長可見光與940 nm波長紅外光，這兩個波長光的吸收率R的計(jì)算公式如式1所示，AC為搏動性動脈血的光吸收強(qiáng)度，DC為其他組織的光吸收強(qiáng)度。R與血氧值成負(fù)相關(guān)，根據(jù)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，則可得到相應(yīng)的血氧值。

1.2呼吸測量方法

人體呼吸信號的測量方法有很多種，其中包括口鼻腔壓力測量法、喉音測量法、鼻氣流溫度測量法，以及阻抗法等[5]，但這些方法容易給患者帶來不適，影響患者休息，其中阻抗法是心電監(jiān)測中的呼吸測量方法，也不便于睡眠監(jiān)護(hù)。因此，本文采用胸腹呼吸法，通過特殊的綁帶，將探測器輕松置于腹部，如圖1所示，監(jiān)測患者呼吸變化，不會對患者的睡眠帶來干擾。

圖1 呼吸測量示意圖Fig.1 Respiration measurement schematic diagram

呼吸過程中，胸腹部會隨著周期性的呼吸，產(chǎn)生收縮、擴(kuò)張的形變，這種形變伴隨產(chǎn)生一個力，基于力變化的測量原理，通過與胸腹部連接的傳感器，以及放大電路等獲得胸腹部呼吸信號，通過波形識別，計(jì)算出呼吸率、呼吸深淺等，用于評價呼吸狀態(tài)。本文采用了兩種呼吸測量方法，對比了兩者的效果，一種是通過壓電薄膜傳感器測量腹呼吸壓力變化，一種是通過一個微型氣囊置于腹部，利用氣管將腹呼吸壓力變化引入壓力傳感器，通過氣囊壓力變化測呼吸。

2 微型睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

微型睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)包括傳感器與連接部分、測量模塊、通訊部分，以及上位機(jī)顯示分析部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。測量模塊由脈搏氧飽和度測量部分和呼吸測量部分組成，通訊部分采用USB通訊方式，這種數(shù)據(jù)傳輸方式能夠很方便地應(yīng)用于家庭，連接到電腦或手機(jī)，并借助網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿弑O(jiān)護(hù)中心，便于醫(yī)生隨時調(diào)取患者的睡眠監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)，為疾病的分析診斷提供便利。

圖2 微型睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Framework of micro sleep monitor and evaluation system

2.2硬件系統(tǒng)

微型睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)[8]包括信號監(jiān)測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路和通訊電路，電路示意圖如圖3所示。系統(tǒng)硬件電路分為數(shù)字部分和模擬部分，分別位于由兩塊不同的微型電路板上，系統(tǒng)由二者對插而成，因此，在硬件結(jié)構(gòu)上縮小了電路的尺寸，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示，從圖中可看出，整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)非常微小，這種微型尺寸的模塊結(jié)構(gòu)能夠很方便用戶使用，不會給患者帶來過重的負(fù)擔(dān)。

圖3 電路原理示意圖Fig.3 Circuit principle schematic diagram

圖4 實(shí)物圖Fig.4 Picture of real products

2.3睡眠監(jiān)護(hù)與分析系統(tǒng)軟件

睡眠監(jiān)護(hù)與分析系統(tǒng)軟件是在PC運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)護(hù)軟件，是睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)中重要的一部分，如圖5所示。分別在上位機(jī)顯示所監(jiān)測的脈搏波和呼吸波形，并將計(jì)算所得的血氧飽和度值、脈率和呼吸率實(shí)時顯示。軟件具有數(shù)據(jù)存儲功能，患者在睡覺前，開啟監(jiān)護(hù)軟件，啟動數(shù)據(jù)存儲，就可將患者整夜的睡眠數(shù)據(jù)保存，之后患者可通過網(wǎng)絡(luò)，將自己的睡眠數(shù)據(jù)上傳至睡眠監(jiān)護(hù)中心，也可以利用系統(tǒng)的分析軟件，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)對睡眠數(shù)據(jù)的一鍵化分析評估。

圖5 微型睡眠評價系統(tǒng)上位機(jī)軟件Fig.5 Pc soft of micro sleep evaluation system

患者只需點(diǎn)擊數(shù)據(jù)分析按鍵，打開睡眠數(shù)據(jù)，即可獲得睡眠數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，回放睡眠過程中的脈搏波數(shù)據(jù)、血氧數(shù)據(jù)、脈率數(shù)據(jù)、呼吸波形數(shù)據(jù)和呼吸率數(shù)據(jù)，并可拖動滾動條，查閱數(shù)據(jù)的變化趨勢，患者能夠直觀地了解睡眠狀況。分析結(jié)果還包括各個參數(shù)的最大值、最小值、異常次數(shù)、異常次數(shù)比率、異常次數(shù)持續(xù)時間、異常次數(shù)持續(xù)時間比率等，而且，通過餅圖的形式直觀地表示出異常數(shù)據(jù)比率。數(shù)據(jù)分析時，可以設(shè)置血氧、心率和呼吸率的不同的報(bào)警限，通過修改的報(bào)警限，可分別計(jì)算出各個報(bào)警限條件下的異常數(shù)據(jù)情況。

圖6 數(shù)據(jù)回顧分析與評價軟件Fgi.6 Software of data retrospective analysis and evaluation

3 信號處理

呼吸信號屬于低頻信號，特別是在睡眠期間，人體呼吸頻率非常低，正常在(0.1～1) Hz之間，因此考慮對呼吸信號采用2階1 Hz的巴特沃斯低通濾波器，以獲得干凈平穩(wěn)的呼吸信號。

巴特沃斯濾波器作為IIR濾波器的一種，2階巴特沃斯濾波器輸入輸出關(guān)系的常系數(shù)差分方程表達(dá)式為式(2)。

一般情況下，滿足M≤N，N為濾波器的階數(shù)。傳遞函數(shù)如式(3)所示。

呼吸信號濾波前后的頻譜如圖7所示，從頻譜圖中可以看出，大部分的頻率處于(0～1) Hz之間，還有一個10 Hz的頻率成分，為調(diào)制信號頻率，類似于血壓脈搏波信號，因此，通過低通濾波可以濾除呼吸信號中10 Hz的調(diào)制信號，以及其他的高頻信號，如圖8。

通過實(shí)驗(yàn)分析，壓電薄膜傳感器測量呼吸信號，由于受傳感器與人物理接觸的影響，存在兩個問題：（1）對于相對肥胖的人體，傳感器的形變過小，信號靈敏度低，特別是睡眠過程中人體呼吸微弱，無法獲得明顯的呼吸信號；（2）在測量過程中，心音信號對呼吸信號有很大干擾。因此，采用微型氣囊獲取呼吸信號的方法，實(shí)驗(yàn)中使用微小的嬰兒血壓袖帶作為氣囊，充氣后，通過綁帶置于腹部，從得到的呼吸波形數(shù)據(jù)可知，微弱呼吸時，仍能獲取較大幅度的呼吸信號，雖然這種方法仍存在到心音干擾，但是較壓電薄膜所得信號干凈、平穩(wěn)，這種方法解決了上面提到的兩個問題，通過濾波可以獲得更平滑的呼吸波形，如圖9所示。

圖7 呼吸信號濾波前后頻譜特性Fig.7 Spectrum characteristic of respiration signal before filter and after filter

圖8 1 Hz低通濾波效果圖Fig.8 Effect picture of 1 Hz low pass filter

圖9 微型氣囊法測得的呼吸信號Fig.9 Respiration signal measured by micro air bag

4 小結(jié)

本文初步介紹了睡眠監(jiān)護(hù)的意義，在此基礎(chǔ)上提出了一種適合家用的微型睡眠監(jiān)護(hù)評價系統(tǒng)，針對睡眠進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測及報(bào)警評估研究，借助與商用電腦及配套軟件，即可形成一套具有實(shí)用價值的微型呼吸睡眠監(jiān)測系統(tǒng)，初步評價睡眠中的呼吸與代謝狀態(tài)，具有一定的篩查意義。

國內(nèi)外對睡眠監(jiān)護(hù)技術(shù)的研究也在不斷發(fā)展[9]，目前，國內(nèi)已有醫(yī)院引進(jìn)了國外的睡眠監(jiān)護(hù)技術(shù)[10]，部分醫(yī)院還設(shè)立了專門的睡眠監(jiān)護(hù)評價科室，說明睡眠障礙問題已在我國不斷被重視。但是在信號特征分析、監(jiān)測參數(shù)種類、性能評價和微型化方面，仍有大量的研究工作，未來結(jié)合腦電[11]、氧氣、呼吸末二氧化碳等監(jiān)測[12]，以及反饋性的呼吸障礙的治療，形成對睡眠質(zhì)量定量評價、呼吸障礙治療等功能，完成更全面的呼吸睡眠評價和治療。

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Research of Micro Sleeping Monitor and Evaluation System

【 Writers 】Zhu Caibing1, Song Yantao1, Wei Lanlan1, Ye Jilun1,2, Zhang Xu2
1 Institute of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 Guangdong Key Laboratory of Biomedical measurements and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

sleep, micro, pulse oxygen saturation, respiration, evaluation

R319

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2013.06.009

1671-7104(2013)06-0414-03

2013-05-09

葉繼倫，教授，E-mail: yejilun@126.com

【 Abstract 】By studying of the pathology of human sleep and respiration disorder diseases, the method of sleep and respiration measurement, the evaluation index, a kind of micro sleep monitor and evaluation system was designed. Based on the methods of spectrum absorption and force changing, using high performance pulse oxygen saturation monitoring technology and respiration monitoring technology, developing a low-cost, high usability sleep monitor system which is convenience for family using. It can measure the signal of human oxygen saturation and chest respiration, can improve the quality of signal and reliable from arithmetic and sensor installing.