一种新型睡眠呼吸暂停检测系统的设计*

刘 一，张 琴，任占兵

(1．广东技术师范学院电信学院，广州510665;2．广州体育学院，广州510500)

LIU Yi1* ，ZHANGQin1，REN Zhanbing2

(1．Department of Electronic Information Engineering，Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510665，China;2．Guangzhou Sport University，Guangzhou 510500，China)

睡眠呼吸暂停低通气综合征SAHS(Sleep Apnea Hyponex Syndrome)是一种具有潜在危险的病症，可能诱发心肌梗死、脑血管意外等病症，严重的情况下，甚至发生睡眠中猝死，危及生命。通过对患者睡眠呼吸情况的实时监控，可以发现睡眠呼吸暂停综合症的长度和频度，不仅可以帮助患者诊治，而且可以极早预防各种并发症的发生，提高患者的存活率［1］。但现在市场上的设备价格昂贵、体积庞大，只能在专业医院使用，不利于普及与推广［2－3］。我们应用胸腹运动检测法，设计了一种基于光电二极管阵列的睡眠呼吸暂停监测仪，这一检测设备测量灵敏度高，佩戴方便、舒适，不影响睡眠质量。

1 总体设计

正常呼吸情况下，吸气时胸廓和腹部均隆起向外运动，呼气时向内运动，而发生呼吸暂停情况下，呼吸运动暂时停止，气流消失［4－6］。呼吸消失10 s以上定义为发生一次暂停，如果暂停达到20 s即报警。设计一款通过测量腹部、胸部运动状态的仪器，来检测呼吸暂停的系统。系统主要包括:光源、光电二极管传感阵列、单片机、无线发送、Flash存储。如图1所示，检测装置把光栅被嵌入在一条系在患者腰部的腹带内，在呼吸过程中，由于腹部体积的变化引起腹带中光栅的位置发生变化。光电二极管阵列检测光栅的运动的变化并转换为电信号，信号处理电路对信号进行处理，单片机采集信号来判别呼气和吸气的过程，计算出患者的呼吸率和周期，当呼吸的周期超过20 s时就进行报警。呼吸频率通过Flash存储，并可以通过无线发送到PC机上进行显示、分析与存储。

图1 检测装置结构图

2 硬件设计

光栅检测传感器通过腹带穿戴在腹部，如图2所示传感器电路板上集成4只光电二极管，每只光电二极管的间距为1 mm，还集成了信号处理模块和比较器模块。在呼气和吸气过程中腹部的体积发生变化，从而引起腹带周长的变化，导致腹带上光栅位置的移动，光栅的周期是3．6 mm，通过光电二极管传感器阵列电路检测光栅位置的变化，单片机控制系统判别呼吸和吸气的过程，由此分析出呼吸的频率。光电二极管选用高速PIN管s5052，运放选用AD8001，比较器选用lm339。

图2 检测装置组成原理图

一个光电二极管的信号处理模块电路如图3所示，其他3个光电二极管的信号处理模块电路和图3一样。信号处理模块电路把光电二极管检测到的光信号转换成电压，光强则电压高，光弱则电压低。光栅是明暗相间的，当明条纹在光电二极管前，则输出电压高;当暗条纹在光电二极管前则输出低电压。光栅的周期设计恰好是比4个光电二极管的长度小一点，当光栅移动，和同一个比较器相连的两个光电二极管前面的条纹，由一个全暗条纹变成明条纹，或由一个全明条纹变成暗条纹时比较器就输出电压就发生反转。这样如图2所示光电二极管阵列检测到的信号经过信号处理电路后，测得的波形如图4所示。从图中可以看出通道A与通道B的波形。当光栅向左移动时，通道A的上升沿早于通道B的上升沿，当光栅向左移动时，通道A的上升沿晚于通道B的上升沿。

图3 信号处理电路

图4 通道A与通道B波形测试图

图5所示，nRF24L01芯片与主控芯片采用SPI串行接口进行通信，主控制芯片可以使用GPIO模拟SPI接口工作时序。单片机的外部中断管脚P3．2和P3．3分别连接到图2所示的检测装置通道A和通道B信号。

图5 控制器电路

3 软件设计

本系统通过单片机进行数据采集，判断呼吸的过程中光栅的运动方向，从而计算出呼吸的周期，系统软件流程如图6所示。通过单片机对光栅运动方向的判断，从而判断呼吸的运动过程，一旦监测到有暂停现象发生，就置相应的标志位，当持续的时间超过3 s后就，记录下暂停发生的时间，当恢复到正常呼吸状态时，记录下暂停持续的时间。处理完成后的信息参数资料存放于微控制器的缓存器。数据存储器对监测到的呼吸障碍类别(阻塞性或中枢性窒息)、发生时间、持续时间等数据进行存储，可以查询已经发生的呼吸障碍类别。

图6 程序流程图

4 测试与结论

图7 实物图

制作的实物如图7所示，用此系统与BIOPAC公司的CO2 100C设备同时对志愿者的呼吸进行检测。选择10名志愿者，分别进行呼吸率检测，每名志愿者每次测量15 min，测量结果求平均值，得到每分钟呼吸的次数，即呼吸率，实验数据如表1。从表1中可以看到，此系统测量的呼吸率和呼吸仪测量得到的呼吸率误差很小，平均测量精确度在95%以上，完全可以满足需要。

本设计基于光电二极管阵列的呼吸检测传感器，结构简单，传感器输出的信号是数字信号，无需对模拟信号进行复杂的放大滤波等处理，有效地防止了其他信号的干扰。在数据处理方面简单化，硬件成本低对，可连续、实时地检测患者的呼吸频率和周期，可有效的监测睡眠呼吸暂停低通气综合征。

表1 实验数据

［1］ 张政波，毕亚琼，俞梦孙，等．穿戴式呼吸感应体积描记用于睡眠呼吸事件检测［J］．生物医学工程学杂志，2008，25(2):318－322．

［2］ 张政波，王卫东，吴昊，等．全数字呼吸感应体积描记技术［J］．中国医疗器械杂志，2007，31(3):179－181．

［3］ 吴丹，徐效文，王磊，等．穿戴式动态睡眠呼吸监测系统的设计［J］．传感技术学报，2010，23(3):322 －325．

［4］ 刘官正，吴丹，梅占勇，等．基于体域网的动态呼吸监测系统设计［J］．中国生物医学工程学报，2012，31(2):316－320．

［5］ 皮喜田，赵素文，师小荃，等．基于微型呼吸传感器的高血压治疗系统［J］．传感器与微系统，2009，28(12):70－73．

［6］ 高小强，刘洪英，朱兰，等．基于霍尔传感器微阵列的呼吸频率检测系统设计［J］．传感器与微系统，2013，32(5):121－123．