一种家用式可监测并缓解OSA的智能枕头设计

陈逸嘉，白思源，曹育森，李钊，雷涛，朱明明，夏娟娟，王健琪，路国华

空军军医大学 a.基础医学院；b.军事生物医学工程学系，陕西 西安 710032

引言

阻塞性睡眠呼吸暂停（Obstructive Sleep Apnea，OSA）是一种多发的睡眠疾病，主要表现为睡眠中的呼吸中断、打鼾、憋气，给患者带来了诸多危害[1-6]。OSA的慢性反复发作将使得人体的多器官受到损害，急性发作时患者会出现呼吸困难的症状，甚至导致猝死。

目前的睡眠呼吸暂停监测装置主要有多导睡眠监测仪，体动仪和其他穿戴式睡眠监测装置[7-9]。此类设备需要严格按照要求佩戴或穿戴，操作过程繁琐复杂。增加了受检者的精神和身体负荷，降低了检测方法的可靠性，并且不能对患者出现的呼吸暂停做出及时有效的缓解或帮助。许多患者由于发生OSA时得不到及时地调整与帮助，常常导致严重的后果。

为此，本文提出了一种家用的非接触式OSA智能监测并缓解症状的装置。在保证不干扰使用者睡眠的前提下，对使用者睡眠生理参数进行实时监测。被试者一旦呼吸异常，系统会立即自动拨打紧急求助电话，并且通过对患者的头部睡姿采取主动干预以缓解症状。

1 系统需求

1.1 检测OSA

系统采用生物雷达对患者进行非接触的呼吸信号检测，通过蓝牙通信的方式将呼吸数据传输至APP端进行处理。设计软件内置算法，计算患者特定时间内的呼吸指数，以此来反映睡眠呼吸暂停是否发生。对于长时间呼吸暂停事件，系统会进行自动报警并触发缓解装置进行及时处理。同时对呼吸异常事件进行记录，对患者睡眠状况进行多方面的分析。

1.2 改善症状

OSA的主要发病原因是上呼吸道的狭窄和阻塞[10]。研究表明，睡眠时头部的偏侧可以减小上呼吸道阻力，保证呼吸通畅，避免由呼吸受限或呼吸暂停导致的不良后果[11]。所以，本装置在检测到用户睡眠呼吸暂停后，通过一侧气囊的充气使得枕头与患者头部形成一定夹角，迫使患者头部的偏转，从而达到减轻呼吸障碍、缓解呼吸暂停症状的目的。

2 系统设计

2.1 系统总体设计

系统主要分为呼吸暂停缓解装置及手机端APP，通过将缓解装置嵌入枕头内部，在不失舒适性的前提下达到缓解呼吸暂停的目的。缓解装置硬件主要包括生物雷达传感器、HC-06蓝牙模块、STM32单片机、静音充气泵及气囊。本装置使用生物雷达非接触式地采集患者呼吸信号，通过STM32单片机对信号进行实时A/D转换。使用蓝牙模块把数据传输至手机APP端进行处理，通过计算患者呼吸指数的方式判断OSA事件的发生，当软件端判断患者发生OSA时，系统会向缓解装置发送充气指令，触发硬件端开始工作对患者头部姿势进行调整，从而达到紧急处理的目的。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2.2 硬件电路实现

2.2.1 生物雷达传感器

生物雷达是一种结合生物医学工程、雷达技术，能够实现非接触实时监测生命信号的前沿技术[12-14]。其基本原理是：向人体发射电磁波，采集由人呼吸时胸腔微动和心脏搏动反射而产生的回波信号，将回波信号经过处理即可得到较为理想的反映患者的生理状况的波形。由于本装置要满足无干扰的条件下检测用户睡眠呼吸，生物雷达能够较大地契合需求。

2.2.2 STM32单片机

STM32单片机是一种程序存储器容量为64 KB的32位微控制器[15-16]，工作电压2～3.6 V。具体实现的功能为：将生物雷达采集到的人体生理信号通过A/D转换成为数字信号，与APP端通过蓝牙串口通信，发送呼吸暂停报警指令控制继电器等。单片机的程序设计可以循环监测用户的睡眠生理信号，单片机流程图如图2所示。

图2 单片机流程图

2.2.3 其他硬件设备

本装置使用的蓝牙模块 HC-06是一款低功耗、高性能的无线收发系统[17]。继电器作为启动充气泵的开关，为兼顾实用与小巧的特点，选择SRD-05VDC-SL-C 模块的一路5 V触发的继电器，当信号输入端有信号输入，公共端与常开端导通，充气泵开始工作，对气囊进行充气。在供电方面，由于生物雷达、蓝牙模块和单片机低功耗的特性，本系统采用两节 3.0 V 干电池作为电源。另外，充气泵工作电压220 V，额定功率25 W，空气流量25 L/min。枕头内置大小为48 cm×48 cm的气囊，材料安全无害，经过多次安全测试，可以满足实际需求。

2.3 软件设计

2.3.1 Android程序设计

《苏北女人》是一部以农耕文明为叙事底色的长篇小说。虽然这部小说只字未提《诗经》，也没有提到《七月》，但是将《苏北女人》与《七月》稍加比较，我们就可以看出它们之间存在的超时空的互文关联。《七月》中的“流火”划过小说的天空，主宰着小说的意蕴和节奏，也召唤出《苏北女人》的对称结构：

用户打开APP后点击左上角进行蓝牙匹配连接，接收单片机模数转换后的呼吸数据。系统内置算法对数据进行处理，根据自定义的睡眠呼吸暂停标准判断用户是否发生OSA。如果发生，在APP界面会显示报警信息并且拨打用户存储的紧急联系人电话，同时会向单片机发送呼吸暂停指令，触发缓解装置工作。如果用户没有发生OSA，APP界面会显示正常的呼吸波形，并且继续监测用户睡眠情况，APP工作流程图如图3所示。

图3 软件端工作流程图

2.3.2 呼吸指数计算

实验设计四组正常呼吸和四组模拟呼吸暂停为实验背景，进行呼吸信号的采集及呼吸指数的计算，正常呼吸组（NR1、NR2、NR3、NR4），呼吸暂停组（OSA1、OSA2、OSA3、OSA4）。通过对生物雷达采集的呼吸信号数值进行周期性的分析，计算得到如表1所示的呼吸指数。实验结果表明，在一段周期内的正常呼吸与模拟呼吸暂停的呼吸指数有着明显的差别。

表1 呼吸指数计算结果

其中呼吸指数的计算步骤主要分为：① 生物雷达采集的呼吸信号以50 ms/次（20 Hz）的频率做A/D转换；② 数据通过蓝牙模块传输至APP端；③ 通过APP内置算法计算呼吸指数RI （Respiration Index），见公式(1)。

其中，RI指呼吸指数；s(n) 指单片机A/D转换后的呼吸信号值；I指采样点数[18]。

2.3.3 OSA报警

OSA信号表现为幅值较小，详见图4[19]。而呼吸指数可以衡量呼吸信号的波动程度，波动越小呼吸指数越小。当有 OSA 的情况发生时，呼吸信号波动很小，几乎是一条直线。根据睡眠呼吸暂停的诊断条件[20]，本文中我们将监测时报警条件设计为 ：当连续 5次监测呼吸指数异常进行报警，报警方式为向系统预设的紧急联系人号码拨打电话，同时通过蓝牙向单片机下发充气指令，从而触发继电器和充气泵工作。通过多次实验得出结论：当充气泵向气囊充气2 s时，枕头中的气囊可以推动人体头部向一侧转动，从而达到缓解OSA的目的。

图4 呼吸暂停波形图

针对OSA患者，APP的UI界面设计遵循简易性、清晰性、记忆负担最小化、操作自由舒适、美观大方等原则。具体功能包括：① 在主界面左上角可添加紧急联系人，当睡眠出现异常时提供报警功能；② 蓝牙连接界面搜索可用蓝牙设备；③ 睡前助眠音乐播放器；④ 睡眠情况监测部分：当用户睡眠正常时，APP中间会显示一个平躺的小人图片，详见图5。一旦通过软件内部编程算法判断出用户此时睡眠情况出现异常，界面中间会立即出现红色警报信号，同时拨打事先存好的紧急联系人电话，详见图6。

图5 正常睡眠情况下APP界面呈现

图6 用户出现睡眠异常情况时APP界面及拨打紧急电话

3 实验结果

3.1 实验环境

通过进行实际环境下的阻塞性睡眠呼吸监测实验，验证装置的有效性。将生物雷达装置安装在床正上方1.5 m处，受试人员（无呼吸性疾病）静躺于床上，实验共十组，每组中受试人员会模拟十次呼吸暂停，同时操作人员在一旁观察APP工作状况，分析实验所得结果，得到实验结论。

3.2 实验结果

记录实际报警次数与枕头充气次数，经统计可得呼吸暂停检测的准确率为90%±5%，参考其他诊断OSA的监测装置[21-22]，本研究是一种可靠的检测OSA的装置，具有一定的使用价值应用市场。

4 讨论

本次研究通过人体发生OSA时，头部姿势调整有利于恢复呼吸通畅的特点，设计了非穿戴式的睡眠异常检测与反应一体化设备。通过生物雷达检测呼吸信号，反映受试者睡眠状态，再由APP处理信号并让装置做出相应反馈。

目前对于OSA的检测方法主要分为可穿戴式的检测设备、非接触式的生物雷达检测以及基于鼾声的检测装置等。本设备减少了传统睡眠监测仪器对受试者睡眠监测影响，提高了准确率，对于突发病况做出及时处理及应。对于发生OSA的患者，通过气囊调整头部位置减少患者因呼吸受限导致其他并发症的可能。

本装置具有以下创新性：① 使用生物雷达采集人体睡眠时的生理参数，这种非穿戴的监测方式可以很大程度地保证用户的睡眠质量；② 通过计算呼吸指数对患者呼吸状况进行分析，提升了OSA检测的可靠性；③ 发生紧急情况时，通过枕头充气的方式，及时调整患者头部位置以缓解症状。对于长时间呼吸异常情况进行及时报警处理；④ 本装置具有空间占用小、操作简单及反应灵敏的特点。系统设计采用静音气泵，当检测到患者呼吸异常时，可以无干扰地帮助患者度过危机。

本实验是对OSA及睡姿调整枕头的定性研究，研究精度和深度还不够，许多设计的细节没有得到很好的解决和进一步改善，具体如下：① 本设备配备的生物雷达只满足了基本需求，并没有考虑障碍物、雷达与人体的相对位置、其他信号干扰等因素对实验结果的影响，在其性能上还可做进一步优化；② 本设备没有考虑个体差异带来的不同，例如无法保障不同患者在气囊充气后头部的偏移；③ 本设备处于测试阶段，实验数据量少，缺乏定性的数据说明，算法也有待优化。

综上，本设备实现传统睡眠设备能够监测呼吸的功能外，简化了产品操作，做出了反馈调节，更符合实际需求，在健康管理设备市场具有较大的发展潜力。