睡眠呼吸暂停监护系统的呼吸信号采集装置设计*

郭俊伟， 梁敏桐， 莫 忠

(中山大学新华学院 生物医学工程学院，广东 广州 510520)

0 引 言

睡眠呼吸暂停[1～3]是一种发病率高却鲜为人知的功能失调性疾病，包括阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea,OSA) 和中枢性睡眠呼吸暂停(central sleep apnea,CSA)。呼吸信号是人体重要的生理信号，很多心血管类疾病在发病前期呼吸信号多处于异常状态，通过对人体呼吸功能及状况进行监测，可以发现并预防呼吸道、肺部以及心血管等部位的病变，降低此类疾病的死亡率[4,5]。多导睡眠图(polysomnography,PSG) 监测是睡眠呼吸暂停综合症诊断和研究的常用技术手段，但由于仪器操作复杂、价格昂贵，患者的舒适度较差，不适用居家环境下进行睡眠监测[6]。便携式睡眠呼吸暂停监护系统可以很好地监测患者的各种重要生理参数，系统使用方便，可以直接佩戴在患者身上，在家就能进行睡眠检测，并能在情况危急时给予预警[7]。

本文介绍了呼吸信号采集模块的设计与实现，以性价

比高，功耗低的STM32F103C8T6芯片作为处理器，结合MCP6002运算放大器，设计了一种呼吸信号采集装置，信号的采集和处理由硬件端完成，通过USB端口传输将数据送入电脑端，应用MATLAB进行显示信号波形并加以处理。

1 总体设计

设计的呼吸信号采集装置整体设计如图1所示，将压力感应电阻传感器置于人体腹部并用弹性腰带束缚，获得人体腹部在呼吸时的电阻值并转换成电压信号，经过放大滤波处理送入单片机，处理后的呼吸信号通过USB端口发送到电脑端进行显示。系统整体设计框图如图1所示。

图1 呼吸信号采集装置整体设计

2 电路设计

装置的电路设计包括:电阻式压力传感器、电阻转换电压电路、前置及后级放大电路、滤波电路。

2.1 电阻式压力传感器

电阻式FSR402传感器是一种新研发可弯曲的压力传感器，这种压力薄膜的感应表面的电阻值会因感应表面的压力大小进行变化(如图2所示)，进而得到对应的压力信息。本文运用压力薄膜传感器测量人体腹部的运动交替过程，当腹部运动产生的压力变化就能检测到人体的呼吸情况。

图2 FSR402传感器电阻值随表面压力的变化曲线

2.2 电阻转换电压电路

通过让串联一个电阻与薄膜压力传感器相连，测其相连点的电压变化,如图3所示。当传感器受外界压力作用时，传感器的阻值发生变化，测得的相连点的电压值U0。

图3 电阻转电压电路

式中U0为该电路输出电压，U为输入电压，RV1为薄膜传感器的实际电阻变化值。

2.3 前置放大电路

由于人体呼吸的生理信号具有高阻抗、低频率和信号微弱等特点，因此在整个信号调理电路中，前置放大是必不可缺的一个环节。基于呼吸生理信号的特点，本文设计高输入阻抗、低噪声和温漂的前置放大电路，如图4所示。为了满足放大呼吸信号的需要，放大电路运用了MCP6002运算放大器。其中U3∶A是电压跟随器，在电路中，做缓冲级及隔离级，提高了输入阻抗。在电路中，为了在输入电压高于VDD时保护运放的输入，设置了D1。电阻R4是为了防止输入到输入级的电流过大，而且在输入电压大于VDD时，可以限制输入到D3上的电流。

图4 前置放大电路

2.4 低通滤波电路

对于生物医学信号而言，特殊性和独特性是其不可避免的特质。很多有关测量生理的传感器在输出信号方面是十分微弱的。在强噪声的影响下，这些生理信号容易丢失。将信号和噪声区分是当今信号检测的一大难题。

人体自身阻抗由于通过传感器或者电极形成一定量的噪声干扰和电路发生随机的扰动造成的噪声干扰，这两者都是噪声的重要产生途径。健康成年人的呼吸频率为 0.20～0.33 Hz，而噪声和其他的工频噪声远远大于人体呼吸频率[8]。

因为噪声的频率通常比呼吸信号要高得多，因此,为了除去模拟信号中的噪声干扰，设计一个二阶有源低通滤波器，容许低于截止频率的信号通过，如图5所示。

图5 低通滤波电路

对于二阶有源低通滤波器而言，其传递函数为

因为3-AVF>0，则当AVF<3时才能稳定工作，令R15=1 kΩ，R14=1 kΩ。

电压增益为

A=AVF=1+R15/R14

(3)

截止频率为

经测试选定R1=R2=20 kΩ，C1=C2=0.1 μF，因此，截止频率为7.961 Hz，基本上实现了低通滤波器的功能，使得高于7.961 Hz的噪声干扰截止，符合系统的要求。

2.5 后级放大电路

由于薄膜压力传感器电阻转电压电路输出的电压很微弱(毫伏级)，经过前置放大和滤波后的信号强度远低于测量的需求，因此,通过后级放大电路将电压放大到所需要的值，如图6所示。

图6 后级放大电路

3 Protues仿真

Protues是一个集众多的仿真器件、联合仿真和极多的虚拟仪器为一体的优秀软件[9]。本文利用Protues仿真来设计电阻转电压电路、放大电路、滤波电路，并检验这些电路的可行性和放大效果。

通过Protues的仿真结果来看，这个电路是可以运行的，由图7可知，呼吸信号的调理电路是可以将微弱的电压信号(0.03 V)进行放大处理输出较强的电压信号(2.71 V)，同时，电路增加的二阶有源低通滤波电路使得高于7.961 Hz的噪声干扰消除，一定程度上保证呼吸信号采集的准确性。

图7 电路仿真

4 测试结果

使用STM32F103C8T6芯片作为处理器，该处理器是基于ARM核心的32位微控制器，拥有64 kB或128 kB字节闪存、还自带A/D转换等众多优点。将这个信号采集装置连接设备电源，并用腰带将传感器置于人体腹部。打开串口调试助手，设置9 600 bps波特率，COM3为串口端口，TXT格式储存端口数据，接收区设置为接受转向文件格式。呼吸数据电脑串口COM3发送至计算机内，并且储存于特定的TXT文件内。如图8所示，运用MATLAB进行读取，将模块内数据读取出来，之后对呼吸波形进行实时显示和波形图像数据的储存，在计算机上获得呼吸波形。

图8 串口数据及MATLAB的仿真结果

采集到的呼吸信号波形如图9所示，出现呼吸暂停时，呼吸波信号几乎是一条线。通过单片机对呼吸波信号进行模数(A/D)采样，转换成数字信号。数字化的呼吸信号经过算法处理，当其强度低于设置的阈值时，监护系统将进行提示和报警，实现对睡眠呼吸暂停的实时监测。

图9 出现呼吸暂停时的呼吸波形

5 结束语

本文设计了一种体积小、操作简单、价格便宜以及舒适性好的呼吸信号采集装置。通过计算分析表明：本文信号采集装置满足对微弱生理呼吸信号的获取、放大和滤波。为了防止未知的噪声信号使放大器达到饱和，进行了多级放大，设计的前置和后级放大电路能够有效地将微弱的信号放大。同时，采用二阶滤波对呼吸信号调节，将低于7.961 Hz的噪声干扰过滤掉，也去除了电磁、工频干扰等。设计的装置针对医疗诊断的需要，在实际应用中有重要的意义。