便携式睡眠呼吸暂停监测仪
摘 要：介绍了一种基于胸腹运动检测法，应用压电薄膜式传感器设计的新型便携式睡眠呼吸暂停监测仪，为睡眠呼吸暂停的普及检测提供了一种简易手段。
关键词：睡眠呼吸暂停；传感器；便携式；监测仪；压电薄膜
Abstract: In this paper, a new portable sleep apnea monitoring device is presented. This new device is based on chest & abdomen movement inspection by piezoelectric thin film sensors and providing us an easy way to popularize the sleep apnea monitor.
Key words:Sleep apnea, sensor; Portable; Monitoring device; Piezoelectric thin film
引言
睡眠呼吸暂停是一种新发现的与睡眠相关的呼吸疾病，主要特征是患者在睡觉中短时间内发生呼吸异常乃至停止的现象，严重的将会引起死亡。睡眠呼吸暂停的主要疾病有两种：阻塞性睡眠呼吸暂停综合症和中枢性睡眠呼吸暂停综合症。
目前已经涌现出一些先进的检测系统，通过对患者晚上睡眠的实时监控，及时对患者的睡眠情况进行检查，可以发现睡眠呼吸暂停综合症的长度和频度，对疾病的明确诊断和治疗发挥了重要作用。但因其价格昂贵、体积庞大，只能在专业医院使用。随着人们对睡眠呼吸疾病认识的不断深入，迫切需要有更简单经济的方法来普及睡眠呼吸暂停患者的检测手段，我们应用胸腹运动检测法，设计了一种简易的新型睡眠呼吸暂停监测仪。这种方法的优点是测量灵敏度高，佩戴方便、舒适，不影响睡眠质量。
1 系统的设计思想
在正常情况下，呼吸肌能很好地协调呼吸运动。吸气时胸廓和腹部均隆起向外运动，呼气时向内运动回到静息时的状态。而中枢性呼吸暂停发生时呼吸驱动暂时丧失，气流及胸腹呼吸运动全部消失。阻塞性呼吸暂停发生时，上气道气流消失，但胸腹部的呼吸运动依然存在，并且运动的方向相反。我们定义呼吸消失10秒以上为发生一次暂停，暂停达到20秒即报警并启动辅助治疗仪。设计思想是设计一款能测量腹部、胸部运动状态的仪器，来检测呼吸暂停的产生。本监测仪是由传感器、监测仪、辅助治疗仪等部分组成。
2 系统设计
2.1 传感器设计
本系统中采用的是PVDF压电薄膜式的传感器，经过测试，稳定性好，抗干扰性能强。PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料，它既具有压电性又有薄膜柔软的机械性能，用它制作压力传感器，具有设计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全舒适，能紧贴体壁，以及声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点，可用于呼吸，脉搏心音等人体信号的检测。这些信号携带有人体重要的生理参数信息，通过对该信号的有效处理，可准确得到波形、心率次数等，可为医生提供可靠的诊断依据。压电薄膜用作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。当拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10～15mV/微应变（长度的百万分率变化）。压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于医用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出，而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。
2.2 传感器的工作原理
人体信号的采集方式在进行信号采集的时候，有几种方式可以选用，一种是非接触式采集，此种方式对人体无任何的影响，不会干扰被监测人的正常生活；一种是接触采集，信号的采集装置接触人体，甚至要置入体内，或多或少的影响到被测人的正常生活，所以测量传感器的选用就显得十分重要。
根据几个信号的强弱，就知道被测人员健康情况。呼吸信号的采集来源于三个指标，分别是鼻呼吸、胸呼吸和腹部呼吸，健康的人一般是用鼻呼吸和胸呼吸，而当有异常情况时，主要是腹呼吸，而鼻呼吸和胸呼吸微弱，或全停止。所以对被监测人员的呼吸提取，就从鼻呼吸和胸呼吸、腹呼吸三个方面入手。
将呼吸信号转化为电信号的方式有几种，一是利用电阻应变片作为传感器，当有呼吸运动时，在运动的方上引起电阻的变化，从而采集到电信号，此种传感器的电阻材料主要是康铜丝和卡码合金，该种传感器的特点是线性误差小，长时间使用零点稳定性好。但该传感器的灵敏度受到电阻丝弯曲形状影响较大，在机械应力的作用下，使得材料本身的电阻率发生了较大的变化。
固态压阻式传感器是近年发展起来的新型传感器件，由于它的原理是基于半导体的压阻效应。所以也称之为半导体应变式传感器。
半导体材料在机械应力的作用下，使得材料本身的电阻率发生了较大的变化，这种现象叫压阻效应。这与金属电阻的应变效应有本质的区别。晶体在应力的作用下，晶格间的载流子电子、空穴的相互作用发生了变化，半导体材料从能量的角度看，原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了变化，这就影响了导带中载流子的数目，同时又使载流子的迁移率发生了变化，因此晶体的电阻率发生了变化，半导体应变片的应变灵敏系数要比金属应变片大几十倍至一百多倍。通常把半导体应变式传感器称之为压阻式传感器。半导体晶片的压电效应的方向性强，对于一个给定的半导体晶片来说，在某一晶格方向上压电效应最显著，而在其它方向上压电效应就较小或不会出现。
半导体应变片目前主要有两大类型：体型半导体应变片，这种元件的应变片需要用特殊胶水来粘贴，精度受到影响；扩散式半导体应变片，它是应用扩散掺杂工艺，在一块芯片上一次完成，精度、可靠性都很高。目前被大量应用于医学测量等领域。本研究就采用了该种器件。呼吸信号的采集原理如下，如图3.1所示：
图3.1扩散压敏电阻式惠斯登全桥传感器
为了提高灵敏度，把扩散压敏电阻接成惠斯登全桥，并且把电阻值增加的两个电阻对接，以使电桥输出的灵敏度最大。
当有应力作用时，即有呼吸运动时，两个电阻的增量为△R，另两个对接电阻减小量为-△R，由于温度的影响，每个电阻都有△R的变化量。根据图3.1，电桥的输出为：
(3.1)
整理后得
(3.2)
当
=0时
(3.3)
当用恒压源供电时，电桥输出与△R成正此，同时与恒压U成正此，也就是说电桥输出与电源电压的精度有关。事实上很难使△RT =0,当△RT ≠0时，电桥输出和温度呈非线性关系，所以恒压源供电不能消除温度漂移的影响。
当用恒流源供电时，假设电桥两个支路电阻相等，即RABC=RADC=2(R+△R)，则有
IABC=IADC
I (3.4)
因此，电桥的输出为
(3.5)
整理后得
Uo=I×△R (3.6)
可见，输出和△R成正比，同时也和电源电流成正比，即和恒流源供给的流大小与精度有关。恒流源供电的优点是不受温度变化的影响。因此在本研究方案中，传感器的供电由恒流源提供。
还有一种方式是在被测人的褥子上安放压力及振动传感器、当被测人有呼吸运动时就可以感知到并转化为电信号，该种信号的选取方式虽然最方便于被测人员的生活，但是技术上要求高、研制费用昂贵，不适用于本研究。
把传感器放在被测人员的鼻下方时，可以测量气流的变化也可以测量热敏电阻的变化，这样就可以得到鼻呼吸的信号。
2.3 监测仪的工作原理和系统设计
把两个压电薄膜式传感器分别固定在被测者的胸部和腹部的合适位置，在正常呼吸时由于胸、腹部的规律运动挤压传感器，而使压电薄膜分别产生两个与呼吸节奏相吻合的电信号（见图1），其中胸部呼吸运动传感器输出为A波型，腹部呼吸运动传感器输出为B波型，通过对两个波形的比对和分析，便可检测呼吸暂停的类型和周期。若A、B两个传感器输出信号波型一致，则表示处于正常呼吸状态；若A、B两个传感器输出的呼吸信号波形相反，则表示发生了阻塞性呼吸暂停；若A、B两个传感器都没有信号输出，则表示是中枢性呼吸暂停。当呼吸暂停超过20S后，就要报警或者启动外部急救设备。如图1所示。
呼吸信号采集后，经过脉冲合成器对信号进行处理，以判断是否有睡眠呼吸暂停现象发生，若有呼吸暂停发生，把阻塞性呼吸暂停和中枢性呼吸暂停的次数和暂停时间显示出来并记录。其电路设计原理框图如图2所示。
2.3.1 睡眠呼吸监测仪的电路设计
2.3.1.1 呼吸信号提取电路
在呼吸时，人的胸部，腹部会出现起伏变化，因此人体的呼吸状态可以通过检测胸、腹部的变化获得，经由信号放大电路、比较电路，即可判断呼吸的情形。
2.3.1.2 控制输出电路
一旦监测到呼吸障碍连续超过20S，MCU启动输出控制电路（如控制触点输出），辅助低频脉冲治疗仪开始自助式呼吸恢复治疗。
2.3.1.3 信息显示电路
该部分是采用12864点阵的液晶屏来显示呼吸状态。从界面上可看到当前的呼吸状态和近两次的呼吸暂停记录，包含发生的时间，呼吸暂停的类型和暂停长度。若暂停时间超过20S而启动低频脉冲治疗仪工作，也会有相应的标识。另外还可以切换到波形显示界面，直观地看到呼吸波形。
2.3.1.4 数据存储和查询
数据存储器（E2PROM）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，保存3天的记录。可以查询已经发生的呼吸障碍类别阻塞性或中枢性窒息）、发生时间、持续时间。
2.3.1.5 MCU
MCU是使用PHILPS公司所生产的P89LV51RD2微控制器，把采集的呼吸信号通过ADC转换成数字信号，存储并显示，同时可以控制低频脉冲治疗仪适时工作。
2.3.1.6 电源设计
设计采用锂电池或外接电源供电，可以实现自动切换，在市电供电时可以对电池进行充电，同时MCU对电池的电压进行监控以保证电池不会过充。电池供电时，液晶屏在5秒钟内没任何操作，即关闭显示电源，可达到省电的目的。需要观察数据时，可按操作面板上的按钮唤醒。
2.3.2 软件设计
信息参数测量计的程序如下：在测量时实时监测呼吸状态，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3S后就进入中断，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，并通过中文型LCD显示所测量到的信息参数。
其软件设计的流程图如图3所示。
4 结束语
人的一生中，近三分之一的时间是在睡眠中度过的，睡眠时体内新陈代谢及一切生理活动都降低，机体处于保护性抑制状态，避免神经细胞过渡消耗而功能衰竭，同时睡眠可以使疲劳的神经恢复正常的生理功能，睡眠对维持人的正常免疫功能是必须的。通过分析睡眠期间的生理信号可以检测出某些疾病的存在，有很重要的临床意义。
当前医学模式与医疗体制变革正在世界范围内展开,在实现医学模式转变和医疗体制变革中,社区医疗有其特殊的重要地位。在虚拟仪器系统中,信号的获取与采集由以计算机为核心的硬件平台来完成。在此硬件平台基础上,调用测试软件完成某种功能的测试任务,便可构成该种功能的虚拟测量仪器。在同一硬件平台上,调用不同的测试软件就可构成不同功能的虚拟仪器。因此采用虚拟仪器技术可降低仪器成本,使其实现家用化,非常有利于社区医疗中心收集诊疗数据,有效监测病人的睡眠状况。按照现代医学观点,疾病的发生固然与细菌或病毒等外因有关,但也与下述内因密切相关：各种身心疾病都是在多种环境因素作用下,使心理存在持久应激,通过神经内分泌通路,造成免疫功能下降的结果。因此,开发家庭睡眠监护系统,将具有重要的“亚临床”意义。
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新疆农业大学机械交通学院
智能仪器仪表
课程论文
第二篇：以色列腕式睡眠监测仪
以色列腕式睡眠监测仪
Watch-Pat
Watch-PAT由Technion以色列技术学院研究人员20##年研制成功。并在哈佛医学院附属睡眠中心以及其他中心进行了检测。
Watch-PAT was successfully developed by researchers at the Technion Israel institute of technology in 2005. And tested at sleep center affiliated Harvard medical school and other centers.
它是一种无需技术人员参与，便携式的阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）诊断系统。一种小型的腕式装置，却是一个可以满足绝大多数尚未诊断OSA病人的可移动，可靠，易于使用的诊断评估工具。它的费用低廉，适合于追踪持续性正压通气（CAPA），口腔用具及五官科手术后病人的需求。Watch-Pat为睡眠医学病人可以住在家里，舒适的得到诊断开创了新的临床通道。
The Watch-PAT is a portable sleep diagnostic system to diagnose obstructive sleep apnea (OSA) without the attendance of a technologist. It is a small wrist-mounted device which fulfills the unmet need for an ambulatory, reliable and patient friendly diagnostic evaluation tool that is accessible to the great number of undiagnosed OSA patients. The Watch-PAT is a cost effective means for follow up treatment of patients on CPAP ,Oral Appliances and post ENT surgery . The Watch-PAT opens new clinical avenues for the practice of sleep medicine -patients can be diagnosed in the comfort of their own home.
除了其它常用生理检测，Watch-Pat检测末梢动脉张力（PAT）。不同于其它便携式装置，Watch-Pat除了提供量化的呼吸暂停信息，还可以提供大量其它的睡眠信息，这些信息可与睡眠实验室的临床数据相比美。Watch-Pat比任何其它水平的装置提供更多信息，然而它简洁，可靠数据的获取并不需要人员值班条件。
The Watch-PAT utilizes Peripheral Arterial Tonometry (PAT) in addition to other common physiological measurements. Unlike other portable devices, the Watch-PAT provides in addition to quantifiable apnea information, extensive sleep information, clinically comparable to sleep data obtained in a sleep lab. While providing more clinical information than any other Level III or level IV devices, the Watch-PAT provides for the simplest and most reliable data acquisition in a non-attended setting.
Watch-Pat获取的数据由已经装置在电脑的Itamar医学专利，便于用户使用的软件-zzzPAT分析。下载数据后仅仅几分钟，通过及其复杂高端的运算法则，自动提供一份完整的研究报告，因而除外主观性为呼吸事件平分。与其它多数医院环境需要一周时间等待分析报告相比较，这种即刻产生报告的方法，能够使病人减少拖延，当天即开始治疗。
The data acquired by the Watch-PAT is analyzed by Itamar Medical's proprietary user friendly software-zzzPAT which is installed on a computer. The sophisticated algorithm is automatic and thus eliminates the need for subjective scoring of respiratory events providing a complete report of the study within minutes after downloading the data. This method of immediate report generation, when compared to weeks in most other hospital -based settings, enables patients to initiate treatment on the same day and without delay.
临床应用
PAT技术监测睡眠呼吸事件的原理和临床结果在20##年成为美国睡眠学会权威认可的检测方法，并得到广泛应用。
Clinical application
PAT technology on monitoring sleep-related breathing events and clinical results became authority approved by American Association of Sleep Medicine and widely used from 2011.