微型睡眠监护评价系统的研究

朱彩兵，宋艳涛，魏兰兰，叶继伦,，张旭

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

微型睡眠监护评价系统的研究

【作 者】朱彩兵1，宋艳涛1，魏兰兰1，叶继伦1,2，张旭2

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

通过对人体睡眠呼吸障碍疾病的病理原理、睡眠呼吸测量方法、监护评价指标的研究，设计一种微型睡眠监护评价系统。分别基于光谱吸收法和力变化的方法，利用高性能的脉搏氧饱和度监测技术，以及新型传感器的呼吸监测技术，测量人体血氧饱和度和胸腹呼吸信号，从算法和传感器安装使用上提高信号的质量与可靠性，从而研制了一款成本低、易用性高，方便家庭使用的睡眠监护评价系统。

睡眠；微型；脉搏血氧饱和度；呼吸；评价

0 引言

随着生活质量的提高，人们对睡眠质量越来越关注，也更加重视睡眠相关疾病。影响睡眠质量的因素很多，其中，睡眠呼吸障碍疾病是影响睡眠的主要因素，特别是睡眠呼吸暂停低通气综合症[1]（SAHS）是睡眠疾病中仅次于失眠的第二大睡眠障碍疾病，是一组发生在睡眠期间，反复发作的呼吸变浅或停止，从而导致反复发作的低氧、高碳酸血症，甚至可引起心、肺、脑等多器官功能损害的临床综合症[2]。研究表明SAHS对高血压、冠心病、脑血管疾病的发病具有独立危险[3]。

因此，为了让睡眠监护技术惠及每个家庭，设计一套微型、简单、易用的睡眠监护评价系统尤为重要，通过对患者睡眠过程中的血氧饱和度和呼吸进行实时监测，给患者的血氧饱和度、脉率、呼吸波形、呼吸率等数据作统计学分析，得出睡眠质量评价参数指标，从而对患者睡眠质量给出有效的评价，为患者的疾病诊断提供有力的依据。

1 睡眠监测方法

1.1脉搏氧饱和度测量方法

脉搏氧饱和度测量是利用光谱吸收法[4]，根据血液中氧合血红蛋白（HbO2）与还原血红蛋白(Hb)的分子分别吸收600 nm波长可见光与940 nm波长红外光，这两个波长光的吸收率R的计算公式如式1所示，AC为搏动性动脉血的光吸收强度，DC为其他组织的光吸收强度。R与血氧值成负相关，根据对应的标准曲线，则可得到相应的血氧值。

1.2呼吸测量方法

人体呼吸信号的测量方法有很多种，其中包括口鼻腔压力测量法、喉音测量法、鼻气流温度测量法，以及阻抗法等[5]，但这些方法容易给患者带来不适，影响患者休息，其中阻抗法是心电监测中的呼吸测量方法，也不便于睡眠监护。因此，本文采用胸腹呼吸法，通过特殊的绑带，将探测器轻松置于腹部，如图1所示，监测患者呼吸变化，不会对患者的睡眠带来干扰。

图1 呼吸测量示意图Fig.1 Respiration measurement schematic diagram

呼吸过程中，胸腹部会随着周期性的呼吸，产生收缩、扩张的形变，这种形变伴随产生一个力，基于力变化的测量原理，通过与胸腹部连接的传感器，以及放大电路等获得胸腹部呼吸信号，通过波形识别，计算出呼吸率、呼吸深浅等，用于评价呼吸状态。本文采用了两种呼吸测量方法，对比了两者的效果，一种是通过压电薄膜传感器测量腹呼吸压力变化，一种是通过一个微型气囊置于腹部，利用气管将腹呼吸压力变化引入压力传感器，通过气囊压力变化测呼吸。

2 微型睡眠监护评价系统

2.1系统架构

微型睡眠监护评价系统包括传感器与连接部分、测量模块、通讯部分，以及上位机显示分析部分，系统架构如图2所示。测量模块由脉搏氧饱和度测量部分和呼吸测量部分组成，通讯部分采用USB通讯方式，这种数据传输方式能够很方便地应用于家庭，连接到电脑或手机，并借助网络将数据传输到睡眠监护中心，便于医生随时调取患者的睡眠监护数据，为疾病的分析诊断提供便利。

图2 微型睡眠监护评价系统架构Fig.2 Framework of micro sleep monitor and evaluation system

2.2硬件系统

微型睡眠监护系统的硬件系统[8]包括信号监测电路、模数转换电路、单片机控制电路和通讯电路，电路示意图如图3所示。系统硬件电路分为数字部分和模拟部分，分别位于由两块不同的微型电路板上，系统由二者对插而成，因此，在硬件结构上缩小了电路的尺寸，系统实物图如图4所示，从图中可看出，整个系统的硬件结构非常微小，这种微型尺寸的模块结构能够很方便用户使用，不会给患者带来过重的负担。

图3 电路原理示意图Fig.3 Circuit principle schematic diagram

图4 实物图Fig.4 Picture of real products

2.3睡眠监护与分析系统软件

睡眠监护与分析系统软件是在PC运行的实时监护软件，是睡眠监护评价系统中重要的一部分，如图5所示。分别在上位机显示所监测的脉搏波和呼吸波形，并将计算所得的血氧饱和度值、脉率和呼吸率实时显示。软件具有数据存储功能，患者在睡觉前，开启监护软件，启动数据存储，就可将患者整夜的睡眠数据保存，之后患者可通过网络，将自己的睡眠数据上传至睡眠监护中心，也可以利用系统的分析软件，如图6所示，实现对睡眠数据的一键化分析评估。

图5 微型睡眠评价系统上位机软件Fig.5 Pc soft of micro sleep evaluation system

患者只需点击数据分析按键，打开睡眠数据，即可获得睡眠数据的分析结果，回放睡眠过程中的脉搏波数据、血氧数据、脉率数据、呼吸波形数据和呼吸率数据，并可拖动滚动条，查阅数据的变化趋势，患者能够直观地了解睡眠状况。分析结果还包括各个参数的最大值、最小值、异常次数、异常次数比率、异常次数持续时间、异常次数持续时间比率等，而且，通过饼图的形式直观地表示出异常数据比率。数据分析时，可以设置血氧、心率和呼吸率的不同的报警限，通过修改的报警限，可分别计算出各个报警限条件下的异常数据情况。

图6 数据回顾分析与评价软件Fgi.6 Software of data retrospective analysis and evaluation

3 信号处理

呼吸信号属于低频信号，特别是在睡眠期间，人体呼吸频率非常低，正常在(0.1～1) Hz之间，因此考虑对呼吸信号采用2阶1 Hz的巴特沃斯低通滤波器，以获得干净平稳的呼吸信号。

巴特沃斯滤波器作为IIR滤波器的一种，2阶巴特沃斯滤波器输入输出关系的常系数差分方程表达式为式(2)。

一般情况下，满足M≤N，N为滤波器的阶数。传递函数如式(3)所示。

呼吸信号滤波前后的频谱如图7所示，从频谱图中可以看出，大部分的频率处于(0～1) Hz之间，还有一个10 Hz的频率成分，为调制信号频率，类似于血压脉搏波信号，因此，通过低通滤波可以滤除呼吸信号中10 Hz的调制信号，以及其他的高频信号，如图8。

通过实验分析，压电薄膜传感器测量呼吸信号，由于受传感器与人物理接触的影响，存在两个问题：（1）对于相对肥胖的人体，传感器的形变过小，信号灵敏度低，特别是睡眠过程中人体呼吸微弱，无法获得明显的呼吸信号；（2）在测量过程中，心音信号对呼吸信号有很大干扰。因此，采用微型气囊获取呼吸信号的方法，实验中使用微小的婴儿血压袖带作为气囊，充气后，通过绑带置于腹部，从得到的呼吸波形数据可知，微弱呼吸时，仍能获取较大幅度的呼吸信号，虽然这种方法仍存在到心音干扰，但是较压电薄膜所得信号干净、平稳，这种方法解决了上面提到的两个问题，通过滤波可以获得更平滑的呼吸波形，如图9所示。

图7 呼吸信号滤波前后频谱特性Fig.7 Spectrum characteristic of respiration signal before filter and after filter

图8 1 Hz低通滤波效果图Fig.8 Effect picture of 1 Hz low pass filter

图9 微型气囊法测得的呼吸信号Fig.9 Respiration signal measured by micro air bag

4 小结

本文初步介绍了睡眠监护的意义，在此基础上提出了一种适合家用的微型睡眠监护评价系统，针对睡眠进行状态监测及报警评估研究，借助与商用电脑及配套软件，即可形成一套具有实用价值的微型呼吸睡眠监测系统，初步评价睡眠中的呼吸与代谢状态，具有一定的筛查意义。

国内外对睡眠监护技术的研究也在不断发展[9]，目前，国内已有医院引进了国外的睡眠监护技术[10]，部分医院还设立了专门的睡眠监护评价科室，说明睡眠障碍问题已在我国不断被重视。但是在信号特征分析、监测参数种类、性能评价和微型化方面，仍有大量的研究工作，未来结合脑电[11]、氧气、呼吸末二氧化碳等监测[12]，以及反馈性的呼吸障碍的治疗，形成对睡眠质量定量评价、呼吸障碍治疗等功能，完成更全面的呼吸睡眠评价和治疗。

[1] 俞森洋. 现代机械通气的监护和临床应用[M]. 北京: 中国协和医科大学出版社, 2000.

[2] 刘恒, 阙丹, 孙彬录. 睡眠呼吸暂停综合症的发病与治疗[J]. 中华肺部疾病杂志(电子版), 2011, 4(1): 60-62.

[3] 陈光辉, 刘玲玲, 王士雯, 等. 睡眠呼吸暂停综合症与心脑血管疾病的相干性研究[J]. 中国临床康复, 2004, 8(6): 1039-1041.

[4] 陈涛, 毛文林, 叶继伦. 脉搏血氧传感器的噪声消除方法[J]. 传感器技术, 2004, 23(3): 67-71.

[5] 席涛, 杨国胜, 汤池. 呼吸信号检测技术的研究进展[J]. 医疗卫生装备, 2004, 12:26-28.

[6] Uchida S, Endo T, Suenaga K. Sleep evaluation by a newly developed PVDF sensor non-contact sheet: a comparison with standard polysomnography and wrist actigraphy[J]. Sleep Biol Rhythms, 2011, 9:178-187.

[7] Sun C, Shi J, Bayerl D J, et al. PVDF microbelts for harvesting energy from respiration[J]. Energy Environ Sci, 2011, 4: 4508-4512.

[8] 李德旺, 仇原鹰, 叶继伦. 呼吸力学参数监测系统的电路设计[J].中国医疗器械杂志, 2005, 29(2): 92-95.

[9] Teofilo L. Lee-Chiong Jr. Monitoring respiration during sleep[J]. Clinics chest med, 2003, 24: 297-306.

[10] 叶志前, 郑涛, 裘利坚. 睡眠监护技术的发展[J]. 国外医学生物医学工程分册, 2003, 26(6): 244-248.

[11] 刘建平, 郑崇勋. 多导睡眠图特征提取研究[J].生物医学工程学杂志, 2005, 22(5): 906-909.

[12] 刘春生, 朱彩兵, 宋艳涛, 等. 医用二氧化碳监测方法与应用研究进展[J]. 中国医学物理学杂志, 2012, 29(5): 3672-3675.

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

叶继伦，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.