基于3 G网络的睡眠呼吸暂停综合症监测系统研究※

张艳洁 李帅三 赵祥坤

基于3 G网络的睡眠呼吸暂停综合症监测系统研究※

张艳洁 李帅三 赵祥坤

对睡眠呼吸暂停综合症症状和当今普遍使用的3 G网络技术进行了研究，为实现睡眠呼吸暂停综合症监测的智能化，文章采用理论分析和实验模拟的方法，提出了一种基于3 G网络的睡眠呼吸暂停综合症监测系统。该系统主要包括呼吸信号采集和利用3 G网络进行传输两大部分，为睡眠呼吸暂停综合症患者提供了一个方便有效的健康保障监测平台，可使患者病症实时在线得到医师和家属的有效监控，从而实现医疗监护自动化处理。

睡眠呼吸暂停综合症；3 G网络；监测；电路设计；数/模转换

睡眠呼吸暂停综合症（sleep apnea syndrome, SAS）是一种潜在的致死性疾病，其临床特点表现为反复发作的严重打鼾、呼吸暂停、低通气、低氧合症和白天嗜睡。长期患有该疾病的患者还可能引发高血压、心肌梗死、脑血管意外甚至猝死。因此，对睡眠呼吸暂停综合症进行实时监测具有十分重要的现实意义[1-2]。

3 G（3rd-generation）是第三代移动通信技术的简称，具有支持高速数据传输的优势，能同时传送声音及数据信息（电子邮件、即时通信等），其代表特征是可提供高速数据业务[3-4]。

本文根据睡眠呼吸暂停综合症患者在线实时监测的迫切需求及3 G网络的技术特点，设计了一种基于3 G网络的睡眠呼吸暂停综合症患者监测系统，采用最新的3 G通信技术，实现了呼吸信号的无线传输，为该疾病患者提供了方便有效的健康保障平台，实现异地监测，不影响患者睡眠，摆脱了大型医疗器械和地点的束缚，能得到医师和家属的有效监控，从而实现医疗监护的自动化。

1 监测系统的功能体系

1.1 系统的总体设计 基于3 G网络的睡眠呼吸暂停综合症监测系统的整个工作过程主要包含以下三个环节。

1.1.1 患者前端监测部分，是整个监测系统的开端，主要完成呼吸信号的采集、模拟信号的处理，然后再进行模/数转换，转换为数字信号送入患者数字信号发送端。

1.1.2 3 G网络传输部分，通过3 G网络将数据以UDP/TCP包形式发送至Internet数据中心，并将Internet数据中心下传的UDP/TCP包转换为串口数据传至终端设备[5]。

1.1.3 监护终端部分，可以是现在常用的智能手机、PAD、笔记本等设备，监护终端通过连接3 G无线网络接收监测数据，再通过软件显示波形从而实现远程监护功能[6]。

1.2 系统结构组成 见图1。

图1 系统结构示意图

1.3 患者前端监测部分 本部分包括呼吸信号采集电路、信号放大电路、低通滤波电路、主放大电路、模/数转换电路及患者数字信号发送端。

1.3.1 电路设计与实现 电路部分由呼吸信号采集电路、信号放大电路、低通滤波电路、主放大电路、数/模转换电路5个电路组成，所有电路电源电压均为5 V[7]。

1.3.1.1 呼吸信号采集电路 其电路如图2所示。采用温度感应式的方法采集呼吸信号，使用NTC（negative temperature coefficient）做呼吸气流的传感元件，将温度变化转化为电阻的变化，将对温度的测量转化为对电阻的测量。介于电桥测量有灵敏度高、线性好、测量范围宽且容易实现温度补偿等优点，在呼吸信号感应的第一级采用电桥测量。

图2 呼吸信号采集电路图

1.3.1.2 信号放大电路 采用AD620放大器，及差分放大电路，将电桥输出的毫伏级电压进行放大，见图3。

图3 信号放大电路示意图

1.3.1.3 低通滤波电路 采用LM324来实现低通滤波抑制高频干扰，可使信号变得更加稳定，见图4。

图4 低通滤波电路示意图

1.3.1.4 主放大电路 由于从低通滤波来的信号比较微弱，不利于观察和分析，因此需要进行放大。本论文采用可调的正向放大电路放大波形的峰值，便于医护人员进行观察和分析，见图5。

1.3.1.5 模/数转换电路 模/数转换即A/D转换作用是将放大的信号转换为数字信号。模/数转换电路应包括两部分：采样保持器和A/D转换器。当某一通道进行A/D转换时，由于A/D转换需要一定时间，若输入信号变化较快，将会引起较大的转换误差。因此，为保证A/D转换精度，就需要增加采样保持器。保持器是指在两次采样的间隔时间内，根据采样信号而复现原信号的装置。论文利用零阶采样保持器AD582，其电路见图6。

图5 主放大电路示意图

图6 零阶采样保持器原理示意图

A/D转换器能把输入的模拟电压变成与其成正比的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。A/D转换器从原理上可分为逐位逼近式、双积分式、电压/频率式等多种。因逐位逼近式A/D转换器速度较快精度较高，是目前应用最为广泛的一种，此处采用普通型8位单路ADC0801A/D转换器。

一个n位A/D转换器是由逐位逼近寄存器、D/A转换器、比较器、控制时序和逻辑电路、数字量输出锁存器五部分组成，得出其A/D转换表达式为：式中，B为转换后的输出数字量；VIN为要转换的输入模拟量；VR+、VR-基准电压的正、负输入。即当基准电压源确定之后，n位A/D转换器的输出数字量B与要转换的输入模拟量VIN成正比[8]。

1.4 3 G网络传输部分

1.4.1 患者信息发送端 将采集到的数据，通过3 G无线网络方式发送无线接入点，再经过Internet传送至接收端无线接入点，医院监护终端和患者家属监护终端通过3 G无线网络接收数据，再通过终端软件显示波形得到患者睡眠状态，从而实现远程监护功能。

1.4.2 3 G网络传输部分结构组成 见图7。

图7 3 G网络传输结构示意图

2 系统优点

基于3 G网络睡眠呼吸暂停综合症监测系统，对监测得到的睡眠数据采用3 G无线网络作为信号传输手段，具有如下优点：①与传统监测系统相比有覆盖面广、布置方便、高数据吞吐量、监控方便；②监测系统安装简单、成本低，能方便应用于需要远程监测的场合；③数据可高速传输，3 G在各种环境下的传输速率为144 Kbps～2 Mbps[9]；④维修方便且维护费用较低，适合于普通大众使用。

3 结束语

本研究实现了利用3 G网络智能监测睡眠呼吸暂停综合症技术，通过现有的移动平台，能实现更为有效的医疗保健作用。监测端可以是3 G智能手机、PAD或笔记本等，可在不影响患者睡眠质量的情况下实现对其远程监测，实现医疗监护的自动化。同时系统具有结构简单、无线数据传输距离远、传输数据快、稳定性及可靠性高等优点，并通过简单扩展能与患者其他监测指标如血压、脉搏等构成集成块，从而实现身体健康状况多参数共同监测的作用，具有广阔应用前景。

[1] 胡玉萍,章安平.阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的监测与护理对策[J].临床肺科杂志,2009,14(7):993-993.

[2] 李帅三,丁晶,张文华,等.睡眠呼吸暂停综合症通过3G网络远程监测的研究[J].中国医疗设备,2011,26(7):40-41.

[3] 刘佳,王军峰,徐越群.第三代移动通信3G技术解析[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2010,9(3):65-67.

[4] 王景敏,苏克晓,刘彩玲,等.基于3G无线网络的石油测井数据传输系统[J].工业仪表与自动化装置,2012(5):106-108.

[5] 王盛学,李著信,何平.基于3G无线网络的工业监控系统设计[J].测控技术与仪器仪表,2011,37(8):75-77.

[6] 陈浩,彭仁明,周连双.基于移动通信和INTERNET网络的心脏远程监护系统[J].绵阳师范学院学报,2010,29(8):9-13.

[7] Michell S L ,Morris J N,Park P S,et al.Terminal care for persons with advanced dementia inthe nursing home and home care settings[J]. Journal of Palliative Medicine,2004,7(6):808-816.

[8] 林敏.计算机控制技术及工程应用[M].北京:国防工业出版社, 2012:33-37.

[9] 蔡康,李洪,朱英军,等.3G网络建设与运营[M].北京:人民邮电出版社,2007:15-28.

Research on Monitoring System of Sleep Apnea Syndrome based on 3G Network

Zhang Yanjie Li Shuaisan Zhao Xiangkun

The symptom of sleep apnea syndrome and widely used 3 G network are investigated and a monitoring system of sleep apnea syndrome based on 3 G network technology has been put forward.The theoretical calculation and the experimental simulation results verified the feasibility and intelligence of the system which is consisted of respiration signal acquisition and 3 G network transmission parts. The system that automates the medical care for sleep apnea syndrome patients has provided a real time health monitoring platform for both doctors and families.

Sleep Apnea Syndrome;3 G Network;Monitoring;Circuit Design;A/D Conversion

R318.13

A

1673-5846(2014)07-0195-03

牡丹江医学院，黑龙江牡丹江 157011

黑龙江省卫生厅资助项目（课题编号2011-330）

张艳洁（1973-），硕士，讲师，从事牡丹江医学院影像系教学和科研工作。研究方向：电子学、医学物理。E-mail：zyj19730916@163.com