新生儿呼吸暂停监护仪自救模块的研发

管 吉 高 磊 詹宁波 杨 震 管 叶

新生儿呼吸暂停监护仪自救模块的研发

管 吉①高 磊①詹宁波①杨 震①管 叶②*

目的：研制一种基于新生儿监护仪平台，实现对新生儿呼吸暂停监测自救的功能。方法：通过对呼吸暂停信号的提取，由监护仪触发研制的自救模块，突破传统的马达震动唤醒原理，改用研发的低频脉冲电模拟针灸按摩，深度唤醒呼吸暂停的新生儿。结果：经过对低频脉冲电流系统的研究分析发现，脉冲电模拟针灸按摩优于传统的唤醒方式，可快速刺激新生儿神经系统，使其恢复自主呼吸，是最佳的刺激传导方法。结论：本研究设计合理，结果准确可靠，是一种简便高效、无创、无干扰以及低成本的呼吸暂停自救方法，适合在临床借鉴使用。

新生儿呼吸暂停；监护仪；低频脉冲电流唤醒；呼吸暂停自救

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.07.014

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, No. 302 Military Hospital, Beijing 100039, China.

婴儿呼吸暂停是世界共同关注的课题，而引起婴幼儿呼吸暂停造成窒息的原因是由新生儿生理特点所至。新生儿的呼吸系统尚未发育健全，出生前从体内通过脐带供氧，出生后转为肺呼吸供氧，需要一个转换过程。婴幼儿在睡眠状态下呼吸中枢神经对缺氧及二氧化碳储留反映不敏感，因此新生儿会出现不规则的呼吸暂停，早产儿更易出现频繁窒息。常常由于缺乏必要的监护和及时的救助，致使世界每年因呼吸障碍失去生命的婴儿为20余万人，因呼吸障碍所造成的智力障碍及呆傻的新生儿为80余万人。经专家最新论证，呼吸暂停导致心动过缓常伴有脑灌注和血流量减少，缺氧、缺血导致新生儿脑损害或加重其他原因的脑损伤，严重者危及生命或有中枢神经系统后遗症。反复发作的呼吸暂停常导致呼吸功能不全及多器官功能损伤[1]。新生儿生理性呼吸暂停不应＞15 s，发达国家早在数年前使用单一窒息监护仪对每个出生的婴儿进行常规呼吸监护。然而，传统唤醒婴儿的方法既耗费人力，又效率低下，而目前国内的技术尚未实现独立模块化。本研究研发匹配于监护仪的呼吸暂停自救模块，旨在促使这一薄弱领域能够拥有新的技术。

1 呼吸暂停自救模块系统总体方案

新生儿呼吸暂停监护仪的设计主要由系统的硬件和软件部分组成。对于呼吸暂停自救监护仪而言，应根据调研和收集的资料确定系统设计的任务和目标，分析需要解决的问题，实现唤醒新生儿的基本功能[2]。呼吸暂停自救的新生儿监护仪通过血氧监测模块采集新生儿的血氧信号，并根据血氧信号获取血氧饱和度，同时采用呼吸监测模块采集新生儿的呼吸信号，并根据呼吸信号获取呼吸频率。主控模块接收新生儿的血氧信号、血氧饱和度、呼吸信号及呼吸频率，判断接收的血氧饱和度、呼吸频率是否超出阈值范围，若超出阈值范围时主控模块控制自救模块刺激新生儿的脚心从而使新生儿恢复自主呼吸[3]。

总体思路应简洁可行，为了解决睡眠过程中存在的呼吸暂停的问题，研制的新生儿呼吸暂停自救监护仪具有下述功能。

(1)呼吸暂停信号的采集。通过心电和血氧传感器采集呼吸暂停信号[4]。

(2)对采集信号的处理。对采集到的信号进行处理，加之血氧饱和度信号对比，实现双重保险，得出呼吸是否异常的判断结论。

(3)对信号采集的监视。在监视信号采集过程中系统可实时显示信号采集情况；其监护仪技术已经非常成熟。

(4)报警显示的能力。自救监护仪具备报警显示的能力，可直接利用监护仪的技术。

(5)系统操作简单。监护系统操作简单，具有呼吸暂停自救功能，且启动方便简洁。

1.1 系统硬件部分

系统硬件部分基于以上的需求分析，可以得到呼吸暂停自救系统硬件主要由监护仪主体、信号采集部分、信号预处理部分、监护仪单片机处理部分(CPU)、自救模块电路部分、自救模块探头部分、报警部分、电源部分、显示部分以及抗干扰屏蔽机壳等部分组成[5](如图1所示)。

(1)信号采集部分。主要负责采集呼吸暂停信号，可通过串口扩展芯片扩展多个串口方式，或利用单片机的IO口模拟一个接收端口等[6]。

图1 系统硬件框图

(2)信号预处理部分。主要负责将采集到的呼吸信号经过一定的放大、滤波处理，使之能够被送入到单片机中进行处理，继而进行其他的操作。

(3)监护仪单片机处理部分(CPU)。CPU是整个系统的“大脑”，对整个系统进行智能控制和管理，并对检测信号进行处理，经过捕获呼吸暂停信号，并且与血氧参数进行比较，确定是否需要进行报警以及自救操作。

(4)报警部分。以引起操作人员的注意，主要有光电报警(发光二极管)和声音报警(扬声器或蜂鸣器)等。

(5)自救模块电路。为了实现低频脉冲电路，设计涵盖了调压整流电路、频率调控电路、波形变换电路、电流换向电路以及放大电路等。

(6)自救模块探头。设计使用的电刺激法最合理美观的探头也是导联及电极片，既安全卫生又可批量化生产。

(7)电源部分。主要负责为呼吸暂停自救监测系统硬件设施提供标准电源的模块，特殊之处是为自救模块提供9 V直流电，使其能够正常工作[7]。

(8)监护仪显示部分。主要负责显示常规参数以及重点是呼吸及血氧等信息。

1.2 系统软件部分

系统的软件部分主要完成的工作是将采样经放大、滤波后的呼吸暂停信号，通过分析处理，判断呼吸暂停是否＞10 s，如果＞10 s则启动报警[8]。结合血氧的参数判断是否需要自救功能启动，以减少误操作，同时系统的软件部分会控制液晶屏的显示。基于监护仪技术已相当成熟，监护仪本身即可实现呼吸暂停信号的采集显示，因此重点是研究自救模块软件部分。

本研究设计芯片采用EMC78P156，也可用MSP430系列单片机，但设计后期发现自救模块输出的波形不稳定。为了得到稳定波形，使得新生儿无强烈的不适感，首选规则方波输出，需在波形变换电路上加载波形变换控制电路，在电流换向电路上加载换向控制电路，此时输出的方波整齐稳定[9]。

2 呼吸暂停自救模块设计实现

设计采用的低频脉冲电流对人体主要有3种生理作用，即兴奋神经肌肉组织、促进局部血液循环及镇痛，故对人体具有安全保健作用。对于新生儿要注重婴儿的承受范围和感觉，既要唤醒婴儿，又不能对婴儿造成伤害，该电路能输出模拟人手的按摩针灸，其强度可调。各种元器件均为市场上的普通元件，电感为普通色环电感，输出部分应采用专用的贴片。自救模块的芯片采用EMC78P156，为了安全起见电路设计采用9 V直流供电，可将50～60 Hz转换为0.1～1 Hz，属于新生儿可承受的范围[10]。

2.1 电路主要部分实现解析

(1)控制电路。由滑动变阻器、单片机及蜂鸣器组成，按对应的滑动变阻器，对应的功能输出，对应不同高低的蜂鸣音量，模式强度可调，一般输出强度为能耐受为宜，不宜太强。

(2)升压电路。在P5.2口输出一定脉宽、频率的方波，用来使Q1处于开关状态，电源通过L1，Q1，D1，C1组成的升压电路，在电容C1两端产生比电源高出数倍的电压。如果要加大强度，只需加宽输出信号的时间，强度变化不可太大，应逐步加强，否则婴儿身体会难以忍受[11]。

(3)波形控制及输出电路。输出波形时先使升压电路工作，然后输出时的波形是相同的，只是相位相差

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o。这样可以在输出端得到2个输出端同样的感觉，不会出现只有一个端口有感觉，而另一端口无感觉的现象[12]。在本套系统的2个端口中，可以分别控制输出电路的通、断以及升压电路的电压模拟按摩手法。

(4)无输出自动停止电路。此电路是在输出无负载的情况下无电流流经，其上面无电压降，无基极电压，处于截止状态；当高电平时间＞5 s则表示无负载，自动停止；如果有负载则有电流流过；D端、Q端有基极电压则处于导通状态，P端口得到低电平则表示有负载，避免漏电流以及误操作[13]。

2.2 自救模块硬件实现的优点

借鉴监护仪心电导联的经验，患者端导联设计是本研究的独特之处，其采用导联和电极片传导低频脉冲电流，真实模仿按摩针灸的效果，且不会灼烧皮肤[14]。导联线设计为可插拔式，电极片为专用电极片，以充分接触婴儿身体。从设计美观的角度而言，电极片的应用更简洁得体，未来发展趋势可与心电导联线合并在一个端口上，而其中有2根导联则用于自救唤醒功能。电极片将成为一种可更换式的一次性耗材，便于贴在脚掌及其他部位，既卫生安全又合理利用其成熟技术。本研究设计的自救模块硬件结构如图2所示。

图2 自救模块内部结构及患者端导联示意图

3 结论

本研究通过对新生儿呼吸暂停的病理解析，在设计中以多参数监护仪为平台，以提取并处理呼吸暂停信号为嵌入点，研发以低频脉冲电流为唤醒方式的自救模块，实现了对新生儿呼吸暂停监测自救的功能，主要完成了自救硬件电路、患者端导联电极片的设计，其主要功能是实时监控新生儿的呼吸状况，当有呼吸暂停发生时则发出报警信号，并且触发自救模块唤醒婴儿，从而使新生儿恢复自主呼吸[15]。本设计将自救功能加载在监护仪上最为合理，便于婴儿复苏后的监护。在未来，这一技术有望应用于治疗成人及老年人的“睡眠呼吸暂停综合症”，使监护仪可增添新的急救功能。同时，随着科学技术的进一步发展，有待应用该技术研制形成独立单机，以便将其检测功能同时应用在临床诊疗中。

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Development of self-help modules of neonatal apnea monitor

GUAN Ji, GAO Lei, ZHAN Ning-bo, et al
China Medical Equipment,2015,12(7)∶40-43.

Objective∶ To develop a new platform based on neonatal monitors, and achieve selfhelp function system. Methods∶ The extraction of apnea signal to trigger the monitor developed by the self-help module, breaking the traditional motor vibration wake principle in favor of the development of low-frequency pulse simulated acupuncture massage, deep wake newborn. Results∶After studying systematic analysis of low frequency pulse current, pulse was found superior to the traditional wake-up mode, you can quickly stimulate the nervous system, so that the newborn resume spontaneous breathing is the best stimulus conduction methods. Conclusion∶ The method design is reasonable, accurate and reliable, is a simple and effective, non-invasive, non-interference, low-cost self-help tools apnea for industry reference.

Neonatal apnea; Monitors; Frequency pulse current wake; Apnea self-help

1672-8270(2015)07-0040-04

R197.324

A

管吉,男,(1990- ),本科学历，技师。解放军第302医院医学工程保障管理中心，从事医疗设备维修和质量控制管理工作。

2015-01-07

①解放军第302医院医学工程保障管理中心 北京 100039

②解放军总医院门诊眼科 北京 100853

*通讯作者：1973521767@qq.com