一种非接触睡眠呼吸暂停报警装置的研制

【作者】王梦梦，杨芳，王帅杰，张华，路国华 第四军医大学学员一旅四营十三连，西安市，700 第四军医大学基础部教学实验中心，西安市，700 第四军医大学生物医学工程学院电子学教研室，西安市，700



一种非接触睡眠呼吸暂停报警装置的研制

【作者】王梦梦1，杨芳2，王帅杰3，张华3，路国华3
1 第四军医大学学员一旅四营十三连，西安市，710032
2 第四军医大学基础部教学实验中心，西安市，710032
3 第四军医大学生物医学工程学院电子学教研室，西安市，710032

【摘要】为了实现在低生理和心理负荷条件下实现睡眠呼吸暂停的报警，该文设计了一种装置，包括微型化生物雷达、信号调理、控制与处理、报警以及电源五个模块，分别实现人体呼吸信号非接触检测、呼吸信号特征提取、呼吸暂停检测与报警功能。实验结果表明，该睡眠呼吸暂停报警装置不仅无需任何直接接触人体电极或传感器，而且体积小、功耗低、价格低廉，未来可广泛用于家庭或医院睡眠障碍患者的监测。

【关 键 词】睡眠呼吸暂停；生物雷达；非接触

0　引言

睡眠呼吸暂停综合症（Sleep Apnea Syndrome, SAS），是一种具有潜在危险的病症，长期的呼吸暂停会引起严重的低氧血症及睡眠紊乱，可诱发高血压、心律失常、心脑血管等疾病，少数严重患者甚至发生夜间猝死[1-2]。因此，对患者睡眠过程中呼吸信号的实时监测对诊断及早期预防睡眠呼吸暂停的并发症具有重要的参考价值[3]。

目前，市场现有的睡眠呼吸暂停监测装置主要采用微型扩音器、温度传感器、压力传感器、心电电极以及静电荷灵敏床垫直接接触人体，通过检测呼吸音、鼻腔出气温度、胸腹部的位移、心电变化以及床垫形变来实现呼吸信号的检测[4-8]，优点是呼吸信号的检测质量高，不易受人体运动或其他外界干扰的影响，但测量时需要专业人员安装电极或传感器，而且要求受试者长时间监测，从而增加了其心理负担[6]，导致睡眠质量下降。为此，需要研究睡眠过程中对人体毫无约束、无需任何接触人体的电极或传感器的非接触呼吸检测技术。

非接触检测呼吸信号的方法主要采用光学、电磁波等照射人体，通过检测人体呼吸运动引起的体温的变化或体表位移来间接检测呼吸信号，常用的方法有红外线检测和生物雷达两种。红外线检测不能直接穿透衣服进行检测[9]，并且红外装置的成本较高，体积大，如果环境温度变化大于人体体温变化，检测误差较大。生物雷达[10]能够直接穿透衣物，检测过程无需任何电极或传感器接触人体，对人体无任何约束，是一种真正意义上的生理信号无创检测。

本研究的目的是研制一种微型生物雷达，通过非接触检测人体的呼吸信号，经过信号调理、特征提取等提取出人体的呼吸，通过设定合适的阈值，实现睡眠呼吸暂停的自动报警。

1　报警装置系统设计

由于本报警装置主要面向家庭应用，要求体积小、功耗低、价格低廉，而且使用时便于安装和维修。为此，我们采用模块化设计，将整个装置按照信号检测的功能划分为五个部分：生物雷达、信号调理、控制与处理、报警和电源，各模块之间的连接关系如图1所示。

图1　报警装置组成框图Fig.1 The block diagram of the alarm device

生物雷达模块主要实现人体体动信号的非接触检测。生物雷达采用微型化设计，收发电路采用高集成的CMOS收发电路、天线采用微带天线阵列，其发射功率小于1 µW，体积与1元人民币硬币相当。当微型生物雷达探测区域内有人体的胸部微动信号时，其输出动态范围为1～100 mV，直流漂移范围20～100 mV，频带为0.05～0.6 Hz。

信号调理模块主要实现对微型生物雷达的输出信号进行放大和滤波。针对生物雷达的输出动态范围和直流漂移大、信号带宽窄以及接近直流的特点，采用多级放大和滤波相结合的模式，由集成运放OP41117和电阻、电容网络设计放大和滤波电路，要求总放大倍数为2 300倍，频率输出范围为0.05～0.8 Hz。

控制与处理模块主要实现对信号调理输出信号的电平转换、A/D采样及控制。采用STM32F407微处理器，实现对信号调理电路输出信号的A/D采样、数字滤波、峰值检测以及求和平均等处理，其中A/D采样频率为20 Hz，软件开发工具使用KeilMDK（英国ARM公司）。

报警模块主要实现对处理结果的报警与指示。该模块采用发光二极管和蜂鸣器声光报警，当微处理器检测到呼吸暂停时，发光二极管和蜂鸣器工作。

电源模块主要为微型生物雷达、信号调理、控制与处理以及为报警模块提供稳定的直流电压。考虑到该装置为家庭使用需连续工作10 h以上，我们采用3.7 V手机锂电池，通过tps60110升压电路和ICL7660反压电路可输出±5 V双电源、+3.3 V电源[11]。

在制作印刷电路板（PCB）时，将各模块的输入和输出预留测试节点，便于后续电路调试和故障排除。为缩小设备的体积，所有电阻电容都使用0603贴片封装。报警装置的实物如图2所示，将报警模块和控制处理模块合并，并预留串口，便于上位机调试。除串口外还设有预备口，预备口实现设置复位等功能。

图2　报警装置实物图Fig.2 The photo of the alarm device

2　呼吸暂停检测方法—能量法

食管测压法已经证实当发生睡眠呼吸暂停时，呼吸诱发的胸腔内压力有变化，胸腹部的运动幅度明显变小，即呼吸波形的幅度明显小于正常呼吸的波形幅度[12]。针对该特点，我们采用能量法检测呼吸暂停。

能量法的基本思想是对离散信号进行时域上的能量累计，计算公式如下：

x表示离散的呼吸信号，E表示信号的能量，代表呼吸信号的强弱。能量值越小，呼吸信号越弱。当呼吸暂停时，呼吸信号的能量值小于正常呼吸信号的能量值。

利用能量法判断是否发生呼吸暂停的步骤如下：

① 对呼吸信号进行数字滤波，采用低通FIR滤波器，截止频率为0.8 Hz；

② 对滤波后的呼吸信号取平均值，再用滤波后的呼吸信号减去平均值，去除直流成分；

③ 对去直流的呼吸信号加数字窗，窗宽为200个采样点（采样频率20 Hz，对应10 s的数据长度）；

④ 按照公式(1)计算200个采样点呼吸信号的能量值；

⑤ 重复步骤③和④，连续计算5段200个采样点呼吸信号的能量值；

⑥ 取5段呼吸信号的能量值的平均值的一半作为判断呼吸暂停的能量阈值；

⑦ 重复步骤③和④，连续计算第5段以后的呼吸信号的能量值，并与⑥ 的阈值进行比较；

⑧ 如果第6段以后的能量值小于阈值，判断有呼吸暂停出现，并进行计数；

⑨ 重复步骤⑧，直到所有的呼吸信号处理完毕；

⑩ 如果呼吸暂停次数达到每小时5次以上或7 h的睡眠过程中暂停次数达30次以上，即可被认为发生了睡眠呼吸暂停。

3　实验结果

我们将自行研制的非接呼吸暂停装置首先用于检测10名受试者的呼吸信号，要求受试者坐在高度为0.5 m的椅子上自由呼吸，人体距装置的距离为2 m。在实验过程中，首先要求受试者平静呼吸30 s，然后屏住呼吸10 s，连续记录10 min。其中1名受试者的实验结果如图3所示。

(a) 正常呼吸信号(a) Normal breathing signal

图3　非接触呼吸信号检测结果Fig.3 The non-contact detection result of breathing signal

人体自由呼吸时的信号波形如图3(a)所示，横坐标表示记录时间(单位：s)，纵坐标表示信号幅度(单位：V)。从图中能看出呼吸波形的脉络。有呼吸暂停信号发生的波形如图3(b)所示，呼吸暂停信号与正常呼吸信号相比，其幅值较低，我们可以利用能量法来判断有无发生呼吸暂停。

将报警装置用于模拟呼吸暂停测量，在已知发生呼吸暂停的前提下，测量结果如表1所示。其平均准确率达到96%。

表1　使用报警装置测量呼吸暂停结果Tab.1 Results of apnea using the alarm device

4　结果与讨论

本文研制的睡眠呼吸暂停装置，可以非接触检测到人体的呼吸信号，并自动对呼吸暂停进行报警，可以用于家庭或临床睡眠障碍患者的床旁监测，具有较广泛的应用前景。

本报警装置实验时，主要测试短距离内(2 m)、受试者正对生物雷达、模拟呼吸暂停的情况，未在不同频率、不同幅度、不同距离和不同睡姿情况下进行试验，故频率、呼吸幅度、雷达与人体距离以及不同睡姿对判断准确度的影响还有待研究。

由于该装置在设计时没有使用无线通讯模块，目前无法使报警信号通过无线的方式远距离传送，不适用于远程无线监护；另外，人体自身的身体晃动也会产生干扰，现有的电路也无法消除。在下一步设计中，准备加入无线通信模块，以实现远程无线监护，并且，在电路中加入人体异常运动抗干扰的模块，以实现呼吸信号的精确测量。

参考文献

[1] Nowak M, Kornhuber J, Meyrer R. Daytime impairment and neuro egeneration in OSAS[J]. Sleep, 2006, 29(12): 1521-1530.

[2] 张劲农, 彭伟, Walker J. 睡眠及睡眠呼吸障碍学[M]. 北京: 科学出版社, 2009.

[3] Banno K, Kryger MH. Sleep apnea: clinical investigations in humans[J]. Sleep Med, 2007, 8(4): 400-426.

[4] 祁富贵, 李川涛, 张华, 等. 一种非接触呼吸暂停检测技术的研究[J]. 中国医疗设备, 2014, 29(12): 24-27.

[5] 张鹏飞, 张华, 拜军, 等. 呼吸信号检测技术研究现状[J]. 国际生物医学工程杂志, 2012, 35(6): 365-369.

[6] 张鹏飞. 基于生物雷达的非接触睡眠状态监测技术的初步研究[D]. 西安: 第四军医大学, 2013.

[7] Alihanka J, Vaahtoranta K. A static charge sensitive bed：A new method for recording body movements during sleep[J]. Electroencephalogr Clin Neurophysiol, 1979, 46(6): 731-734.

[8] 张宏金, 杨军, 俞梦孙, 等. 一种鉴定飞行员睡眠呼吸暂停低通气综合征的新方法[J]. 中华航空航天医学杂志, 2004, 15(2): 102-105.

[9] Nakajim K, Matsumoto Y, Tamura T. Development of realtime image sequence analysis for evaluating posture change and respiratory rate of a subject in bed[J]. Phys Meas, 2001, 22(3): 21-28.

[10] 王健琪, 王海滨, 荆西京. 呼吸、心率的雷达式非接触检测系统设计与研究[J]. 中国医疗器械杂志, 2001, 25(3):132-135.

[11] 胡冶, 李川涛, 祁富贵, 等. 非接触呼吸与心跳监护装置的研制[J]中国医疗器械杂志, 2015, 39(4): 244-248.

[12] Kushida CA, Giacomini A, Lee MK, et al. Technical protocol for the use of esophageal manometry in the diagnosis of sleep-related breathing disorders[J]. Sleep Med, 2002, 3(2): 163-173.

Development of an Alarm Device for Non-contact Detection of Sleep Apnea

【Writers】WANG Mengmeng1, YANG Fang2, WANG Shuaijie3, ZHANG Hua3, LU Guohua3
1 Company 13, Battalion 4, Cadet Brigade 1, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032
2 Department of Experimental Teaching Centre, School of Basic Medicine, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032
3 Department of Electronics, School of Biomedical Engineering, the Fourth Military Medical University, Xi'an, 710032

【Abstract】To non-contact alarm the sleep apnea under low physical and mental load condition a device was designed including the modules of minimized bio-radar, signal conditioning, control, alarm and power supply, which can realize the function of non-contat detection of the breathing signal, sleep apnea detection and alarm. Experimental results showed that the device can not only non-contact detection the breathing signal without any sensors or electrodes touching the human body, but also has the advantages of small volume, low power consumption and low price, which may be widely used in monitor the patients with sleep apnea at home or in the hospital.

【Key words】sleep apnea, bioradar, non-contact

【中图分类号】R197.39；TP277

【文献标志码】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.008

文章编号：1671-7104(2016)02-0103-03

收稿日期：2015-10-25

基金项目：国家自然科学基金课题（61271102），陕西省自然科学基金课题（2014JM2-6087）

作者简介：王梦梦，E-mail: meng_36@163.com

通信作者：路国华，E-mail: lugh1976@fmmu.edu.cn