基于环绕式血氧探头的睡眠呼吸暂停综合征检测装置原型设计与开发

吴 疆,徐 壮,刘丽佳,嵇艳鞠,李肃义

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院,长春130061)

0 引 言

睡眠对人体来说扮演着十分重要的角色,其不仅是生长发育所必需,也在维持身心健康等方面发挥着不可或缺的作用。然而,随着社会的飞速发展,工作生活压力的不断加大,睡眠问题也日益凸显。数据显示,全球约有27%的人口患有睡眠障碍性疾病,其中以睡眠呼吸暂停综合征(Sleep apnea syndrome,SAS)最为常见[1]。SAS是指睡眠过程中口鼻呼吸气流消失或明显减弱(较基线幅度下降≥90%),持续时间≥10 s,并伴随着血氧饱和度的下降[2]。目前进行SAS诊断的“金标准”为多导睡眠仪(Polysomnography,PSG)[3],但该类仪器价格昂贵、操作流程复杂,且需要长时间佩戴多种传感器,会给患者带来诸多的约束和干扰,加重患者身心负担,严重影响患者的睡眠质量,甚至无法反映真实病情。因此,研究替代PSG的方便、高准确率的检测方法,将会为SAS患者的早期诊断提供有力的技术支撑,具有较高的实用价值。

心率变异性(Heart rate variability,HRV)检测法作为一种便携式SAS检测方法,已被证实了其在睡眠呼吸监测应用中的可靠性[4-7]。该方法通过动态心电图机来监测患者的心电信号,进而从中选取出HRV信号,完成睡眠呼吸监测。因其佩戴传感器少、操作简单,故常被用来替代PSG监测睡眠呼吸暂停情况。然而,受检测方式的制约,该方法需要长期佩戴心电电极,严重干扰患者的睡眠质量,电极片甚至还会引起部分患者皮肤过敏。2011年,Bulte等[8]通过研究发现,自脉搏信号中选取的脉率变异性(Pulse rate variability,PRV)信号与心电信号中选取的HRV信号具有一致性关系,进而为HRV的研究提供了一种新的途径。同时,通过脉搏信号获取的血氧饱和度(Peripheral blood oxygen saturation,Sp O2)数据也可以直观地反映出患者睡眠过程中呼吸暂停的发生情况[9],是诊断SAS的又一项重要指标。目前,临床上用于Sp O2监测的传感器探头多为指夹式脉搏血氧探头,其通过弹簧结构将指夹固定在手指两端,患者的舒适性差,且在长期的睡眠监测过程中容易发生移位、脱落,影响监测的准确性。

综上所述,为提高监测的舒适性及准确性,本文基于PRV、Sp O2进行SAS诊断的理论基础,设计制作了基于环绕式脉搏血氧探头的SAS检测装置原型,通过获取人体手指末端的光学体积描记术(Photoplethysmography,PPG)信号进行睡眠呼吸监测。同时将自行设计的装置与临床上商用的指夹式血氧探头进行了实验对比,并通过模拟呼吸暂停对SAS进行了初步检测和结果分析,以验证传感器探头的有效性,为SAS的检测提供了一种新的途径。

1 材料与方法

1.1 SpO2的检测原理

Sp O2是血液中氧合血红蛋白容量占全部血红蛋白容量的百分比,其测量原理是依据朗伯比尔定律[10]:当两种不同波长的光通过手指末端时,受血液容积变化的影响,其光吸收量会发生变化,并产生光电容积脉搏波。实际测量时,所测得的光电容积脉搏波可被分离为直流分量IDC与交流分量IAC两个部分,对于波长为660 nm和940 nm的两路光电容积脉搏波,分离后得到的入射光强分别为:I660DC、I660AC、I940DC、I940AC。

Sp O2的计算式[11]为:

式中:A、B的数值可通过FLUKE公司的INDEX Sp O2定标仪标定得到。

1.2 装置硬件设计与实现

本文设计的装置以MSP430单片机为核心,由环绕式脉搏血氧探头、光源驱动电路、信号调理电路、蓝牙通信电路等组成。装置工作时,通过血氧探头来采集人体手指末端的PPG信号,探头输出的是较为微弱的电流信号,经电流/电压转换、前置放大、信号分离、滤波等信号调理电路的处理,再经过模/数转换后,由MSP430单片机采集PPG原始信号,并经过蓝牙通信的方式发送到上位机进行处理[12]。整体硬件框图如图1所示。

图1 装置整体硬件框图Fig.1 Overall block diagram of the hardware in the device

1.3 环绕式脉搏血氧探头的设计

1.3.1 环绕式脉搏血氧探头的接口设计

为了与临床商用脉搏血氧检测仪接轨,本文设计采用了市场上最为流行的DS-100A型号7针探头接口,它是目前临床监护仪上的通用接口,可直接与市场上主流的菲康、迈瑞、GE等监护仪相连接。各引脚功能如表1所示。工作状态下,当脚5为高电平,脚6为低电平时,660 nm的红光管被点亮,940 nm的红外光管被截止;反之,则红外光管被点亮,红光管被截止。脚1和脚7之间为特征电阻,在商品仪器中通过此电阻来识别定标曲线,用以解决由发光管规格不同而引起的测量偏差。

表1 传感器引脚定义Table 1 Definition of sensor pins

1.3.2 环绕式脉搏血氧探头的结构设计

目前,商用Sp O2测量的传感器探头多为指夹式探头,通过弹簧结构将指夹固定在手指两端,其舒适性差,在长期的睡眠监测中容易发生脱落,影响监测结果的准确性。因此,本文设计了一种稳定舒适的血氧探头,以满足长期睡眠监测的需求。

图2为环绕式脉搏血氧探头实物图。作为衬底材质,设计选用了透气性好、质地柔软的纺织布,在其两端配有魔术贴结构,使用时可缠绕在手指的两端,以防止探头脱落。传感器连接线的一端与光电二极管和光电接收管相连接,另一端用于连接探头接口。工作时,双波长光电二极管和光电接收管将被分别置于手指的上、下两表面。由于采用柔性缠绕式结构,使得该探头较传统的指夹式血氧探头更为舒适,且选用魔术贴的结构也能更好地保证长期监测中的稳定性。

图2 环绕式脉搏血氧探头实物图Fig.2 Practicality picture of the surround type pulse oximeter probe

2 实验设计与结果分析

2.1 环绕式脉搏血氧探头的功能测试

本文对已设计好的脉搏血氧探头进行了有效性测试。将探头与实验室购置的商用迈瑞IMEC10临床监护仪相连接,通过监护仪来测量志愿者的脉搏Sp O2。

在测试过程中,志愿者分别佩戴监护仪配置的指夹式脉搏血氧探头和基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型进行脉搏Sp O2的测量,观察测量结果。图3为应用两种探头的实验测试图。从实验中可以看出,自制脉搏血氧探头工作状况良好,测量结果处于正常范围,能够满足接下来的实验测试要求。

图3 环绕式血氧探头和指夹式血氧探头实验测试图Fig.3 Picture of the surround type pulse oximeter probe test and clip type pulse oximeter probe test

2.2 血氧饱和度测量的准确性验证

为了验证Sp O2测量结果的准确性,本文随机选取了10名志愿者进行实验测试。志愿者由年龄在22～40岁的5男5女组成,身体状况良好,身体质量指数(Body mass index,BMI)为21.32±3.08(均值±标准差)。测试过程中,每位志愿者需要左手的食指和中指两处分别佩戴市场上主流商用的指夹式脉搏血氧探头和基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型。其中,指夹式探头选用的是鱼跃医疗YX301型便携式脉搏血氧仪,其显示精度为1%。自制环绕式血氧测量装置的显示精度保留到小数点后一位。测量过程中,志愿者保持静坐姿势10 s,待仪器稳定运行后,读取有效数据。其中,每位志愿者会同时应用两种血氧探头进行脉搏血氧信号采集10次,并记录下他们的平均测量结果。

图4为实验测试图。表2给出了实验结果。通过对比二者所测得的Sp O2值可以看出,两种探头在正常状态下具有很好的一致性。所测结果的最大相对误差为0.52%,平均相对误差为0.265%。结果表明,基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型可对Sp O2进行准确的监测。

图4 血氧饱和度实验测试图Fig.4 Picture of Sp O2 detecting test

表2 正常状态下血氧饱和度测试结果Table 2 Test results of SpO2 monitoring under normal condition

2.3 实验结果及分析

有效的睡眠呼吸监测要求探头既要保证测量的准确性,同时也要保证在呼吸暂停状态下监测的灵敏性。因此,本文通过模拟呼吸暂停对SAS进行了初步检测,以完成对检测装置原型有效性的验证。实验过程中让志愿者保持静坐姿势,同样将两个探头置于志愿者左手的食指和中指,待仪器稳定运行后,志愿者根据自身状况随机进行呼吸暂停以模拟SAS,记录Sp O2测量结果,用以观察测试过程中Sp O2降低的情况。

表3为实验结果。其中,两种方式监测到的模拟呼吸暂停时Sp O2分别为83.6±7.44、83.8±7.36,其模拟范围完全符合文献[13,14]报道的SAS发生时Sp O2下降程度,85.7±5.6以及93.1±3.1。结果表明,模拟呼吸暂停可充分反应SAS发生时的Sp O2下降情况,且基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型可满足SAS监测对于Sp O2检测范围的要求。

表3 模拟呼吸暂停时血氧饱和度测试结果Table 3 Test results of SpO2 monitoring under the simulation of apnea

通过对比二者所测得的Sp O2值可以看出,两种探头在模拟呼吸暂停状态下具有很好的一致性。其中,所测结果的最大相对误差为0.58%,平均相对误差为0.308%。结果表明,基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型可有效提供用于SAS诊断所需的Sp O2以及PPG信号,为下一步工作中将要构建的SAS检测算法提供可靠的数据来源。

3 结束语

本文的设计在结合当前主流脉搏血氧探头特点的同时,依据临床应用中的实际问题加入了独有的设计理念。在系统硬件方面,全新设计了环绕式脉搏血氧探头,提高了患者的舒适度,并保证了监测过程中探头的稳固性。在主体设计上采用了可拆分式思想,探头接头与主流商用监护仪兼容,提高了探头的适用性。同时,采集的数据以无线传输方式发送至上位机,便于临床工作中及时地掌握处置患者情况。最后,通过实验验证了检测装置原型进行SAS监测的准确性以及灵敏性。但是,系统仍存在可升级优化及进一步研究之处。本文的探头设计基于透射式原理,改进探头结构以设计反射式脉搏血氧探头、优化电路设计方案、减小仪器的体积、提高仪器的稳定性等都将是下一步工作的重点。此外,睡眠呼吸监测持续时间较长,长时程监测时装置的稳定性及可靠性测试也值得进一步验证。本文设计系统结构简单、原理可靠、用途广泛。多次实验结果表明,Sp O2测量精确,与主流商用环绕式探头相比,误差一般小于1%,其精度达到了国家标准要求。本文设计的基于环绕式血氧探头的SAS检测装置原型,有效地提供了用于SAS诊断所需的Sp O2以及PPG信号,为准确检测SAS提供了硬件保障,具有较好的应用前景。

[1]Partinen M.Epidemiology of sleep disorders[J].Handb Clin Neurol,2011,98:275-314.

[2]Epstein L J,Kristo D,Strollo P J,et al.Clinical guideline for the evaluation,management and longterm care of obstructive sleep apnea in adults[J].Clin Sleep Med,2009,5(3):263-276.

[3]Ramar K,Dort L C,Katz S G,et al.Clinical practice guideline for the treatment of obstructive sleep apnea and snoring with oral appliance therapy:an update for 2015[J].Clin Sleep Med,2015,11(7):773-827.

[4]de Chazal P,Heneghan C,Sheridan E,et al.Automated processing of the single-lead electrocardiogram for the detection of obstructive sleep apnea[J].IEEE Trans Biomed Eng,2003,50(6):686-696.

[5]Ravelo-García A G,Saavedra-Santana P,Juliá-SerdáG,et al.Symbolic dynamics marker of heart rate variability combined with clinicalvariables enhance obstructive sleep apnea screening[J].Chaos,2014,24(2):024404.

[6]Penzel T,Mc Names J,de Chazal P,et al.Systematic comparison of different algorithms for apnoeadetectionbased on ECG recordings[J].Medical&Biological Engineering&Computing,2002,40(4):402-407.

[7]Zywietz C W,Von E V,Widiger B,et al.ECG analysis for sleep apnea detection[J].Methods of Information in Medicine,2004,43(1):56-59.

[8]Bulte C S E,Keet S W M,Boer C,et al.Level of agreement between heart rate variability and pulse rate variability in healthy individuals[J].European Journal of Anaesthesiology,2011,28(1):34-38.

[9]Marcos J V,Hornero R,Nabney I T,et al.Analysis of nocturnal oxygen saturation recordings using kernel entropy to assist in sleep apnea-hypopnea diagnosis[C]∥International Conference of IEEE Enginearing in Medicine and Biology Society,IEEE,2011:1745-1748.

[10]Beer A.Determination of the absorption of red light in colored liquids[J].Ann Phys Chem,1852,86:78-88.

[11]Soltanzadeh R,Moussavi Z.Design an oral photoplethysmogram for deriving peripheral oxygen saturation(Sp O2)level[J].Journal of Medical Devices,2015(9):020922-1-2.

[12]徐壮.基于脉搏与血氧信号的SAS检测装置研究与开发[D].长春:吉林大学仪器科学与电气工程学院,2017.Xu Zhuang.Study and development of sleep apnea syndrome detection equipment based on pulse and oxygen saturation[D].Changchun:College of Instrumentation&Electrical Engineering,Jilin University,2017.

[13]van Eyck A,Lambrechts C,Vanheeswijck L,et al.The role of nocturnal pulse oximetry in the screening for obstructive sleep apnea in obese children and adolescents[J].Sleep Med,2015,16(11):1409-1412.

[14]Mehta V,Vasu T S,Pjillips B,et al.Obstructive sleep apnea and oxygen therapy;a systemical review of the literature and meta analysis[J].J Clin Sleep Med,2013,9(3):271-279.