一种可穿戴式睡眠呼吸暂停综合征监测系统的设计研究

摘要：本文针对睡眠呼吸暂停综合征的潜在危害，提出了一种基于蓝牙的可穿戴式呼吸监测系统方案设计。通过该系统可以实时监测到睡眠呼吸暂停综合征的睡眠呼吸状态。可穿戴技术能实现鼻部温度的低负荷获取;蓝牙实现低功耗无线传输且方便与Android智能手机通信，保证整夜睡眠过程中对病人的连续实时监护和报警。

关键词：穿戴式;蓝牙传输;呼吸监测

睡眠呼吸暂停综合征（Sleep Apnea Syndrome， SAS）是一种在睡眠过程中上呼吸道阻塞、呼吸暂停，具有潜在生命危险的疾病，常发生于打鼾人群中，能使人呼吸骤停发生猝死，也是心脑血管病的重要诱因之一[1，2]。因此，在夜间对SAS进行实时监测具有十分重要的意义。临床上将连续睡眠7h过程中发生30次以上呼吸暂停，或平均每小时低通气的次数超过5 次作为SAS的诊断标准。目前对睡眠呼吸的监测采用的设备是多导睡眠仪[3]，此设备监测准确度高，是SAS诊断的专业设备，但外形较大，外接导联比较多，佩戴繁琐，操作复杂，价格较高，适合于重症SAS患者在医院中使用。对于症状较轻的SAS患者，平时没有症状，偶然感觉呼吸不顺畅，一般持续数十秒钟，等日间到医院做呼吸检查时，症状已经消失，医生难以对病人确诊。

本文提出了一个基于手机APP的SAS无线监护系统设计，该系统可以通过温度传感器测量鼻部的温度，再通过蓝牙技术将测量到的温度传输到手机上，在手机APP上进行数据存储、读取和曲线绘制，当符合SAS判断时会发出报警声音提醒。

1.系统结构设计

系统总体设计图如图1，该系统由鼻部温度检测电路、放大电路、模数转换、主控制器及蓝牙传输等单元组成。

将温度传感器粘附于鼻下部，当呼吸气流经过热敏电阻时，传热条件发生变化，热敏电阻阻值随之变化，放大器的输入端电压产生变化，经放大器放大后输出与呼吸气流温度相对应的电压信号。再通过AD转换，由单片机计算出体温的大小经蓝牙无线传输模块发送给智能手机进行实时监测和报警。

2.硬件设计

2.1测温电路及前置放大电路

温度采集模块采用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器，其阻抗随着温度的变化而变化。测温电路要具有高灵敏度、高精度等特点。同时收集到的信号较弱，还需要将信号进行放大。选择体温传感器时主要应考虑以下几点：（1）符合医用体温测量的精度要求，误差小于0.1℃;（2）操作简便，可以快速使用温度计;（3）传感器外壳密封，表面柔滑，最好兼具抑菌和抗消毒功能;（4）数据的控制和传输无需人工参与;（5）具有测量误差补偿功能，以解决电阻老化所致的温度漂移问题[4]。

2.2主控制器和模数转换模块

主控电路主要涉及对模数转换接口和蓝牙模块的控制。可采用STM32为主控微控制器单元（micro control unit，MCU），其内置Cortex-M3，采用ARM V7架构，是一款超低功耗和无线应用型的芯片。整个监测系统通过主控MCU采集所有生命体征。

可选用AD7705模数转换芯片，AD7705为16位、低成本、Σ-Δ型ADC，采用SPI、QSPI兼容的三线串行接口，能够方便地与各种微控制器和DSP连接。还具有宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低功耗（3V时最大功耗为1mW）等特点，非常适合仪表测量、直流和低频交流测量等领域的应用。

2.3蓝牙模块

低功耗蓝牙即BLE是蓝牙4.0的核心规范，有可靠性高、低成本、低功耗、传输距离长（60～100米）、快速启动和安全性高等优点。设定好工作频率，建立蓝牙主从及的连接和通讯，将得到的体溫值以一定的频率通过蓝牙从机发出去，手机作为蓝牙主机进行提问数据的接收。

3.软件设计

3.1单片机软件设计

本系统中单片机的主要功能是通过相关的寄存器，发出控制指令，控制并读取经模数转换后输出的并行数据。对数据进行预处理后，数据通过单片机引脚经串口输出，并控制单片机与蓝牙模块的通信。

3.2监控软件算法设计

手机端监控软件流程如图2。

4.系统效果

监测开始时，手机APP设置个人基本参数，呼吸的实时情况可以在手机APP端进行数值和曲线显示，同时自动判断是否满足SAS条件，如果满足，可通过手机端发出报警信号以提示旁人进行处理或唤醒病人进行睡眠状态调整。

5.讨论

人体的呼吸过程有很多表现，主要为口鼻部气流和温度的变化，胸腔和腹腔的收缩和舒张引起的压力变化。常见的检测方法有：

①压力法[5，6]，人体呼吸时，呼气和吸气产生周期性变换，呼吸道和胸腹部也会随之产生周期性形变。压力传感器即是通过测量这种周期性形变来测定呼吸频率的。这种接触式的测量方法会给胸腹施加一定的预压力，使受试者感到一些不适;

②温度法[7]，利用某些材料或元件与温度有关的物理特性，将温度的变化转化为电参量的变化。呼吸气流的温度变化幅度较小（1～2℃），采集口鼻部呼吸温度的传感器一般是负温度系数热敏电阻;

③阻抗法[8]，通过检测胸腔上的阻抗变化，采集人体的呼吸信号，此法需在胸腔绑上电极，使患者有不适感，造成睡眠不深，可能会影响呼吸暂停症状的出现，从而影响监测的准确性。考虑到SAS发生时，其临床表现为口鼻气流停止，而胸腹式呼吸仍存在，所以本文选用温度法来监测鼻部呼吸。

本文针对睡眠呼吸暂停低通气综合征对人体键康的危害，提出了一种可穿戴的、基于蓝牙的、便携式人体呼吸参数监测系统设计，该系统能与智能手机通信，可以在不影响病人正常睡眠的情况下记录、分析和预警呼吸情况，帮助医生进行诊断，做到早发现、早治疗。

参考文献：

[1]王蓓.睡眠呼吸障碍与冠心病及心律失常[J].中国呼吸与危重监护杂志，2010，9（1）：2-4.

[2]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.

[3]中华医学会呼吸病学分会睡眠呼吸疾病学组.阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊治指南（2011年修订版）[J].中华结核和呼吸杂志，2002，25（4）：195-198.

[4]康季槐，何史林，陈广飞等.基于物联网的病区智能监护系统研制[J].医疗卫生装备，2013，34（9）：9-12.

[5]苌飞霸，尹军，颜先乐等.可穿戴式人体呼吸状态监测系统的设计[J].测控技术与仪器仪表，2014，40（1）：79-82.

[6]李宏恩，周晋阳，郝文延.一种可穿戴呼吸实时检测系统的设计[J].科技通报，2017，33（6）：78-81.

[7]申广浩，刘娟，路丽华等.睡眠呼吸暂停综合征远程监护系统的设计[J].医疗卫生装备，2010，31（6）：16-19.

[8]龚国丽，曾建，李旦，干峰.睡眠呼吸远程监测系统的设计[J].中国医疗设备，2016，31（6）：50-52.

（作者单位：南京市金陵中学）