基于热电偶的睡眠呼吸监测传感器的仿真与分析

高翔　苗晓丹　苏开明　杨卓青

摘要：针对阻塞性睡眠呼吸暂停综合症（OSAHS）这一常见疾病，本文设计了一种基于薄膜热电偶的睡眠呼吸监测传感器，并通过赛贝克效应和传热学原理分析了呼吸过程中温度以及对流换热系数的变化，为传感器呼吸监测能力的可行性提供了理论依据。本文采用COMSOL进行了有限元仿真，研究了基底厚度、热电偶材料、热电偶厚度以及导线排布方式对传感器的影响，同时对结构进行了优化处理。此后，还分析了在不同通气情况下热电偶热端的温度曲线差异，其结果表明传感器具有判别OSAHS患者的能力。

关键词：OSAHS;呼吸监测;薄膜热电偶;传热学;有限元仿真

【Abstract】Aimingatobstructivesleepapneahypopneasyndrome（OSAHS），thispaperdesignsakindofsleeprespirationmonitoringsensorbasedonthinfilmthermocouple，andanalyzesthechangesoftemperatureandconvectiveheattransfercoefficientintheprocessofrespirationthroughSeebeckeffectandheattransfertheory，whichprovidesatheoreticalbasisforthefeasibilityofthesensor'srespirationmonitoringability.Inthisresearch，thefiniteelementsimulationofCOMSOLisusedtostudytheinfluenceofsubstratethickness，thermocouplematerial，thermocouplethicknessandwirearrangementonthesensor，andoptimizesthestructure.Finally，thetemperaturecurvedifferenceofthermocouple'shotjunctionunderdifferentbreathingconditionsisanalyzed.TheresultsshowthatthesensorhastheabilitytodistinguishOSAHSpatients.

【Keywords】OSAHS;respiratorymonitoring;thinfilmthermocouple;heattransfertheory;finiteelementsimulation

作者简介：高翔（1996-），男，硕士研究生，主要研究方向：微机电系统。

0引言

目前阻塞性睡眠呼吸暂停综合症（OSAHS）被认为是一种严重的具有潜在致死性的睡眠呼吸疾病，容易导致中风和突发性心力衰竭并影响患者的心理健康[1]。临床上一般使用多导睡眠监测仪作为OSAHS的监测手段。

根据美国睡眠医学学会的分级标准，对睡眠呼吸暂停综合症的监测和诊断可以分为4级：1级，标准多导睡眠仪检查;2级，全指标便携式多导睡眠仪检查;3级，改良便携式睡眠呼吸暂停检查;4级，单或双生物指标持续记录[2]。

作为一种传统的睡眠监测设备，多导睡眠监测仪是睡眠监测领域的最为权威的监测手段。目前的应用范围主要覆盖医院和睡眠实验室。多导睡眠监测仪可以记录人体在整个睡眠过程中的各种生理信号，包括心电图（ECG）、脑电图（EEG）、眼电图（EOG）、肌电图（EMG）、呼吸信号、氧饱和度、睡眠姿势等[3]。但由于存在着基础费用昂贵、对患者有着巨大的身心压力等缺点，近年来针对便携式睡眠呼吸监测设备（2级、3级和4级）上的研究也逐渐成为热点。

Zhu等人[4]提出了一种基于小波变换的实时呼吸节律和脉搏率的实时测量方法，该方法利用枕头下充液管采集的压力信号，准确地获得呼吸节律和脉搏率。Bu等人[5]采用氮化铝（AlN）材料制成的柔性压电薄膜传感器。由于AlN薄膜传感器具有良好的灵敏度，因此压力波动所测得的信号可进一步分解为与呼吸和心跳相对应的信号。Beattie等人[6]通过安裝在床下的测压元件来监测运动、心率和呼吸。同时也描述了如何使用测压计数据来区分临床相关的呼吸障碍（呼吸暂停和低通气）和正常呼吸。Jiang等人[7]研制了一种便携式睡眠呼吸监测系统，包括3个传感器模块，具体就是：用于监测鼻气流的热膜式气流传感器、用于监测胸呼吸、身体姿势、身体活动多参数的三轴加速度计和用于监测血氧饱和度的脉搏血氧仪。

本文基于赛贝克效应，设计了一种便携式睡眠呼吸监测传感器，通过对热电偶的温差电动势的测量，来实现对呼吸信号的监测。在呼吸作用下，热电偶热端温度会产生变化，同时冷端温度保持不变，由于冷热两端存在温差而产生电动势。可以通过分析和处理电动势信号来对睡眠呼吸暂停综合症做出诊断。该传感器的优点在于携带起来方便、经济性好、对人体友好、并且没有心理负担。

1呼吸监测传感器模型及理论

1.1呼吸监测传感器模型

睡眠呼吸监测传感器的示意图如图1所示。由图1可看到，将聚酰亚胺薄膜（PolyimideFilm）作为基底材料，薄膜上设置有3处凸起结构，在其上溅射有金属导线作为热电偶。薄膜贴在鼻端，上方凸起部分伸入鼻腔内部，下方凸起部分放置在嘴唇上方。在呼吸的作用下，热电偶节点的温度发生改变，由此产生电势信号。通过外部导线，信号传输到穿戴式项圈，在项圈中进行信号的采集、放大和过滤。此后即将电势信号转换为呼吸信号。

通过CAD软件绘制光刻掩膜板，薄膜上热电偶导线分布情况如图2所示。

1.2赛贝克效应及热传递

塞贝克效应在1821年首次观察到。研究可知，塞贝克效应就是：当2种不同金属在2节点连接，并且2个节点保持不同的温度，就会有电流连续不断流过电路。赛贝克效应可用以下公式进行表示[8]：

赛贝克系数在不同的温度下会发生改变，表1中赛贝克系数为热端100°，冷端为0°时的情况。考虑到经济性以及对人体无毒的要求，研究中选取了铜-铜镍（康铜）作为热电偶材料。

1.3工艺制造

通过MEMS微加工工艺对呼吸监测薄膜进行制造，其中涉及的工艺内容可表述如下。

（1）清洗。使用碳酸钙擦拭pi膜表面，在去离子水中进行超声波清洗，稍后进行烘干。

（2）光刻。在玻璃基底上附着清洗好的pi膜，放入甩胶机中进行甩胶。预甩胶10s，转速500转/min，正式甩胶30s，转速1600转/min。甩胶厚度为6.5μm。烘干后进行光刻图形化，曝光时间为90s，显影时间为100s。

（3）溅射。在聚酰亚胺薄膜表面溅射500nm的铜，通过NaOH去除光刻胶。去除光刻胶后，更换掩膜板并重复光刻的步骤，接下来会溅射500nm的康铜，最后再次去胶。要注意的是，为保证2种金属材料相接，掩膜板的线条需要部分重叠。

2睡眠呼吸信号分析

将呼吸气流的变化近似为正弦函数，已知正常人睡眠状态的潮气量约为0.6L[9]，一个呼吸周期为3s，则人体肺部气体体积Q的曲线图像如图3所示。而Q随时间t的变化可以表示为：

3呼吸监测传感器的有限元仿真分析

3.1对薄膜的仿真分析

假设在没有呼吸的情况下，将薄膜贴在鼻端，研究其稳态状态。将鼻端的温度设定为37℃。同时，薄膜受到空气自然对流的影响。环境温度设定为20℃，此时的自然对流换热系数设定为5W/（m2·K）。对流换热系数的值影响传热的快慢，在稳态研究中决定温度平衡点的位置。获得的稳态结果如图6所示。

随后改变薄膜的厚度，研究不同厚度下薄膜中心表面温度随时间的变化情况，仿真结果如图7所示，随薄膜厚度的增加，温度提升速度也随之减慢，同时人体温度与外界温度的平衡点下降，但总体的下降幅度不大。

在本文的原定方案中曾设计将热电偶冷端安置在薄膜上，与引出冷端的方案相比，该方案能够能节省空间来设置更多的节点。但通过本次的仿真结果会发现pi膜本身的热阻率并不理想，无法满足在薄膜上设置的冷端的要求。这里提出2个解决方案。一是采用热阻率更好的材料，二是将冷端引出薄膜表面。本文中选择了第二个方案。

在数量级上，薄膜的面积要远远大于薄膜的厚度，由此其在厚度方向的传热能力远大于平面方向的传热能力。根据图6中的仿真结果可知，薄膜与鼻端接触处会受到人体温度的影响，而薄膜突起处由于不和人体直接接触，故所受的影响较小。因而将热端设置在突起处是可行的，冷端却不能设置在薄膜上，同时因为温差电动势只和导体两端温差有关，和导体中间温度分布无关，所以无需考虑薄膜受人体温度影响的部分。

3.2对热电偶节点的仿真分析

假设此时环境温度为20℃，人体呼吸温度为37℃，两者温差为17℃。稳态情况下，对单个热电偶产生的温差电动势进行热电耦合仿真，材料选择为铜-康铜，赛贝克系数SAB取43μV/K。热电偶的冷端如图8所示，产生的温差电动势为7.30×10-4V。

按照给定的塞贝克系数，在17℃的温差下，通过上文提到的公式（2）可以得出其温差电动势为：

假定在有呼吸的作用下，进行瞬态研究。呼吸信号的频率范围为0～0.35Hz。正常成年人呼吸频率是16～20次/min，即3～4次/s[11]。将其转化为温度信号，其中前1.5s为呼出，后1.5s为吸入。呼出空气为37℃，吸入空气为20℃。以此获得一个周期内的薄膜温度变化情况。这里采用简化模型，暂不引入对流换热系数的变化情况。由于温度信号和电势差信号成线性关系（塞贝克系数固定），所以这里仅展示了节点的温度变化情况.仿真结果如图9所示。

通过改变热电偶厚度研究其对温度变化的影响，不同厚度下的温度变化情况如图10所示。

将热端温度达到最高温度90%的时间作为响应速度。不同厚度下的热电偶响应速度见表2。通过表2可知，随着热电偶厚度的减小，节点的响应速度也随之增快。

其中，ρ表示电阻率;L表示导体长度;S表示导体截面积。电阻过大会不利于信号的采集，所以不应该过度追求响应速度的快慢而減小厚度。

3.3不同呼吸状态下的仿真分析

将对流换热系数作为仿真边界条件输入，同时进行参数化扫描，研究发生低通气情况下的温度变化情况。呼吸暂停时曲线无明显变化，这里不做讨论。仿真研究结果如图11所示。由图11可知，低通气与正常呼吸的温度变化曲线有着显著的不同。

进一步分析可知，后几个呼吸周期与第一次周期之间存在明显的区别，分析原因是由于温度变化的范围存在一个稳定的区间，需要时间来达成这一稳定化的过程。其中，蓝色和绿色曲线分别是气流减小70%和50%的情况，热电偶冷热端最高温差分别下降了15.6%和9.31%。

4结束语

本论文对基于热电偶的呼吸监测传感器的工作原理进行分析并加以仿真。基于赛贝克效应可知，热电偶冷热端的温差能够产生温差电动势，可以计算出温差的大小。同时通过对流换热的理论分析，即可知晓在不同呼吸情况下，对流换热系数存在明显区别，该特点可以作为传感器工作的理论依据。通过研究仿真发现，冷端若放置在薄膜上，会受到人体温度的影响，因而选择将冷端引出薄膜。热电偶厚度对响应速度的影响很大，厚度越薄、响应速度越快，但厚度的减小会导致电阻值的增加不利于信号采集，因此在厚度选择上应该综合考量各方面因素。此外，论文中的仿真也验证了正常呼吸和低通气/呼吸暂停之间的信号差异，可以用来判断是否患有OSAHS。

参考文献

[1]YAGGIHK，CONCATOJ，KERNANWN，etal.ObstructivesleepApneaasariskfactorforstrokeanddeath[J].NewEnglandJournalofMedicine，2005，353（19）：2034-2041.

[2]童茂荣，斐兰，童茂清，等.多导睡眠图学技术与理论[M].北京：人民军医出版社，2004.

[3]刘绵诗.基于心率信号的睡眠监测仪的设计与实现[D].南京：南京邮电大学，2018.

[4]ZHUXin，CHENWenxi，NEMOTOT，etal.Accuratedeterminationofrespiratoryrhythmandpulserateusinganunder-pillowsensorbasedonwavelettransformation[C]//AnnualInternationalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicine&BiologyConference.Shanghai，China：IEEE，2005，6：5869-5872.

[5]BUN，UENON，FUKUDAO.Monitoringofrespirationandheartbeatduringsleepusingaflexiblepiezoelectricfilmsensorandempiricalmodedecomposition[C]//.200729thAnnualInternationalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety.Lyon，France：IEEE，2007，2007：1362-1366.

[6]BEATTIEZT，HAGENCC，PAVELM，etal.Classificationofbreathingeventsusingloadcellsunderthebed[C]//InternationalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicine&BiologySociety.Minneapolis，MN，USA：IEEE，2009：3921-3924.

[7]JIANGPeng，ZHURong，DONGXiaosong，etal.CombinationmodeofphysiologicalsignalsfordiagnosisofOSASusingportablemonitor[J].Sleep&breathing，2018，22：123-129.

[8]李海涛.ITO/In_2O_3薄膜热电偶的制备及热电性能研究[D].成都：电子科技大学，2017.

[9]董麗霞，陈宝元.阻塞性睡眠呼吸暂停患者不同睡眠时相呼吸驱动变化的研究[J].天津医科大学学报，2007，13（2）：158-161.

[10]王厚华.传热学[M].重庆：重庆大学出版社，2006.

[11]王彬.基于呼吸信号的情感识别研究[D].重庆：西南大学，2010.