基于Arduino的便携式睡眠质量监测仪

吴涛峰 甘舒琪 欧阳丞俊 李结松 刘洋

（广州医科大学 广东省广州市 511436）

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合症（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS），是指睡眠时由于上气道塌陷或通气不足反复引发呼吸暂停或低通气的疾病。呼吸暂停低通气不但会引起间歇性低氧，使得血氧饱和度下降；还会使心跳紊乱，造成睡眠结构混乱的症状。因此，OSAHS 是原发性高血压、冠心病、心肌梗死和脑卒中等高危疾病发病的独立危险因素[1]。近年来，人们对OSAHS 的认识逐渐提高，针对此类疾病的监测分析系统已成为国内外医疗仪器领域的重要研究课题之一[2]。对此，尽可能早的发现可以让患者得到合理的治疗，明显提高患者生活质量并预防各种并发症的发生。

目前国内外有较多基于睡眠监测的话题以及项目，例如浙江拓峰科技有限公司的一种新型睡眠呼吸暂停诊治仪[3]，应用压电薄膜式传感器检测胸腹运动，为睡眠呼吸暂停征的普及检测提供了一种简易手段。同时也有穿戴式动态睡眠呼吸监测系统的研究[4]，在基于数据结合网络开发平台，将嵌入衣物中的传感器数据发送至平台分析，对信号质量进行评估[5]。在临床应用方面，便携式睡眠监测与多导睡眠监测的临床应用分析也得到了广泛应用[6]。上海诺诚股份有限公司的NPSG 系列多导睡眠监测仪，它能够实现多导睡眠监测功能，对多种生理电信号和生理参数进行记录分析，通过无线Wi-Fi 远程上传数据，实现远程医疗诊断。美国安波澜医疗设备有限公司生产的S 系列多导睡眠监测系统，可以实现十余项的生理参数监测，特别是高性能呼吸运动传感器能够满足新生儿及儿童的呼吸事件采集[2]。

然而复杂的设计，庞大的体积以及高昂的费用让大多数患者望而却步。为此，我们设计了一款体积小、价格便宜、具备生理参数分析功能的睡眠呼吸监测仪。经过实验验证，通过监测仪配套软件测得的呼吸暂停或低通气次数的判断正确率为95%，血氧饱和度测试误差上限为2%，该仪器可以较为准确的评估测试者的睡眠状况。

1 系统整体设计

根据《阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊治指南（2011年修订版）》的定义，呼吸暂停为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≥10s；低通气为睡眠过程中口鼻气流较基线水平下降≥30%并伴有血氧饱和度（SaO2）下降≥4%，持续时间≥10s，或口鼻气流较基线水平下降≥50%并伴SaO2 下降≥3%，持续时间≥10s。此外，同步监测动态心电与睡眠呼吸，可评估通气障碍[7]。

由此可见，通过分析心电信号来判断呼吸的状态，并通过人体呼吸阻抗、脉搏和血氧等参数辅助判别患者是否出现呼吸暂停症状的策略具备较好的可行性。整体系统设计如图1 所示。

图1：系统结构框图

2 系统硬件设计

本系统采用多参数监测，包括人体心电信号、呼吸阻抗、脉搏和血氧饱和度等指标。并通过蓝牙将数据实时传输至手机查看。

2.1 心电采集模块

OSAHS 与心血管系统疾病密切相关。睡眠时发生的呼吸暂停及低通气可影响患者体内的血氧饱和度和CO2含量，不断刺激呼吸中枢的感受器，增强交感神经兴奋性，可能导致心律失常并诱发各种心血管系统疾病[8]。本系统以Arduino 为核心采集心电信号。本模块采用AD8232 芯片作为采集前端，该芯片集成抑制运动噪声、放大、滤波的功能，可以实时采集心电并将其传输到处理器核心。

2.2 呼吸阻抗采集模块

呼吸状态是生理监测中的一个重要参数，在睡眠疾病诊断、临床监护、心血管系统等领域有着重要的研究价值。人体阻抗最大的是骨骼和空气。阻抗式呼吸检测方法是将胸腔测量区域等效为一个阻抗均匀分布的整体。人体呼吸会引起胸腔内空气容积的变化，进而导致胸阻抗变化。基于此原理可以通过检测胸阻抗间接实现人体呼吸的检测。

本系统中采用监测惠斯通电桥采集人体的呼吸阻抗信号。设定呼吸阻抗和电位器RV1、定值电阻R1、R2 构成电桥，在电路工作时，调节RV1，使得此时电桥平衡，输出端电压为零。呼吸阻抗的变化会打破电桥平衡，输出端电压变化，通过监测电压变化实现对呼吸运动的监测。利用惠斯通电桥可以灵敏地检测出阻抗的微小变化，同时通过调节电位器RV1 可以使电路适用于不同个体呼吸阻抗阻值差异。

2.3 血氧饱和度采集模块

当出现呼吸暂停或低通气时，人体血氧饱和度会出现明显下降，通过血氧饱和度辅助监测患者呼吸行为是一种有效策略。根据《阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊治指南（2011年修订版）》，（85%≤LO2≤90%）为轻度低氧血症，（80%≤LO2≤85%）为中度低氧血症，（LO2 ≤80%）为重度低氧血症[9]。

表1：睡眠监测仪标准值与实测值对比

血氧饱和度的检测可以分为有创和无创两种方式。有创检测是采集人体血液后通过生化分析仪确定血液中的氧和血红蛋白含量。该方案检测精度高，但创口会给患者造成痛苦并可能诱发感染，还存在非连续性检测的缺陷。无创检测是基于朗伯-比尔定律以及氧和血红蛋白含量影响光吸收率的原理，使用特定频率的光源照射手指，测量手指另一侧光信号的强度变化，进而经过处理与计算，间接得到血氧饱和度[10]。

2.4 脉搏测量模块

脉搏是心脏收缩时，泵出血液所引起的动脉跳动。脉搏次数与心跳次数相一致，且节律均匀间隔相等。脉搏健康成年人安静时的脉搏一般在每分钟60-100 次范围内。

脉搏和血氧饱和度的检测是通过MAX30100 实现的。MAX30100 是一款集成的脉搏血氧和心率检测传感器，上面置有两个LED 灯，一个用来优化光学的光电传感器和低噪声模拟信号处理器，另一个用来检测脉搏的血氧饱和度和心率信号。

2.5 蓝牙模块

蓝牙传输采用HC-05 模块，具有体积小、功耗低、成本低、收发灵敏性高等优点。HC-05 蓝牙模块可以通过发送端TXD 和接收端RXD 实现控制核心与手机用户的通信。低功耗可以确保监测系统长时间的续航，蓝牙模块通过与手机终端连接上传采集到的数据，可以提高效率、节省时间，并保护了病人的隐私。

2.6 电刺激模块

电刺激模块通过锂电池、升压模块以及继电器实现电容的充放电。正常时，继电器的开关连接到电源端，实现电容充电；当人的呼吸出现异常时，继电器的开关接到电极贴片端，释放电刺激，将人唤醒。放电过程中，主控制器会根据人体呼吸阻抗计算放电时间，在电刺激过程中确保患者的安全。

3 系统测试思路

本系统启动后持续监测患者的各项指标，综合心电信号、脉搏、血氧、呼吸阻抗等指标来判断使用者的呼吸状况。根据指标的变化，可分为以下三种情况：

情况一：当指标首次出现异常后，系统持续监测，若只有单个指标出现异常，此时系统将通过无线模块发出警报，提醒医护人员及时过来检查患者情况。

情况二：当指标首次出现异常后，系统持续监测，如果多个指标持续异常，分析系统采集到的数据并判断患者出现了呼吸暂停，此时系统将发出警报提醒医护人员过来检查并对患者采取电刺激措施。

情况三：在监测的过程中，患者的指标出现短时间异常后恢复正常，这有可能是患者在睡眠过程中调整睡姿或仪器连接不稳定等造成的，系统将会将数据记录但不采取措施，持续监测患者的状态。

4 系统功能测试说明

患者穿戴好监测仪并检查无误后，开始准备测试。系统采用医用氯化银电极作为测量电极。被测者在测试前，先用75%的酒精对测量部位进行脱脂，待皮肤表面酒精蒸发后，将电极贴片分别贴于人体的左锁骨下、右锁骨下和右腹部。

在测量开始之前，被测者应平静坐于靠椅上，保持情绪稳定、呼吸均匀。开始测试后，被测者先自主呼吸，观察被测者的生理参数，并记录副处理器的分析结果。一段时间后，被测者进行憋气，主动创造呼吸暂停条件，观察被测者的生理参数并记录副处理器的分析结果，测试结果如表1 所示。由测试结果可知，睡眠监测仪的呼吸暂停误判率大于95%，血氧饱和度测试误差小于2%。

5 结束语

本文针对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的患者设计了一种体积小、操作简便、价格低的睡眠呼吸监测仪。该仪器不仅可以实时监测患者的各种生理状态，在患者出现异常状况时，还会对出现的情况进行判断与分析，减轻了医护人员的负担。患者在手机也可以随时通过手机查看自己的身体状况，及时判断自身的健康情况。随着人口老龄化和许多疾病呈现年轻化的特点，人们的睡眠质量下降，此类睡眠质量监测仪的市场需求大，在实际应用中具有重要的意义。