（生物医学工程专业论文）便携式睡眠呼吸暂停低通气监测仪的研制.pdf

a b s t r a ct o b s t m c t i v es l e 印印n e as y n d r o m e ( o s a s ) i sas 耐o u s 恤e a tt o h u m a nh e a l m ，w h i c h 撇t e dw i d e s p r e a dc o n c e m 试t h ep a s t3 0y e a r s o s a si ss l e 印b r e a t h i n gd i s o r d e rc h a r a c t e r i z e db yas e to f 印i s o d e so f t o t a la n 彤o rp a r t i a lc e s s a t i o no fr e s p i r a t o 巧a i m o ww h i l ep a t i e n ti sa s l e e p ， a l s oc o u p l e dw i t hl o wo x y g e ns a t u r a t i o n ，s n o r ea n ds o 砌o l e n c ed u n n g t h ed a y t i n l e o s a sn o to n l ya 旋c t sp e o p l e ss l e 印q u a l i 吼b u ta l s oc a n l e a dt oh 、厂p e r t e n s i o n ，c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e s ，e t c i tb e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti nt h ep r e v e 妇| t i o n ，d i a g n o s i sa i l d 仃e a t l n e n to fo s a s p r e s e n t l y c o n s e q u e n t l mt h e r ei si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei n c l i n i c a lt o d e v e l o pap o r t a b l es l e 印d e t e c t i n gd e v i c e b a s e do nt h em e t h o do fp h o t o e l e c t r i cp l e t h y s m o g r a p h ya n dt h e b e e r l 疵b e r tl a w ，m ea l g o r i 也mo fp u l s ef r e q u e n c ea r no x y g e n s a n u a t i o nw a u sp r e s e n t ，t h ep o r t a b l es l e 印d e t e c t i n gd e v i c ec h a r a c t e r i z e d b y1 0 wp o w e rd i s s i p a t i o n ， s m a l ls i z e ， c h e a pa n ds u i t a b l ef o rf 狐i l yu s e w a sd e v e i o p e d i nt h ep a r to fh a r d w a r ed e s i g n ，p h o t o p l e t l l y s m o g r a mw a s d e t e c t e dw i t hn e l l c o rp r o b e a n dr e l e v a n t血v e rc i r c u i t ； n a s a l r e s p i m t o ww a v ew a sd e t e c t e dw i t b h o n f 删上r e s p i r a t o r yp r e s s u s e n s o r ；nt h ep 叭o fs o 胁a r ed e s i 伊，t h ed r i v e ri s 州t t e nw i t ht h ec l a n g u a g eo nt h ep l a t f o r mo fn r t h e 如c t i o no fd a t ag a t h e r i n g ， p r 印r o c e ( k l i n g ，d i s p l a y s a v ea n d c o m m l m c a t l o nw a sr e a l l z e d lh ep a t l e n t j 1 ，j m o n i t o r i n ga n dd i 雄乒o s i ss y s t e mw a sd e s i g n e do nm ep l a t f o r mo fv c + + 6 o ，w l l i c hc a nd i s p l a yt h ed e t e c t e dd a t a 锄dg e n e r a t ed i a g n o s i sr e s u l t r e p o r t t h es y s t e mt e s t i n ga n dc l i n i c a le ) 【p e r i m e n tw a se s 切b l i s h e d ，t h es l e 印 d e t e c t i n gd e v i c ew o r kw e l l ，w h i c hc a nd d e c tp h o t o p l e t h y s m o g r a ma n d r e s p i r a t o 秽w a v ee 虢c t i v e l mw o r ko u tt h ep u l s e 仃e q u e n c ya n do x y g e n s a m r a t i o n ，g e n e r a t ed i a g l l o s i sr 印o r to fs l e 印缸a 1 1 y 1 yw o r d s ： s l e 印a p n e as y n d r o m e ，r e s p i r a t o 巧w a v e ， o x y g e n s a t u r a r t i o n ，d e s i g no fd e t e c t i n gd e v i c e 第一章绪论 1 1本课题的研究背景与意义 睡眠是人体恢复精力最好的休息方式，良好的睡眠有利于提高人们的生活质 量和工作效率。当前，随着睡眠质量作为一项重要生理机能的监测指标后，睡眠 呼吸疾病开始得到人们的日益关注和重视。 目前，睡眠呼吸疾病发病率呈逐渐上升的趋势，特别是青壮年男性的发病率 增高。国外资料显示【l 】，睡眠呼吸疾病在成年人中的患病率为2 4 ，其中 睡眠障碍占4 2 7 。我国同样有着很高的发病率，有数据显示，我国失眠人口近 3 亿，睡眠呼吸障碍患者大约5 0 0 0 万。睡眠呼吸患者除对患者本人健康造成危 害外，还对社会、家庭造成不良影响【l 2 】。睡眠呼吸疾病是多种全身疾患的独立 危险因素，可以引起心血管系统、呼吸系统、神经系统、内分泌系统等疾病，同 时，还是夜间遗尿、失眠多梦、男性性功能、生殖功能障碍的主要原因【l 一 4 j 。 因此，及时诊断和治疗，对有效治疗相关疾病是非常重要的。 传统的呼吸暂停监护系统虽能有效地减少呼吸暂停病患者的死亡率，但无法 满足大多数的呼吸暂停病患者的实时监护要求，特别是轻度的呼吸暂停综合征早 期患者，除了偶感呼吸不畅，平时没有症状，一般也仅持续几十秒钟，等赶到医 院做呼吸检查时，因为症状消失，呼吸恢复正常，使医生不能对病人进行及时确 诊，疾病也难以得到早期治疗和控制【5 】。因此，能够记录分析病人2 4 小时活动 过程中的动态呼吸记录，并对其分析，给医生提供具有诊断价值的资料，对于呼 吸功能的评估，睡眠呼吸暂停病症的早期诊断非常有益。针对这种医疗诊断的需 要，随着计算机技术和电子技术的迅速发展，近些年来，市场上己推出不同档次 的动态睡眠呼吸暂停记录与分析系统，而此类仪器价格昂贵且基本需从国外进 口，不便在国内医院和患者中推广使用。所以设计一种低功耗、体积小、价格便 宜的睡眠呼吸监测仪是十分必要的。 1 2睡眠呼吸暂停综合征概述 1 2 1睡眠呼吸暂停综合征相关医学知识 睡眠呼吸暂停综合征是由于某些原因使得在睡眠时上气道通气不畅或堵塞 而引起呼吸暂停和低通气，主要的症状有血氧饱和度偏低、打鼾、白天嗜睡等。 医学上指出：睡眠呼吸暂停综合征是指夜间睡觉过程中发生呼吸暂停和低通气反 复发作3 0 次以上，或者睡眠呼吸暂停低通气指数大于或等于5 次小时。其中， 睡眠呼吸暂停是指睡眠过程中口鼻呼吸气流均停止1 0 秒以上，低通气是指睡眠 呼吸气流下降5 0 以上并伴有血氧饱和度下降大于等于4 。成人睡眠呼吸暂停 亟堂焦j 佥塞簋= 童绪i 金 综合征分为三种类型，分别为阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征、中枢性睡眠呼 吸暂停综合征、睡眠低通气综合征等。临床上以阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合 征最为常见，故本文以阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征为讨论重点【6 ，7 1 。 1 2 2国内外研究现状 随着人们睡觉时间越来越少，睡眠的质量受到了较大的影响，针对睡眠疾病 的研究越来越多，睡眠医学应运而生【8 】。 早在2 0 世纪5 0 年代，现代睡眠研究之父发现了快速眼动睡眠( r e m ) ，睡 眠研究之叔a 1 1 e i lr e c h t c h a 腧研究发现睡眠剥夺可以导致小鼠的死亡，以此掀起 了睡眠研究的热潮【引。随后几十年中，睡眠相关的研究也得到了政府的高度重视。 相应的睡眠研究机构相继成立。相关的学术刊物也相继发表，其中就有被誉为睡 眠医学领域“圣经”之称的睡眠医学的理论与实践和睡眠疾病国际分类。 此外还有睡眠和睡眠研究杂志等。随着睡眠学术组织建立、学术杂志问 世和学术会议召开等，极大地促进了全世界睡眠医学的基础与临床研究工作，为 睡眠医学的迅速发展和人才培养奠定了坚实的基础【9 1 。 我国关于睡眠医学的研究起步较晚，尽管这几十年来，中国的睡眠研究取得 了较大的突破，但是发展步伐还远远落后于欧美发达国家，在某些领域还存在着 很大的差距【l u j 。遇到的困难有是多方面的。首先，民众对于睡眠呼吸暂停综合 征的认识不足，使得患者除非病情很严重，或对他人造成严重影响时，才去医院 就诊。其次，呼吸科医生对于睡眠呼吸暂停综合征的认识也不足，这从侧面反应 出睡眠医学专业人才不足，导致患者不能获得很好的治疗指导和治疗方案【l l 1 2 】。 在研究领域上，各国的研究重点不一。美国的睡眠研究主要集中在睡眠限制、 原发性睡眠紊乱和继发性睡眠紊乱。而在我国失眠患者为睡眠障碍人群发病率之 首，其次是睡眠呼吸暂停综合征，再次是睡眠与觉醒紊乱。尽管严重侧重不同， 但终归为基础研究和临床研究两大类。我国临床部分的研究偏重失眠和睡眠呼吸 障碍的诊治两个方面。包括各种中西药物、推拿、按摩、针灸和生物反馈等。由 于我国在睡眠呼吸综合症中的打鼾症状较为普遍，同时常伴有低通气的情况，针 对我国的实际情况，全国各大医学的相关科室都设立专科，其中包括北京协和医 院、水利部医院、上海瑞金医院等【n 1 2 】。 随着医学技术的发展，人们越来越重视睡眠呼吸障碍带来的不良影响，与此 同时，国内外针对呼吸障碍的研究也越来越多，从而提出并设计实现了很多检测 的方法。1 ) 睡眠脑电刚1 3 】，睡眠脑电图检测是最早被用于检测睡眠状况的检测 手段；2 ) 多导睡眠图【1 4 】，被认为是睡眠障碍检测的“金标准 ；3 ) 动态监测仪， 通过连续监测病人在白天生理状况和夜间的睡眠和觉醒节律，是医生较常规使用 的检测睡眠的手段；4 ) 睡眠监测仪，主要是检测病人夜间睡眠状态。 1 2 3 睡眠呼吸暂停综合征治疗方法概述 目前要采取的治疗方法如下几种：1 ) 一般治疗。如戒烟、戒酒、适当锻炼、 2 亟堂僮途室箍二童绪j 金 减肥、慎用镇静安眠药、保持鼻腔通畅、侧卧位等。2 ) 口腔矫正器，其优点是 无创伤、价格低，缺点是由于矫正器性能不同及不同患者的耐受情况不同，效果 也不同。3 ) 经鼻持续正压通气治疗包括持续c p a p 和双水平气道正压通气 ( b i p a p ) ，以经口鼻c p a p 最为常用。4 ) 药物治疗。目前还没有针对打鼾和 o s a h s 的疗效满意的药物面市，所进行的药物治疗主要是通过改变睡眠结构和 呼吸的神经控制功能，疗效尚不肯定且有不同程度的不良反应。5 ) 手术治疗。 国内最常用的外科手术治疗方式是悬雍垂腭咽成形术( u p p p ) 及改良手术【1 5 1 6 1 。 1 3论文工作与文章结构 1 3 1论文工作 本论文围绕本课题的题旨，基于光电容积法理论，结合实际的系统设计需要， 设计并实现了便携式监测暂停性睡眠呼吸综合征的监测仪器，该系统适合家庭和 医院的使用。该系统主要包括脉搏波采集处理以及分析的模块、血氧饱和度算法、 呼吸信号采集模块，u s b 通信模块和配套系统软件。其中该系统软件实现了数 据的采集和实时显示、存储以及a h i 指数的计算。从而对患者的睡眠呼吸状态 进行评估。 1 3 2文章结构 在论文的第一章绪论中介绍了研究背景、睡眠呼吸暂停综合征和睡眠障碍的 的检测方法与治疗等进行了综述：第二章介绍了睡眠呼吸监护参数的检测原理和 方法；第三章为睡眠呼吸暂停低通气监测仪硬件设计及抗干扰技术；第四章介绍 了睡眠呼吸暂停低通气监测仪系统软件设计和抗干扰技术以及信号处理：第五章 介绍了监测仪的调试和分析，并对监测仪性能进行了测试，讨论了血氧饱和度定 标的方法。最后对研究工作进行了总结和展望。 3 第二章睡眠呼吸监护参数的检测原理和方法 2 1 透射式脉搏血氧饱和度的检测概述与模块设计 2 1 1 血氧饱和度基本概念与临床检测意义 血氧饱和度，是指血液中的氧含量，一般用血液中氧合血红蛋白占总血红蛋 白的百分比来表示【1 7 】，即 s a o ：壁旦21 0 0 h b 0 2 + 舶( 2 一1 ) 式中，s a o ：表示血氧饱和度，h b o ，和h b 分别表示血液中的氧合血红蛋白 与还原血红蛋白。 血氧饱和度是反映人体血液循环系统、呼吸系统氧合状态的重要生理参数。 许多呼吸系统的疾病会引起人体血液中血氧浓度的减少，严重的会威胁人的生命， 因此在临床救护中，对危重病人的血氧浓度监测是不可缺少的旧。 在对睡眠呼吸障碍的检测评估中，血氧饱和度是一项重要的指标【培】。当发生 呼吸暂停或者低通气的时候，随着时间的延长，血液中的氧含量不断地下降，二 氧化碳的含量不断地上升，以此便会带来血氧饱和度的下降。在多导睡眠图中， 血氧饱和度是不可缺少的检测项目。在睡眠无呼吸低通气的诊断定义中就明确指 出了呼吸气流下降的过程中伴随着血氧饱和度下降4 ，才可以予以确诊。因此 血氧饱和度的监测对于睡眠医学的是不可缺少的【1 9 ，2 们。 2 1 2 血氧饱和度检测原理与方法 2 1 2 1 朗伯一比尔( l a m b e r t b e e r ) 定律 光照射有色溶液后，经溶液中的质点会的吸光作用，而光吸收量与溶液的厚 度和深度成定量关系，经过朗伯与比耳的科学的概括，称为朗伯一比耳定律【2 1 1 。 应用于血氧饱和度检测后，就是当一个特定波长的光入射指端时，透射光可分为 两部分：一部分是恒定的成分，主要反映指端各种非脉动成分，如肌肉、骨骼、 色素、脂肪、水和静脉血等对光的吸收，另一部分为脉动成分，是由于血管床随 心脏搏动而产生的收缩和舒张引起，主要反映动脉血中脱氧血红蛋白( h b ) 和 氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 对光的吸收。如图2 1 ，可描述为： rr i二= 1 0 一脱 上o ( 2 2 ) iq = l g = 一脱 4 其中：，、厶分别为透射光强度和入射光强度，趴层、q 分别为物质浓度、 吸光系数、吸光度，为光路长度。其中吸光度e 与入射光的波长、物质的性质 和溶液的温度等因素向光。 溶液浓度 c l 咒辅 t 确直蠢 图2 1 朗伯一比尔定律模型图2 2 人体组织对入射光吸收后的成分分析图 2 1 2 2 透射式双波长血氧饱和度检测方法 透射式血氧饱和度检测理论【2 2 。2 4 】认为：人体由于人体动脉的搏动能够引起测 试不为血液流量的变化，从而引起光吸收量的变化，而非血液组织( 皮肤、肌肉、 骨骼等) 的光吸收量通常认为恒定不变的。而脉搏式血氧饱和度检测技术就是基 于此，通过检测血液容量波动引起的光吸收量的变化，并且消除非血液组织的影 响来求得血氧饱和度。 ( xl o 啪) 图2 3h b 0 2 和h b 对不同波长光的吸光系统曲线 如图2 2 【2 4 】所示，血液中氧合血红蛋白( 蚴) 和全部血红蛋白( m ) 针 对不同波对的入射光的光吸收系剡驯。根据检测算法的要求，为提高检测的精 度，我们需要选择两种波长的入射光，其中一种入射光要求氧合血红蛋白 ( h b 0 2 ) 和全部血红蛋白( h b ) 对该光的吸收系数差值较大，如图2 3 【2 4 】所示 可知，m 0 2 和h b 在入射光波长为6 0 0 i l m 时，差值过大并且曲线坡度变化较大， 不适合进行测量，所以我们选择6 6 0 n m 作为其中一个入射波的波长。另外一种入 射光要求氧合血红蛋白( 舶0 2 ) 和全部血红蛋白( h b ) 对该光的吸收系数相 等，图中显示，在波长8 0 5 衄处，两者的吸光系数相等，但是此处两个曲线坡度 较大，当发光管存在个体差异时，不利于调试替换，所以我们选择两吸光系数差 值基本恒定的9 0 0 n m 一9 5 0 i 】m 波段，我们最后选择波长9 0 5 n m 作为另一组入射光。 5 q i = 1 9 等2 巨c + q 印厶 ( 2 4 ) q = 一q l = l g 毛- 1 9 等= ( 互c l + 酬) 鸲( 2 _ 5 ) 扛麓 弘6 ， 卜等铲 s a o ：= 南= 耳鲁面一志 c 2 卅 s a o ：= 南= 瓦面一若岛 c 2 一s ) 6 岛等一足 油22 磊莉 ( 垦一e ) 一署( 巨一目) ( 2 9 ) 当波长 - 8 0 5 1 1 l i l 时，置= 耳令，m2 话i 毛万2 话主乏万可得 ff 7 s a o ：m 竺丝一( 2 1 0 ) q i 9 2 一一鼠一卅g 老毛也笔叫g 老 q 1 。 幺一2 q l 一址一，q l 一卅g i 兰豸乏= 。g 笔兰卅g 云三秀乏= 一挖， ，、l g 粤l g 毕 s a o ：叫等州叫毒州划每州 。 q l 嘲。 】g 生巴坚 1 2 生堕竺型2 些 。厶一- 必一 。 厶嘣 ：m 建m 等一 沪啪 州毒刈洲皖刈 q 1 3 ) 2 1 3 血氧饱和度检测技术 血氧饱和度的检测，主要分为有创血氧饱和度检测和无创血氧饱和度检测。 有创血氧饱和度检测主要是通过生化分析仪来检测血液中的氧和血氧蛋白的含 量，其主要是基于血气分析和分光光度理论。其主要优点是检测精度高，是目前 血氧饱和度检测的标准，该技术也被用于无创血氧饱和度检测的标定。其主要缺 点就是有创伤、检测费时费力，给患者带来痛苦，容易感染，而且不能满足检测 的连续性和实时性要求。无创血氧饱和度检测的理论基础是朗伯比尔定律和光 散射理论，按照脉搏波信号获得的光电路径，可以分为透射式血氧饱和度检测和 反射式血氧饱和度检测。其中透射式血氧饱和度检测的技术较为成熟，在临床应 7 亟堂焦论塞箍三童睡眠哩哩堕塑叁数的捡测厦理塑友法 用中较为普遍，市场上所有的无创血氧检测产品都是基础透射式血氧饱和度检测 技术。反射式氧饱和度检测技术目前还很不成熟，精度较低，目前还处于实验室 研究阶段。但是相比于透射式血氧检测技术，由于该技术对于传感器的安装限制 较少并且对于环境的适应性更强，将是透射式血氧饱和度检测的发展方向。本论 文研究的是透射式血氧饱和度检测方法【1 7 2 0 ，2 4 ，2 5 ，2 6 1 。 2 1 4 透射式血氧饱和度检测模块设计 临床实验表明，人体耳廓和指尖处，毛细血管丰富、组织较薄、光容易透过， 组织吸光影响相对较小【2 7 】。所以经常选择这些部位作为测量位置，本文选择手 指作为血氧饱和度检测的部位。选择n e l l c o r 的指夹式血氧饱和度检测探头。 产品结构图见图2 4 。实物如图2 5 所示。该探头包含两个贴片式发光管，其两 个波长分别为6 6 0 n m 与9 0 5 n m ，以及一个光电接收二极管。 图2 4n e l l c o r 血氧探头产品结构图 图2 5n e l l c o r 指夹式血氧探头实物图 在对n e l l c o r 的指夹式血氧饱和度检测探头的内部结构详细分析的基础 上，结合血氧饱和度检测算法的要求，设计出了血氧饱和度探头的驱动电路、脉 搏波信号调理电路和数据采集模块。充分利用单片机内部硬件资源，实现了血氧 饱和度检测模块的微型化，便捷化。 2 2 人体呼吸信号检测及检测模块设计 2 2 1 常用的呼吸信号检测方法 在阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征检测中，呼吸信号是一个非常重要的检 测项目 2 引。目前国内外绝大多数的睡眠监测仪都包含呼吸信号的监测。专家学 者针对呼吸信号的检测提出了很多新的理论和检测方法【2 8 3 l 】。其中有以下方法： 1 ) 压力感知 3 2 3 5 】。通过将压力传感器安放在呼吸道壁，呼吸运动产生瞬时压力 变化，以此采集呼吸信号；2 ) 温度感知【3 6 1 。呼吸气流通过呼吸管道后，由于管 道阻力，使得呼吸气流克服阻力做功，产生热量，通过安放温度传感器从而感知 呼吸运动；3 ) 阻抗澍y h l l 。呼吸运动得胸腔中的体积随呼吸运动而产生有规律 的变化，所以通过检测呼吸时胸腔的阻抗变化就可以检测出人体的呼吸信号。阻 抗法测呼吸是目前呼吸监测设备中最为常用的一种技术；4 ) 微波法【4 2 川】。通过 电磁波射向人体，人体胸腔内的心脏和肺的运动会对电磁波散射信号的幅度和相 位进行调制，以此检测呼吸运动；5 ) 心电提取法【4 5 郴】。人体呼吸运动会引起相 亟堂僮j 金塞 箍三童睡眠蟹哩堕垃叁数的捡剿厘堡狸友法 应心电图的变化，主要的研究方向有两个：通过心电图获取呼吸信号和通过心电 向量图获取呼吸信号：6 ) 呼吸感应体积描记法【4 9 ，斓。呼吸运动会产生胸腔和腹 腔体积的变化，通过弹性通电束缚带，绑在人体的胸腔和腹腔，呼吸运动引起磁 通量的变化就能检测出呼吸信号。 2 2 2 人体呼吸信号检测模块设计 本文采用的是应变式传感器检测呼吸信号的方法，选用h o n e y w e l ls u r s e i l s e d c 0 1 0 1 n d c 4 作为呼吸压力传感器，此传感器的精度较高，广泛应用于呼吸机 等呼吸信号检测设备上，满足鼻腔呼吸气流检测的需求。通过鼻导管将呼吸压力 信号传至呼吸压力传感器，以此获得呼吸信号。 该传感器不能检测出呼吸通量的信号，但是在睡眠呼吸障碍的诊断中，通过 对呼吸压力信号的分析，配合血氧饱和度的检测就对检测对象睡眠呼吸障碍做出 初步诊断，满足临床诊断的需求。 通过呼吸传感器采集的鼻腔内的呼吸压力还需要通过信号调理才能进入中 央处理单位。本文根据传感器对供电电压的特殊要求( 4 9 v 5 1 v ) ，设计了电源 管理方案。针对传感器输出信号与中央处理器的输入信号要求，设计了简单的信 号调理单元。以实现呼吸信号采集与处理模块相匹配。 9 第三章睡眠呼吸暂停低通气动态监测仪硬件设计 本章主要阐述睡眠呼吸暂停低通气动态监测仪硬件设计部分，按照从总体到 局部的设计思路进行，并讨论了硬件抗干扰的措施。 3 1 系统总体设计 3 1 1 需求分析 在开始系统设计之前，首先要了解设计需求，做好需求分析。根据睡眠呼吸 暂停综合征的监测目标，结合睡眠呼吸暂停低通气动态监测仪功能需求，制定如 下需求分析表。 表3 1 系统需求分析表 项目名称睡眠呼吸暂停低通气动态监测仪 设计目标睡眠呼吸暂停低通气动态监测仪，为睡眠呼吸障 碍患者提供实时的监控 输入通过呼吸传感器采集呼吸压力信号； 通过血氧探头采集光电脉搏波信号； 通过键盘对仪器进行操作； 实时时钟信号 输出液晶显示 通信通过u s b 接口传输信号至p c 机 功能实时监控，给出诊断意见，人机接口 其他需求采用锂电池或干电池等供电方案； 功耗低，仪器尽量小而轻，便于携带； 提供实时检测时钟 3 1 2 系统组成 睡眠呼吸暂停低通气动态监测仪主要由以下几部分构成：微控制器、电源管 理模块、存储器模块、人机接口、血氧饱和度检测模块、呼吸信号检测模块、 u s b 通信模块、实时时钟模块、及配套p c 端监护分析软件系统。 ( 1 ) 微控制器模块：微控制器是该仪器的核心，是连接各个模块的枢纽， 为外围模块提供控制和输入或输出数据。并实现采集数据的处理与 匹配。 ( 2 )电源管理模块：电源对于仪器就如人体的血液，为仪器的各个功能 模块的分立元件和芯片供电。此外，为了实现仪器的低功耗特点， 还需要对系统的供电电源进行电源管理，降低仪器的功耗。 l o 亟堂鱼j 金塞 簋三童 廷隧玉哩哩低亟氢检测毯焦住逡丑： ( 3 )存储器模块：该模块实现了仪器的记忆功能，主要是对处理后的数 据、特定的仪器操作信号以及检测对象的基本信息进行存储。 ( 4 )人机接口：该模块主要实现了仪器与操作对象之间的交互。通过键 盘模块，可以对仪器的功能进行选择，实现操作对象对仪器的控制； 通过液晶显示模块，可以帮助操作对象对仪器的工作状态和检测结 果的获知。 ( 5 )信号采集模块：该模块实现了仪器的信号输入，主要包括光电脉搏 波的信号采集、呼吸信号的采集以及实时时钟的输入。 ( 6 )通信模块：仪器的采集的检测对象的生理参数以及相关的操作和时 间信息必须要通过通信模块实现与p c 机的传输。 ( 7 )p c 机端分析检测系统：下位机采集并存储的检测对象的生理参数 通过u s b 传输至p c 机后，该系统分析软件要对数据进行数据的 筛选和诊断。 3 1 3 元器件的选择 3 1 3 1 微处理器的选择 1 m s p 4 3 0 系列单片机概述 m s p 4 3 0 系列单片机是t i ( 德州仪器) 公司1 9 9 6 年开始推向市场的一种1 6 位超低功耗的混合信号处理器，其针对实际应用需求，将许多模拟电路、数字电 路和微处理器集成在一个芯片上，给用户提供“单片 解决方案。该系列单片机 在短短几年内得到了很好的推广，应用广泛，并且国内的相关的技术支持较为全 面，中国地区利尔达全面代理推广t i 的m s p 4 3 0 单片机，公司网上论坛资源丰 富，每年进行全国各大城市间的巡回研讨会。该系列单片机有如下主要特剧5 1 巧3 】： 超低功耗 强大的处理能力 系统工作稳定 丰富的片内外设 方便友好高效的开发环境 2 m s p 4 3 0 f ( m 3 7 基于便携式睡眠呼吸暂停低通气动态监测仪的技术要求，致力于单芯片的解 决方案的考虑，选择m s p 4 3 0 f g 4 3 7 单片机作为主控芯片。表3 2 给出该芯片的 技术参数。 表3 2m s p 4 3 0 f g 4 3 7 技术参数表 m s p 4 3 0 f g 佴3 7 是m s p 4 3 0 f 4 系列中的一款，根据t i 的提供的解决方案，指 出4 系列最主要的应用在于医疗电子仪器。下面结合本系统，谈谈选择该芯片的 亟堂焦i 金塞 一 筮三童睡眍玉哩哩低通氢检测戗焦鲑遮让 原因。 图3 1m s p 4 3 0 f g 4 x 系列的功能框图 i 0 ：在本系统中，致力于实现单芯片的设计方案，鉴于仪器的外围功能模块 较多，如：实时时钟、a d c 、d a c 、l c d 、o a 等，i o 的需求较大。而m s p 4 3 0 f 4 系列的单片机的i o 资源相对其他系列较多。 外围功能模块：便携式睡眠呼吸暂停低通气动态监测仪的设计方案中，涉及 血氧探头的驱动电路部分需要d a c 的输出控制，如果需要实现单片的解决方案， 必须要选择片内自带d a c 模块，f g 4 3 7 芯片内置2 个1 2 位的d a c ，满足本系 统的需求。该仪器同时需要a d c 模块来进行数据采集，此芯片内部集成2 组2 4 通道1 2 位的a d c 模块，精度和转换时间满足系统需要。在数据采集模块中， 一个重要的元件就是运算放大器，该芯片内部集成了3 个运放，相互间以及与周 边模块的链接都是通过寄存器来完成的，操作简单，灵活性较强。此外，4 系列 区别于其他系列的重要之处就是内部集成了l c d 驱动模块，f g 4 3 7 就可以驱动 1 2 8 段液晶，由于本仪器使用的断码式液晶，选择该型号作为主控芯片就不需要 自行设计液晶驱动电路，使设计简单化。片内的洲以及片内f l a s h 虽然不 大，但是已满足系统设计要求，提高了仪器的性价比。图3 1 便是m s p 4 3 0 f g 4 x 系列的功能框刚5 4 1 。 3 1 3 2 呼吸传感器的选择 选择呼吸传感器的原则： 1 ) 检测精度较高。由于通过呼吸导管测得的呼吸压力信号较小，监测仪对 呼吸信号检测的精度需求较高。 2 ) 检测灵敏度较好。呼吸信号属于低压差信号，所以对传感器的灵敏度有 一定的要求，只有灵敏度越高，输出信号的振幅越大，提高了信号的信噪比，方 便了仪器的数字信号处理和算法的设计。 3 ) 外围检测电路要求简单。该仪器属于便携式的医疗仪器，希望能实现单 芯片的解决方案，为了降低系统的功耗，简化设计，应该尽量选择外围电路简单， 内部集成有信号放大补偿调理电路的传感器。 根据以上提出了三点选择原则。本文选择h o e l ls u r s e n s ed c 0 1 0 m ) c 4 1 2 亟堂僮论塞簋三童睡眠玉哩噬低道氢捡测邀堡仕遮让 作为采集睡眠呼吸压力信号的传感器，传感器的实物图如图3 2 【5 5 】。 图3 2h o n e y w e l ls u r s e n s ed c 0 10 n d c 4 呼吸压力传感器实物图 d c 系列压力传感器特性： 超低压力检测达到2 5 n l b a r ； 内嵌有a s i c 技术； 有表压力和差压量程可选，有比例输出和固定输出可选； 补偿温度为0 5 0 度； 线性和磁滞的组合误差 坚 的脉搏值测得? = 兰 n o 算的新的脉率与血氧饱和度 波一级数值 3 0 0 0 且存储未 砺一 组成新的8 字节数据包，以0 2 5 s 为 周期存储数据至m e m o r y 图4 3 中断服务程序流程图 d t c t l = y d t p wi d t i o l d ： f o r ( i = o ：i 8 ) ； m 锄o r ) ，- s a v ea m y 【2 】= ( u c h 砷( r e so im ； m e m o 叽s a v ea 饿l y 3 】_ ( u c h 砷( h e a r i _ 脚 8 ) ； m e m o d ，- s a v ea r 豫y 【4 】= ( 1 l c h 砌( 1 l e a r i j t c ) ； m 黜。札s a v ea r r a y 【5 】= ( u c h 砷( s a 0 2 ) ； m 哪s a 叩a r 瑚l y 【6 】= ( u c h 砷0 x 6 6 ； m e m o r ys a 叩a r 瑚l y 【7 】- ( u c h 砷0 x 6 6 ； m 锄o r ) ，- s a v e _ a d d = 锄d 1 6 ( u s 豇_ n 1 瑚b 眵i i lm e m o 1 3 4 4 ) ； m 锄0 r y j a v ea d d = m e m o r y j a v ca d d “l o ； m 黜0 一s a v ca d d m e m i 哪s a v ca d d + s 粕1 p le ! s a v e1 1 1m 锄o d ，二c o 岫t 8 ； m r 蚀d ：d a 似m 锄o 一s a 聃a d d ，d a t a 2 ，8 ) ； m - p a g ep r o g r a m ( m 锄哆一s a v ea d d ，m 锄。哆一s a v e 彻y 8 ) ； mr 翩dd a t a ( m 锄。吼一s a v e l _ a d d ，d a t a 2 ，8 ) ； 操作信息包由患者编号、操作代码和操作时间组成，占用8 字节，格式如下所示。 最高字节8 ：存储当前用户编号u s e rn u i 】曲e rh lm e m o r y 字节7 ：操作代码 字节1 6 ：由d s l 3 0 2 提供的操作时间( 年月日时分秒) 3 ) 存储器空间安排 为了合理便利的利用存储空间，本文对存储空间使用做如下安排，见表4 - 1 。 表4 1 存储空间使用安排表 4 2 9u s b 数据通信模块设计 本系统设置有两种工作模式，一种是数据采集模式，一种就是u s b 数据通 信模式。数据通讯模式就是通过单片机控制，将数据从片外f l a s h 存储器中取 出数据包，传至上位机。根据u s b 接口协议、接口芯片的设计需求以及系统的 设计需求，本模块共设计了1 2 个功能函数体以及一个中断服务程序，他们分别 为： 向c h 3 7 5 的命令端口写入命令，周期不小于4 u s v o i du s b 二w r c m d ( u c h a r 锄d ) 3 7 亟堂僮j 金室 筮四重睡眠五哩咀低通氢捡测毯筮鲑遮让区焦墨处理 向c h 3 7 5 的数据端口写入数据，周期不小于1 5 u s v 0 i du s bw rd a r a ( u c h a rd a t ) 从c h 3 7 5 的数据端口读出数据，周期不小于1 5 u s u c h a r u s br dd 筒r a ( v o i d ) 获取版本号 u c h a ru s b - g e t j c 哟 硬件复位 v o i du s b 尽e s e 认l l o 测试u s b 工作状态 u c h a ru s b j 孙e c l x i s t ( u e h a rd a t a ) 设置检查u s b 总线挂起方式 v o i du s b c h k s u s p e l l d ( u c h a rm o d e ) 设置u s b 工作模式 u c h a ru s b _ s e t m o d e ( u c h 盯m o d e ) 获取中断状态并取消中断请求 u c h a ru s b g e t s t g h l s o c h 3 7 5 初始化子程序 v o i du s b h l i t ( v o i d ) 收到数据后回发相同数据 v o i du s bb xt x j d a t a o 向上位机传送特定长度的数据端口1 2 v o i du s b p c l a r c o m ，u c h a r 奎d a t 如u l o n gl 吼) c h 3 7 2 中断服务程序 却r 啦av e 咖r = p o r t 2 j v e c t o r ；i i l t e m l p tv o i dm c h 3 7 5 n ( v 0 i i d ) u s b 传输模块的流程图已经在图4 3 指出。 4 3 睡眠呼吸监护系统软件设计 4 3 1p c 机端开发环境 睡眠呼吸监护仪配套软件系统是基于刚c + + 6 o 平台开发的。s 谳 c + + 6 0 不仅是一个c + + 编译器，而且是一个基于w i i l d o w s 操作系统的可视化集 成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，m e ) 。刚c + + 6 0 由许多组 件组成，包括编辑器、调试器以及程序向导咖w i z a r d 、类向导c l 弱sw i z a r d 等 开发工具。这些组件通过一个名为d e v e l o p e rs m d i o 的组件集成为和谐的开发环 境。主要包含三个部分：集成开发环境d e v e l o p e rs 饥i d i o ；m f c ；p l a 饷吼s d k 。 其开发环境如图4 1 1 所示： 压t 孤叠暖门啊趸趸陌币弱f 丁茬嬲 f 鹅1 ，列13 图4 1 1v is u a lc + + 6 o 集成开发环境 4 3 2 睡眠呼吸监护仪配套软件系统总体功能简要介绍 睡眠呼吸监护仪配套软件系统包括以下几个模块： 第一，数据录入与存储模块 第二，数据预筛选模块 第三，数据显示模块 第四，数据分析模块 第五，帮助与医学知识查询模块 各个功能模块之间相互协调，组成完整的数据录入、显示、分析、存储与系 统帮助的软件系统。首先，数据录入模块通过u s b 接口从下位机接收到实验采 集的原始数据和操作信息，通过存储模块将数据进行分类并存储成文件的形式， 以便后面的模块进行相应的调用。其次，在数据与筛选模块，通过对呼吸信号的 初步预诊断模块对数据做初步信号，如呼吸信号正常，可以初步诊断该用户没有 睡眠无呼吸低通气综合症，如果从呼吸信号中得知该用户有异常，进行数据显示 模块，这这个模块中，仪器通过图形的方式简单明了的展示出用户的呼吸信号、 脉率与血氧饱和度的变化情况。可以帮助用户和医生了解检测对象的睡眠状况。 在数据分析模块中，按照睡眠无呼吸低通气综合症的检测标准，对数据进行统计 分析，得出分析结果，并予以提示。最后，通过仪器整个分析结束后或者分析过 程中对仪器的操作与相关生理医学知识有任何的不清楚之处，可以查询该系统的 帮助模块，以便更好的使用仪器，并对自身的检查结果有个全面的认识。 4 3 3 系统操作流程图 图4 1 2 给出了整个监护仪配套软件的操作步骤图。该系统通过u s b 接口将 底层存储器中的数据读出到上位机，上位机通过数据录入模块读出数据，然后将 数据进行分类后存储到计算机机中，通过数据预筛选模块对呼吸信号进行分析， 通过数据显示和分析模块将数据以图形形式给用户查看，最后通过诊断模块给出 最后的诊断结果。 3 9 萋袭j i 鍪磊1 1 褒堡r | 篷耧j 障块1l 谈1 帮助系统 图4 1 2 监护仪配套软件操作步骤图 4 3 4 主要功能模块界面设计 下面给出了各个模块的界面图 1 ) 系统主界面 图4 13 监护仪配套软件主界面图4 1 4 监护仪配套软件数据预筛选模块界面 通过右击数据区中空白的区域，就可以从单片机读出数据，并以文件的方式 按照检测对象分类存储在系统目录下。界面的上方显示当前检测对象基本信息， 包括姓名、i d 号、以及检测时间。在数据区选中要测量的对象，按照右侧的操 作导航系统可以逐步实现检测对象呼吸暂停综合症疾病有无，轻重的诊断。监护 仪配套软件主界面如图4 1 3 所示。 2 ) 数据预筛选模块 按照睡眠无呼吸睡眠低通气综合症的诊断方法，可以通过对对象的呼吸信号 先进行预筛选，如果满足综合症预筛选异常标准，便需要对该对象做后续的检数 据分析步骤，如果不满足综合症预筛选异常标准，则表明该检测对象没有睡眠无 呼吸睡眠低通气综合症，无须进行下面的分析诊断步骤。下面给出的数据预筛选 模块的界面。通过滚动条和数据分段显示功能，可以直观了解到对象的呼吸状况。 该模块的界面如图4 1 4 所示。 3 ) 数据显示模块 经过数据预筛选模块，如果得知睡眠呼吸信号满足综合症异常标准，将进行 数据显示模块，对对象的检测参数做全面的显示，帮助用户更全面的掌握检测对 据断块广一数诊模 、11ij一 一据示析块数显分模 ，l11】_j0一 一据入块一一数录模一 n ，) 一 一单片机一 亟堂焦j 金塞箍四童睡眠玉哩哩低垣氢捡泌戗筮住遮让丛信墨处堡 象的信息。该模块的界面如图4 - 1 5 所示。 图4 一l5 监护仪数据显示模块界面 图4 16 监护仪数据分析诊断模块界面 4 ) 数据分析诊断模块 通过前面的数据显示模块，我们可以直观的了解到各检测生理参数的变化趋 势，但是我们没法通过显示的图形判断检测对象是否患有睡觉无呼吸低通气综合 症。所以需要睡觉分析模块对数据进行统计分析，得出诊断报告，并且可以根据 设定特定的需求得到需要的结果，该模块的界面如图4 1 6 所示，如果需要手动 对各参数进行设计，可以进入自主设定模式，界面如图4 1 7 所示。 图4 1 7 监护仪自主设定模块界面图4 1 8 监护仪系统帮助模块界面 5 ) 系统帮助模块 这个模块是整个系统的辅助系统，帮助用户更好的使用本系统，并通过查询 相关的医学知识，对诊断分析模块得出的结果能够有更科学更全面的认识，该模 块的界面如图4 1 8 所示。 4 4 软件抗干扰措施 单片机系统的抗干扰设计中除了硬件抗干扰外，软件抗干扰技术也是一个非 常重要的方面，下面结合本系统的设计方案，谈谈本系统的软件抗干扰技术。 4 4 1 看门狗技术 由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而 4 1 亟堂僮途塞筮四童睡眠玉哩哩低道氢捡测邀筮往遮让厘信曼处理 陷入死循环，出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，软件设计中采用了看 门狗技术，充分利用的m s p 4 3 0 f g 4 3 7 内部的看门狗资源，增强了系统的稳定性。 4 4 2 数据采集通道的数据预筛选 本系统的前端数据采集模块中，通过指夹式血氧探头采集脉搏波信号，通过 呼吸压力传感器采集呼吸压力信号。在采集数据