便携式睡眠监测仪的设计

1、课题背景课题背景1系统总体概述系统总体概述2下位机软硬件设计下位机软硬件设计3上位机软件设计上位机软件设计4总结与展望总结与展望5致谢致谢6睡眠： 受到刺激很容易完全恢复的一种生理状态，或意识相对丧失、没有自主肌肉活动，并且是周期性需要的一种生理状态。特征： 姿势固定、对刺激的反应减弱和具有可逆性。简单地说，睡眠是一种过程，在睡眠过程中全身，包括中枢神经系统都会得到恢复和休息。课题背景课题背景-什么是什么是“睡眠睡眠”？人的一生中大约有三分之一的时间是在睡眠度过的，通过睡眠可以：消除疲劳和恢复体力；使大脑得到休息，以恢复精力；增强免疫力；促进人的生长发育；延缓衰老；使人放松，有利于人的心理健康

2、；有利于皮肤美容等。课题背景课题背景-睡眠与健康的关系睡眠与健康的关系睡眠质量的好坏直接影响人的身体健康。睡眠分期： 非快速眼动期(NREM) 睡眠 快速眼动期（REM） 睡眠质量：NREM的St3、St4和REM占整夜睡眠时间越长，睡眠中觉醒期越短，说明睡眠质量越好。课题背景课题背景-睡眠分期与睡眠质量睡眠分期与睡眠质量（约（约20%）（7580%）（2025%）St1St2St3St4（510%）（50%）课题背景课题背景-常用监测方式常用监测方式可用于分析心电、脑电、肌电、眼动、手动、心音、血氧等多导睡眠图仪课题背景课题背景在只需单纯判断睡眠质量的情况下，是不需要监测如PSG一样全面的生

3、理信号的睡眠分期和低通气情况心率变异性和睡眠分期及睡眠周期存在很好的关联性（脉搏基频频率与心率之间存在一致变化性）SPO2可反映出睡眠呼吸疾病患者夜间的缺氧状况手指容积脉搏波课题背景课题背景1系统总体概述系统总体概述2下位机软硬件设计下位机软硬件设计3上位机软件设计上位机软件设计4总结与展望总结与展望5致谢致谢6系统概述系统概述-光电脉搏波测量原理光电脉搏波测量原理系统概述系统概述-透射光波长选择以及透射光波长选择以及SPO2的定标的定标22maxmax2maxmaxI/ ISPO=A*B= *IIHbOHbOHbCA RBCC氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱曲氧合血红蛋白和还原血红蛋白的

4、吸收光谱曲线线22SPOa*R*b RcR与与SPO2的关系曲线图的关系曲线图（660/940nm）系统概述系统概述-下位机硬件原理框图下位机硬件原理框图微控制器：MSP430FG439脉搏探头：NELLCOR成人指夹脉搏血氧探头存 储 器：M25P128(Flash)电源管理：MAX1674串行通信：MAX232系统概述系统概述-上位机软件流程上位机软件流程上位机实现的功能：上位机实现的功能：脉搏相关信号的接收、分析和结果的显示脉搏相关信号的接收、分析和结果的显示软件界面：由软件界面：由VC+实现。实现。算法实现：算法实现：MATLAB与与VC+的混合编程的混合编程课题背景课题背景1系统总体

5、概述系统总体概述2下位机软硬件设计下位机软硬件设计3上位机软件设计上位机软件设计4总结与展望总结与展望5致谢致谢6下位机软硬件设计下位机软硬件设计-脉搏探头驱动电路及时序脉搏探头驱动电路及时序驱动电路：驱动电路：时序：时序：VDAC0000.720DACBEDACLVVVIR下位机软硬件设计下位机软硬件设计-信号预处理电路信号预处理电路M25P128特性如下特性如下：l 容量：128Mbit(16777216 bytes-64 sectors-1024 pages-256 bytes)；l 供电电压：2.73.6V；l 接口类型：SPI串行接口；l 最大读取时钟速率：50MHz；l 快速编程/

6、擦除模式：可选，Vpp=9V；l 页编程速度：-2.5ms(典型值)；-1.2ms（Vpp=9V）；l 支持扇区擦除：2Mbit；l 支持整块擦除：128Mbit；l 具有电子签名：2018h（符合JEDEC标准）；l 每扇区支持10000次得擦除/编程操作；l 数据可至少保存20年以上；下位机软硬件设计下位机软硬件设计-存储模块存储模块下位机软硬件设计下位机软硬件设计-存储模块存储模块下位机软硬件设计下位机软硬件设计-电源管理模块电源管理模块MAX1674特性如下：特性如下：l 200mA输出电流时效率为94%；l 16uA的静态工作电压；l 内部同步整流器（不需添加外部二极管）；l 0.1

7、uA控制逻辑关断电流；l LBI/LBO低电池电压监测；l 可选电流限制以减少波纹；l 低噪音特性；下位机软硬件设计下位机软硬件设计-下位机软件程序流程图程序流程图课题背景课题背景1系统总体概述系统总体概述2下位机软硬件设计下位机软硬件设计3上位机软件设计上位机软件设计4总结与展望总结与展望5致谢致谢6存储格式： 16进制存储路径： PulseData文 件 名： 日期+序号，如2010-5-23-7.dat实时数据格式上位机软件设计上位机软件设计-上位机数据接收 异常点的剔除： 信号的重采样：重采样频率1Hz（RRI信号最高频率0.5Hz） 去直流处理上位机软件设计上位机软件设计-RRI信号

8、预处理| 1.5*()iRRIRRIStd RRIjj 1jj 1RR1.3* RRIRRI0.7 * RRIRRI值须在正常值范围 RRI值不能发生突变上位机软件设计上位机软件设计-VC+和MATLAB的混合编程MATLAB:mex setupmcc -W cpplib:dllname -T link:lib filename.mdllname.dlldllname.ctfdllname.hdllname.libVC+:环境设置 调用dll mclInitalizeApplication()Initalize()Terminate()mclTerminateApplication()心率变异

9、性(Heart Rate Variability,HRV)：逐拍心跳间瞬时心率或RR间期的微小变化上位机软件设计上位机软件设计-心率变异性分析0123456789WakeREMSt1St2St3St4时间/h(a) 专家校正睡眠分期图(a) Sleep stage with experts correction睡眠分期01234567895101520时间/h(b) 相邻PP间期差值的均方根(b) Root-mean-square of successive difference,rMSSD均方根/ms01234567895101520时间/h(c) 相邻PP间期差值的标准差(c) Stand

10、ard deviation of successive difference,SDSD标准差/ms0123456789050100时间/h(d) 正常PP间期的标准差(d) Standard deviation of normal to normal PP intervals,SDNN标准差/msN2ii 11SDNNRRINRRI（）上位机软件设计上位机软件设计-心率变异性分析之时域分析窗口长度窗口长度：12min步步 距：距：30sN 12i 1ii 11rMSSDRRIRRIN 1（）0123456789WakeREMSt1St2St3St4时 间 /h(a) 专 家 校 正 睡 眠 分

11、 期 图(a) Sleep stage with experts correction睡眠分期0123456789-5051015时 间 /h(b)脉 率 分 析(b) Pulse Rate Analysis脉率上位机软件设计上位机软件设计-脉率分析睡眠时相中脉率变化的规律：睡眠时相中脉率变化的规律：WREMSt1St2St3St4整夜睡眠脉率信号分析采用整夜睡眠脉率信号分析采用30s为间期为间期，通过，通过逐页平滑逐页平滑、去趋势化去趋势化和和00.05Hz滤波滤波得到分析结果。得到分析结果。 HRV功率谱：功率谱：1 1、高频成分高频成分：0.15-0.4Hz，其，其典型峰值在典型峰值在0

12、.25Hz左右。左右。2 2、低频成分低频成分：0.04-0.15Hz，其典型峰值在其典型峰值在0.10Hz左右。左右。3、1/f成分成分：频率延伸到极低：频率延伸到极低处且谱密度值随频率降低而处且谱密度值随频率降低而增大。增大。上位机软件设计上位机软件设计-心率变异性分析之频域分析00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.500.20.40.60.811.21.41.61.82x 105频 率 (Hz)功率谱密度(ms2/Hz)BT法 (曲 线 不 平 滑 )AR模 型 法 (曲 线 平 滑 )0123456789WakeREMSt1St2St3St4时间/h(a

13、) 专家校正睡眠分期图(a) Sleep stage with experts correction睡眠分期012345678905000时间/h(b) 极低频功率(b) Power of very low frequency,VLF功率/ms2012345678905000时间/h(c) 总功率(c) Total power,TP功率/ms20123456789050时间/h(d) 低高频功率比(d) Power ratio of low and high frequency功率比上位机软件设计上位机软件设计-心率变异性分析之频域分析窗口长度：窗口长度：12min步步 距：距：30sVLF：

14、0.00330.04HzTP：00.4HzLF/HF：LF与HF的平衡比上位机软件设计上位机软件设计-血氧饱和度分析血氧饱和度分析0123456789WakeREMSt1St2St3St4时 间 /h(a) 专 家 校 正 睡 眠 分 期 图(a) Sleep stage with experts correction睡眠分期01234567898090100时 间 /h(b)血 氧 分 析(b) SPO2 Analysis血氧临床常用临床常用SPO2指标：指标：MSPO2：夜间平均血：夜间平均血氧饱和度氧饱和度LSPO2：夜间最低血氧夜间最低血氧饱和度饱和度SIT85：SPO285%占占睡眠

15、总时间的百分比睡眠总时间的百分比上位机软件设计上位机软件设计-睡眠分期睡眠分期0123456789-5051015时间/h(a) 脉率分析(a) Pulse Rate Analysis脉率0123456789101520时间/h(b)相邻RR间期差值的均方根(b)Root-Mean-Square of Successive Difference,rMSSD均方根012345678905000时间/h(c) 极低频功率(c) Power of Very Low Frequency,VLF功率0123456789St3St2St1REMWake时间/h(d)软件自动睡眠分期图(d)Automati

16、c Sleep Stage Diagram睡眠分期0123456789St3St2St1REMWake时 间 /h(a)软 件 自 动 睡 眠 分 期 图(a)Automatic sleep stage diagram睡眠分期01234567898090100时 间 /h(b) 血 氧 分 析(b) SPO2 Analysis血氧上位机软件设计上位机软件设计-睡眠质量分析睡眠质量分析实际值正常值范围St3百分比百分比22.39%40-45%MSPO295.093%95-100%LSPO287.032%95-100%SIT850%0%睡眠质量较差睡眠质量较差且存在低通气症状且存在低通气症状课题背景课题背景1系统总体概述系统总体概述2下位机软硬件设计下位机软硬件设计3上位机软件设计上位机软件设计4总结与展望总结与展望5致谢致谢6以MSP430FG439为核心，开发了便携式的