在睡眠過(guò)程中，人體生理功能會(huì)發(fā)生一系列變化，如感覺(jué)功能減退，呼吸、心律減慢，血壓降低，血液中二氧化碳結(jié)合力上升，呼吸中樞對(duì)二氧化碳敏感性減弱，肺通氣量減少等[1-2]。這種變化，正常人能很快適應(yīng)，而對(duì)病人、老年者則具有一定的危害性，因此突發(fā)疾病多發(fā)生在夜間。
在突發(fā)疾病中，心血管疾病是人類(lèi)健康的頭號(hào)大敵。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)，目前全球每年死于心血管疾病的人數(shù)占全部疾病死亡人數(shù)的三分之一以上，而且這一趨勢(shì)還在進(jìn)一步擴(kuò)大[3]。有數(shù)據(jù)顯示，71%的心臟病發(fā)作在家中或工作場(chǎng)所，其中60%～70%的人因失去搶救時(shí)間死于醫(yī)院外[4]。中國(guó)人口約占世界人口的22％，而醫(yī)療衛(wèi)生資源卻僅占2％，而且大多集中在城市的大醫(yī)院里，醫(yī)療資源十分有限。此外，目前大部分醫(yī)療設(shè)備價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、僅限于在醫(yī)院病房使用。因此，很難實(shí)現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ鞯耐瑫r(shí)對(duì)其身體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5]。若突發(fā)疾病不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，就會(huì)耽誤最佳搶救時(shí)間。
嵌入式睡眠監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)就是基于上述原因提出的，它能夠在不干擾受監(jiān)測(cè)者正常睡眠的情況下，獲取和處理睡眠過(guò)程中的脈搏信號(hào)。本文以ARM7(LPC2103)為微處理器核心，利用脈搏波特征量K值作為心血管疾病判斷檢查的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)，為心血管疾病的預(yù)防和治療爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，降低心血管疾病在夜間突發(fā)帶來(lái)的嚴(yán)重危害。
1 工作原理
通過(guò)對(duì)模型的理論分析以及不同年齡健康人和心血管疾病患者的臨床檢測(cè)對(duì)比，證實(shí)由心血管生理病理上的變化將會(huì)引起脈搏波特征量K值有規(guī)律且相當(dāng)敏感的變化。因此，采用脈搏波特征量K值作為心血管疾病診斷的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)[6-7]。
脈搏信號(hào)波形特征量K值的定義為：
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本研究利用脈搏傳感器檢測(cè)人們睡眠狀態(tài)下的脈搏信號(hào)，在嵌入式微處理器的控制下，對(duì)突發(fā)疾病進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警。
2.1 采集處理模塊
脈搏信號(hào)屬于低頻微弱信號(hào)，頻率范圍在0.2 Hz～45 Hz，幅度范圍在0～20 mV。在脈搏信號(hào)的采集過(guò)程中，容易受到基線漂移、人體活動(dòng)、工頻干擾等因素的影響。因此，采集到的脈搏信號(hào)必須經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，才能滿足后期工作的要求。采集處理模塊框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本研究利用脈搏傳感器檢測(cè)人們睡眠狀態(tài)下的脈搏信號(hào)，在嵌入式微處理器的控制下，對(duì)突發(fā)疾病進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警。
2.1 采集處理模塊
脈搏信號(hào)屬于低頻微弱信號(hào)，頻率范圍在0.2 Hz～45 Hz，幅度范圍在0～20 mV。在脈搏信號(hào)的采集過(guò)程中，容易受到基線漂移、人體活動(dòng)、工頻干擾等因素的影響。因此，采集到的脈搏信號(hào)必須經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，才能滿足后期工作的要求。采集處理模塊框圖如圖1所示。（1）信號(hào)采集
脈搏傳感器選擇體積小、功耗低、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的HKG-07系列，選擇舒適、穩(wěn)固的外形及佩戴方法，設(shè)計(jì)成小巧貼身的指套型。
（2）信號(hào)處理
信號(hào)處理電路包括前置放大電路、基線校正電路、50 Hz陷波器、帶通濾波器、主放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。
（3）閾值設(shè)置
根據(jù)現(xiàn)有醫(yī)學(xué)研究的結(jié)果或者遵從醫(yī)囑，針對(duì)不同年齡、性別、體質(zhì)、疾病的監(jiān)護(hù)對(duì)象，預(yù)先設(shè)置因人而異的異常閾值和危急閾值。
（4）病情診斷
根據(jù)實(shí)測(cè)值以及設(shè)定好的閾值，對(duì)身體狀況進(jìn)行自動(dòng)診斷，這是系統(tǒng)的難點(diǎn)。
（5）無(wú)線發(fā)送
無(wú)線通信模塊采用JF24C 2.4G，將異常數(shù)據(jù)和警報(bào)信號(hào)發(fā)送到監(jiān)控報(bào)警模塊，消除因?qū)Ь€纏繞身體而干擾睡眠的可能。采用2.4 GHz公共頻段進(jìn)行短距離無(wú)線通信時(shí)，無(wú)需申請(qǐng)專(zhuān)用頻段，且開(kāi)放性好，可用資源比較豐富。
2.2 監(jiān)控報(bào)警模塊
監(jiān)控報(bào)警模塊框圖如圖2所示。LPC2103芯片采用LQFP48小封裝，功耗低，32條高速GPIO，可以滿足對(duì)體積、速度、功耗和實(shí)時(shí)性等方面有嚴(yán)格要求的設(shè)計(jì)，是系統(tǒng)的控制核心。TC35i是西門(mén)子公司推出的GSM無(wú)線模塊，可快速、安全、可靠地傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息和傳真。
（1）發(fā)送短信
將被測(cè)者身體異常情況通過(guò)短信發(fā)送給醫(yī)生和家人。如發(fā)送的短信為“您的親人心臟病發(fā)作”給手機(jī)號(hào)碼為“+8613812345678”。則其AT指令 phone=phone(手機(jī)號(hào)碼處理)+“00800”(協(xié)議、編碼方案和有效期標(biāo)識(shí))+msg（短信內(nèi)容處理）=11000D91683118325476F8000800123-
E395DE548C24F5C626B61094FD35FEB4C51。
（2）儲(chǔ)存數(shù)據(jù)
引入Windows系統(tǒng)硬盤(pán)分區(qū)格式中的FAT32文件系統(tǒng)，將異常的脈搏信號(hào)儲(chǔ)存到Micro SD卡中，數(shù)據(jù)可以在Windows操作系統(tǒng)里直接讀取。
（3）電話報(bào)警
家庭地址和病人病情事先錄音，自動(dòng)撥號(hào)告知120急救中心。
（4）自動(dòng)開(kāi)門(mén)
通過(guò)無(wú)線控制打開(kāi)房間門(mén)，方便救助者(120急救中心的人員和家人)進(jìn)入室內(nèi)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
嵌入式睡眠監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)主程序的作用是完成各模塊的初始化，使每個(gè)模塊進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作流程以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能報(bào)警的功能。警報(bào)級(jí)別分為輕度異常和危急異常兩級(jí)，既能確保及時(shí)報(bào)警，又能避免頻繁動(dòng)作，較準(zhǔn)確地判斷監(jiān)護(hù)對(duì)象的身體狀況，減少誤報(bào)警幾率。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)使用 Keil公司的IDE和C語(yǔ)言調(diào)試器。主程序流程圖如圖3所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及測(cè)試
脈搏信號(hào)波形特征量K值選取的分析程序框圖如圖4所示，脈搏信號(hào)特征提取界面如圖5所示。利用分析處理后得到的脈搏信號(hào)波形特征量K值=0.412 436，計(jì)算心血管疾病相關(guān)的特征參數(shù)（包括每搏心搏出量SV、每分心輸出量CO、心搏指數(shù)SI、心臟指數(shù)CI）。根據(jù)K值計(jì)算得到的心血管特征參數(shù)的實(shí)測(cè)值，均符合標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。被測(cè)者參數(shù)正常，身體健康，不需要報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表如表1所示。
表中，BAS=0.006 1×TALL(cm)+0.012 8×WEIGHT(kg)-0.159 2
嵌入式睡眠監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是在熟悉舒適的家庭環(huán)境中及睡眠狀態(tài)下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體健康狀態(tài)，可減輕病人的精神壓力和體力負(fù)擔(dān)，緩解人們對(duì)健康監(jiān)護(hù)需求的不斷增長(zhǎng)與醫(yī)護(hù)人員數(shù)量不足之間的矛盾，降低心血管疾病在夜間突發(fā)帶來(lái)的嚴(yán)重危害。
參考文獻(xiàn)
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