無線型睡眠呼吸暫停癥監(jiān)視系統(tǒng)之初探
正修科技大學 黃新賢 黃志峰 陳瑞锜
摘要: 人生約有三分之一的時間在睡眠中度過,良好的睡眠是保證身體健康的必要條件。睡眠呼吸暫停癥(sleep apnea)是一種很常見的睡眠呼吸疾病,據(jù)調查,在美國約有24%的成年男性及9%成年女性或超過二百萬人口患有此疾病,在臺灣至少有二十萬人也有此問題。這個病初期最常發(fā)生于四十到五十歲間,正是事業(yè)的顛峰時期,所以對社會及家庭的影響相當大。此病除了會破壞了整個睡眠結構,還會引發(fā)許多并發(fā)癥,例如患者很容易發(fā)生白天嗜睡、夜間失眠、響鼾、睡眠中異常動作、智力減退、個性改變、性無能、晨間頭痛、高血壓、心衰竭、肺高血壓、肺心癥、紅血球增多癥、甚至于猝死等癥狀。
Abstract:
Key words :
人生約有三分之一的時間在睡眠中度過,良好的睡眠是保證身體健康的必要條件。睡眠呼吸暫停癥(sleep apnea)是一種很常見的睡眠呼吸疾病,據(jù)調查,在美國約有24%的成年男性及9%成年女性或超過二百萬人口患有此疾病,在臺灣至少有二十萬人也有此問題。這個病初期最常發(fā)生于四十到五十歲間,正是事業(yè)的顛峰時期,所以對社會及家庭的影響相當大。此病除了會破壞了整個睡眠結構,還會引發(fā)許多并發(fā)癥,例如患者很容易發(fā)生白天嗜睡、夜間失眠、響鼾、睡眠中異常動作、智力減退、個性改變、性無能、晨間頭痛、高血壓、心衰竭、肺高血壓、肺心癥、紅血球增多癥、甚至于猝死等癥狀。
一般在診斷患者是否患有睡眠呼吸暫停癥是指患者在睡眠中出現(xiàn)呼吸暫停和低通氣的總次數(shù)超過每小時5次。其中呼吸暫停是指在睡眠中,出現(xiàn)10秒以上的呼吸氣流消失,低通氣是指呼吸氣流并未完全停止,只是減少到原來的20%-50%,同時血氧濃度下降4%以上的呼吸紊亂。目前醫(yī)生在診斷睡眠呼吸暫停癥時常使用夜間睡眠呼吸多項生理監(jiān)測儀,來記錄一整夜的睡眠周期,其中包括呼吸暫停以及呼吸變淺的次數(shù)、型態(tài)、缺氧指數(shù)、次數(shù)、心電圖的變化、口鼻腔氣流、胸部腹部呼吸運動、耳垂血氧等訊號的記錄、打鼾次數(shù)等情形。使用夜間睡眠呼吸多項生理監(jiān)測儀雖然精確,但需要在身上配戴多種儀器,也必須在特定的醫(yī)院中由專業(yè)人士操作才能進行量測,非常不方便也容易影響患者的睡眠,所以不適合做長期的監(jiān)測。因此一般患者除非到了非常嚴重的地步是不會走進醫(yī)院進行這項檢查。更何況睡眠呼吸多項生理監(jiān)測儀是一項價格昂貴的儀器,一般患者不會購買,在居家中自行量測,所以很難達到普遍性。本研究主要針對這些缺點發(fā)展一套使用簡單、察覺性更低、價格低廉及適合在居家睡眠環(huán)境下作長期監(jiān)測的監(jiān)測系統(tǒng),達到幫助醫(yī)師了解病患的病情,并提供醫(yī)生追蹤治療過程的改善情形[1][2][3][4]。
研究方法與系統(tǒng)設計
本研究中所提出的無線型睡眠呼吸暫停癥監(jiān)視系統(tǒng)之設計如圖一所示。此系統(tǒng)分成三部分(1)無線型睡眠呼吸多項生理參數(shù)量測計,(2) 無線型睡眠呼吸多項生理參數(shù)記錄器,(3) 無線型睡眠呼吸多項生理參數(shù)記錄語與分析器。圖2為無線睡眠呼吸多項生理參數(shù)量測計方塊架構圖,包含感測電路、單芯片微控制器、串行式內存、藍芽無線模塊、實時時鐘、充電電路和電池等電路,其中感測電路又包含量測睡眠的打鼾次數(shù)和每次打鼾的時間、呼吸暫停次數(shù)和每次呼吸暫停的時間、血氧濃度、口鼻腔氣流大小及心跳變化等電路,在設計單芯片微控制器的軟件時,必須將量測的各項生理參數(shù)以時間軸為基準,將每一筆數(shù)據(jù)儲存于內存內及透過藍芽模塊傳輸出去,如此才能于重建時才可找出各個生理參數(shù)間的關系。圖3為睡眠呼吸多項生理參數(shù)量測紀錄器的方塊圖,單芯片微控制器的軟件負責藍芽模塊的聯(lián)機控制與數(shù)據(jù)傳輸,并將睡眠呼吸多項生理參數(shù)的數(shù)據(jù)轉換成串行式的時間─振福的數(shù)字化格式儲存于閃存。至于無線型睡眠呼吸多項生理參數(shù)記錄與分析器部分,是使用微軟的Visual BASIC發(fā)展一套應用軟件,將藍芽無線模塊所得到的睡眠呼吸多項生理參數(shù)資料,以具親和力的操作畫面顯示出來,提供病患的睡眠變化情形。
圖1 無線型睡眠呼吸暫停癥監(jiān)視系統(tǒng)方塊圖
圖2 無線睡眠呼吸多項生理參數(shù)量測計方塊架構圖
圖3 睡眠呼吸多項生理參數(shù)量測紀錄器的方塊圖
討論
在設計單芯片微控制器的軟件時,必須以時間軸為基準,量測各項生理參數(shù),才能于重建時才可找出各個生理參數(shù)間的關系。為了能正確將每一筆數(shù)據(jù)均能透過藍芽模塊傳輸出去,選用串行式內存,將量測信息暫存起來預防數(shù)據(jù)流失。另外為使無線睡眠呼吸多項生理參數(shù)量測計的體積小型化,需盡量選擇低耗電量及較小的零件,并采用單芯片微控制器使整體電源消耗最小化。藍芽無線模塊為低功率消耗且高安全性的無線數(shù)據(jù)傳輸設備。
在生理參數(shù)量測時,必須將量測計固定在患者的身上,因睡覺時頭部、身體會移動和翻身,容易造成量測設備的脫落及不正確的量測數(shù)據(jù),此時不正確的量測多少會影響醫(yī)師對癥狀的評估。所以無線型量測計的傳感器必須要很小、固定容易、不易脫落及避免影響病患的睡眠,當處理生理參數(shù)的數(shù)據(jù)時,要先利用帶通濾波器,將這部分的數(shù)據(jù)除去,只顯示真正的睡眠呼吸多項生理參數(shù)的波形,使在診斷上的正確性提高。
另外,要配合無線型睡眠呼吸多項生理參數(shù)量測計與睡眠呼吸多項生理參數(shù)紀錄器為可攜式的裝置,它們的電源管理就很重要,在電源控制的工作是由單芯片微控制器負責,除選用較低的工作頻率減少單芯片微控制器本身的耗電外,并利用睡覺模式(Sleep mode)來節(jié)省電源,在不影響準確度前提下,降低數(shù)據(jù)在數(shù)字化的取樣頻率,降低數(shù)據(jù)量,并先暫存在串行內存,此時先讓藍芽無線模塊進入睡覺模式,等串行內存快滿時,才啟動藍芽無線模塊與睡眠呼吸多項生理參數(shù)紀錄器聯(lián)機,以減少無線型顫抖量測計的電源消耗。
志謝
感謝正修科技大學補助研究經(jīng)費。(計劃編號:CS-2-95-04)
參考文獻
[1] Mariano Cabrero-canosa, Elena Hernandez-pereira, and Vicente Moret-Bonillo, “Intelligent Diagnosis of Sleep Apnea Syndrome.” IEEE engineering in medicine and biology magazine, March 2004:72-81.
[2] Varady et al., “A Novel Method for the Detection of Apnea and Hypopnea Events in Respiration Signals.” IEEE Tran. Biomed. Eng., 2002; Vol. 49, September: 936-941.
[3] ASYALI et al., “Assessment of Closed-Loop Ventilatory Stability in Obstructive Sleep Apnea.” IEEE Tran. Biomed. Eng., 2002; Vol. 49, March: 206-216.
[4] Varady et al., “On-line Detection of Sleep Apnea During Critical Care Monitoring.” Proceedings of the 22"d Annual EMBS International Conference, July 23-28, 2000, Chicago IL.
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