引言

　　隨著科技的發(fā)展，人們對睡眠生理和病理有了更深理解，睡眠醫(yī)學作為現(xiàn)代醫(yī)學的一個重要組成部分正在建立和發(fā)展起來[1]。睡眠障礙是許多疾病形成和發(fā)展的重要因素，睡眠的質(zhì)量問題不僅可能引起人體各種生理功能的低下，而且還會導致一系列周身性病變[2]。國外廠家所生產(chǎn)較先進的病人檢測儀，均能在檢測病人心臟功能的同時，檢測病人的呼吸情況，但目前這類儀器價格昂貴且基本為進口，不易在國內(nèi)醫(yī)院和患者中推廣使用[3] 。本項目是在計算機技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)深層次結(jié)合的基礎上設計的一種新型儀器，通過智能手機和先進的電子技術(shù)，充分運用軟件能力來實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)實時顯示和輸出等功能[4]。

　　1 系統(tǒng)功能分析

　　整個系統(tǒng)功能設計框圖如圖1所示。由呼吸傳感器對人的呼吸情況進行檢測，主控單元負責讀取呼吸傳感器數(shù)據(jù)并通過無線藍牙模塊和WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機，同時主控單元還對危險的呼吸狀態(tài)進行聲光報警提示，智能手機可以將一段時間內(nèi)的呼吸狀態(tài)以曲線或回放等形式進行顯示，也可導出數(shù)據(jù)供醫(yī)生分析用。智能手機端能對下位機工作模式進行控制，對工作狀態(tài)進行顯示。

　　2 系統(tǒng)硬件的設計

　　硬件電路設計如圖2所示。在硬件控制系統(tǒng)中，主要由ST公司型號為STM32的MCU提供系統(tǒng)的指示，配合手機端的指令，共同對呼吸狀況進行監(jiān)測和報警。首先，呼吸傳感器將人的原始呼吸幅度的起伏轉(zhuǎn)換為原始電信號[6]，但收集到人的呼吸信號比較微弱，需要經(jīng)過一定的放大后再經(jīng)信號調(diào)整，最后輸送到A/D轉(zhuǎn)換端口，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可由軟件編程進行控制和處理(如對數(shù)據(jù)進行存儲，監(jiān)測到呼吸狀況異常，啟動報警機制等)，亦可由串口連接無線藍牙模塊或WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機端，讓手機端進行處理。聲光報警由單片機端口連接二極管和蜂鳴器，交由軟件控制其工作狀態(tài)。

　　3 系統(tǒng)程序設計

　　3.1 MCU程序設計

　　便攜式智能睡眠呼吸監(jiān)測與報警系統(tǒng)主程序會直接影響到系統(tǒng)的性能，而監(jiān)測的精確度和有效性對系統(tǒng)的功效起決定性作用[7]。單片機程序設計流程圖如圖3所示。MCU初始化設置是硬件系統(tǒng)正常工作的基礎。A/D轉(zhuǎn)換采樣間隔的合理采取使得MCU能更精確地監(jiān)測，并減少不必要的內(nèi)存空間。若采樣間隔過大，則無法探知危險，不能及時報警和準確地顯示被測者的呼吸質(zhì)量;若采樣間隔過小，則數(shù)據(jù)量過于龐大，給數(shù)據(jù)的存儲和處理帶來困難，也不利于系統(tǒng)高效低耗的運行。串口連接著無線藍牙和WiFi模塊，是MCU與手機端進行交互的跳板，MCU可以單獨完成數(shù)據(jù)的存儲和處理，并及時報警，也可通過與手機端建立聯(lián)系，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機端進行處理，再向單片機發(fā)送各種請求。

　　3.2 手機端程序設計

　　手機端主要對MCU起輔助作用，但也能自成一體。與MCU結(jié)合時作為實時報警和監(jiān)測顯示裝置，單獨工作時便對以往呼吸狀況重新顯示，有助于醫(yī)生分析掌握病情。手機端程序設計如圖4所示。首先，采用人性化界面的設計，給用戶一個良好的視覺感受，且操作簡單。其次，與無線藍牙和WiFi連接配對，確保數(shù)據(jù)能正常發(fā)送接收。另外，是對將數(shù)據(jù)保存至本地或云平臺，以便能節(jié)省手機儲存空間，隨時隨地調(diào)出歷史數(shù)據(jù)以供醫(yī)生診治。最后，是對數(shù)據(jù)進行處理，通過友好的圖形界面，實時顯示呼吸狀況和顯示歷史呼吸狀況，同時當監(jiān)測到不正常呼吸狀況時啟動報警，如手機震動或發(fā)出報警鈴聲等。

　　4 系統(tǒng)功能測試說明

　　本系統(tǒng)采用的功能測試流程如圖5所示。

　　4.1 呼吸傳感器設計

　　呼吸質(zhì)量的監(jiān)測有多種指標，結(jié)合現(xiàn)實因素考慮，最終選擇方案為通過磁感應來獲得所需要的信息，人呼吸時的起伏帶動磁通量的變化，再將磁通量的變化轉(zhuǎn)化為電信號，不斷調(diào)整放大倍數(shù)，獲得精確有效的信息[8]。

　　4.2 下位機控制藍牙和WiFi模塊進行通信

　　WiFi模塊與藍牙模塊的配置如下

　　藍牙配置：

　　AT/*測試通訊*/

　　AT+NAMEbreath/*修改藍牙名稱為breath*/

　　AT+BAUD4 /*修改波特率為9600*/

　　AT+PIN1234 /*修改配對密碼為1234*/

　　WiFi模塊配置：

　　at+netmode=2

　　at+dhcpd=0

　　at+wifi_conf=breath,wpawpa2_aes,12345678

　　at+dhcpc=1

　　at+net_ip=0.0.0.0,0.0.0.0,0.0.0.0

　　at+net_dns=0.0.0.0,0.0.0.0

　　at+remotepro=tcp

　　at+mode=server

　　at+remoteip=192.168.11.245

　　at+remoteport=8080

　　at+CLport=

　　at+timeout=0

　　at+uart=115200,8,n,1

　　at+uartpacklen=64

　　at+uartpacktimeout=10

　　at+net_commit=1

　　at+reconn=1

　　無線藍牙模塊和WiFi模塊能與MCU正常連接，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　4.3 主控單元監(jiān)測分析傳感器數(shù)據(jù)進行聲光報警

　　給出一定的模擬信號，主控單元能正確的識別出不正常的呼吸狀況，并啟動報警，LED燈開始閃爍，蜂鳴器開始發(fā)聲[9]。

　　4.4 各功能單元工作狀態(tài)的控制與低功耗設計工作

　　后期精簡不必要的元件，縮小儀器的體積。器件的選擇，在確保精確度的前提下，使用低功耗的器件，適當修繕主程序，使其更高效穩(wěn)定工作。

　　4.5 上位機手機端的高度智能化、人性化的軟件設計

　　MCU與手機間的無線通信要求二者建立協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時傳輸一些特定的命令指令來維持系統(tǒng)的運行。

　　MCU與手機端的協(xié)議如下

　　命令格式

　　$000# 停機

　　$001# MCU啟動

　　$002#測試單個數(shù)據(jù)

　　$003#測試連續(xù)數(shù)據(jù)

　　$004#讀取MCU狀態(tài)

　　$005#讀取MCU數(shù)據(jù)長度

　　$006#讀取指定數(shù)據(jù)長度

　　$007#讀取命令數(shù)據(jù)

　　$008#發(fā)動報警機制

　　數(shù)據(jù)格式

　　單個數(shù)據(jù)格式：&___#

　　連續(xù)數(shù)據(jù)格式：%________________#

　　固定長度數(shù)據(jù)格式：@__________#(10位)

　　5 結(jié)束語

　　低價格高實用性的呼吸監(jiān)測儀，有很大的市場，特別對于有睡眠呼吸障礙的人群，該儀器不僅可以對睡眠呼吸的不正常狀態(tài)實時報警，還可以記錄整個睡眠過程中的呼吸狀態(tài)，便于本人及醫(yī)生分析掌握病情，從而為廣大呼吸暫停低通氣癥患者帶來更好的、科學的監(jiān)護和診治。同時該儀器還能使用無線通信與智能手機結(jié)合，智能化程度高，更加人性化。

　　參考文獻：

　　[1]陳宜張,臧益民主編.醫(yī)學生理學[M]. 上?？茖W技術(shù)出版社, 1992

　　[2]陳延航等 編著.生物醫(yī)學測量[M]. 人民衛(wèi)生出版社, 1984

　　[3]金鑫,張慶稼. 簡易睡眠呼吸暫停監(jiān)測儀的研究[J]. 醫(yī)療設備信息. 2002(05):24-26

　　[4]劉雪紅,吳愛平,王立業(yè),李川勇. 小波變換去除心電信號中呼吸信號干擾[J]. 生物醫(yī)學工程與臨床. 2003(02):78-80

　　[5]劉寶華. 一種新的阻抗式呼吸檢測系統(tǒng)的設計[J]. 生物醫(yī)學工程學雜志. 2003(03):527-530

　　[6]樊尚春,田園,郭占設. 呼吸力學參數(shù)檢測方法評述[J]. 傳感器與微系統(tǒng). 2010(05):9-17

　　[7]葛偉慶,王生,劉世杰,羅致誠. 一種用電容式傳感器檢測呼吸率的方法[J]. 航天醫(yī)學與醫(yī)學工程. 1999(02):32-34

　　[8]王衛(wèi)紅,鮑咸能,王博亮. 雙頻率阻抗法在呼吸監(jiān)測中的應用研究[J]. 航天醫(yī)學與醫(yī)學工程. 1999(01):51-55

　　[9]鄧親愷主編.現(xiàn)代醫(yī)學儀器設計原理[M]. 科學出版社, 2004:224-231,

　　[10]馬黎軍,宿長軍. 阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征臨床相關(guān)因素與多導睡眠監(jiān)測的比較分析[J]. 第四軍醫(yī)大學學報. 2009(12)

　　[11]董國亞,高上凱. 生物阻抗的測量方法[J]. 國外醫(yī)學.生物醫(yī)學工程分冊. 2000(05):285-290

　　[12]楊福生,呂揚生主編.生物醫(yī)學信號的處理和識別[M]. 天津科技翻譯出版公司, 1997:378-384

　　[13]席濤,楊國勝,湯池. 呼吸信號檢測技術(shù)的研究進展[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備. 2004(12):26-28

　　[14]唐敏. 生物阻抗測量原理與測量技術(shù)[J]. 生物醫(yī)學工程學雜志. 1997(02):152-155

　　[15]曹細武,鄧親愷,羅麗輝. 阻抗式呼吸監(jiān)護系統(tǒng)的研制[J]. 中國醫(yī)學物理學雜志. 2000(04):213-214

　　[16]郭興明,張科,吳寶明. 多生命參數(shù)監(jiān)護儀用呼吸檢測電路[J]. 電子技術(shù)應用. 2000(02):35-36

　　[17]陳偉偉. 基于鼾聲檢測的睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥診斷[D]. 大連理工大學 2010

　　[18]孫澤麗. 肺容積的改變對睡眠呼吸暫停的影響[D]. 蘇州大學 2011:107-110

　　[19]金星亮. 便攜式睡眠呼吸暫停低通氣監(jiān)測儀的研制[D]. 中南大學 2010:1-60

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