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摘要：本項目是在計算機技術和現代測試技術深層次結合的基礎上設計的一種新儀器，對人們睡眠時的呼吸進行實時監測和報警，可通過智能手機和先進的電子技術，充分運用軟件能力來實現信號采集、數據實時顯示和輸出等功能。采用單片機(MCU)為主控制器，可通過無線藍牙模塊和無線局域網(WiFi)模塊與智能手機通信，使之對接收的數據進行處理并連接云平臺實現數據的存儲和共享。 引言 隨著科技的發展，人們對睡眠生理和病理有了更深理解，睡眠醫學作為現代醫學的一個重要組成部分正在建立和發展起來[1]。睡眠障礙是許多疾病形成和發展的重要因素，睡眠的質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，不易在國內醫院和患者中推廣使用[3] 。本項目是在計算機技術和現代測試技術深層次結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，充分運用軟件能力來實現信號采集、數據實時顯示和輸出等功能[4]。 1 系統功能分析 整個系統功能設計框圖如圖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據并通過無線藍牙模塊和WiFi模塊將數據發送到智能手機，同時主控單元還對危險的呼吸狀態進行聲光報警提示，智能手機可以將一段時間內的呼吸狀態以曲線或回放等形式進行顯示，也可導出數據供醫生分析用。智能手機端能對下位機工作模式進行控制，對工作狀態進行顯示。 2 系統硬件的設計 硬件電路設計如圖2所示。在硬件控制系統中，主要由ST公司型號為STM32的MCU提供系統的指示，配合手機端的指令，共同對呼吸狀況進行監測和報警。首先，呼吸傳感器將人的原始呼吸幅度的起伏轉換為原始電信號[6]，但收集到人的呼吸信號比較微弱，需要經過一定的放大后再經信號調整，最后輸送到A/D轉換端口，A/D轉換后的數據可由軟件編程進行控制和處理(如對數據進行存儲，監測到呼吸狀況異常，啟動報警機制等)，亦可由串口連接無線藍牙模塊或WiFi模塊發送數據到手機端，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。 3 系統程序設計 3.1 MCU程序設計 便攜式智能睡眠呼吸監測與報警系統主程序會直接影響到系統的性能，而監測的精確度和有效性對系統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正常工作的基礎。A/D轉換采樣間隔的合理采取使得MCU能更精確地監測，并減少不必要的內存空間。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量;若采樣間隔過小，則數據量過于龐大，給數據的存儲和處理帶來困難，也不利于系統高效低耗的運行。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可以單獨完成數據的存儲和處理，并及時報警，也可通過與手機端建立聯系，將數據發送至手機端進行處理，再向單片機發送各種請求。 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結合時作為實時報警和監測顯示裝置，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，確保數據能正常發送接收。另外，是對將數據保存至本地或云平臺，以便能節省手機儲存空間，隨時隨地調出歷史數據以供醫生診治。最后，是對數據進行處理，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，同時當監測到不正常呼吸狀況時啟動報警，如手機震動或發出報警鈴聲等。 4 系統功能測試說明 本系統采用的功能測試流程如圖5所示。 4.1 呼吸傳感器設計 呼吸質量的監測有多種指標，結合現實因素考慮，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化為電信號，不斷調整放大倍數，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，接收和發送數據。 4.3 主控單元監測分析傳感器數據進行聲光報警 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，蜂鳴器開始發聲[9]。 4.4 各功能單元工作狀態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議，以保證數據傳輸的可靠性，同時傳輸一些特定的命令指令來維持系統的運行。 MCU與手機端的協議如下 命令格式 $000# 停機 $001# MCU啟動 $002#測試單個數據 $003#測試連續數據 $004#讀取MCU狀態 $005#讀取MCU數據長度 $006#讀取指定數據長度 $007#讀取命令數據 $008#發動報警機制 數據格式 單個數據格式：&___# 連續數據格式：%________________# 固定長度數據格式：@__________#(10位) 5 結束語 低價格高實用性的呼吸監測儀，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實時報警，還可以記錄整個睡眠過程中的呼吸狀態，便于本人及醫生分析掌握病情，從而為廣大呼吸暫停低通氣癥患者帶來更好的、科學的監護和診治。同時該儀器還能使用無線通信與智能手機結合，智能化程度高，更加人性化。 參考文獻： [1]陳宜張,臧益民主編.醫學生理學[M]. 上海科學技術出版社, 1992 [2]陳延航等 編著.生物醫學測量[M]. 人民衛生出版社, 1984 [3]金鑫,張慶稼. 簡易睡眠呼吸暫停監測儀的研究[J]. 醫療設備信息. 2002(05):24-26 [4]劉雪紅,吳愛平,王立業,李川勇. 小波變換去除心電信號中呼吸信號干擾[J]. 生物醫學工程與臨床. 2003(02):78-80 [5]劉寶華. 一種新的阻抗式呼吸檢測系統的設計[J]. 生物醫學工程學雜志. 2003(03):527-530 [6]樊尚春,田園,郭占設. 呼吸力學參數檢測方法評述[J]. 傳感器與微系統. 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]. 航天醫學與醫學工程. 1999(02):32-34 [8]王衛紅,鮑咸能,王博亮. 雙頻率阻抗法在呼吸監測中的應用研究[J]. 航天醫學與醫學工程. 1999(01):51-55 [9]鄧親愷主編.現代醫學儀器設計原理[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因素與多導睡眠監測的比較分析[J]. 第四軍醫大學學報. 2009(12) [11]董國亞,高上凱. 生物阻抗的測量方法[J]. 國外醫學.生物醫學工程分冊. 2000(05):285-290 [12]楊福生,呂揚生主編.生物醫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. 呼吸信號檢測技術的研究進展[J]. 醫療衛生裝備. 2004(12):26-28 [14]唐敏. 生物阻抗測量原理與測量技術[J]. 生物醫學工程學雜志. 1997(02):152-155 [15]曹細武,鄧親愷,羅麗輝. 阻抗式呼吸監護系統的研制[J]. 中國醫學物理學雜志. 2000(04):213-214 [16]郭興明,張科,吳寶明. 多生命參數監護儀用呼吸檢測電路[J]. 電子技術應用. 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測儀的研制[D]. 中南大學 2010:1-60 |
