摘 要 介绍了一种基于胸腹运动检测法，应用压电薄膜式传感器的新型便携式睡眠呼吸暂停监测仪的原理和应用，为睡眠呼吸暂停征的普及检测提供了一种简易手段。
睡眠呼吸暂停是一种呼吸系统疾病，主要临床表现为：患者睡眠过程中反复出现不规则的呼吸中断和低通气。 睡眠呼吸暂停有 3 类：中枢性睡眠呼吸暂停、阻塞性睡眠呼吸暂停、两者交替出现的混合型。
采用先进的检测系统对患者晚间睡眠进行监控，及时对患者进行无损于健康的检查，可以发现睡眠呼吸暂停的长度和频度。
1 睡眠呼吸暂停监测仪的工作原理和研究状况
睡眠呼吸暂停监测仪一般分为多导型和简易型两类。 多导睡眠监测仪（PSG）是在全夜睡眠过程中，连续、同步描记脑电、呼吸等 10 余项指标，通过记录脑电、眼动、肌电等信号准确反映睡眠状况。 此类仪器价格昂贵，患者需要到医院接受检查诊断，至少需要一个整夜，为初筛带来很大麻烦，难以反映患者真实情况。 由于这种状况，目前睡眠呼吸暂停综合征患者获得诊断和治疗的比例很低。
在这种情况下，简易型、便携式的呼吸暂停监测仪的研究开始出现。 这类仪器一般采用监测患者口、鼻处气流压力和温度变化来获取呼吸信号。 但是，由于口、鼻处气流压力变化很小，传感器容易受各种因素的影响造成测量误差； 监测口、 鼻处的温度时，需要用胶带将传感器唇或鼻腔的下方，使患者感觉不舒服，而且因为睡觉时头部、身体移动和翻转，容易造成传感部件脱落影响测量结果。
2 新型睡眠呼吸暂停诊治仪的设计思想和可行性分析
我们对呼吸暂停的监测，使用了一种新型的监测方法：胸、腹运动检测法。 这种方法的优点是测量灵敏度高，佩戴方便，不影响睡眠质量。 胸、腹运动检测法采用的传感器是由运动绑带和绑带锁组成，使用时在胸部、腹部各围绕身体一圈，用绑带锁锁牢。长度根据被测者的胖瘦可以进行调节。运动绑带是通过一根穿有正弦波形的铜丝的松紧带， 其原理是把它看成是一个单圈的空心线圈，呼吸时改变线圈的直径来改变电感量，该空心电感和电容构成 LC 振荡， 电感量的变化改变了 LC 振荡的频率，再把频率变成电压信号。
这种新型睡眠呼吸暂停诊治仪的工作原理是：把两个传感器贴在身体胸，腹两个部位，通过人在呼吸时胸，腹部的起伏变化来采集患者的呼吸信号，经过脉冲合成器的处理，来检测是否有睡眠呼吸暂停现象，根据胸部暂停或腹部暂停可区别阻塞性呼吸暂停和中枢性呼吸暂停，若有呼吸暂停发生，把阻塞性呼吸暂停和中枢性呼吸暂停的次数和暂停时间显示出来并记录。 同时还可以连接外刺激器，在呼吸暂停超过指定的时间后，输出一个刺激信号，让患者从呼吸暂停恢复到正常呼吸，尽量避免意外的发生。 诊治仪也可以通过无线通讯口与 PC 连接，实现远程监控。
经过有关医学专家的研究，发现单靠胸、腹呼吸信号来监测呼吸暂停还不是很可靠，要加入血氧饱和度、脑电、眼动、肌动、心电的监测，才算比较完整。 特别是血氧饱和度尤为重要，通过监视夜间动态血氧饱和度， 在国外被推荐为一种简易的初筛诊断方法。 所以我们的信号分析中还包括对血氧饱和度的分析，使测量结果更为准确。
通过一些临床资料的应用分析，由于某些因素，如：呼吸暂停次数的增加与血氧饱和度下降并非完全平行，特别是 AHI（即平均每小时睡眠中的呼吸暂停＋低通气次数大于或等于 5 次／h，也称呼吸暂停 ／低通气指数）低的患者，会导致单独应用血氧饱和度监测对 SAS 的诊断的敏感性降低。 基于：①在较短的时间里或基础血氧饱和度较高的呼吸暂停可能不出现所需的血氧饱和度降低；②不能识别夜间觉醒；③指套松动、脱落或手指运动所产生的记录伪差等原因， 设计一款简易型的睡眠呼吸暂停监测仪采集胸、腹呼吸信号，配上简易的辅助治疗，并和血氧饱和度加在一起来分析睡眠呼吸暂停症是十分必要和经济可行的。
3 新型睡眠呼吸暂停诊治仪的系统设计
根据以上设计思想， 我们开发了一种新型睡眠呼吸暂停诊治仪 TOF SRM－T，该诊治仪的系统设计包含硬件电路设计、软件设计和作为便携式仪器的电源设计。
3．1 硬件设计
TOF SRM－T 型诊治仪的整个电路包括呼吸传感器、 呼吸信号提取、信号放大滤波、信号比较分析、控制输出、记录信息的显示、查询、存储、传输和微控制器等部分。
在呼吸时，人的胸部、腹部会出现起伏变化，因此人体的呼吸状态可以用新型传感器通过检测胸、腹部的变化获得，经由信号放大滤波电路、比较电路，由微处理器对两路信号同时进行分析，即可判断呼吸的情形。 如图 1，若波形 A 和波形 B 都没有信号，则为中枢性呼吸暂停；若波形 A 和波形 B 的波形基本一致，则是正常呼吸；波形 A 和波形 B 的波形反相，则表示是阻塞性呼吸暂停。 一旦监测到呼吸障碍连续超过 20s，微处理器会启动输出控制电路（如控制触点输出），辅助脉冲治疗器开始自助式呼吸恢复治疗。
微处理器选用 ATMEL 公司的 AT89C51RD2 单片机，它是8 位 80C51 单片机的派生产品， 在完全保留 80C51 指令系统和硬件结构的大框架外，进行了多方面的加强、扩展、翻新和创新，在最大限度地利用原有的结构。 该芯片还支持在线编程，对于调试或程序更新不需要用传统的编程器编程， 直接通过电缆下载即可完成，很方便。
为了实时响应呼吸暂停现象的发生， 呼吸暂停信号的检测是通过微处理器的两个外部中断来完成的， 呼吸暂停信号一旦有效，即进入中断，中断程序启动计数器计时，主程序再根据计时时间做相应的处理。
TOF SRM－T 型诊治仪还带有液晶显示， 可以实时显示当前的呼吸状态， 切换到波形显示界面， 可以直观地看到呼吸波形。 本系统选用了白底蓝字， 白色背光的 LCD， 像素为 128*64。 因为仪器上显示的汉字不多，所以不需要带汉字库的 LCD，用字库工具把需要的汉字生成字库存储在微处理器中， 程序显示时直接调用即可。
数据存储器（E2PROM）对监测到的呼吸障碍类别 （阻塞性或中枢性窒息）、发生时间、持续时间等数据进行存储，保存 3 天的记录。 用户可以查询已经发生的呼吸障碍类别（阻塞性或中枢性窒息）、发生时间、持续时间。 本系统选用了 I2C 接口的存储芯片 AT24C256，通过 I2C 接口与单片机进行读写。 同时系统中还配有 I2C 接口的实时钟，在完成功能的同时，减少硬件接口。
TOF SRM－T 型诊治仪监测过程中，若出现过呼吸障碍，不但可以在本机上查询记录， 还可以考虑增加蓝牙无线等通讯模块， 将储存在微控制器内部缓存器的信息数据通过网络或串口传输与个人计算机间做数据通讯， 及时把记录信息定时上传到PC，形成记录文件，方便患者或医生分析，这样对于患者的呼吸暂停治疗是很有帮助的。 电路原理框图如图 2 所示。
3．2 软件设计
TOF SRM －T 型 的 底 层软件是在 keil－C51 编译软件下使用 C 语言编写完成的。软件构成主要包括：数据分析及处理、数据存储、数据显示、控制输出和数据通讯等。
测量时实时监测呼吸状态， 一旦监测到呼吸暂停发生，立即置相应标志位，当持续的时间超过 10s 后进入中断， 记录暂停发生的时间，当恢复到正常呼吸状态时，记录下暂停持续的时间。 处理完成后的信息参数资料存放于微控制器的缓存器，并通过中文型 LCD 显示所测量到的信息参数。
为了能够比较直观地看到患者的呼吸状态，不但有相应的指示灯指示，也可切换到波形模式，看到胸、腹两个部位的呼吸状况。
底层软件的设计采用中断的方式对呼吸状态进行判断，处理。
底层软件中断处理程序框图如图3 所示。
为了能够远程访 问 监 测 数 据 ， 在Visual Basic6．0 或其他软件的开发环境下，设计一个上位机软件与因特网连接，接收无线模块传输过来的生理参数数据，储存于数据库中，并将每个时间点的生理参数进行分析， 连接 Excel 将每个时间点所测量的生理参数资料进行分析及生成曲线图的方式显示每个时间点的生理变化状况，让医师在诊断上更加方便。
3．3 电源设计
作为便携式的仪器，电源设计要考虑到电池供电。 在这个设计中，考虑到诊治仪一般在家里使用，电源供给也方便，所以采用锂电池和外接电源两种供电方式，同时实现自动切换，在市电供电时可以对电池进行充电， 同时 MCU 对电池的电压进行监控以保证电池不会过充。 电池供电时，5s 内没任何操作，液晶屏显示关闭。 需要观察数据时，可按操作面板上的按钮唤醒，达到省电节能的目的。 电池供电不足时，有低压指示。
4 辅助治疗方法
TOF SRM－T 型诊治仪在测出呼吸暂停超过 20s 后， 如果不采取相应的措施，可能会出现危险。 所以一旦检测到暂停超过规定时间，微处理器会启动输出控制电路（如控制触点输出），辅助脉冲治疗器开始自助式呼吸恢复治疗。 它选用的辅助脉冲治疗器低频脉冲治疗仪，采用先进的单片微电脑技术，根据面板上的按钮，可以任选五种治疗波形，脉冲频率和幅度可任意调节，包括治疗仪，两副黏贴式电极板和外接电源。 工作时，要把治疗仪和 TOF SRM－T 睡眠呼吸暂停诊治仪的控制输出口相连，由它控制是否工作。 然后选择一幅或两副黏贴式电极板，揭下保护塑膜，将粘贴片贴在需要治疗的部位，选择适当长度绑带，待绑带将粘贴片电极扣牢后，插上电极导线。 打开电源，选择合适的波形和强度。
5 结束语
TOF SRM－T 型睡眠呼吸暂停诊治仪不但体积小、 重量轻巧、携带与使用方便，而且经实际试用，取得了令人满意的效果。
本文作者：齐国华 包永强 王志平 褚思真
