钟 怡
（杭州市第一人民医院城北院区（杭州市老年病医院），杭州 310000）
睡眠呼吸暂停综合征（SAS）指每晚7 h的睡眠中，每次发生呼吸暂停大于10 s，呼吸暂停反复发作大于30次，或者睡眠呼吸暂停低通气指数（AHI）大于5次。一般分为三型：阻塞性睡眠呼吸暂停综合征OSAS、中枢性SAS和混和型SAS，以OSAS最常见[1]。
SAS作为一种近年来才被重视的疾病，经各国的流行病学调查，都表明了睡眠呼吸暂停综合征在人群中发病率比较高。其中最为常见的阻塞性睡眠呼吸暂停综合征发病原因有很多种，与家族遗传、肥胖、性别、生活习惯、内分泌与代谢性疾病等有密切关系[2]。
SAS患者睡眠时频发睡眠暂停是由于呼吸道的阻塞、不全阻塞周期性反复出现，导致局部炎症、呼吸器官的损伤。这些病理生理变化可能引发慢性阻塞性肺疾病、支气管炎、肺心病、呼吸衰竭和夜间哮喘等[3]。
由此可见，睡眠呼吸暂停综合征的危险因素非常多，所以当夜晚患者发生呼吸暂停时，医护人员应当及时采取措施，否则将造成不堪设想的后果。因此，作者尝试制作出一种便携式，成本便宜的睡眠呼吸暂停检测仪，以方便患者发病时能得到及时抢救。
1 睡眠呼吸暂停检测仪的研究现状
太原理工大学的白凤娥等[4]采用了MSP430F149单片机作为控制核心，设计了一种体积小、低耗能、成本低的睡眠呼吸暂停监护仪，并且是利用压差型硅压阻式传感器26PCBFA6D来采集呼吸信号的。国外学者Giovanna等[5]设计出了一种十分廉价的便携式的睡眠呼吸暂停监护仪，利用心电图可穿戴传感器收集单通道ECG（electrocardiogram，心电图）数据并发送到移动设备，将该数据进行HRV（Heart rate variability，心率变异性）分析，通过离线的微分进化算法，进行HRV-related参数计算，从而达到检测睡眠呼吸的作用。2015年中国医科大学的于璐等[6]尝试着利用呼吸音来监测呼吸，开拓了一种新的呼吸信号检测方法。2017年，R.E.Rolón等[7]学者还指出通过脉搏血氧测量呼吸信号是非常有价值的，可以用于估算低通气指数。人的胸腔好似一段容积导体，当人在呼吸的时候腹腔会有周期性的形变，而肺内气体的容量与呼吸阻抗有关，人呼吸时胸腔的轮廓在变，相应地，呼吸阻抗也不断变化，所以郭群恩等[8]研究出了利用阻抗法（包括恒流法、恒压法和电桥法）的一种检测方法。
另外，除了检测呼吸信号的方式，有学者也对信号的传输方式作了研究。第四军医大学生物医学工程系和药学系的申广浩等[9]共同研究出了一个无线监护系统，其包括了社区监护终端和家庭数据采集端。家庭数据采集端是将经过调制后的呼吸信号通过ZigBee无线发送单元以射频的方式来给到接收单元。社区监护终端也是基于ZigBee的方式，CC243接收到数据信号后MAX232将TTL电平转换为RS-232的标准电平，之后再通过RS-232向PC端输入数据。运用近程无线网络技术将呼吸信号进行无线传播。
2 设计内容
2.1 设计原理
本文是利用呼吸音检测法（即音频检测法）采集呼吸信号的。呼吸音是人呼吸时，气流通过呼吸道和肺泡，产生湍流引起振动，发出声响，通过肺组织及胸壁传至体表的声音，因此，可以把音频传感器放置于人体的鼻腔或口腔内，可拾取气流直接冲击传感器的声音信号，或者放在胸前气管处即可拾取气管音信号，并且所得到的信号与气流急缓有关。这种方法简单又安全。
2.2 系统硬件内容设计
实验通过驻极体话筒采集到呼吸信号，将声音信号转变为电压信号输出，将该电压信号通过三极管放大，输入到LM393电压比较器进行波形处理，处理成方波波形，经过模数转换后进入单片机，作为1个中央处理系统MCU，将由该信号判断是否发生了睡眠呼吸暂停，若发生了超过10 s的呼吸暂停，则进行声光报警，同时将信号以方波的形式在TFT彩屏上显示。此外，用电源给整个系统供电。系统整体流程图如图1所示。本系统涉及多个模块，信号采集与预处理、报警单元、显示部分等等。
图1 系统内容设计总流程
2.2.1 控制系统
在考虑了性能和成本等各方面的因素后，采用了51系列的STC12C5A60S2单片机，这款单片机和8051的指令、管脚完全兼容，而且片内存在的大容量程序存储器是FLASH工艺的，其低功耗、高速和抗干扰能力超强，并且集成度高，被广泛应用。
2.2.2 音频信号采集
呼吸信号由音频传感器驻极体采集，由其作为1个电压信号输入系统。此次选用4015带线驻极体咪头，其体积小，可以安置在鼻孔中。但驻极体音频采集过后的输出电压十分微弱，仅为毫伏级，需放大该微弱信号。信号放大电路的原理图如图2所示。由于对放大倍数及精度要求不高，所以采用了一级8050NPN三极管Q2，由其作为此电路中1个放大电路的主要部分。其中C4是去耦电容，其把输出信号的干扰作为滤除对象。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。去耦电容主要去除高频如RF信号的干扰，C3起到的作用也是一样的。此外，C2作为1个耦合电容用于隔离直流信号。
图2 信号输入单片机原理图
2.2.3 信号波形处理
设计使用LM393芯片作为电压比较器将输出信号波形处理成同频率的方波，其内部是一个双电压比较器。当信号经过放大滤波电路之后，直接连接LM393芯片，由于LM393是集电极开路，所以在输出端加了上拉电阻，使其能够输出高电平。当无呼吸作用时，呼吸信号电压Uo小于参考电压Ur，输出高电平。进行呼吸交替触发时，出现下降沿，呼吸信号电压Uo大于参考电压Ur，输出低电平。低电平时液晶屏上不显示方波，是一条直线，有呼吸作用时，代表呼吸信号触发高电平，液晶屏上显示方波波形。信号从LM393芯片出来后，进入ADC0832模数转换芯片，ADC0832模数转换芯片上的DO端和DI端并联在1根数据线上使用，因为DI和DO作为数据端口在通信时并未同时有效并且和单片机的借口是双向的，所以可以将其连接。这样就完成了整个信号输入的过程。
2.2.4 屏幕液晶显示
液晶的显示用TFT彩屏，分辨率为240×320像素，并且操作简单，其每一个像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动的，这样不仅提高了显示屏的响应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更逼真。TFT液晶模块可以显示数字、中英文字符和图案。彩色图案分辨率较高。此次选用的TFT彩屏的型号是TJC3224T022_011N，只有4个引脚，只占用了单片机的2个I/O口，分别连接单片机的TXD发送数据引脚，RXD接收数据引脚。其只有2.2寸，与单片机连接，非常便于携带。可以在USART HMI[10]上位软件上烧写固件，之后再对应的输入串口命令，就能在TFT彩屏上显示方波波形。
2.2.5 报警单元设计
报警单元的功能是当病人发生了呼吸暂停时，使患者自己能够从睡眠中惊醒，或者患者周围的人能够通过该报警及时发现病人的情况，以防患者出现意外。报警电路原理如图3所示，其中8550PNP三极管Q1充当1个开关电路，图3中Q1的1脚和2脚相当于1个二极管，2脚为低电平时，1脚和3脚直接导通，实现开关的作用。并且，电路采用了+5 V的蜂鸣器元件和红色的LED灯元件。蜂鸣器发出的声音刺耳且响亮，起到警示作用，而红色LED灯亮代表正在报警的状态。
图3 报警电路原理图
2.2.6 电源模块
计算机的USB接口的输出电压都约为5 V[11]，而这次实验所有芯片的供电电压都可以是5 V，所以，利用USB转DC电源线和DC座给整个系统供电。
2.3 系统软件内容设计
2.3.1 主程序流程
主程序流程图根据实验的总体需求来设计，如图4所示，先检测是否有呼吸信号输入，检测到的话直接向串口发送高波形，并且不作报警；没有检测到的话先直接向串口发送低波形，再继续判断没有检测到呼吸的时间是否超过了10 s，若没有到达10 s则继续检测，若超过则进行呼吸暂停报警。
图4 主程序流程图
2.3.2 显示模块
在USART HMI上位软件上设计了TFT串口彩屏的界面，HMI串口的界面设计非常简单，其工具箱中自带有曲线/波形的控件工具，所以直接利用该控件即可。曲线/波形控件具有从左向右的平移功能。先对串口屏进行初始化，并定义字符串，拉低曲线。屏幕的整个横向像素是0～240，正在呼吸时，即高电平触发，向串口屏发送字符串，在液晶屏中上（像素的200处）的位置显示“高波形”，没有检测到呼吸时，也同样向串口屏发送字符串，在液晶屏中下（像素的100处）位置处显示“低波形”。
2.3.3 AD转换流程
使能芯片作用，产生时钟信号，经过通道选择后，读取值，再经过比较后，输出1个数字信号（图5）。
图5 AD模数转换子程序流程图
3 结束语
本文针对睡眠呼吸暂停检测仪，对仪器的原理学习、外观设计和软硬件实施进行了研究探索，主要实现了呼吸的方波波形的显示，同时还有一项在人发生睡眠呼吸暂停时报警的功能。这使测量更加方便，简洁。本仪器是以单片机为核心的，既降低了成本，又使用方便，而且测量准确，重复性好，具有较好的使用前景。
本研究虽然基本实现了能够在睡眠中检测到呼吸信号并进行监护，但是还是存在一些问题。使用的呼吸信号检测方法是音频检测法（即驻极体话筒），虽然其灵敏度高并且能够检测到呼吸信号，但很容易受到外界声音的干扰，尽管在安静的夜晚中可以很好地进行检测，但若在一个嘈杂的环境中要进行实验还是有一定困难的。另外，本次实验是将传感器放置在人的鼻孔中，对于一部分受试者来说可能会有所不适应，会感到难受，导致无法入睡，阻碍了实验的进行，所以这也是以后需要克服的困难。并且要使仪器达到普遍适用的要求，还需要成千上万的受试者参与实验，验证仪器的适用性，所以仪器的普遍性有待进一步验证。
