CN102429643A

CN102429643A - 一种鼾声测量仪

Info

Publication number: CN102429643A
Application number: CN2011102899437A
Authority: CN
Inventors: 张林颢; 王欢; 徐俊; 卢超
Original assignee: Shaanxi University of Technology
Current assignee: Shaanxi University of Technology
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN102429643B

Abstract

本发明公开了一种鼾声测量仪，包括顺次连接的鼾声信号采集模块、一级放大电路、600Hz低通滤波电路、50Hz带阻滤波电路、二级放大电路、施密特触发器整形电路、控制模块，以及与控制模块连接的LCD显示电路和按键控制电路；鼾声信号采集模块采用HS-3型喉头式压电鼾声传感器。结果表明鼾声测量仪可以帮助患者方便快捷的测量出其打鼾次数、鼾声平均频率，以及其最小频率、最大频率和单次鼾声最大持续时间，并将鼾声的严重程度以睡眠呼吸中止症可能性分级方式表示出来，供医生做诊断参考。

Description

一种鼾声测量仪

技术领域

本发明涉及一种鼾声测量仪。

背景技术

在传统观念中，多认为打鼾是熟睡的表现，甚至觉得打鼾愈大声，代表睡眠质量愈好，因此多不会注意到打鼾背后的问题。我国调查，发现个别地区四十岁以上的人口，睡眠中呈现鼾声的盛行率是43.48％(男性51.69％，女性35.52％)，其中轻、中、重度鼾声的盛行率分别为26.83％、13.21％、与3.44％。重度打鼾患者可能患有“睡眠呼吸中止症(obstructive sleep apnea syndrome，OSAS)”，在美国做过睡眠呼吸中止症的盛行率调查，统计结果有高达1％～8.5％的人口有这样的问题，足见打鼾问题的严重性。儿童亦会有打鼾的情况，根据统计以4～7岁儿童较常见，其中10％是单纯的打鼾，3％并有睡眠呼吸中止症，此情况间接造成儿童情绪改变、注意力不集中、学习障碍等等，由于学龄前儿童正是学习的最佳时机，家长不可轻忽，以免影响孩子学习的状况。

打鼾者的呼吸道通常比正常人狭窄，白天清醒时咽喉部肌肉收缩使呼吸道保持开放，不会发生堵塞，但夜间睡眠时神经兴奋性下降、肌肉松弛，因此呼吸道受阻变窄，当气流通过狭窄部位时，呼吸会感到困难，导致必须以比平常呼吸多4至7倍的力量方能呼吸，当强力的呼吸通过狭窄的气管时，会引起悬雍垂或后颚帆的异常振动，于是引起鼾声，严重时甚至会引发睡眠呼吸中止症，影响人的身体健康。

就医学上诊断而言，睡眠呼吸中止症候群的诊断标准如下，病人需符合下列A或B标准，再加上C标准条件，可诊断为睡眠呼吸中止症

A.不能以其它原因做更好解释的白天嗜睡

B.不能以其它原因做更好解释的以下情形，符合二者或二者以上：

睡眠中的窒息或喘息

睡眠中反复醒来

无法恢复精神的睡眠

白天疲劳

注意力不集中

C.夜间监测证实每小时的睡眠中有5次或以上超过10秒的阻塞性呼吸事件，或每7小时睡眠有30次的事件。这事件包括任何阻塞呼吸停止、呼吸低下或因费力呼吸而醒来的情形。

人类有三分之一的时间处于睡眠状态，睡眠质量不但影响个人生理健康，更是心理健康与生活质量状态的重要指针。若鼾声只是轻哼几下，还无伤大雅，但严重的打鼾则可能伴随呼吸暂停或睡眠呼吸中止症的危险，导致脑部缺氧、睡眠中断，经年累月之后记忆力、注意力、性功能、工作效率和工作质量都会受到影响。

当前国内外同类课题主要由三类构成。

第一类使用夜间多项生理监测仪。即由脑波图、眼动图、心电图、鼻口腔呼吸流量、腹胸呼吸运动、血氧、打鼾次数…等生理讯号，进行综合性的评估。虽然实现了对鼾声幅值和频率的计算。但需要在身上配戴多种仪器，不方便也影响睡眠，而且只能在特定实验室中进行，也不适合做长期与普遍的监测，复杂度高。

第二类为手术治疗。手术治疗顾名思义就是对鼾声患者进行手术。而对其手术治疗的对象并不进行鼾声大小的检验。一般是通过X光后，发现气管平面以上的上呼吸道狭窄都可以确定动手术，具体包括：鼻中隔偏曲，鼻息肉等引起鼻部狭窄。咽部狭窄：扁桃体肥大，咽部松弛，悬雍垂过长。舌体肥大，舌根部肿瘤、舌后缀等引起咽腔狭窄。颌面部发育畸形，如小颌畸形等，肥胖。手术一般是切除多余或过多的部分。虽然能治疗鼾声，但正常人这些地方大小多少都不尽相同，鼾声患者切除多少多余或过多的部分更从X光当中无法看出，缺少一个参考标准。

第三类为仪器治疗。国内已研制了多种止鼾的电子装置，电路结构和功能大致相同。其基本思路是，让电路产生的电压刺激信号刺激患者皮肤的一定部，以此惊醒患者。但是存在一个主要弱点：电路缺少对鼾声频率甄别部分，致使电路容易引起误触发，严重影响患者的休息。

综上所述，国内外无该类方便携带、可大量普及，并且可应用医疗监护、日常生活等对鼾声监测的各种场合的仪器。所以鼾声测量仪具有很好的推广价值和广泛的应用前景。

发明内容

本发明即在发展一种适合居家环境使用之鼾声监测仪器，能以“非察觉性(non-conscious)”为设计重点，长期监测睡眠鼾声与睡眠呼吸中止症鼾声模式特征，最终将鼾声的严重程度以睡眠呼吸中止症可能性分级方式表示出来，供医生做诊断参考。

一种鼾声测量仪，包括顺次连接的鼾声信号采集模块、一级放大电路、600HZ低通滤波电路、50HZ带阻滤波电路、二级放大电路、施密特触发器整形电路、控制模块，以及与控制模块连接的LCD显示电路和按键控制电路；鼾声信号采集模块采用HS-3型喉头式压电鼾声传感器。

所述的鼾声测量仪，所述一级放大电路采用T型电阻网络和自举扩展结合构成高输入电阻高电压增益反响运算放大器，所有的运算放大器均选用LM324。

所述的鼾声测量仪，所述600HZ低通滤波器采用压控电压源二阶低通滤波电路，将3.3KHZ的干扰信号去掉，电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈，运放选用LM324。

所述的鼾声测量仪，所述50HZ带阻滤波电路用于对50HZ交流电进行去干扰，运算放大器使用LM324。

所述的鼾声测量仪，所述二级放大电路用于将前面输出的信号放大到一定的范围内，满足555定时器构成的施密特触发器的阈值的要求，将有用信号放大到4V以上，将干扰信号等无用信号放大到4V以下，运算放大器用LM324。

本发明结合滤波技术、讯号处理技术、以及生理讯号感测技术，以“非察觉性(non-conscious)”为设计重点，对受测者的鼾声与睡眠呼吸中止症情形做长期监控，能做实时鼾声感测与综合显示，供医生做诊断参考。产品定位上属于居家使用产品，故低售价、大众化也是考量重点。

附图说明

图1为本发明鼾声测量仪的系统方框图；

图2为一级放大电路电路原理图；

图3为600HZ低通滤波电路电路原理图；

图4为50HZ带阻滤波电路电路原理图；

图5为二级放大电路电路原理图；

图6为施密特触发器电路；

图7为按钮与液晶显示部分。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

参考图1，为本发明鼾声测量仪的系统方框图，包括鼾声信号采集模块、一级放大电路、600HZ低通滤波电路、50HZ带阻滤波电路、二级放大电路、施密特触发器整形电路、控制模块LCD，以及与控制模块连接的显示电路和按键控制电路；鼾声信号采集模块采用HS-3型喉头式压电鼾声传感器；

单片机(C51系列)作为系统的控制模块，把作为鼾声信号采集模块的HS-3型喉头式压电鼾声传感器采集的数据经过一级放大电路、600HZ低通滤波电路、50HZ带阻滤波电路、二级放大电路和由555时钟芯片构成的施密特触发器转换后，利用控制模块来对数据进行处理，从而把结果传输到LCD显示电路，实现鼾声频率的显示。

由于将HS-3型喉头式压电鼾声传感器接入示波器，无信号输入时，示波器显示出3.3KHZ幅值很小的噪声信号，信号传入时必须对其进行滤波。而鼾声的频率一般为100～500HZ，所以选取600HZ的低通滤波器电路对其进行滤波。但是由于噪声信号幅值很小，不易直接滤波，故先经过一级放大，将噪声信号幅值放大到容易控制的范围内。所有电路的电源使用220V 50HZ交流转6V直流的适配器，需对信号进行50HZ带阻滤波，减少50HZ电源对其信号的影响。由于信号只经过一级放大，还不能满足TTL电平的幅值，对其要加入一个二级放大电路，将信号的幅值放大到需要的范围内。正弦信号不方便单片机计数，添加一个施密特触发器整形电路，将正弦信号转化为方波，以方便单片机计数。

实施例2

一级放大电路

参考图2，为一级放大电路的电路原理图，一级放大电路采用T型电阻网络和自举扩展结合构成高输入电阻高电压增益反响运算放大器，所有的运算放大器均选用性价比高的带有真差动输入的四运算放大器LM324，下方运放为主放大器，上方运放为辅助放大器，为基本反向运算放大器，整个电路通过辅助放大器经另一T型电阻网络向主放大器提供输入回路电流，以便提高整个放大电路的输入电阻。

实验测得，选取R3、R4、R5、R9、R10、R11都为360KΩ，其余电阻都为10KΩ。其电压放大倍数由主放大器决定：

v_{0} = \frac{R_{3} + R_{4} + \frac{R_{3} R_{4}}{R_{5}}}{R_{2}} V_{i} = 108 V_{i}

即一级放大倍数为108倍。将干扰信号放大到v_pp＝50mv，输入信号放大到v_pp＝250mv左右。

而输入电阻R_i≈R₂R₉/1000＝3.6MΩ，满足传感器放大电路要求输入阻抗应大于2MΩ的条件。

实施例3

600HZ低通滤波电路

参考图3，600HZ低通滤波器采用压控电压源二阶低通滤波电路，将3.3KHZ的干扰信号去掉。电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。运放同样选用LM324。

实验测得选取C1、C2为10nf，R2、R3为30KΩ，R1、RF为1KΩ。

截止频率：

f_{0} = \frac{1}{2 πRC} = \frac{1}{2 π R_{2} C} = 530 HZ

放大倍数：

A_{UP} = 1 + \frac{R_{F}}{R_{i}} = 2

经过低通滤波后，有效电压放大2倍，干扰信号全部滤去。将传感器接入示波器，无其他信号接入时，发现基线出现5mv左右的波形。经过低通滤波干扰信号全部滤去，基线波放大到v_pp＝5mv，输入信号放大到v_pp＝250mv左右。

实施例4

50HZ带阻滤波电路

参考图4，由于所有运算放大器与51单片机采用单电源供电，由适配器将220V、50HZ交流电转为6V直流电压，所有需要对50HZ交流电进行去干扰。而此50HZ带阻滤波电路正是将50HZ的所有信号去掉，排除其对正常信号的干扰。运算放大器使用LM324。

实验测得，取C为20nf，R为150KΩ，R1为51KΩ，RF为50KΩ。其中心频率为：

f_{0} = \frac{1}{2 πRC} = 53.1 HZ

放大倍数为：

A_{UP} = 1 + \frac{R_{F}}{R_{i}} = 2

即经过带阻滤波后，电压放大2倍：基线波放大到v_pp＝10mv，输入信号放大到v_pp＝1v左右。

实施例5

二级放大电路

参考图5，二级放大电路的目的是将前面输出的信号放大到一定的范围内，满足555定时器构成的施密特触发器的阈值(既

)的要求，将有用信号放大到4V以上，将干扰信号等无用信号放大到4V以下，运算放大器用LM324。

实验测得，取R1为10KΩ，RF为40KΩ，RP为100KΩ，则该二级放大电路放大倍数为：

A_{UP} = 1 + \frac{R_{F}}{R_{i}} = 5

把有用信号放大到v_pp＝5v，干扰信号只有v_pp＝50mv。

实施例6

施密特触发器电路

电路采用把555定时器的TH端(引脚2)连在一起作为信号输入端，即可构成施密特触发器(如图6所示)。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿化缓慢的周期性信号变换为同频率的矩形脉冲。

实施例7

参考图7，采用独立按键对LCD的显示内容的控制。当按下K1键时，CPU对当前信号开始计数，送LCD显示；再次按下K1键，停止计数；按下K2键时，同时对整个测试时间内的平均频率做一计算，送LCD显示；按下K3键时，LCD显示该段测试时间内，最大鼾声频率和最小鼾声频率；按下K4键时，LCD显示该段测试时间内，单次鼾声最长持续时间；按下K5键时，显示出整个时间段，打鼾的次数。

LCD的数据由P0口传入，LCD的读写控制端由P2.1口控制，LCD的使能端由P2.2控制。

当HS-3将一次鼾声的信号送入单片机时，单片机先对其数据进行处理。经过按钮数据扫描后，将数据进行相应操作，同时显示出来：若K1键按下，CPU开始准备对传入信号进行处理，如果第一个高电平到来，打开计数器和定时器；如果不来，则等待。如此当再次按下K1键时，停止计数器、定时器。所有数据接收和处理结束。然后扫描按钮，进行相关显示。

信号在第一个高电平到来后的一段时间里，统计高电平次数，和整个信号持续时间。当信号在一段时间内都持续变为低电平时，我们认为此次鼾声信号传入结束，定时器和计数器关闭。对此次数据做一处理：

总鼾声次数存储单元HSCS+1；

将此次鼾声持续时间存入存储单元TSUM_Now；

判断TSUM_Now是否大于10，即此次鼾声持续时间是否大于10S，是则单次鼾声超过10S次数统计存储单元DT10S+1；

判断TSUM_Now是否大于单次鼾声最大持续时间存储单元DTMAX，是则DTMAX＝TSUM_Now；

将此次鼾声持续时间内高电平存入存储单元NSUM_Now中；

此次鼾声频率存储单元F_Now＝NSUM_Now/TSUM_Now；

判断F_Now是否大于单次鼾声最大频率存储单元FMAX，是则FMAX＝F_Now；

判断F_Now是否小于单次鼾声最小频率存储单元FMIN，是则FMIN＝F_Now；

将此次鼾声持续时间存储单元TSUM_Now、此次鼾声持续时间内高电平存储单元NSUM_Now分别累加放入总累加持续时间存储单元TSUM、高电平存储单元NSUM中；

TSUM_Now、NUSM_Now清0。

此次数据处理结束。

继续等待高电平信号，同上。依次循环。当再次按下K1键时，停止计数器、定时器。所有数据接收和处理结束。平均频率FQ＝NSUM/TSUM。最终得出打鼾次数(存储单元HSCS)、鼾声平均频率(存储单元FQ)，最小频率(存储单元FMIN)，最大频率(存储单元FMAX)和单次鼾声最大持续时间(存储单元DTMAX)。

最终将鼾声的严重程度以睡眠呼吸中止症可能性分级方式表示出来，即统计单次鼾声超过10S次数统计存储单元DT10S的大小。

由于睡眠呼吸中止症的在医学诊断上的定义为“每小时的睡眠中有5次或以上超过10秒的阻塞性呼吸中止事件，或每7小时睡眠有30次的事件”。根据上述定义，本发明依据睡眠呼吸中止症的特征，统计单次鼾声持续超过10秒时间的发生次数，对睡眠呼吸中止症可能性做出判断，判断定分为[No]、[Maybe]、[Yes]三种情形，即

[No]定义为每小时5次之内且整夜睡眠在30次之内。

[Maybe]定义为每小时5～7次之间或整夜睡眠在30～50次之间。

[Yes]定义为每小时7次以上且整夜睡眠在50次以上。

由于本发明所量测的是鼾声次数以及单次鼾声持续超过10秒时间的发生次数，对睡眠呼吸中止症可能性的判断亦仅提供使用者参考，不作医疗诊断上的用途。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种鼾声测量仪，其特征在于，包括顺次连接的鼾声信号采集模块、一级放大电路、600HZ低通滤波电路、50HZ带阻滤波电路、二级放大电路、施密特触发器整形电路、控制模块，以及与控制模块连接的LCD显示电路和按键控制电路；鼾声信号采集模块采用HS-3型喉头式压电鼾声传感器。

2.根据权利要求1所述的鼾声测量仪，其特征在于，所述一级放大电路采用T型电阻网络和自举扩展结合构成高输入电阻高电压增益反响运算放大器，所有的运算放大器均选用LM324。

3.根据权利要求1所述的鼾声测量仪，其特征在于，所述600HZ低通滤波器采用压控电压源二阶低通滤波电路，将3.3KHZ的干扰信号去掉，电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈，运放选用LM324。

4.根据权利要求1所述的鼾声测量仪，其特征在于，所述50HZ带阻滤波电路用于对50HZ交流电进行去干扰，运算放大器使用LM324。

5.根据权利要求1所述的鼾声测量仪，其特征在于，所述二级放大电路用于将前面输出的信号放大到一定的范围内，满足555定时器构成的施密特触发器的阈值的要求，将有用信号放大到4V以上，将干扰信号等无用信号放大到4V以下，运算放大器用LM324。