CN103054708A

CN103054708A - 一种阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪

Info

Publication number: CN103054708A
Application number: CN2013100103427A
Authority: CN
Inventors: 韩明华; 衣晓飞; 王生水; 吴锋涛
Original assignee: HUNAN NALEI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HUNAN NALEI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: CN103054708B

Abstract

一种阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，包括：雷达信号收发器，包括压控振荡器、发射天线、接收天线、混频器和基带芯片；所述压控振荡器用来产生脉冲信号并传送到发射天线，所述发射天线向监测目标发送信号；所述接收天线用来接收监测目标反射回来的回波，并送入混频器，然后在混频器中与压控振荡器产生的脉冲信号进行混频；混频之后的信号送入基带芯片，所述基带芯片根据得到的信号对呼吸频率和呼吸暂停信息做出分析处理并发出控制指令至振动电机；振动电机，与基带芯片连接，用来对监测目标进行刺激以使监测目标呼吸顺畅；电源，用来为上述各部件供电。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、辐射低、适用范围广等优点。

Description

一种阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪

技术领域

本发明主要涉及呼吸治疗设备领域，特指一种阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪。

背景技术

呼吸信号和心电信号是人体最重要的生命特征。对于有睡眠呼吸暂停（OSASH）的病人，或者刚出生的婴儿，以及某些患有呼吸系统疾病、心脏疾病的病人，需要实时监测其在睡眠期间的呼吸和心跳状况。另外，对于睡眠呼吸暂停发作的病人，还需要及时进行治疗。

“多普勒雷达传感器”在生命体征监测上的研究与应用已经有较长的历史，利用多普勒雷达传感器可以在不直接接触人体的状况下，获知人体的生命体征信号，此类技术往往用于救援生命搜救探测设备，如生命探测仪、穿墙雷达等等。这种多普勒雷达传感器的功率往往非常大，探测范围也较大，但是它对于人体的辐射较大。现有多普勒雷达传感器的技术尺寸较大，无法直接应用到家庭或者医院内部的呼吸监测。而且，基于多普勒雷达传感器的对于应用于分析呼吸频率和心率的信号处理一直也没有具体解决方案。另外，现有对于呼吸暂停的治疗方式大部分是依靠手术治疗或者采用呼吸机进行临床治疗；采用手术治疗往往都会复发，所以大部分的专家不建议手术，而采用呼吸机治疗时需要带鼻罩，很多病人难以接受鼻罩带来的不适，因此还需要解决治疗过程中的舒适度问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、辐射低、适用范围广的阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，包括：

雷达信号收发器，包括压控振荡器、发射天线、接收天线、混频器和基带芯片；所述压控振荡器用来产生脉冲信号并传送到发射天线，所述发射天线向监测目标发送信号；所述接收天线用来接收监测目标反射回来的回波，并送入混频器，然后在混频器中与压控振荡器产生的脉冲信号进行混频；混频之后的信号送入基带芯片，所述基带芯片根据得到的信号对呼吸频率和呼吸暂停信息做出分析处理并发出控制指令至振动电机；

振动电机，与基带芯片连接，用来对监测目标进行刺激以使监测目标呼吸顺畅；

电源，用来为上述各部件供电。

作为本发明的进一步改进：

所述接收天线经依次相连的低噪放、由第二放大器和第三放大器组成的二级放大器后与混频器相连。

所述压控振荡器经第一放大器与发射天线相连。

本发明还包括网络接口，通过网络接口接入互联网。

所述振动电机产生的振动用来对监测目标的气道进行刺激。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，结构简单紧凑、体积小、功率低、辐射低、成本低廉、操作简便、适用范围广，其采用低成本的小型雷达传感器实时监测人在睡眠时段的呼吸和心跳信息，进行呼吸暂停分析，预测呼吸暂停的发生，并在发生呼吸暂停后及时启动振动电机进行扩张气道的刺激, 诱导气道畅通，促使呼吸正常进行。该治疗仪的监测结果精度高，且与人体无直接接触，更容易被病人所接受和使用。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明基带芯片中采用的频域率估计算法的流程示意图。

图3是本发明基带芯片中采用的时域率估计算法的流程示意图。

图4是本发明基带芯片中采用的呼吸规则性判定方法的流程示意图。

图5是本发明基带芯片中采用的振动电机控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，包括电源5、雷达信号收发器3以及振动电机2；雷达信号收发器3包括压控振荡器6（VCO）、第一放大器7、发射天线8、接收天线9、低噪放10、第二放大器11、第三放大器12、混频器13和基带芯片14，振动电机2通过连接线4与基带芯片14连接；压控振荡器6（VCO）用来产生5GHz的脉冲信号，通过第一放大器7传送到发射天线8，发射天线8用来向监测目标发送雷达信号；接收天线9用来接收监测目标反射回来的回波，并经过低噪放10去除噪声、再经过第二放大器11和第三放大器12进行两级放大后进入混频器13，该信号在混频器13中与压控振荡器6产生的脉冲信号进行混频，混频之后的信号进入基带芯片14进行去除噪声、呼吸信号检测和心跳信号检测，并进行呼吸频率计算、心率计算以及呼吸暂停监测。基带芯片14对计算得到的呼吸频率和呼吸暂停信息做出分析处理，最终发出控制指令至振动电机2，即：基带芯片14输出的控制信号通过连接线4控制振动电机2的启动、停止和振动强度，通过振动电机2的振动来对监测目标的气道进行刺激，从而使得呼吸顺畅。

进一步，本发明的阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪还设置有网络接口，通过网络接口接入互联网，并将治疗仪工作时的数据发送到专家系统所在的服务器。

本发明治疗仪的工作流程为：1.启动呼吸暂停治疗仪，开始自动搜寻监测目标；2.将振动电机2通过可更换的方式贴到监测目标的颈部两侧；3.锁定监测目标后，进行呼吸频率计算和心率计算；4.分析并捕捉呼吸暂停，在呼吸暂停发生时给以振动电机2启动信号，呼吸暂停结束时给以振动电机2停止信号，发生异常时报警；5.轻按治疗仪上的“上传数据”按钮，可以将数据通过互联网发送到专家系统所在的服务器。

这样，本发明就可以直接应用于家庭中对患有阻塞性睡眠暂停的病人进行治疗，或者给医院里已经被诊断为阻塞性睡眠呼吸暂停的病人使用。本发明采用非接触式的方式进行呼吸暂停治疗，能够令病人感觉舒适，满足不被束缚的人性化需求，具有很强的实用价值。

如图2所示，为基带芯片14中执行的频域率估计算法，用于在频域计算呼吸频率和心率。该频域率估计算法的详细步骤如下：

1.取解调后数据X的M个样本（M＝2880或其他）；这M个样本包含了非呼吸运动和其他噪声和干扰信号；

2.将数据X中的所有非呼吸信号和干扰信号的所有时间间隔设为零；

3.将数据X中的每个数减去X的均值；

4.频域中的呼吸频率如下确定：

4.1对于X的所有样本进行傅立叶变换（DFT），不做窗口，补零和插值算法；

4.2频域率估计是X中具有最大幅值的频率。在某些实现方式中，可以是在最小呼吸频率6和最大呼吸频率48之间的一个最大幅值的频率。

如图3所示，为基带芯片14中执行的呼吸频率的时域率估计算法。该时域率估计算法的详细步骤如下：

3.将数据X中的每个数减去X的均值；

4.时域的率估计如下确定：

4.1令u_i为样本的索引，使得x［u_i］≤0 且x[u_i+1]>0 (过零点)；

4.2令a_i 是［u_i，u_i+1］区间内的最大幅值；

4.3令A＝max（a_i），则存在三个不同的数i，j，k，使得a_i>0.1A , a_j >0.1A, a_k >0.1A；

4.4如果在步骤c）中不存在A，则无法确定呼吸频率；

4.5否则记一个呼吸周期1为区间［u_i，u_i+1］，g_i＝1满足下述条件：

i.a_i>0.1A

ii. y(n)=1 对于 u_i<n<u_i+1

iii. z(n)=1对于 u_i<n<u_i+1

其中y(n)和z(n)分别是运动窗口和裁剪窗口；

4.6否则，g_i＝0；

4.7令λ是g_i＝1的连续呼吸的最大数目。如果λ<2，那么无法确定呼吸频率，否则呼吸频率为(60×100×λ)/((u_i+λ-u_i)。

本发明的呼吸暂停治疗仪对呼吸频率的估计和心率的估计分别按照图2和图3的频域率估计和时域率估计算法进行，最后给出的呼吸频率为频域呼吸频率估计和时域呼吸频率估计的均值；如果呼吸频率的频域估值和时域估值差值大于4，则表示系统监测信息不充分，暂停振动电机2；否则显示频域估值作为呼吸频率；心率的计算方式为：如果心率的频域估计和时域估计的差值大于12，则表示系统监测信息不充分，否则将心率的频域估值作为心率。

如图4所示，为基带芯片14中执行的呼吸规则性判定方法。该呼吸规则性判定方法的具体步骤为：

1.取M个呼吸信号，M取值为50～100；计算呼吸－呼吸间隔的均值和标准方差；

2.计算M个呼吸信号的每次呼吸的呼吸深度的均值和标准方差；

3.计算呼吸－呼吸间隔的协方差C1；并计算呼吸深度的协方差C2；

4.如果C1<阈值并且C2<阈值，则判定呼吸为规则呼吸；

5.如果步骤4的判断不成立，则判定为不规则呼吸；对呼吸－呼吸间隔和呼吸深度进行FFT变换，检查波形中是否存在周期性元素；

6.如果呼吸不存在周期性，则再增加呼吸的样本到2M个，返回步骤2进行处理；如果2M个样本检测不到周期性，则判定为呼吸无周期性，计算全范围内的平均呼吸频率，并计算呼吸暂停事件的均值；

7.如果周期是规则的，则计算每周期的呼吸暂停长度，并求均值，得出每周期的平均呼吸暂停长度；

8.对计算的数据进行归类。如果呼吸规则，给出“呼吸规则－X次呼吸／分钟”的指示，如果呼吸不规则，指示“周期性－不规则”。如果存在呼吸暂停，则指示“平均呼吸暂停长度Y”；如果呼吸不规则，则指示“Z次呼吸暂停／分钟”。

如图5所示，为振动电机2的控制算法，该振动电机2控制算法的具体步骤如下：

1. t=t+delta_t；

在时间区间［t，t+delta_t]内，需要满足以下条件中的一个：

a)检测不到心肺运动；

b)非心肺运动信号大于心肺运动信号；

2.如果满足步骤1中的条件a)或者b)，则标记[t,t+delta_t]为清醒时段；

3.否则，在时间区间［t，t+delta_t］内，满足以下条件：

a)平均心肺运动信号大于非心肺运动信号；

b)非心肺运动信号次数大于1次；

4.如果满足步骤3中条件a)和条件b)，则回到步骤1；

5.在时间区间［t, t+delta_t］内，满足下述条件：呼吸暂停时间>1.5个呼吸周期；

6.如果不满足步骤5中的条件，则停止振动电机2，回到步骤1；

7.如果满足步骤5中的条件，则启动振动电机2；

8.如果连续的清醒时段超过10个，则表示睡眠结束，算法结束。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，其特征在于，包括：

雷达信号收发器（3），包括压控振荡器（6）、发射天线（8）、接收天线（9）、混频器（13）和基带芯片（14）；所述压控振荡器（6）用来产生脉冲信号并传送到发射天线（8），所述发射天线（8）向监测目标发送信号；所述接收天线（9）用来接收监测目标反射回来的回波，并送入混频器（13），然后在混频器（13）中与压控振荡器（6）产生的脉冲信号进行混频；混频之后的信号送入基带芯片（14），所述基带芯片（14）根据得到的信号对呼吸频率和呼吸暂停信息做出分析处理并发出控制指令至振动电机（2）；

振动电机（2），与基带芯片（14）连接，用来对监测目标进行刺激以使监测目标呼吸顺畅；

电源（5），用来为上述各部件供电。

2.根据权利要求1所述的阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，其特征在于，所述接收天线（9）经依次相连的低噪放（10）、由第二放大器（11）和第三放大器（12）组成的二级放大器后与混频器（13）相连。

3.根据权利要求1所述的阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，其特征在于，所述压控振荡器（6）经第一放大器（7）与发射天线（8）相连。

4.根据权利要求1所述的阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，其特征在于，还包括网络接口，通过网络接口接入互联网。

5.根据权利要求1所述的阻塞性睡眠呼吸暂停治疗仪，其特征在于，所述振动电机（2）产生的振动用来对监测目标的气道进行刺激。