CN105943040A - 一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法及装置，该方法包括以下步骤：1）、采集呼吸肌的表面肌电信号；2）、滤波滤除；3）、进行表面肌电信号的包络计算；4）产生呼吸肌电标示信号；5）、检测患者的血氧饱和度，可以使用夹于手指的血氧饱和度探头；6）、如果连续10秒没有采样到呼吸肌电标示信号且血氧饱和度下降超过3%，则对呼吸肌进行体外起搏，以及应用该方法的装置，本发明精确有效，使用效果好。

Description

一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法及装置

【技术领域】

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法和装置备。

【背景技术】

中枢性睡眠呼吸暂停(CSA)特点是睡眠时因中枢驱动功能受损而引起的反复气流中断。中枢性呼吸暂停是指呼吸暂停时间≥10秒，无呼吸运动。通常这种情况每小时＞5次就认为是异常的。CSA综合征是指睡眠期间平均每小时出现5次以上中枢性呼吸暂停，并且出现睡眠片段(频繁觉醒)相关症状和/或白天过度嗜睡。阻塞性呼吸暂停患者也可发生中枢性呼吸暂停，因此应着重辨别CSA，尽管在这个问题上还没有绝对标准，通常对CSA患者的研究要求50％甚至80％以上的症状要符合中枢性。CSA通常非单一因素诱发，因此出现了大量的综合征，且各自存在一些潜在的病理生理学机制。潮式呼吸(CSR)与神经病变，如脑血管疾病、痴呆等有关，亦常发生在心力衰竭患者中，特点是呼吸呈渐强—渐弱改变，在呼吸运动终末出现中枢性呼吸暂停或低通气。心力衰竭患者发生CSR是由于循环时间延长以及通气控制系统高增益对高碳酸血症反应增强的联合作用所致。这种联合作用导致通气控制的不稳定性以及特定形式的周期性呼吸。原发性CSA特点是因高碳酸血症引起深度通气反应导致的通气不稳。

中枢性睡眠呼吸暂停综合征是一种严重影响工作和生活的疾病，目前的治疗手段极其有限，主要为完善心力衰竭治疗、气道正压通气、夜间吸氧等。完善心力衰竭治疗、夜间吸氧对于中枢性睡眠呼吸暂停综合征的确切疗效还没有明确的结论。气道正压通气治疗要求患者夜间使用睡眠呼吸机，但大多数患者对于使用睡眠呼吸机感觉舒适性很差，不能长期坚持。

人体的呼吸相关肌肉主要有膈肌、肋间外肌、胸大肌、腹肌、胸锁乳突肌等，其中膈肌和肋间外肌是最主要的吸气肌。吸气时，膈肌收缩，膈顶下将，胸腔增大；呼气时，膈肌舒张，膈顶上升，胸腔缩小。吸气时，肋间外肌收缩，肋骨向上向外运动，体积增大；呼气时，肋间外肌舒张，肋骨向下向内运动，体积缩小。用力吸气时，除了膈肌、肋间外肌的收缩，胸大肌、胸锁乳突肌等发生收缩，参与扩张胸廓。用力呼气时，除了膈肌、肋间外肌的舒张，肋间内肌、腹肌等发生收缩，参与收缩胸廓。

研究表明，吸气期间吸气肌的肌电信号出现，随着吸气努力的增加，吸气肌的肌电信号也增强；而吸气肌的肌电信号随吸气的结束和呼气的开始而消失。呼气期间呼气肌的肌电信号出现；而呼气肌的肌电信号随呼气的结束和吸气的开始而消失。如果能够采集到呼吸肌的肌电信号并对肌电活动进行计时，就可以初步判断有无呼吸暂停。

膈肌是最主要的呼吸肌，但表面膈肌肌电信号非常微弱，健康个体在平静呼吸时表面电极所测膈肌肌电幅值约为10～100μV，极易受多种噪声的影响。同时，由于解剖的差异性，膈肌肌电受电极与膈肌的距离以及膈肌肌纤维分布密度等的影响，不同个体之间、同一个体不同时间段的膈肌肌电幅值存在较大差别。为保证高精度测量膈肌肌电信号并预留一定裕量，所需测量范围将高达数千倍 以上。

膈肌肌电信号微弱并受多种因素的影响(如心脏、胃肠等肌性器官及胸腹肌肉的电活动、电极位置移动等的干扰)，获取稳定的膈肌肌电信号难度较大。肋间外肌和胸大肌、腹肌的表面肌电信号采集时也受心电信号的很大干扰。

由于表面肌电图采集呼吸相关肌肉的肌电信号时受心电等信号的干扰很严重，难于提取到纯洁的肌电信号，使得呼吸肌表面肌电图应用受限。

中国专利申请号CN 2574596A公开了一种睡眠呼吸障碍快捷诊断监护装置，旨在安全、快捷、方便地获得睡眠呼吸暂停综合症特征病理参数，为实现睡眠呼吸暂停综合症普查提供一种有效的技术手段，为睡眠呼吸暂停综合症患者提供必要的监护。它包括两个探测呼吸运动的体位传感器、呼吸信号处理器、双信号相关分析器、记录显示呼吸参数的终端、可控电路开关和报警救助装置。患者在睡眠中出现呼吸障碍时，实时记录显示关键病理参数，并自动提供必要的救助。这种装置不扰动自然呼吸过程，能够大幅度降低睡眠呼吸暂停综合症诊断装置的制造成本，还可以成为家用健康监测装置。。

CN 202505987U公开一种一种基于体外膈肌起搏的睡眠呼吸暂停治疗装置，由传感器、膈肌起搏器和电极组成，其中，传感器与膈肌起搏器连接，膈肌起搏器与电极连接。使用时，当气流传感器、声音传感器、腹部运动传感器或/和氧饱和度传感器检测到睡眠呼吸暂停后，输出控制信号至膈肌起搏器，脉冲信号产生器按照预置的程序发出脉冲信号，通过体表的膈神经附近的电极传送电脉冲，膈神经受到脉冲刺激后传递至膈肌，使膈肌收缩，呼吸恢复正常。本实用新型对中枢性和阻塞性睡眠呼吸暂停均有良好的效果，对中枢性睡眠呼吸暂停尤为明显。

CN 103458781A公开了一种诊断患者的中枢性睡眠呼吸暂停的方法和系 统，采用几乎不结合呼吸参数的相对短的测试。与通常使用的耗时且复杂的多参数睡眠研究相比，所述测试时间短。所述患者使用气道正压通气设备，并且遵从呼吸提示。在传送呼吸提示期间，中枢性呼吸暂停的发生可以支持对中枢性睡眠呼吸暂停的诊断。

目前这些技术来相对来说都比较简单，没有实现与人体自然呼吸的同步，有可能与人体自然呼吸冲突，使治疗效果变差。表面膈肌肌电信号非常微弱，健康个体在平静呼吸时表面电极所测膈肌肌电幅值约为10～100μV，极易受多种噪声的影响。没有实现表面肌电信号应用于中枢性睡眠呼吸暂停综合征的治疗

经过多年的大量研究，本专利提供的方法成功地实现了表面肌电信号应用于中枢性睡眠呼吸暂停综合征的治疗。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，进一步地，本发明还涉及一种应用这种方法的装置。

为解决上述技术问题，本发明公开的治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法的实现过程包括以下步骤：

1)、采集呼吸肌(包括但不限于膈肌、肋间外肌、胸大肌、腹肌)的表面肌电信号，使用仪表放大电路和右腿驱动提高采集放大电路的抗共模干扰能力，进行多级放大；

2)、低通滤波滤除高频噪音，高通滤波滤除极化电压、伪迹和不稳定成分，陷波和梳状滤波去除工频及其谐波干扰；

3)、进行表面肌电信号的包络计算，使用均方根算法实现，包络值大于阈值 表示肌肉收缩，阈值根据一定时段包络值的均值确定；

4)产生呼吸肌电标示信号，呼吸肌电标示信号用来标记呼吸肌的收缩运动，由于心电信号幅值通常大于呼吸肌的肌电信号，但心电的短时过零率远小于肌电的短时过零率，可以用短时过零率来区分心电还是呼吸肌的肌电信号；

5)、检测患者的血氧饱和度，可以使用夹于手指的血氧饱和度探头；

6)、如果连续10秒没有采样到呼吸肌电标示信号且血氧饱和度下降超过3％，则对呼吸肌进行体外起搏。

所述呼吸肌电标示信号产生的条件为某一小段时间内的平均包络值大于设定的阈值而且短时过零率大于某个设定值。

进一步，一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，该方法包括以下步骤：

1)、功能需求及参数取值

a、对体表膈肌肌电测量电路的输出信号进行采样和AD转换，精度为12bit，采样频率初选4K/s；

b、对信号作四阶低通滤波和工频陷波处理；

c、计算肌电包络，并形成呼吸肌电标示信号；

2)、滤波、包络计算和同步信号产生算法

a、四阶低通滤波与工频陷波

低通滤波和工频陷波，其脉冲传递函数为：

$G\left(z\right)=\frac{a_0+a_1{z}^{-1}+a_2{z}^{-2}+a_3{z}^{-3}+a_4{z}^{-4}+a_5{z}^{-5}+a_6{z}^{-6}}{1+b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}+b_3{z}^{-3}+b_4{z}^{-4}+b_5{z}^{-5}+b_6{z}^{-6}}---\left(1\right)$

其中G(z)表示系统输出变量的脉冲序列的z变换，记滤波器输入和输出为u和y，则其差分方程表示为：

y(k)＝-b₁y(k-1)-b₂y(k-2)-b₃y(k-3)-b₄y(k-4)-b₅y(k-5)-b₆y(k-6)

+a₀u(k)+a₁u(k-1)+a₂u(k-2)+a₃u(k-3)+a₄u(k-4)+a₅u(k-5)+a₆u(k-6) (2) 其中，参数可根据巴特沃斯低通滤波器或连续信号滤波器离散化等设计方法来确定，工频陷波仅滤掉50/60Hz附近很窄的频段，基本不影响有效信号；

b、包络计算

包络计算借鉴了均方根算法实现，其计算方法为：

$Sum\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{15}{\Σ}}\left|y(k-i)\right|---\left(3\right)$

En(k)＝0.125En(k-3)+0.25En(k-2)+0.25En(k-1)+0.125Sum(k-2)+0.125Sum(k-1)+0.125Sum(k) (4)

取En(k)作为当前时刻的包络值，包络值大于阈值表示呼吸肌收缩，阈值根据一定时段包络值的均值确定；

c、呼吸肌电标示信号产生

程序自动统计当前若干毫秒内包络的均值，以此作为判断的阈值；程序按帧处理数据，单帧平均包络计算方法为：

$Avg\left(k\right)=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}En(k-i)---\left(5\right)$

其中，En(k-i)为式(4)所得包络值。进而根据(6)确定阈值Threshold；

$Threshold=\frac{1}{6}\underset{k=1}{\overset{6}{\Σ}}Avg\left(k\right)---\left(6\right)$

此外，呼吸肌电标示信号产生的条件为：Avg(k)>Threshold且cnt>4；

3)、对呼吸肌进行体外起搏的条件

检测患者的血氧饱和度，可以使用夹于手指的血氧饱和度探头；

如果连续10秒没有采样到呼吸肌电标示信号且血氧饱和度下降超过3％，则对呼吸肌进行体外起搏，此处所述呼吸肌包括但不限于膈肌、肋间外肌、腹肌。

所述步骤2)c中，考虑到心电信号幅值通常大于呼吸肌的肌电信号，但其短时过零率远小于呼吸肌的肌电信号，因此，当信号单帧平均包络超过阈值 时，程序进一步运用短时过零率来区分其是由心电还是呼吸肌收缩所引起。

所述步骤2)c中，短时过零率cnt计算方式为：单帧内峰值幅度超过阈值c₁Threshold而相邻谷值小于0的峰值点数，其中，比例系数c₁可取0.3～0.6。

所述工频陷波可为选50Hz。

所述工频陷波可为选60Hz。

进一步，本发明还提供一种应用上述的治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法的装置。

所述装置还加设有显示驱动电路和用于显示工作状态的显示器，还具有微处理器，所述微处理器具有显示信号输出端，该显示信号输出端经显示驱动电路与显示器相连，所述装置还具有微处理器，所述微处理器具有显示信号输出端，该显示信号输出端经显示驱动电路与显示器相连，所述装置还具有电源管理模块。

【具体实施方式】

一个应用本发明具体的实施例：

一、功能需求及参数取值

1)对体表呼吸肌肌电测量电路的输出信号进行采样和AD转换，例如：精度12bit，采样频率为4K/s。

2)对信号作四阶低通滤波(例如：截止频率为600Hz)和工频陷波(可选50Hz和60Hz)处理。

3)高通滤波滤除极化电压、伪迹和不稳定成分，例如：截止频率为10Hz。

4)计算肌电包络，并形成呼吸肌电标示信号。

二、滤波、包络计算和呼吸肌电标示信号产生算法

2.1、四阶低通滤波与工频陷波

低通滤波和工频陷波，其脉冲传递函数为：

$G\left(z\right)=\frac{a_0+a_1{z}^{-1}+a_2{z}^{-2}+a_3{z}^{-3}+a_4{z}^{-4}+a_5{z}^{-5}+a_6{z}^{-6}}{1+b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}+b_3{z}^{-3}+b_4{z}^{-4}+b_5{z}^{-5}+b_6{z}^{-6}}---\left(1\right)$

分别记滤波器输入和输出为u和y，则其差分方程表示为：

y(k)＝-b₁y(k-1)-b₂y(k-2)-b₃y(k-3)-b₄y(k-4)-b₅y(k-5)-b₆y(k-6)

+a₀u(k)+a₁u(k-1)+a₂u(k-2)+a₃u(k-3)+a₄u(k-4)+a₅u(k-5)+a₆u(k-6) (2)

其中，参数可根据巴特沃斯低通滤波器或连续信号滤波器离散化等设计方法来确定。工频陷波仅滤掉50/60Hz附近很窄的频段，基本不影响有效信号。

2.2、包络计算

包络计算借鉴了均方根算法实现，其计算方法为：

$Sum\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{15}{\Σ}}\left|y(k-i)\right|---\left(3\right)$

En(k)＝0.125En(k-3)+0.25En(k-2)+0.25En(k-1)+0.125Sum(k-2)+0.125Sum(k-1)+0.125Sum(k) (4)

取En(k)作为当前时刻的包络值。包络值大于阈值表示呼吸肌收缩。阈值根据一定时段包络值的均值确定。

2.3、呼吸肌电标示信号产生

程序自动统计当前若干毫秒内包络的均值，以此作为判断的阈值。程序按帧处理数据，单帧平均包络计算方法为：

$Avg\left(k\right)=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}En(k-i)---\left(5\right)$

其中，En(k-i)为式(4)所得包络值。进而根据(6)确定阈值Threshold。

$Threshold=\frac{1}{6}\underset{k=1}{\overset{6}{\Σ}}Avg\left(k\right)---\left(6\right)$

此外，考虑到心电信号幅值通常大于呼吸肌的肌电信号，但其短时过零率 远小于呼吸肌的肌电信号。因此，当信号单帧平均包络超过阈值时，程序进一步运用短时过零率来区分其是由心电还是呼吸肌收缩所引起。短时过零率cnt计算方式为：单帧内峰值幅度超过阈值c₁Threshold而相邻谷值小于0的峰值点数，其中，比例系数c₁可取0.3～0.6。

呼吸肌电标示信号产生的条件为：Avg(k)>Threshold且cnt>4。

三、对呼吸肌进行体外起搏的条件

检测患者的血氧饱和度，可以使用夹于手指的血氧饱和度探头。

如果连续10秒没有采样到呼吸肌电标示信号且血氧饱和度下降超过3％，则对呼吸肌进行体外起搏。此处所述呼吸肌包括但不限于膈肌、肋间外肌、腹肌。

可以理解的是，以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本发明的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)、采集呼吸肌，包括但不限于膈肌、肋间外肌、胸大肌、腹肌等的表面肌电信号，使用仪表放大电路和右腿驱动提高采集放大电路的抗共模干扰能力，进行多级放大；

2)、低通滤波滤除高频噪音，高通滤波滤除极化电压、伪迹和不稳定成分，陷波和梳状滤波去除工频及其谐波干扰；

3)、进行表面肌电信号的包络计算，使用均方根算法实现，包络值大于阈值表示肌肉收缩，阈值根据一定时段包络值的均值确定；

4)产生呼吸肌电标示信号，呼吸肌电标示信号用来标记呼吸肌的收缩运动，由于心电信号幅值通常大于呼吸肌的肌电信号，但心电的短时过零率远小于肌电的短时过零率，可以用短时过零率来区分心电还是呼吸肌的肌电信号；

5)、检测患者的血氧饱和度，可以使用夹于手指的血氧饱和度探头；

6)、如果连续10秒没有采样到呼吸肌电标示信号且血氧饱和度下降超过3％，则对呼吸肌进行体外起搏。

2.如权利要求1所述的治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，其特征在于：所述呼吸肌电标示信号产生的条件为某一小段时间内的平均包络值大于设定的阈值而且短时过零率大于某个设定值。

3.一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)、功能需求及参数取值

a、对体表膈肌肌电测量电路的输出信号进行采样和AD转换，精度为12bit，采样频率初选4K/s；

b、对信号作四阶低通滤波和工频陷波处理；

c、计算肌电包络，并形成呼吸肌电标示信号；

2)、滤波、包络计算和同步信号产生算法

a、四阶低通滤波与工频陷波

低通滤波和工频陷波，其脉冲传递函数为：

$G\left(z\right)=\frac{a_0+a_1{z}^{-1}+a_2{z}^{-2}+a_3{z}^{-3}+a_4{z}^{-4}+a_5{z}^{-5}+a_6{z}^{-6}}{1+b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}+b_3{z}^{-3}+b_4{z}^{-4}+b_5{z}^{-5}+b_6{z}^{-6}}---\left(1\right)$

其中G(z)表示系统输出变量的脉冲序列的z变换，记滤波器输入和输出为u和y，则其差分方程表示为：

y(k)＝-b₁y(k-1)-b₂y(k-2)-b₃y(k-3)-b₄y(k-4)-b₅y(k-5)-b₆y(k-6)+a₀u(k)+a₁u(k-1)+a₂u(k-2)+a₃u(k-3)+a₄u(k-4)+a₅u(k-5)+a₆u(k-6) (2)

其中，参数可根据巴特沃斯低通滤波器或连续信号滤波器离散化等设计方法来确定，工频陷波仅滤掉50/60Hz附近很窄的频段，基本不影响有效信号；

b、包络计算

包络计算借鉴了均方根算法实现，其计算方法为：

$Sum\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{15}{\Σ}}\left|y(k-i)\right|---\left(3\right)$

En(k)＝0.125En(k-3)+0.25En(k-2)+0.25En(k-1)+0.125Sum(k-2)+0.125Sum(k-1)+0.125Sum(k)

(4)

取En(k)作为当前时刻的包络值，包络值大于阈值表示呼吸肌收缩，阈值根据一定时段包络值的均值确定；

c、呼吸肌电标示信号产生

程序自动统计当前若干毫秒内包络的均值，以此作为判断的阈值；程序按帧处理数据，单帧平均包络计算方法为：

$Avg\left(k\right)=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\Σ}}En(k-i)---\left(5\right)$

其中，En(k-i)为式(4)所得包络值。进而根据(6)确定阈值Threshold；

$Threshold=\frac{1}{6}\underset{k=1}{\overset{6}{\Σ}}Avg\left(k\right)---\left(6\right)$

此外，呼吸肌电标示信号产生的条件为：Avg(k)>Threshold且cnt>4；

3)、对呼吸肌进行体外起搏的条件

检测患者的血氧饱和度，可以使用夹于手指的血氧饱和度探头；

如果连续10秒没有采样到呼吸肌电标示信号且血氧饱和度下降超过3％，则对呼吸肌进行体外起搏，此处所述呼吸肌包括但不限于膈肌、肋间外肌、腹肌。

4.如权利要求1-3所述的一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，其特征在于：所述步骤2)c中，考虑到心电信号幅值通常大于呼吸肌的肌电信号，但其短时过零率远小于呼吸肌的肌电信号，因此，当信号单帧平均包络超过阈值时，程序进一步运用短时过零率来区分其是由心电还是呼吸肌收缩所引起。

5.如权利要求1-4所述的一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，其特征在于：所述步骤2)c中，短时过零率cnt计算方式为：单帧内峰值幅度超过阈值c₁Threshold而相邻谷值小于0的峰值点数，其中，比例系数c₁可取0.3～0.6。

6.如权利要求1-5所述的一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，其特征在于：所述工频陷波可为选50Hz。

7.如权利要求3所述的一种治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法，其特征在于：所述工频陷波可为选60Hz。

8.一种应用权利要求1-7所述的治疗中枢性睡眠呼吸暂停症的方法的装置。

9.一种如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还加设有显示驱动电路和用于显示工作状态的显示器，还具有微处理器，所述微处理器具有显示信号输出端，该显示信号输出端经显示驱动电路与显示器相连，所述装置还具有微处理器，所述微处理器具有显示信号输出端，该显示信号输出端经显示驱动电路与显示器相连。

10.一种如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还具有电源管理模块。