CN109381179A - 一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗工程技术领域领域，其公开了一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，包括血氧饱和度采集模块、心电信号采集模块、信号预处理模块、OSAS识别与控制模块、非植入电刺激模块，能够根据血氧饱和度信号和心电信号实时识别阻塞性睡眠呼吸暂停；根据阻塞性睡眠呼吸暂停是否正在发生产生对应刺激行为，成功地实现了心电信号和血氧饱和度信号联合应用与阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的监测与治疗。本发明所述的系统，传感器简单通用，佩戴舒适，成本低廉，可用于家庭治疗；系统能够自动地依靠监测到的信息进行治疗，整个操作过程简单、无创。
Description
技术领域
本发明涉及医疗工程技术领域领域，特别是一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统。
背景技术
阻塞性睡眠呼吸暂停综合症是在睡眠过程中频繁出现呼吸暂停的临床疾患，通常伴随响亮鼾声。多导睡眠图被公认为是睡眠障碍监测的“金标准”，但是其局限性也相当明显，主要体现为：a.检测需要在专门的监测场地进行，患者需要留院，医疗费用较高；b.患者需要佩戴大量的传感器，容易引起患者不适，干扰患者正常睡眠；c.正规监测需要整夜不少于七小时的睡眠，需配备专人通宵值守，整夜观察监视器；d.采集数据量大，多导睡眠图得到的结果需要进行专家根据经验知识进行人工校正，实时性不强。以上这些因素限制了多导睡眠图的普及。多导睡眠图虽是目前监测阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的最优手段，但由于其局限性，无法在家庭使用中推广。为了睡眠监测设备更能融入家庭使用环境，有不少便携式睡眠监测设备已被开发应用。但现有的大部分检测设备中，一般都是通过直接采集口鼻呼吸信号来判定是否存在睡眠呼吸暂停的情况，虽然所得信号比较直接，但这种监测设备非常容易引起患者不适，且容易受到环境干扰。还有一部分设备集成多种传感器检测模式，虽然监测数据比较全面，但也会造成患者不适、影响睡眠，也增加了设备的成本和患者的经济负担。也有一些设备通过胸腹绑带集成阻抗信号间接采集呼吸信号，但由于胸腹绑带束缚感强烈，影响患者入睡。
针对阻塞性睡眠呼吸暂停综合症发病机制(上气道狭窄、塌陷)，以颏舌肌为主的上气道扩张肌受舌下神经支配，因此可以通过电刺激，使舌下神经细胞产生与自体细胞激发的动作电位几乎一致的神经冲动，使颏舌肌等上气道扩张肌产生收缩，使舌咽气道扩张，恢复神经肌肉活性，从而达到治疗目的。
神经电刺激按目前研究可分为两个方向，分别是非植入神经电刺激和植入性电刺激。植入性电刺激舌下神经可使大多数研究患者的呼吸暂停低通气指数有效降低，并且证实得到很好的耐受。但因该装置是通过手术方式植入患者的身体，手术可能会给患者带来术后疼痛、伤口感染、神经麻痹等不良反应。
发明内容
本发明旨在提供一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，具体方案如下：
一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，包括：
用于采集血氧饱和度信号的血氧饱和度采集模块、用于采集心电信号的心电信号采集模块、信号预处理模块、OSAS识别与控制模块、用于刺激相应肌肉的非植入电刺激模块；
其中，所述信号预处理模块按照所述血氧饱和度采集模块采集的血氧饱和度信号得出血氧饱和度；所述信号预处理模块还从所述心电信号采集模块采集的心电信号中提取心源性呼吸信号；
所述OSAS识别与控制模块对所述信号预处理模块获取的所述血氧饱和度与所述心源性呼吸信号进行判断处理，如果预置时间内所述心源性呼吸信号小于预设值且所述血氧饱和度下降超过预设比例时，所述OSAS识别与控制模块判断出阻塞性睡眠呼吸暂停事件正在发生，发出控制信号启动所述非植入电刺激模块，否则，所述OSAS识别与控制模块发出控制信号停止启动所述非植入电刺激模块。
本发明提供的阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统先根据血氧饱和度信号和心电信号实时识别阻塞性睡眠呼吸暂停，其传感器简单通用，佩戴舒适，再根据阻塞性睡眠呼吸暂停是否正在发生产生对应刺激行为，刺激行为采用非植入神经电刺激，整个操作过程简单、无创，该诊疗系统实现了心电信号和血氧饱和度信号联合应用于阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的监测与治疗，成本低廉，可用于家庭治疗系统，能够自动地依靠监测到的信息进行治疗。
附图说明
图1为一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统的结构示意图；
图2为一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统的原理流程示意图；
图3为提取心源性呼吸信号的MATLAB仿真效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
图1是本实施例阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统的结构示意图，该系统包括用于采集血氧饱和度信号的血氧饱和度采集模块(2)、用于采集心电信号的心电信号采集模块(3)、信号预处理模块(1)、OSAS识别与控制模块(5)、用于刺激相应肌肉的非植入电刺激模块(6)；
其中，信号预处理模块(1)按照血氧饱和度采集模块(2)采集的血氧饱和度信号得出血氧饱和度；信号预处理模块(1)还从心电信号采集模块(3) 采集的心电信号中提取心源性呼吸信号；
OSAS识别与控制模块(5)对信号预处理模块(1)获取的血氧饱和度与心源性呼吸信号进行判断处理，如果预置时间内所述心源性呼吸信号小于预设值且所述血氧饱和度下降超过预设比例时，OSAS识别与控制模块(5)判断出阻塞性睡眠呼吸暂停事件正在发生，发出控制信号启动非植入电刺激模块(6)，否则，OSAS识别与控制模块(5)发出控制信号停止启动非植入电刺激模块(6)。
具体地，血氧饱和度采集模块(2)和心电信号采集模块(3)采用USB接口与信号预处理模块(1)建立连接，OSAS识别与控制模块(5)与非植入电刺激模块(6)采用有线连接，血氧饱和度采集模块(2)采集血氧饱和度信号并输出血氧饱和度信号至信号预处理模块(1)，显示模块(4)显示血氧饱和度。血氧饱和度采集模块(2)可以使用指夹式的血氧饱和度探头或贴片式血氧饱和度探头采集血氧饱和度信号。心电信号采集模块(3)采集心电信号并输出心电信号至信号预处理模块(1)，显示模块(4)显示经过信号预处理模块(1)滤波后的心电波形。心电信号采集模块(3)使用医用粘贴式表面电极通过单导或多导心电测量的方式采集心电信号。医用粘贴式心电电极和指夹式或贴片式血氧饱和度探头使用方便，配件易得，也相对减少对使用者带来的不适感，能减少对使用者正常睡眠的影响。非植入电刺激模块(6) 采用医用粘贴式表面电极作为非植入电刺激电极来刺激相应肌肉。
具体的，信号预处理模块(1)对血氧饱和度采集模块(2)采集到的血氧饱和度信号进行分析处理，根据透射式双波长血氧饱和度检测算法得出血氧饱和度，用于后续识别阻塞性呼吸暂停事件是否发生。
信号预处理模块(1)对心电信号采集模块(3)采集到的心电信号进行分析处理，具体为：信号预处理模块(1)对心电信号采集模块(3)采集的心电信号使用使用单级或多级放大电路进行放大，随后对放大后的心电信号滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰，之后再从经过所述滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰处理的心电信号中提取心源性呼吸信号。
信号预处理模块(1)对放大后的心电信号滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰的过程为：使用切比雪夫二阶IIR带阻滤波器滤除50Hz 工频陷波干扰；使用节数为十的梳状滤波器消除基线漂移噪声干扰，具体如下：
a.根据工频噪声特性设计了一个截止频率为【48-52】Hz，带宽为4Hz 的切比雪夫二阶IIR带阻滤波器，滤除50Hz工频陷波干扰；
b.使用节数为十梳状滤波器修正基线漂移得到ECG信号。FIR数字梳状滤波器节数为N的梳状滤波器的系统函数为
其中
H(z)＝1-z-N
是由N节延时单元组成的梳状滤波器，其频率响应为
系统函数H(z)由H1和H2(一阶IIR“谐振子”)级联组成，可以求得其频率响应为
式中，
ω＝2πf/fs
fs为抽样频率。
信号预处理模块(1)从经过前述滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰处理的心电信号中提取心源性呼吸信号的步骤，具体为：
a.使用斜率跟踪法从经过前述滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰处理的心电信号中提取R波。设计一个带通滤波器，ECG信号通过该滤波器时对R波以外的频率成分进行了衰减。当采样频率为200Hz时，该滤波器的传递函数如下：
由于R波含有丰富的高频谐波成分，为突出高频谐波分量，采用如下微分器。
H(z)＝0.1(2+z-1-z-3-2z-4)
采用斜率跟踪法进行R波识别，先确定一个阈值，当采集波形的斜率变化超过值时，跟踪找出斜率变化最大处即为R波所在的位置。
b.将前述R波拓展成新的序列xr(n):
xr(n)＝Ri，RMAXi≤n≤RMAXi+1
其中R代表当前R波峰值，RMAX代表R波波峰对应的位置
c.通过低通滤波器，信号xr(n)与低通滤波器的冲击响应h1(n)卷积,产生 y1(n)
再以指定频率f2进行抽样，得到另一序列y2(n)
其中*表示复共轭,f1为y1(n)的抽样频率。
d.序列y2(n)通过Kaiser窗带通滤波器，滤除呼吸频率之外的信号，得到心源性呼吸信号EDR，
该带通滤波器的冲击响应是h2(i)。
图3为提取心源性呼吸信号的MATLAB仿真效果图。
参见图2，图2是系统的原理流程图。血氧饱和度采集模块(2)、心电信号采集模块(3)完成采集患者的血氧饱和度信号和心电信号之后，信号预处理模块(1)处理采集得到的血氧饱和度信号和心电信号，得到血氧饱和度和心源性呼吸信号，OSAS识别与控制模块(5)对信号预处理模块(1)获取的血氧饱和度及心源性呼吸信号进行分析处理，判断是否发生阻塞性睡眠呼吸暂停事件，按照判断结果决定是否发送控制信号至非植入电刺激模块(6)。
具体地，OSAS识别与控制模块(5)使用继电器为控制元器件，元件轻便，简单易得，适合便携式设备使用。
具体地，如果连续10秒心源性呼吸信号的波峰值小于预设值且血氧饱和度下降超过预设比例时，OSAS识别与控制模块(5)判断出阻塞性睡眠呼吸暂停事件正在发生，发出控制信号启动非植入电刺激模块(6)，非植入控制电刺激模块(6)启动，电刺激舌下神经，使颏舌肌等上气道扩张肌产生收缩，使舌咽气道扩张，从而达到治疗目的。如果心源性呼吸信号的波峰值大于预设值或血氧饱和度上升至预设比例时，OSAS识别与控制模块(5)发送控制信号停止启动非植入电刺激模块(6)。完成识别阻塞性睡眠呼吸暂停综合症动作后，系统重新采集信号进行下一阶段的判断，OSAS识别与控制模块(5) 发送控制信号停止启动非植入电刺激模块后，系统为待机状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，但并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，包括：
用于采集血氧饱和度信号的血氧饱和度采集模块、用于采集心电信号的心电信号采集模块、信号预处理模块、OSAS识别与控制模块、用于刺激相应肌肉的非植入电刺激模块；
其中，所述信号预处理模块按照所述血氧饱和度采集模块采集的血氧饱和度信号得出血氧饱和度；所述信号预处理模块还从所述心电信号采集模块采集的心电信号中提取心源性呼吸信号；
所述OSAS识别与控制模块对所述信号预处理模块获取的所述血氧饱和度与所述心源性呼吸信号进行判断处理，如果预置时间内所述心源性呼吸信号小于预设值且所述血氧饱和度下降超过预设比例时，所述OSAS识别与控制模块判断出阻塞性睡眠呼吸暂停事件正在发生，发出控制信号启动所述非植入电刺激模块，否则，所述OSAS识别与控制模块发出控制信号停止启动所述非植入电刺激模块。
2.根据权利要求1所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，所述信号预处理模块从所述心电信号采集模块采集的心电信号中提取心源性呼吸信号的步骤，具体为：
所述信号预处理模块对所述心电信号采集模块采集的心电信号使用放大电路进行放大，随后对放大后的心电信号滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰，之后再从经过所述滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰处理的心电信号中提取心源性呼吸信号。
3.根据权利要求2所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，所述滤除心电信号工频干扰的步骤，具体为：
使用切比雪夫二阶IIR带阻滤波器滤除50Hz工频陷波干扰。
4.根据权利要求2所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，所述消除基线漂移噪声干扰的步骤，具体为：
使用节数为十的梳状滤波器消除基线漂移噪声干扰。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，所述从经过所述滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰处理的心电信号中提取心源性呼吸信号的步骤，具体为：
所述信号预处理模块使用斜率跟踪法从经过所述滤除心电信号工频干扰以及消除基线漂移噪声干扰处理的心电信号中提取R波，将所述R波拓展成新的序列，以指定频率进行抽样，最后通过Kaiser窗带通滤波器滤除呼吸频率之外的信号，得到心源性呼吸信号。
6.根据权利要求5所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，所述信号预处理模块按照所述血氧饱和度采集模块采集的血氧饱和度信号得出血氧饱和度的步骤，具体为：
所述信号预处理模块根据透射式双波长血氧饱和度检测算法按照所述血氧饱和度采集模块采集的血氧饱和度信号得出血氧饱和度。
7.根据权利要求6所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，
所述血氧饱和度采集模块和所述心电信号采集模块采用USB接口与所述信号预处理模块建立连接，所述OSAS识别与控制模块与所述非植入电刺激模块采用有线连接。
8.根据权利要求7所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，
所述血氧饱和度采集模块使用指夹式的血氧饱和度探头或贴片式血氧饱和度探头采集血氧饱和度信号；
所述心电信号采集模块使用医用粘贴式表面电极通过单导或多导心电测量的方式采集心电信号；
所述非植入电刺激模块采用医用粘贴式表面电极作为非植入电刺激电极来刺激相应肌肉。
9.根据权利要求8所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，所述信号预处理模块对所述心电信号采集模块采集的心电信号使用放大电路进行放大的步骤，具体为：
所述信号预处理模块对所述心电信号采集模块采集的心电信号使用单级或多级放大电路进行放大。
10.根据权利要求9所述的一种阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的诊疗系统，其特征在于，系统还包括显示模块，所述显示模块显示所述血氧饱和度和经过滤波处理的心电波形。
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