CN111317476A - 基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置，湿度传感器固定在呼吸面罩出气口前，所述数据采集及无线传输节点，包括分压电路、第一微处理器、蜂鸣器和指示灯；湿度传感器与精密电阻串联形成分压电路；精密电阻两端的电压与第一微处理器模数转换接口连接，通过无线通信将呼吸信号发送给接收节点，接收节点连接指示灯和蜂鸣器；接收节点，包括第二微处理器；第二微处理器接收到数据采集及无线传输节点发送来的数据后，传输给呼吸信号处理模块。本发明通过湿度传感器检测呼吸气流湿度变化，通过呼吸气流信号计算呼吸频率，呼吸暂停开始时间、结束时间、时长、在测试过程中的暂停次数，及时产生报警信号。

Description

基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，特别是渉及基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置。

背景技术

健康监测具有重要作用，能够及时提醒我们身体状况，及早发现可能存在的疾病，越来越受到人们的关注。睡眠呼吸暂停综合征是一种呼吸疾病，病人在睡觉时会出现呼吸暂停或者低通气，导致睡觉期间觉醒，睡眠质量不佳。病人在白天出现嗜睡、疲乏、记忆力下降，甚至发生交通事故。有医学研究发现其也是高血压、糖尿病的独立诱因，其中呼吸暂停是指呼吸气流大小比正常值降低90％以上且超过10s，低通气指比常值降低50以上，并伴随血氧饱和度降低4％以上。

目前睡眠呼吸暂停综合征主要通过多导睡眠图诊断，其被称为金标准。多导睡眠图通过在测试者身上粘贴多种传感器监测各种生理参数，例如鼻气流，血氧饱和度，心电信号等。经验丰富的医生通过对各路信号的分析来判断病人是否患病及患病程度。多导睡眠图诊断方式需要在专业测试房间进行，需要专业的呼吸检测人员。由于检测信号较多，所有的信号需要专家一一分析，工作量非常大，成本高昂。在检测过程中，病人身上需要粘贴多种传感器，这些传感器都是用导线跟仪器连接，当病人需要起床时非常不方便。因此，开发一种通过监测一路或者多路呼吸信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置具有重要意义。

目前已有许多文献报道了通过一路或者多路信号来检测睡眠呼吸暂停综合征，包括鼻气流信号，血氧饱和度，心电信号等。但是血氧饱和度存在呼吸暂停发生一段时间后才会降低的问题，心电信号存在与呼吸关联不强，提取算法复杂的问题。鼻气流信号是一种直接反应呼吸状态的信号，具有提取方法简单的优势，目前主要通过压力传感器和温度传感器检测鼻气流信号。国家知识产权局2016年12月7日公布的发明专利申请CN106175772A公开了一种睡眠呼吸暂停监测方法及系统，该发明通过使用温度传感器检测呼吸信号，呼气和吸气时，鼻气流存在温度差，温度传感器通过检测温度反应呼吸气流变化，但是存在呼气和吸气时温度差异较小，传感器输出信号弱，后续需要信号放大电路的缺点。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了一种基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置，通过湿度传感器检测呼吸气流信号，通过呼吸信号变化识别呼吸状况，当呼吸暂停时长超过设定时长时，产生报警信号，使被测试者免受伤害。

具体的技术方案为：

基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置，包括湿度传感器、数据采集及无线传输节点、接收节点和呼吸信号处理模块；

所述湿度传感器为钙钛矿湿度传感器；

湿度传感器固定在呼吸面罩出气口前，湿度传感器四周开阔，将呼吸面罩两边设有呼出气体扩散口；

所述数据采集及无线传输节点，包括分压电路、第一电源管理电路、第一微处理器、蜂鸣器和指示灯；第一电源管理电路将电池的直流电压转换成3.3V电压供为第一微处理器使用；

湿度传感器与精密电阻串联形成分压电路，采集呼吸信号，分压电路采用电池供电；

精密电阻两端的电压与第一微处理器模数转换接口连接，将呼吸信号输入到第一微处理器中，通过无线通信将呼吸信号发送给接收节点，接收节点连接指示灯和蜂鸣器；

所述接收节点，包括第二电源管理电路、第二微处理器、串口转USB电路；第二电源管理电路将直流电压转换成3.3V电压供第二微处理器使用；第二微处理器接收到数据采集及无线传输节点发送来的数据后，通过串口转USB电路传输给呼吸信号处理模块；

所述呼吸信号处理模块，通过串口转USB电路接收呼吸气流信号，在呼吸信号处理模块实时显示呼吸曲线；同时分析和存储测试数据。

进一步的，所述钙钛矿湿度传感器，通过以下制备方法制备所得：将敏感材料钙钛矿溶解于甲苯溶液中，超声20分钟，待敏感材料分解均匀；将叉指电极放置在平板加热炉上，60度温度加热；使用移液器吸取10微升溶解有敏感材料的甲苯溶液，滴涂在叉指电极上，待甲苯挥发完后，再次滴涂，重复三次，然后继续加热10分钟；加热完成后，取下湿度传感器，放置在真空干燥箱中干燥既得。

所述的分压电路采集呼吸信号；将呼吸信号输入到第一微处理器中，通过无线通信将呼吸信号发送给接收节点；接收节点的第二微处理器接收到呼吸信号数据后，传输给呼吸信号处理模块；

呼吸信号处理模块实时显示呼吸曲线；同时提取每次呼吸信号的最大值和最小值，将相邻三次呼吸信号最大值的平均值作为呼吸基线，当接收到最新数据后，与呼吸基线相比较，当呼吸信号幅值下降超过90％且超过10s时，记为一次呼吸暂停；当超过人为设定的暂停时间以后，产生报警，通过接受节点向数据采集及无线传输节点发送报警信号；

为了分析历史测试数据，可以通过历史数据分析打开历史文件。

本发明的有益效果：通过湿度传感器检测呼吸气流湿度变化，通过呼吸气流信号计算呼吸频率，呼吸暂停开始时间、结束时间、时长、在测试过程中的暂停次数，当发生暂停时间超过设定时长时，还可以产生报警信号，避免被测试者受到伤害。该装置具有结构简单，体积小、质量轻，便于携带；湿度传感器具有响应和恢复时间短，输出信号大，避免使用放大电路、滤波电路增加体积和重量；开放式呼吸面罩利于湿气快速扩散，避免呼吸产生的湿气堆积产生闷热感，给被测者带来舒适。

附图说明

图1为本发明的湿度传感器的相应曲线

图2为本发明的湿度传感器响应时间

图3为本发明的湿度传感器恢复时间

图4为本发明的呼吸曲线图；

图5为本发明装置系统框图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

如图5所示，一种基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置，包含湿度传感器、数据采集及无线传输节点、接收节点和呼吸信号处理模块；

所述湿度传感器为钙钛矿湿度传感器，通过以下制备方法制备所得：将敏感材料钙钛矿溶解于甲苯溶液中，超声20分钟，待敏感材料分解均匀；将叉指电极放置在平板加热炉上，60度温度加热；使用移液器吸取10微升溶解有敏感材料的甲苯溶液，滴涂在叉指电极上，待甲苯挥发完后，再次滴涂，重复三次，然后继续加热10分钟；加热完成后，取下湿度传感器，放置在真空干燥箱中，静止一晚上待传感器性能更加稳定。湿度传感器的性能测试如图1所示，湿度传感器响应曲线如图2所示，湿度传感器恢复曲线如图3所示。

所述数据采集及无线传输节点包括分压电路、第一电源管理电路、第一微处理器、蜂鸣器和指示灯；第一电源管理电路将三节纽扣电池串联形成的4.5V直流电压转换成3.3V电压供第一微处理器使用。

湿度传感器固定在商用呼吸面罩出气口前，用塑料支撑物品固定湿度传感器在呼吸面罩出气口前面，湿度传感器四周开阔，利于湿度扩散，缩短湿度传感器恢复时间，同时将呼吸面罩两边设有呼出气体扩散口；，防止湿度在呼吸面罩中堆积使面罩内湿度增大导致人体产生不适感觉。湿度传感器与精密电阻串联形成分压电路，采集呼吸信号，当呼出气体时，鼻气流湿度增大，湿度传感器电阻变小，其上电压减小，精密电阻两端电压增大。当呼入气体时，鼻气流湿度较小，湿度传感器电阻变大，其上电压增大，精密电阻两端电压减小，分压电路采用前述串联的三节纽扣电池供电；

精密电阻两端的电压与第一微处理器模数转换接口连接，将呼吸信号输入到第一微处理器中，通过无线通信将呼吸信号发送给接收节点。接收节点连接指示灯和蜂鸣器；为了便于观察节点工作是否正常，在采集呼吸信号及发送呼吸信号和接收报警信号时指示灯都会闪烁。当呼吸暂停超过设定时长时，蜂鸣器发出报警声音。；

所述接收节点，包括第二电源管理电路、第二微处理器、串口转USB电路；第二电源管理电路将5V直流电压转换成3.3V电压供第二微处理器使用；第二微处理器接收到数据采集及无线传输节点发送来的数据后，通过串口转USB电路传输给呼吸信号处理模块。当呼吸信号处理模块产生报警信号时，通过串口转USB电路传输报警信号给接收节点，接收节点通过无线通信将报警信号发送给数据采集及无线传输节点，蜂鸣器产生报警。

所述呼吸信号处理模块通过串口转USB电路接收呼吸气流信号，在呼吸信号处理模块实时显示呼吸曲线，便于测试人员观察。同时提取每次呼吸信号的最大值和最小值，将相邻三次呼吸信号最大值的平均值作为呼吸基线，当接收到最新数据后，与呼吸基线相比较，当呼吸信号幅值下降超过90％且超过10s时，记为一次呼吸暂停。当超过人为设定的暂停时间以后，产生报警，通过接受节点向数据采集及无线传输节点发送报警信号。为了分析历史测试数据，可以通过历史数据分析打开历史文件。

人在呼气时，呼出气体湿度相对空气湿度大，湿度传感器由于呼出气体经过表面，导致传感器电阻变大，传感器与精密电阻串联，导致精密电阻上电压降低，此为呼气过程。当吸气时，传感器周围湿度变为环境湿度，相较于呼气湿度降低，传感器电阻变大，两端分压也变大，精密电阻上电压较小，此为吸气过程。通过检测呼气、吸气过程中湿度变化，可以反应出呼吸动作的变化，进而分析呼吸频率，是否发生呼吸暂停。

湿度传感器通过塑料支撑物固定在面罩出气口，传感器四周开阔，利于传感器表面水分子挥发，快速恢复到初始状态。呼吸面罩两边剪去，利于湿气扩散。所述湿度传感器为钙钛矿湿度传感器，通过与精密电阻串联形成分压电路，微处理器均采用单片机CC2530，自带模数转换，zigbee无线通信。电源管理模块均使用电源转换芯片TPS797。串口转USB使用芯片FTR232。

当用户呼吸时，精密电阻上的分压发生变换，在呼吸信号处理模块上能够实施显示电压的变化。使用峰值提取算法检测每个呼吸周期的峰值，统计一分钟内峰值的个数，即为呼吸频率。同时取三次相邻峰值的平均值作为呼吸基线，当发生实施的呼吸信号较峰值降低90％以上且持续时间超过10s,判断为一次呼吸暂停，在呼吸信号处理模块页面右侧的列表中可以显示发生呼吸暂停开始时间、结束时间和时长，呼吸曲线图如图4所示。

Claims (3)

1.基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置，其特征在于，包括湿度传感器、数据采集及无线传输节点、接收节点和呼吸信号处理模块；

所述湿度传感器为钙钛矿湿度传感器；

湿度传感器固定在呼吸面罩出气口前，湿度传感器四周开阔，将呼吸面罩两边设有呼出气体扩散口；

所述数据采集及无线传输节点，包括分压电路、第一电源管理电路、第一微处理器、蜂鸣器和指示灯；第一电源管理电路将电池的直流电压转换成3.3V电压供为第一微处理器使用；

湿度传感器与精密电阻串联形成分压电路，采集呼吸信号，分压电路采用电池供电；

精密电阻两端的电压与第一微处理器模数转换接口连接，将呼吸信号输入到第一微处理器中，通过无线通信将呼吸信号发送给接收节点，接收节点连接指示灯和蜂鸣器；

所述接收节点，包括第二电源管理电路、第二微处理器、串口转USB电路；第二电源管理电路将直流电压转换成3.3V电压供第二微处理器使用；第二微处理器接收到数据采集及无线传输节点发送来的数据后，通过串口转USB电路传输给呼吸信号处理模块；

所述呼吸信号处理模块，通过串口转USB电路接收呼吸气流信号，在呼吸信号处理模块实时显示呼吸曲线；同时分析和存储测试数据。

2.根据权利要求1所述的基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置，其特征在于，所述钙钛矿湿度传感器，通过以下制备方法制备所得：将敏感材料钙钛矿溶解于甲苯溶液中，超声20分钟，待敏感材料分解均匀；将叉指电极放置在平板加热炉上，60度温度加热；使用移液器吸取10微升溶解有敏感材料的甲苯溶液，滴涂在叉指电极上，待甲苯挥发完后，再次滴涂，重复三次，然后继续加热10分钟；加热完成后，取下湿度传感器，放置在真空干燥箱中干燥既得。

3.根据权利要求1或2所述的基于呼吸气流信号的睡眠呼吸暂停综合征检测装置，其特征在于，所述的呼吸信号处理模块实时显示呼吸曲线；同时提取每次呼吸信号的最大值和最小值，将相邻三次呼吸信号最大值的平均值作为呼吸基线，当接收到最新数据后，与呼吸基线相比较，当呼吸信号幅值下降超过90％且超过10s时，记为一次呼吸暂停；当超过人为设定的暂停时间以后，产生报警，通过接受节点向数据采集及无线传输节点发送报警信号。

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