CN114287911A - 一种腕表式睡眠呼吸暂停监测装置、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及睡眠监测技术领域，公开了一种腕表式睡眠呼吸暂停监测装置、系统及存储介质。监测装置包括：腕表式主机、温度传感器、指套式血氧探头、多个肢体电极；腕表式主机包括：微处理器单元，以及分别与所述微处理器单元连接的呼吸气流感应模块、血氧信号采集模块和心电与呼吸阻抗采集模块；微处理器单元，用于依据各个模块采集的呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息，进行睡眠呼吸暂停评估。本发明实施例可实时监测佩戴者的呼吸气流、血氧饱和度、心电图和胸腹运动情况，判断是否发生了呼吸暂停，记录并显示整晚呼吸暂停的总次数，简便实用、测量结果可靠，提升了便利度和舒适度，降低了监测费用，扩大了睡眠呼吸暂停综合征的筛查人群。
Description
技术领域
本发明涉及睡眠监测技术领域，尤其涉及一种腕表式睡眠呼吸暂停监测装置、系统及存储介质。
背景技术
睡眠呼吸暂停指的是一种睡眠时呼吸停止的睡眠障碍，伴有睡眠缺陷、疲劳、心律失常等状态。睡眠呼吸暂停综合症鉴别为阻塞性睡眠呼吸暂停、中枢性睡眠呼吸暂停和混合性睡眠呼吸暂停三种。
睡眠呼吸暂停，会导致患者长期夜间缺氧，还容易引起脑血管意外、心力衰竭和心肌梗死，导致严重的健康安全问题，因此，有必要对用户的睡眠呼吸进行监护管理，以便及时发现异常并处理，保障用户的健康。
然而，目前通常采用住院监测方式，该方式不仅费用较高，而且舒适度较低，不够便捷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种腕表式睡眠呼吸暂停监测装置、系统及存储介质，以解决常规住院监测方式所存在的费用高、舒适度低以及便利性低的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，包括：腕表式主机、温度传感器、指套式血氧探头、多个肢体电极；
所述腕表式主机包括：微处理器单元，以及分别与所述微处理器单元连接的呼吸气流感应模块、血氧信号采集模块和心电与呼吸阻抗采集模块；
所述呼吸气流感应模块，与所述温度传感器电连接，用于根据所述温度传感器的温度检测结果的变化状态，获得人体的呼吸气流信息；
所述血氧信号采集模块，与所述指套式血氧探头电连接，用于控制所述指套式血氧探头的发光二极管发射红光和红外光，并测定所述红光和红外光通过人体组织后的光强，根据所述光强计算获得血氧饱和度；
所述心电与呼吸阻抗采集模块，用于通过心电导联线与所述肢体电极连接，获取人体的心电信号；还用于通过在所述肢体电极的两端加载高频恒流源以获取呼吸阻抗值变化的波形信号，根据所述波形信号得到人体的胸腹运动信息；
所述微处理器单元，用于依据所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息，进行睡眠呼吸暂停评估。
可选的，所述微处理器单元，还用于针对呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息分别进行滑动平均滤波处理。
可选的，所述微处理器单元，具体采用五点滑动平均滤波器执行所述滑动平均滤波处理，所述五点滑动平均滤波器的传递函数为：
H(z)＝(1+z-1+z-2+z-3+z-4)/5
其中，z-n表示前移n个采样点，n为1、2、3或4。
可选的，所述微处理器单元，还用于预先获得佩戴者本人的正常生理信号，并根据所述正常生理信号计算预设时长内的平均血氧饱和度、心率和呼吸波形幅度作为参考标准，根据所述参考标准执行所述睡眠呼吸暂停评估操作。
可选的，所述腕表式主机还包括与所述微处理器单元连接的液晶显示器；
所述微处理器单元，还用于在评估出现超过预设连续时长阈值的呼吸暂停或低通气伴随血氧降低，且出现心率降低和胸腹起伏程度降低情况时，进行报警，同时将呼吸异常计数器加1，并控制液晶显示器显示呼吸异常数值。
可选的，所述腕表式主机还包括通信模块；
所述微处理器单元，还用于将采集的所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息以及睡眠呼吸暂停评估结果，通过所述通信模块发送至终端设备。
可选的，所述温度传感器为用于佩戴于人体口鼻之间的热敏电阻器。
一种睡眠呼吸暂停监测系统，包括：如上任一项所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，以及终端设备；
所述腕表式睡眠呼吸暂停监测装置与所述终端设备通信连接。
可选的，所述终端设备，用于从所述腕表式睡眠呼吸暂停监测装置获取所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息以及睡眠呼吸暂停评估结果，并对获取的信息按照预设规则进行显示及存储。
一种存储介质，所述存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行以下步骤：
根据温度传感器的温度检测结果的变化状态，获得人体的呼吸气流信息；
控制指套式血氧探头的发光二极管发射红光和红外光，并测定所述红光和红外光通过人体组织后的光强，根据所述光强计算获得血氧饱和度；
获取人体的心电信号；以及通过在肢体电极的两端加载高频恒流源以获取呼吸阻抗值变化的波形信号，根据所述波形信号得到人体的胸腹运动信息；
依据所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息，进行睡眠呼吸暂停评估。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例通过控制各类传感器，实时监测佩戴者的呼吸气流、血氧饱和度、心电图和胸腹运动情况，判断是否发生了呼吸暂停，记录并显示整晚呼吸暂停的总次数，同时将所测生理参数能够通过无线方式发送到智能手机或平板，以供医生进一步分析。与传统的住院监测方式相比，简便实用、测量结果可靠，有效提升了便利度和舒适度，且降低了监测费用，扩大了睡眠呼吸暂停综合征的筛查人群。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的腕表式主机的硬件结构图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，主要包括腕表式主机、温度传感器、指套式血氧探头、多个肢体电极。
请参阅图1，腕表式主机包括：微处理器单元，以及分别与所述微处理器单元连接的呼吸气流感应模块、血氧信号采集模块和心电与呼吸阻抗采集模块。下面将对各个部分进行详细描述。
(1)呼吸气流感应模块：具体可采用温度传感器感应法，与温度传感器电连接，用于根据温度传感器的温度检测结果的变化状态，获得人体的呼吸气流信息。
示例性的，温度传感器为热敏电阻器，在具体应用时将热敏电阻器固定于佩戴者的口鼻之间，由于佩戴者在吸气和呼气时会引起周围气体的温度改变，热敏电阻器的热敏电阻值会随着呼吸同步发生周期性的变化，因此根据热敏电阻值的变化可识别佩戴者的呼吸气流情况。该方法占用系统体积小、佩戴轻巧方便，减轻不适。
(2)血氧信号采集模块
与指套式血氧探头电连接，用于控制指套式血氧探头的发光二极管发射红光和红外光，并测定红光和红外光通过人体组织后的光强，根据光强计算获得血氧饱和度。
血氧饱和度是检测和评估睡眠呼吸暂停的重要指标，本发明实施例采用无创检测法，利用血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白在红光和红外光区域不同的吸光特性，测定2种波长的光通过组织后的光强计算血氧饱和度。
血氧信号采集模块具体可以用脉宽调制(pulse width modulation，PWM)方式控制指套式血氧探头的发光二极管(light-emitting diode，LED)发出红光和红外光，精度高、功耗低、体积小。
(3)心电与呼吸阻抗采集模块
心电信号是体表电极测量的电位差随时间变化的函数，本发明实施例选择通过RA、LA、RL这三个肢体电极获取标准I导联心电信号；同时，利用其中的RA，LA这两个体表电极，在电极两端加载高频恒流源，将胸腹呼吸运动使电导路径长度改变引起的阻抗值变化调制到高频载波上，经过滤波和解调获取呼吸阻抗值变化的波形信号得到胸腹运动情况，可以显著降低装置体积，在准确测量所需参数同时最大程度的保证用户的舒适度。
本发明实施例选取了集成呼吸阻抗和心电信号测量的低功耗模拟前端，其通道一专门针对呼吸阻抗测量，配置寄存器使芯片控制调制模块产生高频载波，并加载到LA和RA2个心电电极上；其通道二专门针对心电测量，用于获取标准I导联心电信号。
(4)微处理器单元：具体选用STM32F4系列微处理器作为系统主控，具备高性能、低功耗和低成本的特点，其丰富的片上资源可满足各类传感器的通信需求。
该微处理器单元，用于依据所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息，进行睡眠呼吸暂停评估。
此外，腕表式主机还可以包括液晶显示器、通信模块、按键开关、充电单元等等其他模块。
针对上述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，具体软件设计如下：
单片机端程序由IAR Embedded Workbench开发，软件设计采用C语言。首先初始化实时时钟、定时器、液晶驱动、各种传感器、蓝牙传输端口、中断的抢占优先级和响应优先级，装置开始采集各个生理信号并通过滑动平均滤波器去除工频干扰和高频噪声。由于各项生理信号(血氧饱和度、呼吸气流、心电图、呼吸阻抗)的采样频率为250Hz，是工频的整数倍，因此，五点滑动平均滤波器对工频干扰及其谐波分量有极强的衰减作用，并可去除心电信号中的高频肌电干扰。五点滑动平均滤波器的传递函数为
H(z)＝(1+z-1+z-2+z-3+z-4)/5
该函数是Z变换中平均滤波器的标准表示方法，z-n可理解为前移n个采样点，n为1、2、3或4。
然后使用纯净的生理信号计算40s内的平均血氧饱和度、心率和呼吸波形幅度，存储作为佩戴者本人正常呼吸时的参照标准。如果出现连续10s以上呼吸暂停或低通气伴随血氧降低，且出现心率降低和胸腹起伏程度降低情况，系统报警，同时呼吸异常计数器加1，并将数值显示在液晶上。
在一种可选的实施方式中，上述腕表式睡眠呼吸暂停监测装置的佩戴方法为：将腕表式主机佩戴在左手手腕处，在腕表式主机左侧micro USB插孔插入心电导联线，右侧micro USB插孔插入血氧探头；将心电导联线通过一次性Ag/AgCl电极贴接人体对应位置，左侧胸部贴LA，右侧胸部贴RA，右腿与躯干连接处贴RLD，手指佩戴指套式血氧探头。
本发明实施例还提供了一种睡眠呼吸暂停监测系统，包括：如上所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置以及终端设备，两者通过有线或者无线方式连接。
可以理解的是，该终端设备可以为手机、平板等各种移动设备。该终端设备，用于从腕表式睡眠呼吸暂停监测装置获取呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息以及睡眠呼吸暂停评估结果，并对获取的信息按照预设规则进行显示及存储。
为了在手机、平板等移动设备上显示并方便医生进一步分析波形，设计了针对蓝牙4.0的无线数据通信的数据包格式。每一个数据包由人机交互(human computerinteraction，HCI)命令、标识码、数据长度、信息字段构成。打开手机、平板上相应的应用程序，首先进行蓝牙配对，然后选择想要查看的波形，亦可以选择查看生理参数变化的折线。按下夜间记录按钮，应用程序将把整晚的各类数据按照时间顺序存成.TXT文件，方便患者了解发生呼吸暂停的具体时间点。
本领域普通技术人员可以理解，上述腕表式睡眠呼吸暂停监测装置中的全部或者部分功能可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。
为此，本发明实施例还提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行以下步骤：
根据温度传感器的温度检测结果的变化状态，获得人体的呼吸气流信息；
控制指套式血氧探头的发光二极管发射红光和红外光，并测定所述红光和红外光通过人体组织后的光强，根据所述光强计算获得血氧饱和度；
获取人体的心电信号；以及通过在肢体电极的两端加载高频恒流源以获取呼吸阻抗值变化的波形信号，根据所述波形信号得到人体的胸腹运动信息；
依据所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息，进行睡眠呼吸暂停评估。
其中，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，其特征在于，包括：腕表式主机、温度传感器、指套式血氧探头、多个肢体电极；
所述腕表式主机包括：微处理器单元，以及分别与所述微处理器单元连接的呼吸气流感应模块、血氧信号采集模块和心电与呼吸阻抗采集模块；
所述呼吸气流感应模块，与所述温度传感器电连接，用于根据所述温度传感器的温度检测结果的变化状态，获得人体的呼吸气流信息；
所述血氧信号采集模块，与所述指套式血氧探头电连接，用于控制所述指套式血氧探头的发光二极管发射红光和红外光，并测定所述红光和红外光通过人体组织后的光强，根据所述光强计算获得血氧饱和度；
所述心电与呼吸阻抗采集模块，用于通过心电导联线与所述肢体电极连接，获取人体的心电信号；还用于通过在所述肢体电极的两端加载高频恒流源以获取呼吸阻抗值变化的波形信号，根据所述波形信号得到人体的胸腹运动信息；
所述微处理器单元，用于依据所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息，进行睡眠呼吸暂停评估。
2.根据权利要求1所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，其特征在于，所述微处理器单元，还用于针对呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息分别进行滑动平均滤波处理。
3.根据权利要求2所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，其特征在于，所述微处理器单元，具体采用五点滑动平均滤波器执行所述滑动平均滤波处理，所述五点滑动平均滤波器的传递函数为：
H(z)＝(1+z-1+z-2+z-3+z-4)/5；
其中，z-n表示前移n个采样点，n为1、2、3或4。
4.根据权利要求1所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，其特征在于，所述微处理器单元，还用于预先获得佩戴者本人的正常生理信号，并根据所述正常生理信号计算预设时长内的平均血氧饱和度、心率和呼吸波形幅度作为参考标准，根据所述参考标准执行所述睡眠呼吸暂停评估操作。
5.根据权利要求1所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，其特征在于，所述腕表式主机还包括与所述微处理器单元连接的液晶显示器；
所述微处理器单元，还用于在评估出现超过预设连续时长阈值的呼吸暂停或低通气伴随血氧降低，且出现心率降低和胸腹起伏程度降低情况时，进行报警，同时将呼吸异常计数器加1，并控制液晶显示器显示呼吸异常数值。
6.根据权利要求1所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，其特征在于，所述腕表式主机还包括通信模块；
所述微处理器单元，还用于将采集的所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息以及睡眠呼吸暂停评估结果，通过所述通信模块发送至终端设备。
7.根据权利要求1所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，其特征在于，所述温度传感器为用于佩戴于人体口鼻之间的热敏电阻器。
8.一种睡眠呼吸暂停监测系统，其特征在于，包括：如权利要求1至7任一项所述的腕表式睡眠呼吸暂停监测装置，以及终端设备；
所述腕表式睡眠呼吸暂停监测装置与所述终端设备通信连接。
9.根据权利要求7所述的睡眠呼吸暂停监测系统，其特征在于，所述终端设备，用于从所述腕表式睡眠呼吸暂停监测装置获取所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息以及睡眠呼吸暂停评估结果，并对获取的信息按照预设规则进行显示及存储。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行以下步骤：
根据温度传感器的温度检测结果的变化状态，获得人体的呼吸气流信息；
控制指套式血氧探头的发光二极管发射红光和红外光，并测定所述红光和红外光通过人体组织后的光强，根据所述光强计算获得血氧饱和度；
获取人体的心电信号；以及通过在肢体电极的两端加载高频恒流源以获取呼吸阻抗值变化的波形信号，根据所述波形信号得到人体的胸腹运动信息；
依据所述呼吸气流信息、血氧饱和度以及胸腹运动信息，进行睡眠呼吸暂停评估。
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