CN204318758U - 一种基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置，包括气垫床，所述气垫床由多个并列的气室构成，其中的2个间隔布置的气室为测量气室，其余的气室为支撑气室，所述两个测量气室分别通过一连接导管连接至一压阻式压力传感器的输入端，所述两个测量气室之间连接有平衡管，所述压阻式压力传感器选择GE公司的NPC1210系列的低压传感器中的一款，所述压阻式压力传感器的结构是4个P型电阻组成的惠斯通电桥结构，所述P型电阻内部有半导体膜片，所述压阻式压力传感器连接有恒流源供电电路。本实用新型搭建出了稳定可靠的信号采集平台，使得测试者的呼吸信号能够准确传达到传感器，同时排除体重等大信号的干扰。

Description

一种基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种呼吸监护系统，尤其涉及一种基于气垫床的睡眠呼吸监护系统。

背景技术

睡眠呼吸暂停综合征(Sleep Apnea Syndrome:SAS)是人类生命和健康的潜在杀手^[1]。SAS是一种睡眠中发生呼吸暂停的睡眠障碍。根据R&K手册^[1]，人体睡眠中的呼吸障碍可分成两种^[2]：①无呼吸(Apnea)：口或者鼻的气流停止流动超过十秒；②低呼吸(Hypopnea)：换气量低于50％时间超过十秒。医学上，“无呼吸/低呼吸指数”(Apnea-hypopnea Index,AHI)定义是指平均一小时内无呼吸及低呼吸事件的次数。在成人，普遍将AHI高于5诊断为患有睡眠呼吸暂停；在儿童，诊断数值未有定案，有人将AHI高于1.5定义为儿童睡眠呼吸暂停^[3]。呼吸暂停综合症一般可以分为以下3种类型：阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)，中枢性呼吸暂停(CSA)及混合型睡眠暂停(MSA)^[3]。其中OSA患者最为普遍，占84％的比例。OSA与CSA的主要区别在于呼吸道是否通畅。

成人呼吸暂停临床表现为鼾声巨大；鼾声时常因呼吸暂停中断，然后出现喘气；日间嗜睡，日间专注度，认知能力下降；清晨头痛；体重增加等。儿童发生呼吸暂停表现为夜间睡眠时有打鼾、呼吸声音异常；白天会有好动及嗜睡^[4]。这些症状比较十分常见，也因此容易被忽略。事实上，统计资料显示，国外睡眠呼吸暂停综合征的发病率是2％到4％，我国的统计大概是3％到4％左右，并有逐年提高的趋势^[5]，呼吸暂停综合症在中年男性最为普遍；男性的发病率约为女性的2至8倍。

其中早产儿的呼吸暂停综合症，因早产儿发病率高、抵抗力较弱、危害严重，尤为受关注。由于早产儿的中枢呼吸系统发育不完善，区别于成人，其调节呼吸的能力有限，容易出现呼吸障碍，因此这个群体患上呼吸暂停综合症的概率比一般群体要高得多。据临床统计，约40～50％的早产儿会有周期性呼吸的症状出现；周期性呼吸是呼吸异常的一种，表现为呼吸加快加强减弱减慢的交替出现。因为早产儿自主调节呼吸的能力弱，患有周期性呼吸的早产儿中约有一半会发展为呼吸暂停。而且胎龄越小的早产儿，身体功能越不完善，患上呼吸暂停综合症的概率越大^[6]。此外缺氧、体温变化、低血糖等因素同样可能导致新生儿的呼吸暂停综合症。呼吸暂停对于新生儿来说是一种严重生理障碍。当发现新生儿出现呼吸暂停时，需要尽快对其实施呼吸帮助和其他救助措施，维持生命机体的正常工作。如没有得到及时处理,长时期缺氧可导致脑损伤、肌肉萎缩等，对新生儿的身体和智力发展不利，严重时甚至造成窒息死亡^[7]。

成年人及儿童的呼吸暂停并未受到广泛的关注，虽然其没有癌症、肺结核等疾病的致死率高，但是其对患者个人和社会都具有明显的危害,如图1-1所示。它不仅影响患者个人休息，导致个人日间疲惫；而且睡眠过程中长期缺氧严重损害机体各脏器的机体功能^[8]，例如可导致心脏供血能力不足、血压增高、胸闷气短、头晕眼花、内分泌失调及肌无力等，严重时甚至发生猝死。对于老年人，呼吸暂停可能导致或者加重某些心血管疾病；对于儿童，呼吸暂停可能导致其发育滞后、体格瘦弱；对于孕妇呼吸暂停可能影响胎儿的发育；除此以外，呼吸暂停常常打扰周围人的睡眠，给家庭和社会带来不便。

睡眠过程中的呼吸暂停会导致人体供养不足、机体功能紊乱；进而间接引起要有脑电图、心跳、血氧饱和度、睡眠结构、呼吸利用、血压等生理信号异常^[9]。其中呼吸是最明显和直接的生理信号。同时呼吸是人体基本生命活动的重要标志。非正常的呼吸信号是呼吸道疾病，乃至生命危险的前兆。这也正是上述列举所有家庭监护仪都会对呼吸信号进行检测的原因。

呼吸是人体的一项基本生命活动，呼吸过程中人体及其周围的多项物理量(如压力、声音、气体流量、阻抗等)会发生变化。传感器作为人体和医疗仪器的耦合环节，精确地检测到这些物理量变化，并将其转换为电信号。并通过信号处理技术，将其中蕴含的呼吸信号特征提取出来，从而反应出人体的呼吸状况。这是呼吸信号检测的一般原理。目前随着传感技术、无线通信技术、信号处理技术等的不断进步和成熟，呼吸信号的检测方式也不断进步、成熟，根据传感器或者电极与测试者接触与否，可将呼吸检测手段分为以下两大类：接触式检测手段和非接触式检测手段。

(1)接触式呼吸检测手段

接触式呼吸检测手段是指在信号检测过程中传感器或者电极与测试者直接接触。接触式检测一般有精确、可靠等优点，但是睡眠中呼吸监护是个长时间检测过程，接触式检测手段在监护过程常常造成测试者不适，干扰测试者的自然睡眠。同时测试者在睡眠过程中发生身体活动，可能导致传感器发生移位甚至脱落，影响测量准确性。

(2)非接触式呼吸检测手段

非接触式呼吸检测手段是指在检测过程中传感器或者电极与测试者没有直接接触。接触式呼吸检测在某些场合(如烧伤患者、新生儿等)具有局限性，非接触式检测具有明显的优势。下面简要介绍几种非接触式呼吸检测手段：

(a)生物雷达检测。生物雷达区别与一般的雷达，具有能够穿过床单、衣物等非金属物质的特性。其工作原理：生物雷达产生的电磁波束达到人体身上，由于呼吸、心跳等生理活动，人体表面会产生微小的机械运动。根据多普勒效应，返回的电磁波相位、幅值等信号与人体表面微动具有一定相关性，利用此信息可以将人体生理信号提取出。第四军医大学生物类大课题组在国内首先提出基于雷达的非接触式生理信号检测，并通过多种软件算法(LMS算法、同态滤波、RLS算法、小波变换等)成功实现了呼吸、心跳等信号的提取和分离，实现临床监护^[10]。但是目前这种监护手段在家庭监护领域普及尚有难度。

(b)基于特殊床垫式检测。基于特殊床垫式检测是指将特殊的传感器嵌入床垫，进行呼吸数据测量。在睡眠监护方面可以采用压电传感器、压力传感器、电容传感器等。虽然这几类传感器工作原理不一样，但是在监测睡眠呼吸上的应用基本是一致的，都是人体躺在特殊床垫上时，呼吸/心跳等生理活动引起床垫微弱的微小的形变或者压力变化；这引起传感器参数的变化，传感器检测到此微小变化并将其转换为电信号，再通过处理电路和软件算法把淹没在强噪声环境中的微弱呼吸等信号提取出来^[11]。

(c)视觉检测法。视觉检测系统，一般情况下至少由3部分构成：首先是光源发射器，用来提供光点阵列；第二部分为带有一个光学带通滤波器的电荷耦合摄像机(CCD)，用来接收光阵列信号；最后是计算机处理器。光源在检测对象上发射一系列的亮点后，由CCD捕捉这些亮点；经过视觉标定，可以分析和获取每一个图像上亮点的移动距离、方位等信息。由光点阵列的移动信息，可以间接得到人体微小生理活动的频率、幅值等信息。但是身体活动(如睡眠姿势变换、翻身动作等)对这种检测手段的测量精度影响很大^[12]。

现代的家庭监护对生理信号的检测手段提出了更高要求；家庭监护不仅要求生理信号的检测要达到准确可靠，而且还要做到舒适和便捷。非接触式检测和无负担检测是现代家庭监护的一个重要发展方向^[13]。床垫式监护和可穿戴式监护满足了低负荷/无负荷监护的要求，不仅解放了监护人员，而且减少监护者的生理和心理负担，代表了家用监护的发展方向，是目前家庭监护领域的研究热点。

参考文献：

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[13]杨宣兵，高潮，郭永彩等；基于单片机的便携式无线家庭监护仪的设计[J]，仪器仪表学报，2004，2。

实用新型内容

根据对市场上睡眠监护仪的分析、呼吸检测手段的研究和家庭监护的发展趋势，考虑到家庭呼吸监护仪监护的群体范围非常广，从刚出生的婴儿到儿童、青年再到老年人；不同的群体，身高体重、身体状态、睡眠状况比较复杂，本实用新型设计的呼吸信号采集装置兼顾稳定性、可靠性的同时，能够适应不同群体的使用。虽然现有技术中提到多种接触式和非接触式呼吸信号的检测手段，但是目前家庭睡眠监护最典型的代表也是采用最多的是床垫式检测和可穿戴式检测。其中可穿戴式检测属于接触式检测手段，长期使用可穿戴式产品可能造成测试者身体或者皮肤的不适，特别是对于新生儿或者烧伤病人等群体，接触式测量可能影响测试者的自然睡眠。同时由于测试者好动等特性，可穿戴式产品在睡眠过程中常常发生松弛或者脱落，影响测量准确性。因此，本实用新型采用非接触式生理监护能够克服接触式测量与人体直接接触的缺点，减少接触式测量给测试者带来的不舒适感和不便；能够满足家庭长时间监护的要求，代表了家庭监护的发展方向之一。尤其是床垫式睡眠监护与人体的自然睡眠相契合，测试者几乎不会感觉到其干扰，同时能够大幅度减少测试者长时间接触电磁辐射的危险。本实用新型提出一种基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置，为开发研究睡眠监护系统产品奠定基础。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置，包括气垫床，所述气垫床由多个并列的气室构成，其中的2个间隔布置的气室为测量气室，其余的气室为支撑气室，所述两个测量气室分别通过一连接导管连接至一压阻式压力传感器的输入端，所述两个测量气室之间连接有平衡管。

进一步讲，所述压阻式压力传感器选择GE公司的NPC1210系列的低压传感器中的一款。所述压阻式压力传感器的结构是4个P型电阻组成的惠斯通电桥结构，所述P型电阻内部有半导体膜片。

所述压阻式压力传感器连接有恒流源供电电路，所述恒流源供电电路包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、稳压二极管D1和电容C1，所述传感器的+IN输入端连接与运算放大器的输出端相连，所述运算放大器的同相输入端同时与所述电阻R1的一端、所述稳压二极管D1的阴极和所述传感器的-IN输入端连接，所述电阻R1的另一端连接至供电电压，所述运算放大器的反相输入端通过所述电阻R2与接地电压相连，所述稳压二极管D1的阳极同时与所述电容C1的一端和接地电压相连，所述电容C1的另一端接地。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

搭建稳定可靠的信号采集平台，使得测试者的呼吸信号能够准确传达到传感器，同时排除体重等大信号的干扰。

附图说明

图1是呼吸暂停综合症可能产生的危害影响示意图；

图2是呼吸信号受到多种干扰信号的混杂影响示意图；

图3是本实用新型基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置结构简图；

图4是气垫床采集模型图；

图5是本实用新型实施例结构简图

图6是图5所示实施例中恒流源供电电路原理图；

图7是模拟翻身动作的响应图，将身体活动或者翻身动作看作为类阶跃函数U(t)，其中：(a)为阶跃函数，(b)阶跃函数响应；

图8是模拟呼吸运动的响应图，呼吸引起的胸腹部扩张收缩运动波形类似正弦波，其中：(a)正弦函数，(b)正弦函数响应，(c)正弦函数响应幅值与频率的关系图；

图9是平衡管管道的气阻串联气容的模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述。

本实用新型基于经济性、准确性、稳定性及床垫设计难度的综合考虑，设计了一种基于气垫床床垫和压阻式压力传感器(piezoresistive pressure transducer)的睡眠呼吸信号采集方案。本实用新型提出的一种基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置，包括气垫床，如图3所示，所述气垫床由多个并列的气室构成，其中的2个间隔布置的气室为测量气室1(图3中灰色气室)，其余的气室为支撑气室2(白色气室)，每个气室充气后的尺寸为100cm*10cm*8cm，气垫床整体位于床垫之上，气垫床与测试者之间仅隔薄织物。测试者未躺在气垫床上时，气室初始气压在10kPa左右；测试者躺上气垫床后，加上测试者体重带来的压强，气室仍能保持弹性状态。所述两个测量气室1分别通过一连接导管3连接至一压阻式压力传感器4的输入端，连接导管内径为8mm，长度为20cm。所述两个测量气室1之间通过内径为8mm，长度为25cm的平衡管5连接。

采用气垫床采集生理信号过程中，呼吸等生理信号会造成气垫床的压强变化，同时测试者体重和身体活动也会对气垫床施加压力，引起形变，造成其压强变化。而且与体重、身体活动带来的压强变化相比，呼吸信号造成的压强变化十分微弱。如何从“大压力”中有效地检测出微弱的呼吸信号，是测量系统首先要解决的问题。本实用新型中采用差压测量和平衡管。

因为在所设计的测量模型中，有用信号(呼吸)可以认为是存在于差模信号部分。为了提高测量系统的灵敏度和信噪比，采用差压测量的方法。具体实施是指压阻式压力传感器通过连接导管3与两个测量气室1相连接并测量其气压差。通过差压测量，有效的消除了两个测量气室1之间共模成分，有利于呼吸信号的放大处理而不至于饱和。

但是睡眠过程中较大幅度的身体活动(特别是翻身动作等)和2个测量气室之间过大的初始气压差，常常导致压阻式压力传感器输出饱和的现象。这也是床垫式生理监护遇到的一个共同的难题。为此，本实用新型中引入“平衡管5”的方法。平衡管5是指在2个测量气室1之间连接一段导管，可以平衡两个连接气室之间的气压差。下面通过气动数学模型来分析平衡管5的作用。

1.平衡管和差压测量的数学模型

根据Yongjoon Chee,Jooman Han等理论(Chee Y,Han J,Youn J,et al.Air mattress sensorsystem with balancing tube for unconstrained measurement of respiration and heart beatmovements[J].Physiological measurement,2005,26(4):413.)，建立如图4所示的等效气动模型，图4中各个符号表示含义如下：m₁、m₂、m₃分别为通过两条连接导管和平衡管内气体的质量；R₁、R₂、C₁、C₂分别为2条连接导管内气体的气阻和气容；R₃、C₃为平衡管内气体的气阻和气容；q₁、q₂、q₃分别表示两条连接导管和平衡管内气体质量流率； 分别表示差压传感器两端的气压；表示两个测量气室的初始气压值；P_x1、P_x2分别表示施加在2个测量气室的压强。

为了简化模型，假设2个测量气室之间初始气体压强相等(均为)，在差压测量中相互抵消；气体流动过程中温度恒定，且不考虑气体流动过程中的压力损失。

首先，假设在没有平衡管或者平衡管不导通的情况。根据气体伯努利方程和质量守恒定律，对于连接导管3(左侧连接导管)内气体，左侧测量气室内的气体受到挤压，压强变化P_x1；；传感器与连接管1连接端压强变化为P_o1；左侧连接管的气阻R1和输入输出压强P_x1、P_o1、气体质量流率q₁之间有以下关系(王孝华.阻-容(气阻-气容)结构充气时间的讨论[J].组合机床与自动化加工技术,1983,2:009.)：

$R_1=\frac{P_{x1}-P_{o1}}{q_1}$

气容C₁和m₁、P_o1之间有如下关系式：

$C_1=\frac{{\mathrm{dm}}_1}{{\mathrm{dP}}_{o1}}=q_1\×\frac{\mathrm{dt}}{{\mathrm{dP}}_{o1}}$

$R_1\×C_1\×\frac{{\mathrm{dP}}_{o1}}{\mathrm{dt}}+P_{o1}=P_{x1}---\left(1\right)$

从公式(1)可以看出，如果把P_x1和P_o1分别看做气动系统的输入量和输出量。其传递函数

$G\left(s\right)=\frac{P_{x1}\left(s\right)}{P_{o1}\left(s\right)}=\frac{1}{R_1*C_1*S+1}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1*s+1}---\left(2\right)$

其中τ₁＝R₁*C₁。可以看出这是一个基础的惯性环节，且τ1为惯性环节的时间常数，也就是它的阻尼系数。同理右侧连接导管内气体有如下关系式：

$R_2\×C_2\×\frac{{\mathrm{dP}}_{o2}}{\mathrm{dt}}+P_{o2}=P_{x2}---\left(3\right)$

在两条连接导管材料、长度及直径等相同时，可以认为R₁＝R₂，C₁＝C₂。由关系式(1)、(3)可以得到

$R_1\×C_1\×\frac{d(P_{o1}-P_{o2})}{\mathrm{dt}}+{(P_{o1}-P_{o2})=P}_{x1}-P_{x2}$

$R_1\×C_1\×\frac{{\mathrm{dP}}_o}{\mathrm{dt}}+P_o=P_x---\left(4\right)$

其中P_o＝P_o1-P_o2，P_x＝P_x1-P_x2。P_x表示2个测量气室之间的压强差，P_o表示差压传感器2个输入端的压强差。

接着，假设连通平衡管，由于2个测量气室之间存在气压差，平衡管内气体产生流动。因此必须考虑平衡管内的气体流动和压强变化。有气体流动的基础方程式同样可以得到：

$R_3=\frac{P_{x1}-P_{x2}}{q_3}$

$C_3=\frac{{\mathrm{dm}}_3}{{\mathrm{dP}}_{x2}}=q_3\×\frac{\mathrm{dt}}{{\mathrm{dP}}_{x2}}=(P_{x1}-P_{x2})\×\frac{\mathrm{dt}}{R_3{\mathrm{dP}}_{x2}}$

$R_3\×C_3\×\frac{{\mathrm{dP}}_{x2}}{\mathrm{dt}}+P_{x2}=P_{x1}---\left(5\right)$

由关系式(4)、(5)可以看出，差压传感器的输入气压差P_o可以表示为关于P_x1’,P_x2’的函数。当给予测量气室压强P_x1’,P_x2’时，P_o可以由如下步骤解出：

(a)对于施加在测量气室的压力[P_x1’,P_x2’]，令P_x1＝P_x1’-P_x2’；

(b)由公式(5)得到P_x2及P_x；

(c)根据(b)中所解得的P_x，由公式(4)得到P_o。

(1)模拟翻身动作的响应

为了简化测量模型，本实用新型中，将身体活动或者翻身动作看作为类阶跃函数U(t)。即P_2x′＝0，此时P_x1＝P_x1′＝A₁×U(t)。根据前面建立的气体流动模型，得到压力传感器端的响应Po表示为公式(6)

$P_o=A_1\×\frac{{\mathrm{\τ}}_3}{{\mathrm{\τ}}_3-{\mathrm{\τ}}_1}\×(e^{-\frac{t}{x3}}-e^{-\frac{t}{x1}})---\left(6\right)$

其中τ₁、τ₃分别为连接导管和平衡管的时间常数。τ₁＝R₁*C₁，τ₂＝R₂*C₂。

当τ₁＝0.05、τ₃＝1.7，A₁＝1时，P_o关于时间的响应关系如图7(a)、(b)所示。从图7(a)、(b)上可以看出，对于阶跃函数激励，系统所建立的测量模型具有类似惯性环节的效果，输出响应呈对数曲线规律变化，即先快后慢；同时通过调整连接导管和平衡管的长度和直径等参数，可以改变响应函数的建立和衰减时间。这说明对于翻身动作等干扰，采用差压测量和平衡管的测量模型经过一段时间可以将其干扰大幅度降低，减少传感器和信号饱和的可能和时间。

(2)模拟呼吸运动的响应

人体的呼吸运动是周期性运动，呼吸引起的胸腹部扩张收缩运动波形类似正弦波，在此将呼吸运动假设为类正弦函数sin(wt)。P_x1′＝A₂×sin(t)，P_2x′＝0，此时：P_x1＝P_x1′＝A₂×sin(wt)。根据上节建立的气体流动模型，得到压力传感器端的响应P_o表示为公式(2-7)

$P_o=\frac{A_2\×{\mathrm{\τ}}_3\×w\×((1-{\mathrm{\τ}}_1\×{\mathrm{\τ}}_3\×w^2)\×\cos \left(\mathrm{wt}\right)+({\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_3)\×w\×\sin \left(\mathrm{wt}\right))}{(1+{{\mathrm{\τ}}_3}^2\×w^2)\×(1+{{\mathrm{\τ}}_3}^2\×w^2)}---\left(7\right)$

当τ₁＝0.05、τ₃＝1.7，A₂＝1，w＝3.14时，P_o关于正弦函数的响应如图8所示。从图8(a)、(b)上可以看出，对于正弦函数激励，在系统所建立的测量模型下，其响应波形没有明显的变化，只是幅值受到比较大影响；说明对于呼吸运动，差压测量和平衡管的模型能够较好的保留呼吸波形的形态特征，但测量的灵敏度受到较大影响，因此在本设计中高灵敏度是选择压力传感器的重要指标之一。图8(c)是τ₁＝0.05、τ₃＝1.7时，正弦函数响应幅值与频率的关系图。通过改变平衡管的长度、直径可以改变τ₁、τ₃；从而影响响应幅值与频率关系。

2.平衡管参数选择及优缺点

一般来说可以把一段管道看作是气阻和气容的耦合元件，如图9所示，是一个最简单的气阻气容的串联模型。本设计中两条连接导管可以看作恒气阻串联恒气容元件；平衡管看作是恒气阻串联变气容元件。

气体性质、气体流动类型及气动元件本身的机构等都会对气阻的大小产生影响。工程上一般把一段管道的气阻R合成管道的等价有效断面积。其有效断面积具体计算公式如下：

$S_p=S_{\mathrm{po}}\frac{1}{\sqrt{L}}---\left(8\right)$

其中S_po计算管路有效断面积的直径系数，L管道的长度。从公式上可以看出，一段管路的有效断面积同成管路直径(D)正相关，同管路长度(L)成负相关。

气容C的方程式可以由气态方程式确定：如图9，P为初始气压，对气室充放气，充气前气室气压为P₁，气室内气压为P2。假设气压变化前，管道状态为V＝V₁、P＝P₁、ρ＝ρ₁；气压变化后，管道状态为V＝V₂、P＝P₂、ρ＝ρ₂。(V为气室体积，P为气室气压，ρ为气室内气体密度)。充气过程中，进入气室的气体质量：

m＝ρ₁*∫Qdt＝ρ₂*V₂-ρ₁*V₁    (9)

在恒温状态下，

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{P_1}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{P_2}=\mathrm{const}---\left(10\right)$

充气后，气室体积

$V_2=V_1+\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dP}}(P_2-P_1)---\left(11\right)$

由公式(9)(10)(11)得到，气容C

$C=\frac{\∫\mathrm{Qdt}}{\mathrm{\ΔP}}=\frac{V_1+P_2*(\mathrm{dV}/\mathrm{dP})}{P_2}---\left(12\right)$

从公式(12)看出，对于已知一段管道的长度和直径虽然不能直接计算R、C值，可以间接反映并调整管道的气阻、气容大小。

本实用新型采用了差压测量和平衡管，通过以上对其数学模型分析说明，平衡管相当于具有一定时间常数的带通滤波器。测试者在睡眠过程中可能发生大的身体活动或者姿势变换等，常规的床垫式检测常常发生检测误差甚至信号饱和以致无法检测的状况。在本实用新型中利用了平衡管连接2个测量气室，成功实现了测量系统的自动调整，减少身体活动及姿势变换的影响。同时通过调整平衡管和连接导管的长度、直径等参数，能够改变“气动滤波器”选择通过的频带范围，抑制呼吸频带外的干扰信号。但是平衡管也存在降低测量灵敏度、增加响应时间等缺点，这也是再设计和选择平衡管参数时不得不考虑的问题。总体来说，在选择平衡管和导管参数时，要兼顾测量系统的鲁棒性和灵敏度，在此做出平衡；既要其有效地实现“气动滤波器”功能，也不能过分牺牲测量灵敏度和响应时间。

本实用新型中采用压阻式压力传感器采集2个测量气室的压差信号。压阻式传感器的主要结构是4个P型电阻组成的惠斯通电桥结构。P型电阻内部有半导体膜片，当P型电阻受到应力作用，发生压阻效应，电阻率发生改变，电阻值也跟着变化(陆佳，刘任先；硅压阻式传感器与AD7705芯片在压力测量中的应用[J]；河海大学常州分校学报；2003；17(2)：71-75.)。为了满足测量需要，压阻式传感器需要满足以下几个要求：

(a)高精度、高灵敏度，最小分辨率至少达到100Pa级别；

(b)线性度良好，温度漂移小或者具有温度补偿特性；

(c)响应速度快，能够长时间连续工作，低频响应良好，在0.05Hz～100Hz范围内响应平坦；

(d)机械性能良好，使用寿命长。

根据以上指标要求，本实用新型中所述的压阻式压力传感器4选择GE公司的NPC1210系列的低压传感器中的一款。NPC1210是一款高精度双列直插型压力传感器，其结构是4个P型电阻组成的惠斯通电桥结构，所述P型电阻内部有半导体膜片。其主要特点有：①在0～60℃范围内具有温度补偿特性，基本涵盖家庭监护所使用的温度范围；②压力量程是-10～10英寸水柱，过载压力5Psi，满量程输出电压为50mV,达到设计对灵敏度和量程的要求；③输入阻抗2500～6000欧(典型值4000欧)，输出阻抗4000～6000欧(典型值5000欧)；④满量程温度准确度-1.0～1.0％FSO，零点温度准确度-1.25～1.25％FSO；⑤稳定性5uV/V，从近0.01Hz开始到2KHz范围内频率响应平坦，压阻式传感器测量的呼吸波形比压电传感器保真度更好。NPC1210在医疗设备、呼吸机、空气流动检测方面应用广泛；是一款比较成熟的产品。

NPC1210系列低压传感器采用恒流源供电，上面提到过它内部主要结构是由应变膜片组成的惠斯通电桥结构。相比于恒压源供电时，惠斯通电桥结构的传感器采用恒流源供电时，传感器输出电压仅与膜片电阻的增量及恒流源电流大小成线性关系，不会受到温度、传感器精度等影响，为了保证传感器输出的稳定性更高。考虑到传感器输出信号带宽和幅值等特点，为了器件数量和成本，为了减少器件个数，如图5所示，所述压阻式压力传感器4连接有恒流源供电电路6，采用运算放大器设计了一个恒流源。具体电路图如图6所示。所述恒流源供电电路包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、稳压二极管D1和电容C1，所述传感器的+IN输入端连接与运算放大器的输出端相连，所述运算放大器的同相输入端同时与所述电阻R1的一端、所述稳压二极管D1的阴极和所述传感器的-IN输入端连接，所述电阻R1的另一端连接至供电电压，所述运算放大器的反相输入端通过所述电阻R2与接地电压相连，所述稳压二极管D1的阳极同时与所述电容C1的一端和接地电压相连，所述电容C1的另一端接地。

由于恒流源的质量直接影响到传感器的精度和信号的采集精度，因此需要选择共模抑制比、温度系数、直流噪声等性能良好的运放。这里选择的是Analog Device公司生产的AD823AR。

由图6可知，运算放大器同相端与反相端的电压值相同(均为U1)，经过传感器NPC1210的电流I大小由由稳压管D1稳压值(U1-Vss)和电阻R2阻值决定，即

$I=\frac{U2-\mathrm{VSS}}{R2}=\frac{U1-\mathrm{VSS}}{R2}---\left(13\right)$

其中，电阻R2选用2.0kΩ的金属膜精密电阻，稳压二极管D1型号为1N4736_3V0，稳压值3.0V，产生的恒流源大小为1.5mA。

综上，本实用新型搭建出了稳定可靠的信号采集平台，使得测试者的呼吸信号能够准确传达到传感器，同时排除体重等大信号的干扰。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置，包括气垫床，其特征在于，所述气垫床由多个并列的气室构成，其中的2个间隔布置的气室为测量气室，其余的气室为支撑气室，所述两个测量气室分别通过一连接导管连接至一压阻式压力传感器的输入端，所述两个测量气室之间连接有平衡管。

2.根据权利要求1所述基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置，其特征在于，所述压阻式压力传感器选择GE公司的NPC1210系列的低压传感器中的一款。

3.根据权利要求2所述基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置，其特征在于，所述压阻式压力传感器的结构是4个P型电阻组成的惠斯通电桥结构，所述P型电阻内部有半导体膜片。

4.根据权利要求3所述基于气垫床的睡眠呼吸信号采集装置，其特征在于，所述压阻式压力传感器连接有恒流源供电电路，所述恒流源供电电路包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、稳压二极管D1和电容C1，所述传感器的+IN输入端连接与运算放大器的输出端相连，所述运算放大器的同相输入端同时与所述电阻R1的一端、所述稳压二极管D1的阴极和所述传感器的-IN输入端连接，所述电阻R1的另一端连接至供电电压，所述运算放大器的反相输入端通过所述电阻R2与接地电压相连，所述稳压二极管D1的阳极同时与所述电容C1的一端和接地电压相连，所述电容C1的另一端接地。