CN204536969U

CN204536969U - 一种基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路

Info

Publication number: CN204536969U
Application number: CN201420787196.9U
Authority: CN
Inventors: 段发阶; 蒋佳佳; 姚少杰; 王仁大
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2024-12-12

Abstract

本实用新型公开了一种基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路，其中，呼吸信号由传感器采集，该传感器的结构是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，传感器的+IN输入端连接与运算放大器的输出端相连，运算放大器的同相输入端同时与电阻R1的一端、稳压二极管D1的阴极和传感器的-IN输入端连接，电阻R1的另一端连接至供电电压，运算放大器的反相输入端通过电阻R2与接地电压相连，稳压二极管D1的阳极同时与电容C1的一端和接地电压相连，电容C1的另一端接地。采用恒流源供电时，传感器输出电压不会受到温度、传感器精度等影响，不但减少了器件数量降低了成本，而且传感器输出的稳定性更高。

Description

一种基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路

技术领域

本实用新型涉及一种恒流源供电电路，尤其涉及一种基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路。

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。

近年来居民对健康观念越来越重视，家庭健康监护(Home Health Care-HHC)的理念已经逐渐深入人心，居民对健康的投资越来越多。家庭健康监护已经成为医疗科学发展的重要方向之一，同时也是社会文明进步的重要标志^[9]。家庭监护仪器是家庭健康监护的重要部分。睡眠监护仪器展现出巨大的市场潜力。许多发达国推出家庭睡眠监护仪器，并形成一定规模。我国的家庭睡眠监护市场也逐渐壮大。与专业医用监护仪器相比，家庭监护仪器更加注重低成本、易操作、无干扰和便携式等特点，表1是目前市场上几种家庭睡眠监护仪器的典型代表^[10]。

表1目前国内外典型家庭睡眠监护仪器

监护仪器中的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。

呼吸信号属于人体的微弱生理信号，处于人体的机体环境和复杂多变的周围环境中，具有以下特点^[11]：

(1)信号弱、噪声强。人体的呼吸的振动幅值很小，压力传感器采集到电信号幅值也非常小(mV级别)。由于采用床垫式检测手段和压阻式压力传感器，气垫床的初始气压差、翻身动作、睡眠姿势调整等都会被传感器检测；这些噪声信号比呼吸信号幅值要大得多。因此呼吸信号属于强噪声背景下的微弱信号。呼吸信号幅值低、噪声强的特点，一方面要求采用差压测量，减少共模信号干扰，突出差模信号；另一方面也要求选择高精度、高灵敏度的传感器。

(2)频率非常低。人体的呼吸频率一般非常低，正常在0.1Hz～0.6Hz之间；人体呼吸能量正常情况下非常集中。

(3)规律性和非规律性。呼吸信号具有规律性和非规律性。呼吸信号的规律性是指同一个人在相同环境、状态下的呼吸波形、频率、幅度比较稳定；一般不会发生较大或者急剧的变化。呼吸信号的非规律性是指不同个体之间、不同检测手段下、不同状态下，呼吸信号的幅度、频率和波形都会有较大的不同。呼吸信号的非规律性一定程度上给呼吸信号的处理带来困难。

(4)易受外界影响而变化。呼吸信号处在人体机体和周围复杂的环境中，呼吸信号不可避免受到多种干扰信号的混杂，如图2所示，影响呼吸信号的提取和处理。除了上述的翻身动作、姿势调整等外，人体机体产生的心跳、肌肉跳动(频率在1.5Hz以下)等也引入噪声，此外还要考虑到周围环境的各种干扰(如床垫震动等)以及传感器及其信号处理电路常常受到50Hz的工频干扰和电子元件自身噪声等。对于不同的干扰，需要采取不同的降噪措施。

参考文献：

[1]黄任含，赵雪岩，荣起国；睡眠呼吸暂停综合征的生物力学研究进展[J]，力学进展，2010，40(3)：298-308。

[2]Rechtschaffen A,Kales A.A manual of standardized terminology,techniques and scoringsystem for sleep stages of human subjects[J].1968。

[3]王宇，张颖，王海玲等；阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征临床危险因素分析[J]，中华临床医师杂志，(电子版)2009，3(3)：18-21。

[4]蔡晓岚，刘洪英，范献良等；儿童阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的诊断[J]，中华耳鼻咽喉科杂志，2003，38(3)：161-165。

[5]骆仙芳，王会仍，蔡映云；试述睡眠呼吸暂停综合征的辨证与治疗[J]，浙江中医杂志，2003，38(11)：490-491。

[6]杨莲芳，吴丽娟；早产儿呼吸暂停发病率及影响因素分析[J]，浙江预防医学，2007，19(11)：47-47。

[7]魏莉莉；早产儿呼吸暂停治疗进展[J]，国外医学：儿科学分册，2001，28(1)：51-51。

[8]李佳，吴水才，李艳峥等；家庭健康监护仪的研究进展[J]，医疗设备信息，2007，22(3)：55-58。

[9]陈飞鸣；便携式新生儿生理信号监测系统设计[D]，哈尔滨工业大学，2012。

[10]慈书平，江时森；睡眠呼吸暂停与多系统器官损害研究进展[J]，中华结核和呼吸杂志，1997，20(1)：39-41。

[11]周杰；生物医学信号处理方法概述[J]，华章，2012，8：285。

实用新型内容

针对现有技术总存在的问题，考虑到传感器输出信号带宽和幅值等特点，为了传感器不受温度、传感器精度等影响，使传感器输出的稳定性更高，同时减少器件数量和成本。本实用新型提供一种基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路，主要是采用运算放大器设计了一个恒流源。

为了解决上述技术问题，本实用新型一种基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路，其中，呼吸信号由传感器采集，该传感器的结构是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，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。

其中，所述运算放大器选用Analog Device公司生产的AD823AR运算放大器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

NPC1210系列低压传感器采用恒流源供电，由于NPC1210系列低压传感器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，不但减少了器件数量降低了成本，而且传感器输出的稳定性更高。

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是本实用新型恒流源供电电路原理图；

图4是本实用新型应用实例示意图。

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。

如图3所示，本实用新型一种基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路，其中，呼吸信号由传感器采集，该传感器的结构是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，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。其中，所述运算放大器选用Analog Device公司生产的AD823AR运算放大器。

如图4所述，将本实用新型恒流源供电电路用于基于气垫床的呼吸信号采集装置，该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1，其余的气室为支撑气室2，两个测量气室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，所述两个测量气室1之间连接有平衡管5。所述压阻式压力传感器4选择GE公司的NPC1210系列的低压传感器中的一款。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；NPC1210系列的低压传感器是一款比较成熟的产品。

所述压阻式压力传感器4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。将本实用新型恒流源供电电路6连接在所述压阻式压力传感器的+IN输入端和-IN输入端之间。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，因此传感器输出的稳定性更高。

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。其中的运算放大器选择的是Analog Device公司生产的AD823AR。

由图3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{U 2 - VSS}{R 2} = \frac{U 1 - VSS}{R 2}

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

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

1.一种基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路，其中，呼吸信号由传感器采集，该传感器的结构是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，其特征在于：

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。

2.根据权利要求1所述基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路，其特征在于，所述运算放大器选用Analog Device公司生产的AD823AR运算放大器。

3.根据权利要求1所述基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路，其特征在于，所述电阻R2选用2.0kΩ的金属膜精密电阻。

4.根据权利要求1所述基于气垫床的呼吸信号传感器的恒流源供电电路，其特征在于，所述稳压二极管D1的型号为1N4736_3V0，其稳压值为3.0V，产生的恒流源大小为1.5mA。