嵌入式睡眠監(jiān)控報警儀的設計

1、引言
正常人的脈搏和心跳是一致的，脈搏的頻率受年齡和性別的影響，嬰兒每分鐘120－140次，幼兒每分鐘90－100次，學齡期兒童每分鐘80－90次，成 年人每分鐘70－80次。另外，運動和情緒激動時可使脈搏增快，而休息、睡眠則使脈搏減慢。成人脈率每分鐘超過100次，稱為心動過速；每分鐘低于60 次，稱為心動過緩。臨床上有許多疾病，特別是心臟病可使脈搏發(fā)生變化。因此，測量脈搏對病人來講是一個不可缺少的檢查項目，中醫(yī)更將捫脈作為診治疾病的主要方法。診脈治病是中醫(yī)學中的一門深不可測的學問。通過診脈治病是許多老中醫(yī)集一生甚至幾代人的不懈努力積累的極其寶貴的經(jīng)驗。睡眠障礙是許多疾病形成和發(fā)展的主要原因，入睡困難是失眠中最常見的一種現(xiàn)象，而其原因大多是由于不能抑制延綿不斷的思緒引起的，如何有效地監(jiān)測人們的睡眠狀態(tài)，控制睡眠中的“思緒”，改善睡眠質量，同時為突發(fā)疾病的早期診斷和預報提供可靠的保障，值得人們特別重視。隨著科學的發(fā)展，脈搏的跳動可以通過傳感器利用微處理器十分準確地顯示并記錄下來。通過對比分析正常人的脈搏和測量對象的脈搏就可以迅速準確的獲得測量對象的生理情況，如遇危險還可對相關人員發(fā)出警報。該研究建立在多學科交叉滲透的基礎上，是計算機技術、生物醫(yī)學及信號處理技術的完美結合。

2、PVDF薄膜脈象傳感器

PVDF薄膜脈象傳感器雖然適合脈搏測量的要求，但存在許多缺點：①具有位置相關性。由于是壓力傳感器，只有傳感器精確定位于有脈搏波動存在的體表動脈處，才能有脈動的信號輸出；②傳感器敏感性強，對微動信號會有放大作用，因此人體的隨機運動易引入干擾；③傳感器外殼為金屬銅質，直接與皮膚接觸會引入50Hz工頻干擾。因此傳感器輸出的模擬信號并不能正確反映動脈所引起的體表脈搏波動，需對信號進行一定的處理。

圖1 液壓膠囊示意圖

針對以上不足，利用“液體傳遞壓強”的性質，設計了一個橡膠質全封閉液囊，圖1為液壓膠囊簡圖。該膠囊外形為扁平帶狀，上下橡膠壁厚為0.5mm，空腔厚度為2mm，圖中A處安裝傳感器，并使傳感器的感應面貼于膠囊上壁，膠囊下壁緊貼皮膚，利用橡膠的彈性使膠囊與手腕皮膚貼合，增大了傳感器感應面積。從兩端B處穿入腕帶，可將傳感器佩帶于手腕上，且液壓囊只要有一點面積與手腕橈動脈接觸，脈搏波動就會由囊中的液體傳導至傳感器的感應面，解決了傳感器位置相關性問題。用汽油機機油作為傳壓介質，實驗發(fā)現(xiàn)：機油物理特性粘稠，一些微弱瞬變波動不易被傳導，起到了抗干擾和低通濾波的作用；機油比熱容大，其溫度隨外界變化并不明顯，增強了佩帶舒適性。機油粘稠且慣性較大，能對肌膚背景隨機擾動有一定的阻隔作用，同時對脈搏的傳遞也有一定的衰減，實際測量發(fā)現(xiàn)對一個波動周期中的“強”和“弱”衰減不一樣，這個問題反映在得到的脈搏波形圖中谷底的形態(tài)偏離較大。對于這個問題可利用軟件加以校正。另外，用對皮膚無刺激的絕緣導熱橡膠制作液壓膠囊，隔斷了傳感器金屬外殼和皮膚的直接接觸，50Hz干擾也被隔除。導熱性使手腕處體表溫度的傳導成為可能，增加了可測量的生理信號。

3、傳感器信號處理

脈搏傳感器所輸出的電信號過于微弱，必須對其放大后再輸出給模數(shù)轉換元件。按人體脈搏在運動后最高跳動次數(shù)２４０次／ｍｉｎ計算來設計低通放大器，并由ＩＣ２Ａ和Ｃ０４等組成，如圖2所示。轉折頻率由Ｒ０７、Ｃ０４、Ｒ０８和Ｃ０５決定，放大倍數(shù)由Ｒ０８和Ｒ０６的比值決定。

圖2 低通濾波器圖

根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù)： 可得放大倍數(shù)為：，取0.707倍零頻增益計算高頻轉折頻率： ，按人體脈搏最高考慮40HZ，低頻特性是令人滿意的。為了提高測量的準確性，可采用圖3電路。

脈搏信號分析的研究對象是信號，尤其是非平穩(wěn)和時變信號，信號分析方法可采用時頻分析，它的主要任務時描述信號的頻譜含量怎樣隨時間變化，以便能在時間和頻率上同時表示信號的能量和強度，得到這種分布后就可以對各種信號進行分析處理，提取信號中所包含的特征信息，以及綜合得到具有期望的視頻分布特征的信號。在這里，采用時域分析法。

圖3 二級放大器和比較器

時域分析法主要是分析脈搏波波幅的高度與脈動的關系，是目前應用最為廣泛的一種分析方法，以往研究中大都采用人工讀圖，即用量具直接讀出脈圖的波、峽的高度、相應時的值、脈圖面積等參數(shù)。通過對脈圖幅值和時值的分析，可以了解脈動的頻率、節(jié)律、脈力的強弱、脈勢的虛實和脈象的形狀特征。它通過提取脈圖曲線中一些有明顯生理意義的點作為評價脈搏波的特征點，直觀，較易為臨床醫(yī)師所接受。

由于Matlab所具備的高效的數(shù)學計算能力和完善的功能，在本次研究中，使用Matlab的數(shù)學工具，將采集到的信號直接進行處理得到的時域圖譜如圖4和圖5，舍棄了人工讀圖的過程，減少因經(jīng)驗估計所帶來的誤差。

圖4 健康人脈搏波時域波形

由健康人脈搏波時域圖可見，主波（P波），重搏波（D波）明顯，沒有高頻收縮之弦象，確定為健康人之平脈。

由高血壓患者時域圖可見，主波峰呈平寬型，重搏波與主波融合為寬大方波，降中峽抬高，重搏波平坦，確定為高血壓之弦脈，且應為中期高血壓。

圖5 高血壓患者脈搏波時域波形

失眠者的脈搏波時域圖介于上述兩種情況之間，在臨床上比較容易判斷。

4、設計思路

為了解決不能抑制延綿不斷的思緒這個問題，我們可以讓計算機依據(jù)大腦的狀態(tài)按某種方式不斷提供適當?shù)拇碳泶碳なЭ厮季S活動的源，有可能會因對它的注意被持續(xù)轉移而處于抑制狀態(tài)，直至最終失活。機-腦接口就是這樣一種通過計算機監(jiān)測、控制來干預大腦思維活動的系統(tǒng)。其作用是中斷從清醒到睡著這一過渡過程中的失控思維活動。這些功能可以由“微型嵌入式計算機系統(tǒng)”來實現(xiàn)。

圖6 機－腦接口結構框圖

機-腦接口是一種通過計算機監(jiān)測、控制來干預大腦思維活動的系統(tǒng)，其作用是中斷從清醒到睡著這一過渡過程中的失控思維活動。為了實現(xiàn)這一功能，首先需要一個中斷源，這里用一個刺激器來產(chǎn)生聲音刺激作為中斷源；刺激產(chǎn)生后，使用者對刺激的反應通過傳感器將其轉換為電信號；來自傳感器的微弱信號通過放大、濾波后送入嵌入式計算機系統(tǒng)進行各種處理。遇到突發(fā)性疾?。ㄈ缒X血栓）嵌入式計算機系統(tǒng)可通過遙控發(fā)出“聲響”報警或“語音”電話報警，以便及時通知家人及急救中心。機－腦接口系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。

5、硬件設計

S3C440X是SAMSUNG公司推出的基于ARM7TDMI核的精簡指令系統(tǒng)的32位高速處理器。其工作電壓為3.3V，內核的ARM7TDMI工作電壓僅為2.5V，這樣低功耗的芯片，更利于佩帶式產(chǎn)品的開發(fā)。

S3C44B0X實現(xiàn)睡眠監(jiān)測的硬件連接如圖7示。

圖7 睡眠檢測硬件連接圖

聲響報警與電話語音報警的電路比較常見，這里不在贅述。

6、軟件設計

Linux是一種很受人們歡迎的操作系統(tǒng)，它與UNIX系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應用于服務器領域。而更大的影響在于它正逐漸地應用于嵌入式系統(tǒng)，uClinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的，它是Micro-Control-Linux,字面上理解為“針對微控制領域而設計的Linux系統(tǒng)”。

具體的系統(tǒng)移植這里不做詳細介紹，這里給出系統(tǒng)的軟件控制框圖，如圖8示：

圖8 軟件控制框圖

7、結論

基于薄膜脈象傳感器的睡眠監(jiān)控報警系統(tǒng)研究，在研究睡眠過渡階段的基礎上，著重突出了睡眠中如果出現(xiàn)突發(fā)性心腦疾病時及時實現(xiàn)聲響報警或電話語音報警的功能。

以往的睡眠研究主要是以監(jiān)測為主，本項目的創(chuàng)新之處在于以下兩個方面。

1、采用雙傳感器結構。測量監(jiān)控睡眠者的心腦電圖對被測對象進行認知反應的測試，從而達到對輕度睡眠患者喚醒，對重病睡眠患者的認知測試。

2、聲響報警與電話語音報警。在對睡眠狀態(tài)的心腦電圖研究的基礎上，如果睡眠者出現(xiàn)突發(fā)性心腦疾病時及時顯示心腦電圖并通過嵌入式處理器處理觸發(fā)無線報警器及時報警。