嵌入式睡眠監(jiān)控報(bào)警儀的設(shè)計(jì)

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(xué)齡期兒童每分鐘80－90次，成 年人每分鐘70－80次。另外，運(yùn)動(dòng)和情緒激動(dòng)時(shí)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(dòng)過速；每分鐘低于60 次，稱為心動(dòng)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(cè)量脈搏對(duì)病人來講是一個(gè)不可缺少的檢查項(xiàng)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(xué)中的一門深不可測(cè)的學(xué)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(yàn)。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(cè)人們的睡眠狀態(tài)，控制睡眠中的“思緒”，改善睡眠質(zhì)量，同時(shí)為突發(fā)疾病的早期診斷和預(yù)報(bào)提供可靠的保障，值得人們特別重視。隨著科學(xué)的發(fā)展，脈搏的跳動(dòng)可以通過傳感器利用微處理器十分準(zhǔn)確地顯示并記錄下來。通過對(duì)比分析正常人的脈搏和測(cè)量對(duì)象的脈搏就可以迅速準(zhǔn)確的獲得測(cè)量對(duì)象的生理情況，如遇危險(xiǎn)還可對(duì)相關(guān)人員發(fā)出警報(bào)。該研究建立在多學(xué)科交叉滲透的基礎(chǔ)上，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)及信號(hào)處理技術(shù)的完美結(jié)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(cè)量的要求，但存在許多缺點(diǎn)：①具有位置相關(guān)性。由于是壓力傳感器，只有傳感器精確定位于有脈搏波動(dòng)存在的體表動(dòng)脈處，才能有脈動(dòng)的信號(hào)輸出；②傳感器敏感性強(qiáng)，對(duì)微動(dòng)信號(hào)會(huì)有放大作用，因此人體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)易引入干擾；③傳感器外殼為金屬銅質(zhì)，直接與皮膚接觸會(huì)引入50Hz工頻干擾。因此傳感器輸出的模擬信號(hào)并不能正確反映動(dòng)脈所引起的體表脈搏波動(dòng)，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理。

圖1 液壓膠囊示意圖

針對(duì)以上不足，利用“液體傳遞壓強(qiáng)”的性質(zhì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)橡膠質(zhì)全封閉液囊，圖1為液壓膠囊簡(jiǎn)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(yīng)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(yīng)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(diǎn)面積與手腕橈動(dòng)脈接觸，脈搏波動(dòng)就會(huì)由囊中的液體傳導(dǎo)至傳感器的感應(yīng)面，解決了傳感器位置相關(guān)性問題。用汽油機(jī)機(jī)油作為傳壓介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：機(jī)油物理特性粘稠，一些微弱瞬變波動(dòng)不易被傳導(dǎo)，起到了抗干擾和低通濾波的作用；機(jī)油比熱容大，其溫度隨外界變化并不明顯，增強(qiáng)了佩帶舒適性。機(jī)油粘稠且慣性較大，能對(duì)肌膚背景隨機(jī)擾動(dòng)有一定的阻隔作用，同時(shí)對(duì)脈搏的傳遞也有一定的衰減，實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)對(duì)一個(gè)波動(dòng)周期中的“強(qiáng)”和“弱”衰減不一樣，這個(gè)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(duì)于這個(gè)問題可利用軟件加以校正。另外，用對(duì)皮膚無刺激的絕緣導(dǎo)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(dǎo)熱性使手腕處體表溫度的傳導(dǎo)成為可能，增加了可測(cè)量的生理信號(hào)。

3、傳感器信號(hào)處理

脈搏傳感器所輸出的電信號(hào)過于微弱，必須對(duì)其放大后再輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換元件。按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)２４０次／ｍｉｎ計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器，并由ＩＣ２Ａ和Ｃ０４等組成，如圖2所示。轉(zhuǎn)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(jì)算高頻轉(zhuǎn)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(cè)量的準(zhǔn)確性，可采用圖3電路。

脈搏信號(hào)分析的研究對(duì)象是信號(hào)，尤其是非平穩(wěn)和時(shí)變信號(hào)，信號(hào)分析方法可采用時(shí)頻分析，它的主要任務(wù)時(shí)描述信號(hào)的頻譜含量怎樣隨時(shí)間變化，以便能在時(shí)間和頻率上同時(shí)表示信號(hào)的能量和強(qiáng)度，得到這種分布后就可以對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取信號(hào)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(hào)。在這里，采用時(shí)域分析法。

圖3 二級(jí)放大器和比較器

時(shí)域分析法主要是分析脈搏波波幅的高度與脈動(dòng)的關(guān)系，是目前應(yīng)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(yīng)時(shí)的值、脈圖面積等參數(shù)。通過對(duì)脈圖幅值和時(shí)值的分析，可以了解脈動(dòng)的頻率、節(jié)律、脈力的強(qiáng)弱、脈勢(shì)的虛實(shí)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(diǎn)作為評(píng)價(jià)脈搏波的特征點(diǎn)，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(xué)計(jì)算能力和完善的功能，在本次研究中，使用Matlab的數(shù)學(xué)工具，將采集到的信號(hào)直接進(jìn)行處理得到的時(shí)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(yàn)估計(jì)所帶來的誤差。

圖4 健康人脈搏波時(shí)域波形

由健康人脈搏波時(shí)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(shí)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(yīng)為中期高血壓。

圖5 高血壓患者脈搏波時(shí)域波形

失眠者的脈搏波時(shí)域圖介于上述兩種情況之間，在臨床上比較容易判斷。

4、設(shè)計(jì)思路

為了解決不能抑制延綿不斷的思緒這個(gè)問題，我們可以讓計(jì)算機(jī)依據(jù)大腦的狀態(tài)按某種方式不斷提供適當(dāng)?shù)拇碳泶碳なЭ厮季S活動(dòng)的源，有可能會(huì)因?qū)λ淖⒁獗怀掷m(xù)轉(zhuǎn)移而處于抑制狀態(tài)，直至最終失活。機(jī)-腦接口就是這樣一種通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)、控制來干預(yù)大腦思維活動(dòng)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(dòng)。這些功能可以由“微型嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”來實(shí)現(xiàn)。

圖6 機(jī)－腦接口結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)-腦接口是一種通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)、控制來干預(yù)大腦思維活動(dòng)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(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，首先需要一個(gè)中斷源，這里用一個(gè)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(duì)刺激的反應(yīng)通過傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；來自傳感器的微弱信號(hào)通過放大、濾波后送入嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行各種處理。遇到突發(fā)性疾病（如腦血栓）嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可通過遙控發(fā)出“聲響”報(bào)警或“語音”電話報(bào)警，以便及時(shí)通知家人及急救中心。機(jī)－腦接口系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

5、硬件設(shè)計(jì)

S3C440X是SAMSUNG公司推出的基于ARM7TDMI核的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的32位高速處理器。其工作電壓為3.3V，內(nèi)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(shí)現(xiàn)睡眠監(jiān)測(cè)的硬件連接如圖7示。

圖7 睡眠檢測(cè)硬件連接圖

聲響報(bào)警與電話語音報(bào)警的電路比較常見，這里不在贅述。

6、軟件設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域。而更大的影響在于它正逐漸地應(yīng)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(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)”。

具體的系統(tǒng)移植這里不做詳細(xì)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(jié)論

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

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

1、采用雙傳感器結(jié)構(gòu)。測(cè)量監(jiān)控睡眠者的心腦電圖對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行認(rèn)知反應(yīng)的測(cè)試，從而達(dá)到對(duì)輕度睡眠患者喚醒，對(duì)重病睡眠患者的認(rèn)知測(cè)試。

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