睡眠呼吸暂停监测仪分析

　　随着科技的发展，人们对睡眠生理、病理的了解日益增多，一门新兴的边缘学科——睡眠医学，作为现代医学的一个重要组成部分，正在建立和发展起来，广泛地受到重视。在美国有数百家大型研究机构正在从事睡眠呼吸方面的研究，他们在睡眠疾病，尤其是上呼吸道阻塞引起的“阻塞性睡眠呼吸暂停综合症”的可能病因、危害、诊断及治疗方法等方面进行了大量的研究工作。研究发现：打鼾通常并不是睡眠呼吸暂停的标志，但是10个成年人中有一个打鼾，而10个打鼾者中就有患睡眠呼吸暂停综合症的。也就是说，“打鼾”这种现象很有可能潜伏着睡眠呼吸暂停综合症。正常人有轻度鼾声不属呼吸暂停。呼吸暂停的定义是指呼吸道停止气流达10 s以上。如夜间打鼾且伴有间歇性呼吸暂停30次以上，每次暂停时间超过10 s，即可被诊断为“呼吸暂停综合症”。这是一种潜在的致死性疾病。其特点是睡眠时上呼吸道阻塞导致进行性缺氧，酸中毒，呼吸困难。造成白天嗜睡，头晕，头痛，记忆力减退，乏力，反应迟缓，睡眠行为异常等症状。长期患呼吸暂停综合症可引起高血压，心律失常及猝死。
　　
　　国外医学界对此类疾病的研究十分重视，且已取得重大成果。目前国内对此类患者的诊断大多采用多导仪或其他呼吸诊断仪器。而此类仪器昂贵且基本需从国外进口，不便在国内医院和患者中推广使用。因此我们研制了一种价格低，性能优良的“呼吸暂停监测仪”，以满足各级医院和患者的需求。
　　
　　一、呼吸暂停监测原理
　　
　　1．呼吸暂停检测方法的选择
　　
　　人的呼吸途径有两个：一个是鼻腔；另一个是口腔。呼吸时，口、鼻腔处由于气流流过而使压力和温度发生变化。因此，人体的呼吸状态可以从检测压力和温度变化得知。如采用压力法，由于口、鼻腔处的压力变化很微弱，而弱压传感器的灵敏度很高，容易受各种因素的影响，造成误动作，故压力法不宜采用。温度检测的方法，即用热敏电阻作传感器，将热敏传感器用胶带粘在鼻腔或口腔下方。由于简单、易用，被检测者没有不舒服的感觉，不影响正常的睡眠，因而受到重视。
　　
　　2．呼吸暂停监测仪的框图
　　
　　呼吸暂停监测仪的电路原理框图如下图所示。

　　　　二、呼吸暂停监测仪电路设计
　　
　　呼吸暂停监测仪各部分电路及工作原理介绍如下。
　　
　　1．呼吸信号提取电路
　　
　　呼吸时，口鼻腔底部由于气流流过温度发生变化，因此人体的呼吸状态可以从检测温度变化获得。按此原理设计呼吸信号提取电路如下图所示。
　　
　　由电源接一个电阻和热敏电阻R，串联至地。热敏电阻在常温下(25℃)阻值为1 kΩ。热敏电阻为负温度型，灵敏度为0.1%，当呼吸温差达8℃时，其阻值变化为△Rt=1000×0.8%=8 Ω。相应电压变化为

　　
　　因热敏电阻Rt在常温下工作于线性区，这使Rt上电压变化严格随呼吸状态的变化而变化，不会出现非线性失真。
　　
　　2．滤波放大电路
　　
　　由于提取的信号较弱，易受环境温度及其他干扰的影响，因此必须进行滤波放大，以隔除直流成分，消除环境温度及其他各种干扰的影响，对有效信号进行放大。滤波放大电路如下图所示。

      R1，取得呼吸信号，经R2、Cl构成高通隔除直流，同时由C2、R3构成低通，以达到滤波的目的。根据放大的需要，可适当选择R2、R3。放大增益K1=-R3/R2。
　　
　　R2、C1的选取要保证周期小于10 s的呼吸信号均能通过。运算放大器Al选用具有高输入阻抗，且可由较低电源供电的CA3140。
　　
　　3．平均值提取电路
　　
　　平均值提取首先通过峰谷值检测，然后由两个严格匹配的电阻计算出峰谷值的平均值。
　　
　　(1)峰值检测电路
　　
　　峰值检测电路如下图所示。经滤波放大的呼吸信号接放大器同相端，当呼吸信号高于电容C3上的电压时，放大器输出高电平，Dl导通，给C3充电。当呼吸信号升至峰值并开始下降时，C3充电至峰值电压，此时放大器输出低电平，Dl截止，C3上保持峰值电压。

　　
　　为保证该电路不影响前级，且使电容C3能将峰值电压保存适当长的时间，需要放大器的输入阻抗要高。于是，我们选择了CA3130。它有高的输入阻抗和低输入偏置电流，且能用单电源供电。
　　
　　(2)谷值检测电路
　　
　　谷值检测电路如下图所示。该电路结构与峰值检测电路结构相同，放大器也选用CA3130。当输入电压低于电容C4上电位时，放大器输出低电平，D2导通，C4通过D2放电。当输入电压下降时，电容就保持放电。当输入电压Vl降至谷值并开始上升时，C4就取得谷值电压。此时放大器输出高电平，D2截止，C4保存谷值电压。
　　
　　(3)平均值提取电路
　　
　　从峰谷值输出端接两个严格匹配的电阻R6、R7。从R6、R7之间提取平均值电压，如下图所示。
　　
　　为延缓峰值电压经R6、R7向谷值电压存储电容C5充电，R6、R7应选得较大。该电路中R6=R7 =10 MΩ。

　　
　　4．比较放大电路
　　
　　将提取的平均值加到运放的反相端，原呼吸模拟信号加到同相端，如下图所示。
　　
　　波形变化如下图所示。模拟信号与平均值的交点就是信号的跳变点，经比较放大电路输出数字信号。

　　5．单稳触发电路
　　
　　单稳触发器采用CD4098BE。其特点是，在输入脉冲触发下，输出端产生一个具有恒定宽度的矩形脉冲，触发器状态翻转，经时间t后又回到初始状态。CD4098BE既可采用正向脉冲触发，又可采用负向脉冲触发。单稳态时间可由外接电容调节，具有较宽的调节范围。单稳触发电路如下图所示。

　　
　　本电路采用下降沿触发，Tr-接输入脉冲，Tr+接O。CD4098BE每片电路含两个独立的触发器单元，其中一组暂不用，其R端置O电平。
　　
　　输出脉冲延迟时间tw不仅和外接Rx、Cx有关，而且也和电源电压有关。在使用时，选较大的电阻和较小的电容以获得所需的10 s延迟，也可降低电路的功耗，否则单稳电路易失控。单稳触发电路的工作特点是：当有连续周期小于10 s的脉冲触发它时，其输出端电平保持不变。当呼吸暂停达10 s时，其输出端电平发生跳变。可利用计数器对其实行计数。
　　
　　6．计数显示电路
　　
　　为降低功耗，利用数码管动态显示电路。计数器选用CC14553三位BCD码计数器，译码器选用CC4511，数码管用共阴LED数码管。
　　
　　计数器CC14553的三位BCD码按时序送入BCD 7段译码显示器，同时输出相应的显示。选择PS使相应三极管导通，LED共阴端接地，相应计数器的内容显示出来。动态扫描电路如下图所示。

　　CC14553的引脚LE为锁存端，MR为复位端。因此可在LE端和MR端接一个与电源相接的开关，以此开关作为锁存和复位开关。
　　
　　当出现10 s呼吸暂停时，计数器计数一次。由于定时器附有定时扫描端口，可对计数值进行动态扫描显示。
　　
　　使用该监测仪对重庆大学100名学生进行了实验，取得了计数准确、可靠，检测安全的效果。并且其使用方便，体积小，成本低，耗电量少（用4只5号电池供电，可连续工作50 h左右）。因此，对检测夜间有无发生呼吸暂停情况是有效的，且因能降低患者的医疗费用而具有实用性。

本文关键字：监测仪  小家电，电子知识资料 - 小家电