嵌入式睡眠監控報警儀的設計

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(xué)齡期兒童每分鐘80－90次，成 年人每分鐘70－80次。另外，運動(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(guò)100次，稱(chēng)為心動(dòng)過(guò)速；每分鐘低于60 次，稱(chēng)為心動(dòng)過(guò)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(lái)講是一個(gè)不可缺少的檢查項目，中醫更將捫脈作為診治疾病的主要方法。診脈治病是中醫學(xué)中的一門(mén)深不可測的學(xué)問(wèn)。通過(guò)診脈治病是許多老中醫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(jiàn)的一種現象，而其原因大多是由于不能抑制延綿不斷的思緒引起的，如何有效地監測人們的睡眠狀態(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報提供可靠的保障，值得人們特別重視。隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，脈搏的跳動(dòng)可以通過(guò)傳感器利用微處理器十分準確地顯示并記錄下來(lái)。通過(guò)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(guān)人員發(fā)出警報。該研究建立在多學(xué)科交叉滲透的基礎上，是計算機技術(shù)、生物醫學(xué)及信號處理技術(shù)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(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)的信號輸出；②傳感器敏感性強，對微動(dòng)信號會(huì )有放大作用，因此人體的隨機運動(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并不能正確反映動(dòng)脈所引起的體表脈搏波動(dòng)，需對信號進(jìn)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(zhì)，設計了一個(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(diǎn)面積與手腕橈動(dòng)脈接觸，脈搏波動(dòng)就會(huì )由囊中的液體傳導至傳感器的感應面，解決了傳感器位置相關(guān)性問(wèn)題。用汽油機機油作為傳壓介質(zhì)，實(shí)驗發(fā)現：機油物理特性粘稠，一些微弱瞬變波動(dòng)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(dòng)有一定的阻隔作用，同時(shí)對脈搏的傳遞也有一定的衰減，實(shí)際測量發(fā)現對一個(gè)波動(dòng)周期中的“強”和“弱”衰減不一樣，這個(gè)問(wèn)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(gè)問(wèn)題可利用軟件加以校正。另外，用對皮膚無(wú)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(guò)于微弱，必須對其放大后再輸出給模數轉換元件。按人體脈搏在運動(dòng)后最高跳動(dòng)次數２４０次／ｍｉｎ計算來(lái)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，放大倍數由Ｒ０８和Ｒ０６的比值決定。

圖2 低通濾波器圖

根據二階低通濾波器的傳遞函數： 可得放大倍數為：，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(mǎn)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，尤其是非平穩和時(shí)變信號，信號分析方法可采用時(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)表示信號的能量和強度，得到這種分布后就可以對各種信號進(jìn)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(shí)域分析法。

圖3 二級放大器和比較器

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(shí)的值、脈圖面積等參數。通過(guò)對脈圖幅值和時(shí)值的分析，可以了解脈動(dòng)的頻率、節律、脈力的強弱、脈勢的虛實(shí)和脈象的形狀特征。它通過(guò)提取脈圖曲線(xiàn)中一些有明顯生理意義的點(diǎn)作為評價(jià)脈搏波的特征點(diǎn)，直觀(guān)，較易為臨床醫師所接受。

由于Matlab所具備的高效的數學(xué)計算能力和完善的功能，在本次研究中，使用Matlab的數學(xué)工具，將采集到的信號直接進(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(guò)程，減少因經(jīng)驗估計所帶來(lái)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(jiàn)，主波（P波），重搏波（D波）明顯，沒(méi)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(jiàn)，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(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、設計思路

為了解決不能抑制延綿不斷的思緒這個(gè)問(wèn)題，我們可以讓計算機依據大腦的狀態(tài)按某種方式不斷提供適當的刺激來(lái)刺激失控思維活動(dòng)的源，有可能會(huì )因對它的注意被持續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(guò)計算機監測、控制來(lái)干預大腦思維活動(dòng)的系統。其作用是中斷從清醒到睡著(zhù)這一過(guò)渡過(guò)程中的失控思維活動(dòng)。這些功能可以由“微型嵌入式計算機系統”來(lái)實(shí)現。

圖6 機－腦接口結構框圖

機-腦接口是一種通過(guò)計算機監測、控制來(lái)干預大腦思維活動(dòng)的系統，其作用是中斷從清醒到睡著(zhù)這一過(guò)渡過(guò)程中的失控思維活動(dòng)。為了實(shí)現這一功能，首先需要一個(gè)中斷源，這里用一個(gè)刺激器來(lái)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(guò)傳感器將其轉換為電信號；來(lái)自傳感器的微弱信號通過(guò)放大、濾波后送入嵌入式計算機系統進(jìn)行各種處理。遇到突發(fā)性疾?。ㄈ缒X血栓）嵌入式計算機系統可通過(guò)遙控發(fā)出“聲響”報警或“語(yǔ)音”電話(huà)報警，以便及時(shí)通知家人及急救中心。機－腦接口系統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A(yíng)RM7TDMI核的精簡(jiǎn)指令系統的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(kāi)發(fā)。

S3C44B0X實(shí)現睡眠監測的硬件連接如圖7示。

圖7 睡眠檢測硬件連接圖

聲響報警與電話(huà)語(yǔ)音報警的電路比較常見(jiàn)，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，它與UNIX系統兼容，開(kāi)放源代碼。它原本被設計為桌面系統，現在廣泛應用于服務(wù)器領(lǐng)域。而更大的影響在于它正逐漸地應用于嵌入式系統，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(lǐng)域而設計的Linux系統”。

具體的系統移植這里不做詳細介紹，這里給出系統的軟件控制框圖，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控報警系統研究，在研究睡眠過(guò)渡階段的基礎上，著(zhù)重突出了睡眠中如果出現突發(fā)性心腦疾病時(shí)及時(shí)實(shí)現聲響報警或電話(huà)語(yǔ)音報警的功能。

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

1、采用雙傳感器結構。測量監控睡眠者的心腦電圖對被測對象進(jìn)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(huà)語(yǔ)音報警。在對睡眠狀態(tài)的心腦電圖研究的基礎上，如果睡眠者出現突發(fā)性心腦疾病時(shí)及時(shí)顯示心腦電圖并通過(guò)嵌入式處理器處理觸發(fā)無(wú)線(xiàn)報警器及時(shí)報警。