【作 者】葉光雷，郭必納

1 永嘉縣人民醫(yī)院，溫州市，325100

2 溫州市中心醫(yī)院，溫州市，325000

0 引言

微納米傳感器、低功耗集成電路和移動通信的迅速發(fā)展使新一代無線身體傳感器網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)，目前已用于監(jiān)測健康和診斷疾病[1-3]。無線身體傳感器網(wǎng)絡(luò)（Body Sensor Network, BSN）領(lǐng)域是一個跨學(xué)科領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)廉價和持續(xù)的健康監(jiān)測。微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical System, MEMS）傳感器可以集成到可穿戴BSN中，可用于計算機(jī)輔助康復(fù)或早期發(fā)現(xiàn)醫(yī)療狀況。

阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（Obstructive Sleep Apnea Syndrome, OSAS）是一種睡眠障礙，其特征是呼吸暫停異常或睡眠期間呼吸異常低的情況，嚴(yán)重威脅著人類的生命，特別是對于老年人。根據(jù)醫(yī)學(xué)調(diào)查，約有20%～40%的老年人患有OSAS，其中一半以上未被確診。OSAS的診斷通常是基于患者病史和測試進(jìn)行, 這些測試范圍較為復(fù)雜，涉及多個錄數(shù)據(jù)通道。相比于傳統(tǒng)的檢查較為復(fù)雜，耗時，成本高且相對具有侵入性[4-5]，使用BSN技術(shù)診斷和監(jiān)測OSAS是一種低成本，高效率地獲取全民醫(yī)療保健的有效方式，從而減少對人類生命的威脅[6]。

1 集成系統(tǒng)原理

本文提出的檢測系統(tǒng)是將微型傳感器與移動通信設(shè)備集成在一起，為OSAS開發(fā)基于BSN的便攜式監(jiān)測器。其使用三種微傳感器，包括熱膜流量傳感器、三軸加速計和血氧計。通過傳感器檢測到的生命體征通過藍(lán)牙無線傳輸至移動設(shè)備，如手機(jī)和掌上電腦，并可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療中心。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建

基于BSN的系統(tǒng)包括三層網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。主要包括身體傳感器節(jié)點(diǎn)層、便攜式終端層（即，移動通信設(shè)備）和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心層[7-8]。傳感器節(jié)點(diǎn)層由呼吸姿態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)和血氧傳感器節(jié)點(diǎn)組成。其中，使用自制的微型熱膜傳感器監(jiān)測呼吸氣流，使用基于MEMS的三軸加速度計監(jiān)測身體姿態(tài)，使用脈搏血氧飽和度測量儀監(jiān)測血氧飽和度。每個傳感器節(jié)點(diǎn)通過藍(lán)牙向移動設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。在移動通信層，移動設(shè)備實(shí)時從傳感器節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，執(zhí)行生命體征提取，使用輔助軟件對嚴(yán)重疾病進(jìn)行初級診斷和預(yù)警，并且還可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控通過互聯(lián)網(wǎng)中心執(zhí)行醫(yī)生的專業(yè)診斷，流程圖如圖2所示。

圖1 基于BSN的OSAS監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 Configuration of BSN-based OSAS monitor system

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)組成流程圖Fig.2 Composition of the monitor system

1.2 呼吸姿勢傳感器系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)中有兩個傳感器，一種是呼吸姿勢傳感器，并使用商用血氧計（CONTEC Medical Systems，CMS50FW）作為血氧測量傳感器。圖3和圖4為呼吸姿勢傳感器的配置和電路，主要是針對低功耗和小型化量身定制的。另一種是所使用的微熱膜流量傳感器，它是利用前人的技術(shù)與印刷電路技術(shù)相結(jié)合來制造的，具體而言，通過Cr（30 nm），Ni（100 nm）和Pt（50 nm）依次噴涂在與引線和焊點(diǎn)連接的電極上，最后將薄層的聚二甲苯層封裝在晶片上[9]。

圖3 呼吸姿態(tài)傳感器系統(tǒng)配置Fig.3 The configuration of the respiration-posture sensor

圖4 呼吸姿態(tài)傳感器系統(tǒng)電路Fig.4 The circuit of the respiration-posture sensor

流量傳感器以恒溫差（CTD）模式運(yùn)行，并采用自調(diào)溫度補(bǔ)償技術(shù)來克服溫度差[10-11]。熱膜傳感器的流量范圍為0～100 L / min，閾值達(dá)到0. 01 L / min，精度達(dá)到1%FS。使用微熱膜流量傳感器的好處在于：低成本，易于制造和封裝，靈敏度高，與電路集成一體。檢測能力選擇商用三軸MEMS加速度計（ADI公司，ADXL345）作為姿態(tài)傳感器。

1.3 生命體征信息提取

生命體征信息在移動設(shè)備運(yùn)行的輔助軟件中，其中包括提取生命體征和診斷/評估OSAS疾病的算法。呼吸參數(shù)的推導(dǎo)過程，如分鐘通氣量（MV），峰值吸氣流量（PIF），呼吸頻率（RR）和潮氣量（TV）。

從三軸加速度計（ax，ay，az）和血氧計的讀數(shù)中提取血液的體態(tài)和血氧飽和度。ax，ay，az的方向指向右側(cè)，腳和身體的后面。姿勢標(biāo)志被簡單地分類為坐姿/站立姿勢，通過簡單合成具有最大加速度的ax，ay，az分量，并確定符號和方向。例如，如果ay具有最大絕對值，當(dāng)ay為正且朝向腳時，姿態(tài)標(biāo)志被確定為“坐/站”。 通過使用這種簡化的方法[12-13]，使處理器的計算負(fù)載最小化。

2 臨床試驗(yàn)分析

OSA是最常見的睡眠呼吸紊亂癥狀，試驗(yàn)的一個“事件”是呼吸暫停，其特征為完全停止氣流至少10 s，或者氣流減少50%的呼吸不足。如果氧飽和度下降與睡眠時覺醒有關(guān)聯(lián)，則可減少30%。睡眠呼吸暫停的診斷是基于每小時睡眠時的呼吸暫停低通氣指數(shù)（AHI）來確定，它取決于呼吸暫停和呼吸不足事件的數(shù)量，與閾值相關(guān)，高于該閾值患者被認(rèn)為患有睡眠呼吸暫停癥狀，這個值的嚴(yán)重程度可以量化睡眠呼吸暫停癥。輕度OSA的范圍為每小時5～14.9次睡眠，OSA中度睡眠每小時15～29.9次，嚴(yán)重OSA患者每小時暫停30次以上。當(dāng)呼吸暫停未被診斷時，并且沒有妥善處理，嚴(yán)重的OSA患者可能產(chǎn)生高血壓和嚴(yán)重的心血管疾病并影響健康而導(dǎo)致死亡[14]。未經(jīng)治療的阻塞性睡眠呼吸暫停可能導(dǎo)致高血壓、心血管疾病如心力衰竭、中風(fēng)、心率失常等，因此這種疾病的預(yù)防在早期是非常重要的。

診斷測試包括在睡眠診所進(jìn)行血氧測定和AHI監(jiān)測。醫(yī)學(xué)統(tǒng)計證明，許多人從上身或更高的身體30°仰臥睡眠中受益，因?yàn)樗兄诜乐箽獾赖膲毫Ρ罎?。由于?cè)向位置的重力分量較小，所以睡眠呼吸暫停也推薦側(cè)臥位（睡在一側(cè)）而不是仰臥位（睡在后面）。因此，除了呼吸和血氧信息之外，獲取姿勢信息有助于在診斷OSA時了解全面的睡眠癥狀[15]。

患者在上半身戴上呼吸姿勢節(jié)點(diǎn)器，用鼻插管收集呼吸氣流。血氧計夾戴在測試者的指尖上。所有的傳感器數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線傳輸?shù)礁浇氖謾C(jī)上[16]，在手機(jī)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析來診斷OSA，圖5顯示了三個傳感器的輸出信號。

圖5 流量傳感器、血氧計和加速度計輸出信號Fig.5 Outputs of flow sensor, oximeter, and accelerometer

在試驗(yàn)測試中，臨床患者故意屏住呼吸兩次，模擬睡眠呼吸障礙。7 min左右，患者擺動身體一段時間，導(dǎo)致呼吸流量增加，加速度計輸出波動。呼吸流量參數(shù)、血氧飽和度、脈搏率以及身體姿勢的跡象如圖6～圖8所示。圖6～圖8的波形變化充分驗(yàn)證該儀器的準(zhǔn)確靈敏度，在4 min和5 min時，患者屏住呼吸，其呼吸流量和呼吸頻率的曲線在該時間段處于最低值；當(dāng)患者在7 min擺動身體時，加速度曲線在第7 min出現(xiàn)加速度的變化，并且出現(xiàn)運(yùn)動強(qiáng)度的變化。從以上臨床試驗(yàn)分析可以看出，這套睡眠呼吸監(jiān)測系統(tǒng)可以滿足睡眠呼吸患者的實(shí)時監(jiān)測功能，這對于準(zhǔn)確診斷患者病情具有明顯的優(yōu)勢。

圖6 呼吸流量參數(shù)RR、PIF值Fig.6 Extracted respiratory parameters: RR and PIF

圖7 血氧飽和度和脈率Fig.7 Extracted oxygen saturation of blood and pulse rate

圖8 測試者身體姿勢提取Fig.8 Extracted body posture

3 結(jié)論

本文開發(fā)了一種基于BSN的便攜式設(shè)備，該設(shè)備使用微熱流量傳感器監(jiān)測呼吸氣流，三軸微加速度計監(jiān)測身體姿勢以及微光電傳感器監(jiān)測血氧飽和度。其中微型熱膜流量傳感器對弱氣流非常敏感，能夠檢測嬰兒的呼吸，用于檢測呼吸流量。該系統(tǒng)通過臨床試驗(yàn)，對患者的呼吸、血氧飽和度和運(yùn)動姿態(tài)能實(shí)時的進(jìn)行監(jiān)測，利用藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)并通過移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程醫(yī)療中心和醫(yī)生進(jìn)行專業(yè)分析、評估和診斷。