吳 疆,徐 壯,劉麗佳,嵇艷鞠,李肅義

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,長春130061)

0 引 言

睡眠對人體來說扮演著十分重要的角色,其不僅是生長發(fā)育所必需,也在維持身心健康等方面發(fā)揮著不可或缺的作用。然而,隨著社會的飛速發(fā)展,工作生活壓力的不斷加大,睡眠問題也日益凸顯。數(shù)據(jù)顯示,全球約有27%的人口患有睡眠障礙性疾病,其中以睡眠呼吸暫停綜合征(Sleep apnea syndrome,SAS)最為常見[1]。SAS是指睡眠過程中口鼻呼吸氣流消失或明顯減弱(較基線幅度下降≥90%),持續(xù)時間≥10 s,并伴隨著血氧飽和度的下降[2]。目前進(jìn)行SAS診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”為多導(dǎo)睡眠儀(Polysomnography,PSG)[3],但該類儀器價格昂貴、操作流程復(fù)雜,且需要長時間佩戴多種傳感器,會給患者帶來諸多的約束和干擾,加重患者身心負(fù)擔(dān),嚴(yán)重影響患者的睡眠質(zhì)量,甚至無法反映真實病情。因此,研究替代PSG的方便、高準(zhǔn)確率的檢測方法,將會為SAS患者的早期診斷提供有力的技術(shù)支撐,具有較高的實用價值。

心率變異性(Heart rate variability,HRV)檢測法作為一種便攜式SAS檢測方法,已被證實了其在睡眠呼吸監(jiān)測應(yīng)用中的可靠性[4-7]。該方法通過動態(tài)心電圖機(jī)來監(jiān)測患者的心電信號,進(jìn)而從中選取出HRV信號,完成睡眠呼吸監(jiān)測。因其佩戴傳感器少、操作簡單,故常被用來替代PSG監(jiān)測睡眠呼吸暫停情況。然而,受檢測方式的制約,該方法需要長期佩戴心電電極,嚴(yán)重干擾患者的睡眠質(zhì)量,電極片甚至還會引起部分患者皮膚過敏。2011年,Bulte等[8]通過研究發(fā)現(xiàn),自脈搏信號中選取的脈率變異性(Pulse rate variability,PRV)信號與心電信號中選取的HRV信號具有一致性關(guān)系,進(jìn)而為HRV的研究提供了一種新的途徑。同時,通過脈搏信號獲取的血氧飽和度(Peripheral blood oxygen saturation,Sp O2)數(shù)據(jù)也可以直觀地反映出患者睡眠過程中呼吸暫停的發(fā)生情況[9],是診斷SAS的又一項重要指標(biāo)。目前,臨床上用于Sp O2監(jiān)測的傳感器探頭多為指夾式脈搏血氧探頭,其通過彈簧結(jié)構(gòu)將指夾固定在手指兩端,患者的舒適性差,且在長期的睡眠監(jiān)測過程中容易發(fā)生移位、脫落,影響監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

綜上所述,為提高監(jiān)測的舒適性及準(zhǔn)確性,本文基于PRV、Sp O2進(jìn)行SAS診斷的理論基礎(chǔ),設(shè)計制作了基于環(huán)繞式脈搏血氧探頭的SAS檢測裝置原型,通過獲取人體手指末端的光學(xué)體積描記術(shù)(Photoplethysmography,PPG)信號進(jìn)行睡眠呼吸監(jiān)測。同時將自行設(shè)計的裝置與臨床上商用的指夾式血氧探頭進(jìn)行了實驗對比,并通過模擬呼吸暫停對SAS進(jìn)行了初步檢測和結(jié)果分析,以驗證傳感器探頭的有效性,為SAS的檢測提供了一種新的途徑。

1 材料與方法

1.1 SpO2的檢測原理

Sp O2是血液中氧合血紅蛋白容量占全部血紅蛋白容量的百分比,其測量原理是依據(jù)朗伯比爾定律[10]:當(dāng)兩種不同波長的光通過手指末端時,受血液容積變化的影響,其光吸收量會發(fā)生變化,并產(chǎn)生光電容積脈搏波。實際測量時,所測得的光電容積脈搏波可被分離為直流分量IDC與交流分量IAC兩個部分,對于波長為660 nm和940 nm的兩路光電容積脈搏波,分離后得到的入射光強(qiáng)分別為:I660DC、I660AC、I940DC、I940AC。

Sp O2的計算式[11]為:

式中:A、B的數(shù)值可通過FLUKE公司的INDEX Sp O2定標(biāo)儀標(biāo)定得到。

1.2 裝置硬件設(shè)計與實現(xiàn)

本文設(shè)計的裝置以MSP430單片機(jī)為核心,由環(huán)繞式脈搏血氧探頭、光源驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、藍(lán)牙通信電路等組成。裝置工作時,通過血氧探頭來采集人體手指末端的PPG信號,探頭輸出的是較為微弱的電流信號,經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換、前置放大、信號分離、濾波等信號調(diào)理電路的處理,再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后,由MSP430單片機(jī)采集PPG原始信號,并經(jīng)過藍(lán)牙通信的方式發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理[12]。整體硬件框圖如圖1所示。

圖1 裝置整體硬件框圖Fig.1 Overall block diagram of the hardware in the device

1.3 環(huán)繞式脈搏血氧探頭的設(shè)計

1.3.1 環(huán)繞式脈搏血氧探頭的接口設(shè)計

為了與臨床商用脈搏血氧檢測儀接軌,本文設(shè)計采用了市場上最為流行的DS-100A型號7針探頭接口,它是目前臨床監(jiān)護(hù)儀上的通用接口,可直接與市場上主流的菲康、邁瑞、GE等監(jiān)護(hù)儀相連接。各引腳功能如表1所示。工作狀態(tài)下,當(dāng)腳5為高電平,腳6為低電平時,660 nm的紅光管被點亮,940 nm的紅外光管被截止;反之,則紅外光管被點亮,紅光管被截止。腳1和腳7之間為特征電阻,在商品儀器中通過此電阻來識別定標(biāo)曲線,用以解決由發(fā)光管規(guī)格不同而引起的測量偏差。

表1 傳感器引腳定義Table 1 Definition of sensor pins

1.3.2 環(huán)繞式脈搏血氧探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前,商用Sp O2測量的傳感器探頭多為指夾式探頭,通過彈簧結(jié)構(gòu)將指夾固定在手指兩端,其舒適性差,在長期的睡眠監(jiān)測中容易發(fā)生脫落,影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,本文設(shè)計了一種穩(wěn)定舒適的血氧探頭,以滿足長期睡眠監(jiān)測的需求。

圖2為環(huán)繞式脈搏血氧探頭實物圖。作為襯底材質(zhì),設(shè)計選用了透氣性好、質(zhì)地柔軟的紡織布,在其兩端配有魔術(shù)貼結(jié)構(gòu),使用時可纏繞在手指的兩端,以防止探頭脫落。傳感器連接線的一端與光電二極管和光電接收管相連接,另一端用于連接探頭接口。工作時,雙波長光電二極管和光電接收管將被分別置于手指的上、下兩表面。由于采用柔性纏繞式結(jié)構(gòu),使得該探頭較傳統(tǒng)的指夾式血氧探頭更為舒適,且選用魔術(shù)貼的結(jié)構(gòu)也能更好地保證長期監(jiān)測中的穩(wěn)定性。

圖2 環(huán)繞式脈搏血氧探頭實物圖Fig.2 Practicality picture of the surround type pulse oximeter probe

2 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

2.1 環(huán)繞式脈搏血氧探頭的功能測試

本文對已設(shè)計好的脈搏血氧探頭進(jìn)行了有效性測試。將探頭與實驗室購置的商用邁瑞IMEC10臨床監(jiān)護(hù)儀相連接,通過監(jiān)護(hù)儀來測量志愿者的脈搏Sp O2。

在測試過程中,志愿者分別佩戴監(jiān)護(hù)儀配置的指夾式脈搏血氧探頭和基于環(huán)繞式血氧探頭的SAS檢測裝置原型進(jìn)行脈搏Sp O2的測量,觀察測量結(jié)果。圖3為應(yīng)用兩種探頭的實驗測試圖。從實驗中可以看出,自制脈搏血氧探頭工作狀況良好,測量結(jié)果處于正常范圍,能夠滿足接下來的實驗測試要求。

圖3 環(huán)繞式血氧探頭和指夾式血氧探頭實驗測試圖Fig.3 Picture of the surround type pulse oximeter probe test and clip type pulse oximeter probe test

2.2 血氧飽和度測量的準(zhǔn)確性驗證

為了驗證Sp O2測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文隨機(jī)選取了10名志愿者進(jìn)行實驗測試。志愿者由年齡在22～40歲的5男5女組成,身體狀況良好,身體質(zhì)量指數(shù)(Body mass index,BMI)為21.32±3.08(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。測試過程中,每位志愿者需要左手的食指和中指兩處分別佩戴市場上主流商用的指夾式脈搏血氧探頭和基于環(huán)繞式血氧探頭的SAS檢測裝置原型。其中,指夾式探頭選用的是魚躍醫(yī)療YX301型便攜式脈搏血氧儀,其顯示精度為1%。自制環(huán)繞式血氧測量裝置的顯示精度保留到小數(shù)點后一位。測量過程中,志愿者保持靜坐姿勢10 s,待儀器穩(wěn)定運行后,讀取有效數(shù)據(jù)。其中,每位志愿者會同時應(yīng)用兩種血氧探頭進(jìn)行脈搏血氧信號采集10次,并記錄下他們的平均測量結(jié)果。

圖4為實驗測試圖。表2給出了實驗結(jié)果。通過對比二者所測得的Sp O2值可以看出,兩種探頭在正常狀態(tài)下具有很好的一致性。所測結(jié)果的最大相對誤差為0.52%,平均相對誤差為0.265%。結(jié)果表明,基于環(huán)繞式血氧探頭的SAS檢測裝置原型可對Sp O2進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測。

圖4 血氧飽和度實驗測試圖Fig.4 Picture of Sp O2 detecting test

表2 正常狀態(tài)下血氧飽和度測試結(jié)果Table 2 Test results of SpO2 monitoring under normal condition

2.3 實驗結(jié)果及分析

有效的睡眠呼吸監(jiān)測要求探頭既要保證測量的準(zhǔn)確性,同時也要保證在呼吸暫停狀態(tài)下監(jiān)測的靈敏性。因此,本文通過模擬呼吸暫停對SAS進(jìn)行了初步檢測,以完成對檢測裝置原型有效性的驗證。實驗過程中讓志愿者保持靜坐姿勢,同樣將兩個探頭置于志愿者左手的食指和中指,待儀器穩(wěn)定運行后,志愿者根據(jù)自身狀況隨機(jī)進(jìn)行呼吸暫停以模擬SAS,記錄Sp O2測量結(jié)果,用以觀察測試過程中Sp O2降低的情況。

表3為實驗結(jié)果。其中,兩種方式監(jiān)測到的模擬呼吸暫停時Sp O2分別為83.6±7.44、83.8±7.36,其模擬范圍完全符合文獻(xiàn)[13,14]報道的SAS發(fā)生時Sp O2下降程度,85.7±5.6以及93.1±3.1。結(jié)果表明,模擬呼吸暫?？沙浞址磻?yīng)SAS發(fā)生時的Sp O2下降情況,且基于環(huán)繞式血氧探頭的SAS檢測裝置原型可滿足SAS監(jiān)測對于Sp O2檢測范圍的要求。

表3 模擬呼吸暫停時血氧飽和度測試結(jié)果Table 3 Test results of SpO2 monitoring under the simulation of apnea

通過對比二者所測得的Sp O2值可以看出,兩種探頭在模擬呼吸暫停狀態(tài)下具有很好的一致性。其中,所測結(jié)果的最大相對誤差為0.58%,平均相對誤差為0.308%。結(jié)果表明,基于環(huán)繞式血氧探頭的SAS檢測裝置原型可有效提供用于SAS診斷所需的Sp O2以及PPG信號,為下一步工作中將要構(gòu)建的SAS檢測算法提供可靠的數(shù)據(jù)來源。

3 結(jié)束語

本文的設(shè)計在結(jié)合當(dāng)前主流脈搏血氧探頭特點的同時,依據(jù)臨床應(yīng)用中的實際問題加入了獨有的設(shè)計理念。在系統(tǒng)硬件方面,全新設(shè)計了環(huán)繞式脈搏血氧探頭,提高了患者的舒適度,并保證了監(jiān)測過程中探頭的穩(wěn)固性。在主體設(shè)計上采用了可拆分式思想,探頭接頭與主流商用監(jiān)護(hù)儀兼容,提高了探頭的適用性。同時,采集的數(shù)據(jù)以無線傳輸方式發(fā)送至上位機(jī),便于臨床工作中及時地掌握處置患者情況。最后,通過實驗驗證了檢測裝置原型進(jìn)行SAS監(jiān)測的準(zhǔn)確性以及靈敏性。但是,系統(tǒng)仍存在可升級優(yōu)化及進(jìn)一步研究之處。本文的探頭設(shè)計基于透射式原理,改進(jìn)探頭結(jié)構(gòu)以設(shè)計反射式脈搏血氧探頭、優(yōu)化電路設(shè)計方案、減小儀器的體積、提高儀器的穩(wěn)定性等都將是下一步工作的重點。此外,睡眠呼吸監(jiān)測持續(xù)時間較長,長時程監(jiān)測時裝置的穩(wěn)定性及可靠性測試也值得進(jìn)一步驗證。本文設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、原理可靠、用途廣泛。多次實驗結(jié)果表明,Sp O2測量精確,與主流商用環(huán)繞式探頭相比,誤差一般小于1%,其精度達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)要求。本文設(shè)計的基于環(huán)繞式血氧探頭的SAS檢測裝置原型,有效地提供了用于SAS診斷所需的Sp O2以及PPG信號,為準(zhǔn)確檢測SAS提供了硬件保障,具有較好的應(yīng)用前景。

[1]Partinen M.Epidemiology of sleep disorders[J].Handb Clin Neurol,2011,98:275-314.

[2]Epstein L J,Kristo D,Strollo P J,et al.Clinical guideline for the evaluation,management and longterm care of obstructive sleep apnea in adults[J].Clin Sleep Med,2009,5(3):263-276.

[3]Ramar K,Dort L C,Katz S G,et al.Clinical practice guideline for the treatment of obstructive sleep apnea and snoring with oral appliance therapy:an update for 2015[J].Clin Sleep Med,2015,11(7):773-827.

[4]de Chazal P,Heneghan C,Sheridan E,et al.Automated processing of the single-lead electrocardiogram for the detection of obstructive sleep apnea[J].IEEE Trans Biomed Eng,2003,50(6):686-696.

[5]Ravelo-García A G,Saavedra-Santana P,Juliá-SerdáG,et al.Symbolic dynamics marker of heart rate variability combined with clinicalvariables enhance obstructive sleep apnea screening[J].Chaos,2014,24(2):024404.

[6]Penzel T,Mc Names J,de Chazal P,et al.Systematic comparison of different algorithms for apnoeadetectionbased on ECG recordings[J].Medical&Biological Engineering&Computing,2002,40(4):402-407.

[7]Zywietz C W,Von E V,Widiger B,et al.ECG analysis for sleep apnea detection[J].Methods of Information in Medicine,2004,43(1):56-59.

[8]Bulte C S E,Keet S W M,Boer C,et al.Level of agreement between heart rate variability and pulse rate variability in healthy individuals[J].European Journal of Anaesthesiology,2011,28(1):34-38.

[9]Marcos J V,Hornero R,Nabney I T,et al.Analysis of nocturnal oxygen saturation recordings using kernel entropy to assist in sleep apnea-hypopnea diagnosis[C]∥International Conference of IEEE Enginearing in Medicine and Biology Society,IEEE,2011:1745-1748.

[10]Beer A.Determination of the absorption of red light in colored liquids[J].Ann Phys Chem,1852,86:78-88.

[11]Soltanzadeh R,Moussavi Z.Design an oral photoplethysmogram for deriving peripheral oxygen saturation(Sp O2)level[J].Journal of Medical Devices,2015(9):020922-1-2.

[12]徐壯.基于脈搏與血氧信號的SAS檢測裝置研究與開發(fā)[D].長春:吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,2017.Xu Zhuang.Study and development of sleep apnea syndrome detection equipment based on pulse and oxygen saturation[D].Changchun:College of Instrumentation&Electrical Engineering,Jilin University,2017.

[13]van Eyck A,Lambrechts C,Vanheeswijck L,et al.The role of nocturnal pulse oximetry in the screening for obstructive sleep apnea in obese children and adolescents[J].Sleep Med,2015,16(11):1409-1412.

[14]Mehta V,Vasu T S,Pjillips B,et al.Obstructive sleep apnea and oxygen therapy;a systemical review of the literature and meta analysis[J].J Clin Sleep Med,2013,9(3):271-279.