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(天津醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，天津 300070)

0 引言

隨著公眾健康意識(shí)的提高，睡眠-呼吸暫停綜合癥的危害逐漸受到人們的重視，由于睡眠-呼吸暫停綜合癥使睡眠呼吸反復(fù)暫停，造成大腦、血液嚴(yán)重缺氧，形成低血氧癥，從而加重大腦、肌肉組織缺氧風(fēng)險(xiǎn)[1]。研究表明[2]夜間呼吸暫停時(shí)間超過(guò)120秒有極高的猝死風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，臨床治療中，醫(yī)生通常只能根據(jù)病人描述制定相應(yīng)診斷方案，在后續(xù)治療過(guò)程中，往往依靠病人口述或醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)判斷制定相應(yīng)的治療計(jì)劃[3]，無(wú)法較為直觀的觀察病人預(yù)后狀況，對(duì)治療方案的效果無(wú)法做出有效評(píng)估。

為解決上述問(wèn)題，提出了一種基于聲音采集的人體睡眠呼吸檢測(cè)方案，可用于夜間采集并存儲(chǔ)人體呼吸睡眠數(shù)據(jù)，配合相應(yīng)算法可直觀的顯示和判斷出病人睡眠呼吸頻率、強(qiáng)度等信息，為醫(yī)生后續(xù)治療方案的制定提供參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)是基于聲音采集方案的呼吸睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由信號(hào)放大、采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理三個(gè)模塊組成，圖1為整體框圖。在采樣系統(tǒng)通電后，采集系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始工作，控制器以特定頻率讀取放大模塊輸出信號(hào)，當(dāng)采集到一定數(shù)據(jù)量之后，控制器開(kāi)始向存儲(chǔ)器中寫(xiě)入一次數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)連續(xù)工作時(shí)間不小于8小時(shí)，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊至少能保存8個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)量。在工作狀態(tài)下?tīng)顟B(tài)指示燈以固定頻率閃爍，以提示用戶系統(tǒng)正在工作。

在數(shù)據(jù)處理方面，采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、呼吸頻率分析計(jì)算和波形顯示。數(shù)據(jù)分析主要采用微分閾值法標(biāo)記出峰值點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算出睡眠呼吸頻率。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果和波形顯示圖形可生成病人呼吸睡眠檢測(cè)報(bào)告，供醫(yī)生分析和判斷治療效果。

圖1 整體框圖

2 器件選型

由前所述，本系統(tǒng)需要至少連續(xù)工作8小時(shí)，在采集人體呼吸睡眠數(shù)據(jù)同時(shí)，需要做到實(shí)時(shí)保存，數(shù)據(jù)量較大。在使用過(guò)程中，設(shè)備應(yīng)靠近人體面部鼻腔區(qū)域，這就要求采樣設(shè)備的體積應(yīng)盡可能做到小型化、便攜化。在MCU選型以及采樣電路上應(yīng)盡量做到低功耗設(shè)計(jì)[5]。采集系統(tǒng)選用STM32F103RCT6平臺(tái)作為控制核心，STM32F103RCT6是意法半導(dǎo)體推出的基于ARMCortex-M3內(nèi)核的低成本、高性能微處理器[4]。在配置外部晶振時(shí)具有最高72 MHz的主頻，內(nèi)部集成RC振蕩器，在硬件上不連接外部晶振情況下，系統(tǒng)默認(rèn)使用內(nèi)部晶振，此時(shí)最高可倍頻至36 MHz。其芯片內(nèi)部集成高速SPI模塊，最高速度可達(dá)到18 MHz。

由于需要采樣時(shí)間超過(guò)8小時(shí)，數(shù)據(jù)量達(dá)到幾百M(fèi)B，兼顧PCB體積要求，選用大容量Micro-SD卡以滿足采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，其具有小型化封裝、可熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，方便后續(xù)數(shù)據(jù)讀取。

聲音傳感器選用微型駐極體式話筒，其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種廣泛應(yīng)用的聲音傳感器。信號(hào)放大模塊采用內(nèi)置低噪聲麥克風(fēng)偏置的MAX9812[6]，其具有封裝尺寸小、外圍電路元器件少等優(yōu)點(diǎn)。直接使用主控芯片STM32F103RCT6內(nèi)置的ADC作為采樣接口，保證精度的同時(shí)節(jié)省了外加采樣芯片和外圍電路的空間。

2.1 聲音傳感器和前端放大電路

駐極體式微型話筒廣泛應(yīng)用于微型錄音器、廣播話筒及聲音控制器等電路中，是市面上較為常用的電容式話筒。其輸入和輸出阻抗很高，在駐極體式微型話筒外殼內(nèi)有一個(gè)作為阻抗轉(zhuǎn)換器的場(chǎng)效應(yīng)管[7]。駐極體話筒工作原理[8]：當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動(dòng)時(shí)，就會(huì)引起與金屬極板間距離的變化，這就轉(zhuǎn)化成在聲波帶動(dòng)下，振動(dòng)的駐極體膜片與金屬極板間距離在不斷的變化，根據(jù)電容電壓與電容容量關(guān)系可知，其電容上的電荷也在不斷的變化(U=Q/C)，進(jìn)而金屬基板上的電壓也在隨著聲波不斷變化。另一方面，由于駐極體膜片與金屬極板之間所形成的“電容”容量比較小(通常大小在幾十皮法左右)，根據(jù)電容阻抗與容量關(guān)系(XC=1/2πfC)，可知駐極體話筒輸出阻抗值很高，通常在幾十兆歐以上。這樣高的阻抗很難與放大器相匹配，所以在話筒內(nèi)內(nèi)置了一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管來(lái)進(jìn)行阻抗變換。通過(guò)輸入阻抗非常高的場(chǎng)效應(yīng)管將變化電容兩端的電壓分離出來(lái)，在分離的同時(shí)又可起到信號(hào)放大的作用，就得到了和聲波變化相對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)。駐極體話筒內(nèi)部的場(chǎng)效應(yīng)管為低噪聲信號(hào)專用器件，它的柵極G和源極S之間復(fù)合有二極管VD[8]，起到“抗阻塞”作用。

MAX9812是音頻信號(hào)常用的前端放大電路采用單輸入、20 dB固定增益的麥克風(fēng)放大器，在3.3 V電壓下其有兩種型號(hào)MAX9812L和MAX9813L，是專為工作于3.3 V電源下而作了優(yōu)化(適用2.7 V至3.6 V電源)，其封裝尺寸僅有0805封裝的貼片電阻大小，為pcb布局提供了極大的便利，內(nèi)置低噪聲麥克風(fēng)偏置，增益帶寬積為500 kHz，輸出可達(dá)滿擺幅，具有極高的100 dB電源抑制比，極低的總諧波失真加噪聲THD+N (0.015%)[8]。低功耗設(shè)計(jì)：僅230 μA的電源電流，在關(guān)斷模式下，整體電流在100 nA以內(nèi)。鑒于其固定增益特點(diǎn)，外圍電路較為簡(jiǎn)單，其原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 前端放大電路

6引腳IN引腳為信號(hào)輸入引腳，聲音通過(guò)駐極體式微型話筒將信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱電流。5引腳串聯(lián)個(gè)2.2 kΩ的電阻起到電壓補(bǔ)償作用，能確保在多種供電電壓下正常驅(qū)動(dòng)麥克風(fēng)工作，并降低電壓的波動(dòng)對(duì)信號(hào)處理的影響。3引腳為信號(hào)放大后的輸出引腳，電容C5起到濾除共模干擾的作用。前置放大電路輸出直接接入微型控制芯片的ADC引腳。

2.2 采集和控制單元

STM32F103是意法半導(dǎo)體推出的基于ARMCortec-M3內(nèi)核的低成本、高性能微處理器系列，具有體積較小，工作穩(wěn)定、低功耗等特點(diǎn)。為了減小PCB尺寸，可省去外部晶振的空間，可直接配置使用內(nèi)部晶振，在本系統(tǒng)PCB中預(yù)留了晶振位置以作測(cè)試和備用。在使用內(nèi)部晶振情況下設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為36 MHz。配置核心代碼為：

define HSI_VALUE ((uint32_t)8000000) ；//配置內(nèi)部晶振大小為8M

uint32_t SystemCoreClock = HSI_VALUE; //設(shè)置內(nèi)部晶振大小

SystemInit ()；//配置相關(guān)寄存器，倍頻至36 MHz。

STM32F103RCT6內(nèi)置ADC模塊是一種逐次逼近型的12位ADC模擬數(shù)字?jǐn)?shù)字轉(zhuǎn)換器，具有多達(dá)18個(gè)通道，最多可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源[4]。本系統(tǒng)采用ADC的第8通道進(jìn)行采集音頻信號(hào)，ADC工作頻率6 MHz，采樣頻率500 Hz。

2.3 存儲(chǔ)模塊

FATFS是一個(gè)專門為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用FAT(File Allocation Table)文件系統(tǒng)[9]。是一個(gè)開(kāi)源的文件系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式小型文件系統(tǒng)，F(xiàn)atFs 的編寫(xiě)遵循ANSIC，并且完全與磁盤(pán)I/O層分開(kāi)。因此，可獨(dú)立于硬件系統(tǒng)。它可以被嵌入到低成本的微控制器中，如Stm32, 8051, PIC 等等，只需編寫(xiě)相應(yīng)底層接口操作即可，而不必去關(guān)注的存儲(chǔ)器扇區(qū)等繁瑣的環(huán)節(jié)。 Micros-SD卡是一種常用的微型存儲(chǔ)器，以其體積小、容量大、使用方便等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于便攜式播放器、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話等領(lǐng)域。有兩種模式可以實(shí)現(xiàn)Micros-SD卡與STM32通信，分別是SPI通信與SDIO模式[10-11]，相比之下，SPI模式下只需要一根時(shí)鐘線兩根數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)通訊功能，符合本系統(tǒng)微型化要求，對(duì)比分析后本系統(tǒng)采用SPI模式實(shí)現(xiàn)Micros-SD卡的讀寫(xiě)。

本系統(tǒng)在STM32中添加FATFS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)Micros-SD卡的讀寫(xiě)，存儲(chǔ)模塊Micros-SD卡與Stm32采用spi接口進(jìn)行通訊,， SD卡SPI通訊模式下，需要四個(gè)上拉電阻，分別是片選信號(hào)SD_CS、MOSI、MISO和時(shí)鐘信號(hào)SCK，連接圖見(jiàn)圖3。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是MCU軟件設(shè)計(jì)和Matlab算法設(shè)計(jì)，MCU軟件設(shè)計(jì)以聲音信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為主要內(nèi)容。Matlab分析算法設(shè)計(jì)主要使用微分閾值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以計(jì)算呼吸頻率。

3.1 MCU軟件設(shè)計(jì)

MCU軟件設(shè)計(jì)主要涉及信號(hào)采集控制和存儲(chǔ)部分。其中以數(shù)據(jù)寫(xiě)入為難點(diǎn)。使用ADC1的通道8進(jìn)行采樣，采樣頻率500 Hz，每采集200 ms保存一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為TXT格式，以ASCII碼形式存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，將每次采集到的電壓數(shù)據(jù)分別按位轉(zhuǎn)換為四位ASCII碼數(shù)據(jù)的形式，并加入分隔符，數(shù)字‘0’的ASCII碼值為48，即分別對(duì)每次采樣到的數(shù)字量按位進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，加上48即得到其ASCII碼形式。具體實(shí)現(xiàn)程序?yàn)椋?/p>

{

adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_8,2);//讀取ADC數(shù)據(jù)

delay_ms(2);

textFileBuffer[0+5*i]=adcx/1000+48; //千位 textFileBuffer[1+5*i]=adcx%1000/100+48;//百位 textFileBuffer[2+5*i]=adcx%1000%100/10+48;//十位 textFileBuffer[3+5*i]=adcx%1000%100%10+48;//個(gè)位

textFileBuffer[4+5*i]= ' ';// 加入分隔符，以空格為分隔符

i++;

if(i>=100)

{

write_to_txt(textFileBuffer,buff_size);//寫(xiě)入SD卡

i=0;

}

為了方便Matlab讀取數(shù)據(jù)，采用固定大小文件方式處理，當(dāng)生成的TXT文件大小大于3 M，即生成新的TXT文檔，名稱依次為000,001,002...一直到255。

圖4 寫(xiě)入流程圖

在寫(xiě)入過(guò)程中先判斷文件大小，如果文件大小小于設(shè)定值就把指針指向文件末尾，執(zhí)行寫(xiě)入操作，如大于設(shè)定值大小，名稱加1，生成新文件寫(xiě)入，流程框圖見(jiàn)圖4，核心代碼為：

res = f_open(&fnew, name, FA_READ | FA_WRITE | FA_OPEN_ALWAYS );

//依名稱”name”打開(kāi)文件，初始化指針工作域。

res = f_lseek(&fnew, f_size(&fnew)); //操作指針指向文檔末尾地址

if (res == FR_OK) // 寫(xiě)入指針成功指向文檔末尾

{

res = f_write(&fnew, textFileBuffer, n, &bw); //寫(xiě)入操作

f_close(&fnew); // 及時(shí)關(guān)閉文檔，防止數(shù)據(jù)異常

}

涉及文件名稱改變的的代碼為：

size= f_size(&fnew); //獲取文件大小

if( size>txtfile_size)// 判斷是否大于設(shè)定值

{

name[20]=1+name[20]; //名稱遞增1.

}

3.2 Matlab軟件設(shè)計(jì)

微分閾值法是一種較為常用的峰值檢測(cè)算法，廣泛應(yīng)用于心電信號(hào)QRST波的檢測(cè)[12-13]，同樣可以使用此方法對(duì)采集到的音頻信號(hào)做進(jìn)一步處理以檢測(cè)出峰值。

微分閾值法基本原理是：一階微分極值即為數(shù)據(jù)上升或下降沿斜率最大處，找到此處坐標(biāo)，即可在一定范圍內(nèi)加窗即可確定采樣信號(hào)極值。首先對(duì)序列做一階微分并對(duì)其取絕對(duì)值運(yùn)算；其次設(shè)置一個(gè)既低于微分峰值，又明顯高于微分峰值以外部分干擾尖峰的閾值(如取微分?jǐn)?shù)據(jù)最大值的60%)，將一階微分值與閾值相比較，當(dāng)一階微分值大于閾值時(shí)，以數(shù)據(jù)在微分序列中的位置作為標(biāo)記點(diǎn)，在標(biāo)記點(diǎn)附近加窗(如窗長(zhǎng)度以標(biāo)記點(diǎn)前后50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為界限)，在窗函數(shù)內(nèi)檢測(cè)微分?jǐn)?shù)據(jù)的最大值，即得到一階微分極值，在一階微分極值點(diǎn)基礎(chǔ)上，用同樣的方法加窗確定采樣數(shù)據(jù)的極值，即可確定出采樣信號(hào)的最大值[13-14]。整體流程框圖見(jiàn)圖5。

圖5 微分閾值法流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)采用兩節(jié)七號(hào)普通電池供電，經(jīng)測(cè)兩節(jié)電池串聯(lián)電壓電壓為3.2 V，且電池供電具有紋波小的優(yōu)點(diǎn)，ADC的參考電壓Vref穩(wěn)定，保證了較高的采樣精度。測(cè)試環(huán)節(jié)，通過(guò)播放下載好的打鼾聲來(lái)模擬采集睡眠數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)將播放器放置在距離聲音傳感器3 cm處，采集時(shí)長(zhǎng)10分鐘。首先測(cè)試內(nèi)部晶振誤差。在使用外部晶振和內(nèi)部晶振情況下，均配置系統(tǒng)工作頻率為36 MHz，工作時(shí)間一小時(shí)，在使用內(nèi)部晶振和外部晶振生成數(shù)據(jù)大小大約在8843～8890 kB之間，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，內(nèi)部晶振與外部晶振精準(zhǔn)度在99%以上，使用外部晶振與使用內(nèi)部晶振對(duì)本系統(tǒng)工作狀態(tài)影響極小，說(shuō)明整體方案中使用內(nèi)部晶振是可行的，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)大小測(cè)試 (單位kB)

根據(jù)MCU軟件設(shè)計(jì)，每秒鐘采樣產(chǎn)生500個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，轉(zhuǎn)換成ASCII后并在兩兩數(shù)據(jù)點(diǎn)之間加入分隔符，每秒鐘存儲(chǔ)到Micros-SD卡中數(shù)據(jù)為2500字節(jié)，即數(shù)據(jù)生成量為2.5 K/S，由此可計(jì)算出連續(xù)工作一小時(shí)生成數(shù)據(jù)量為9 M字節(jié)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試到一小時(shí)實(shí)際生成數(shù)據(jù)量大約為8.8 M，根據(jù)寫(xiě)入流程推算，可推測(cè)誤差的主要來(lái)源是主控芯片與Micros-SD卡通訊的時(shí)間損耗。

4.2 微分閾值法尋找極值點(diǎn)

Matlab可直接讀取音頻數(shù)據(jù)，對(duì)音頻做頻譜分析[13,15]，利用上述微分閾值法可以在時(shí)域圖中標(biāo)記相應(yīng)峰值，與本系統(tǒng)采集到的波形做比對(duì)，以評(píng)價(jià)本系統(tǒng)的采樣誤差。采樣音頻波形如圖6所示。上部為一階微分取絕對(duì)值后的波形，底部為時(shí)域波形。橫軸為采樣時(shí)間點(diǎn)，讀取間隔50 μs，即總時(shí)間為10 s，縱軸為幅度比，f為幅度量。

圖6 采樣數(shù)據(jù)波形

以每分鐘極值次數(shù)為睡眠呼吸頻率，根據(jù)系統(tǒng)的采樣頻率計(jì)算兩個(gè)極值間的時(shí)間差，進(jìn)而推算出一分鐘的呼吸次數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)采樣精準(zhǔn)度在90%以上，達(dá)到采集人體呼吸睡眠數(shù)據(jù)的要求。采樣測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 呼吸頻率比對(duì)表

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于聲音采集方案，利用STM32平實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，結(jié)合Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病人呼吸狀態(tài)的檢測(cè)和處理，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠且具有小型化、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，滿足呼吸暫停綜合癥患者夜間的監(jiān)測(cè)需求，可為醫(yī)生判斷患者病情提供參考。

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