湯少嫻　植文浩　莫忠

摘 要：本文基于壓力傳感器設計了一種防止嬰兒嗆奶窒息的睡眠呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)由嬰兒可穿戴設備和單片機主控芯片兩個部分組成。穿戴設備上主要是HKH-11C數(shù)字呼吸傳感器，通過壓電材料在人體腹部檢測人呼吸產生的腹部收縮和舒張壓力的變化來采集嬰兒的呼吸信號，經過前置放大、信號調理、幅度調整、AD、USB通信等電路，輸出呼吸波形數(shù)據，然后通過數(shù)據接口與單片機進行數(shù)據的傳送與接收，實現(xiàn)嬰兒嗆奶窒息的及時監(jiān)測。該嬰兒嗆奶窒息的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)可以實時地監(jiān)測到嬰兒在睡眠時的呼吸波，并且在嬰兒發(fā)生嗆奶時可發(fā)生警報。

關鍵詞：監(jiān)測系統(tǒng);壓電傳感器;窒息

一、緒論

嬰兒的健康成長對一個家庭的重要性不言而喻，對嬰兒進行必要的監(jiān)護能夠促進嬰兒健康成長。然而，嬰兒嗆奶窒息導致死亡的事件頻頻發(fā)生。嬰兒經常會出現(xiàn)嗆奶現(xiàn)象，因為嬰兒的胃容積比較小、賁門括約肌還沒發(fā)育成熟，關閉不緊，以至奶水逆流。由人體的氣管結構可知，人體的食道開口與氣管開口在咽喉部的位置是相通的，這樣會導致嬰兒在嗆奶時奶水極其容易逆流到氣管，容易導致吸入性肺炎，甚至奶汁堵塞了氣道，發(fā)生呼吸困難和缺氧窒息死亡，而發(fā)生嗆奶的最佳搶救時間極短，如搶救不及時極易造成嬰兒窒息死亡[1-3]。另外，嗆奶窒息的情況大多出現(xiàn)在嬰兒睡覺的時候。在日常生活當中，嬰兒是一種特殊的人群，他們沒有形成完整的意識，尚未具有自主表達個人意愿的能力，所以監(jiān)護人往往只能利用嬰兒發(fā)出的哭泣聲作為信號去查看嬰兒是否處于不正常的狀態(tài)。但是，監(jiān)護人很難做到對嬰兒的24小時無間歇照看，特別是晚上監(jiān)護人也處于深度睡眠時。因此，在窒息的狀態(tài)下嬰兒很難通過哭啼的方式去引起監(jiān)護人的注意。若監(jiān)護人沒有及時察覺到嬰兒發(fā)生窒息，在短短的幾分鐘內嬰兒便會因為窒息缺氧造成不可逆的腦損傷，嚴重時甚至會有生命危險。因此，通過技術手段實現(xiàn)對嬰兒嗆奶窒息的預防是非常有必要的[4]。

呼吸是人體的重要生理過程，呼吸有兩種方式，一種是腹式呼吸，還有一種是胸式呼吸。嬰兒、兒童以及男性的呼吸方式都是以腹式呼吸為主的，所以在初睡時腹式呼吸比較重，肚子會起伏，這是正?，F(xiàn)象。呼吸時主要可見腹部起伏是因為呼吸肌以膈肌運動為主。因此，可通過監(jiān)測嬰兒腹部變化來判斷其呼吸情況，并結合技術手段實現(xiàn)對嬰兒嗆奶窒息進行預防[5-7]。

本文以MSP430芯片作為主控制器，壓力傳感器為信號采集模塊。開發(fā)一款防止嬰兒嗆奶窒息的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。通過USB數(shù)據線將傳感器和單片機結合在一起，形成數(shù)據輸入處理系統(tǒng)。單片機將傳感器采集的數(shù)字信號加以處理，通過無線數(shù)據傳輸模塊把呼吸信號數(shù)據傳輸?shù)椒澍Q器，實現(xiàn)報警預防。

二、系統(tǒng)總體設計

目前，國內市場關于嬰兒嗆奶的監(jiān)測裝置主要基于氧氣濃度、二氧化碳濃度的檢測。本文設計的系統(tǒng)主要包括兩大部分，一部分是對嬰兒呼吸狀態(tài)檢測的信息采集模塊，采用壓力傳感器直接采集腹部呼吸信號;另一部分是對所接收數(shù)據進行分析處理，并控制報警的實時監(jiān)測模塊，采集的數(shù)據經過前置放大、信號調理、幅度調整、A/D轉換、USB通信等電路，輸出呼吸波形數(shù)據，然后通過數(shù)據接口與單片機進行數(shù)據的傳送與接收，實現(xiàn)嬰兒嗆奶窒息的及時監(jiān)測。系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。

三、系統(tǒng)硬件設計

（一）數(shù)據處理模塊

MSP430系列單片機是美國德州儀器公司生產的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器?？梢愿鶕嶋H應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上。具有處理能力強、運算速度快、超低功耗等特點。

（二）呼吸信號采集模塊

根據工作原理的不同，主要有壓電、壓容和壓阻三種壓力傳感器。而壓電傳感器利用壓電材料的正壓電效應，如圖2所示，當壓電材料受到外力的作用時，內部就會產生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷，如果當外力作用的方向發(fā)生改變的時候，電荷的極性也會隨之發(fā)生變換。

本文采用高分子壓電材料感應由于人體呼吸產生的腹部壓力變化信號，模擬電壓信號輸出。用腰帶將呼吸傳感器固定在肚臍上方或下方，由于呼吸時產生的腹部起伏，對傳感器壓電感應面施加了變化的壓力，傳感器將這個變化的應力轉換成模擬電壓信號，如圖3所示。

（三）模/數(shù)轉換模塊

本系統(tǒng)采用的集成芯片為MSP430單片機內部集成了模/數(shù)轉換模塊。ADC10是MSP430單片機上模/數(shù)轉換器，其轉換位數(shù)為10比特，該模塊內部是一個SAR型的AD內核，可以在片內產生參考電壓，并且具有數(shù)據傳輸控制器。數(shù)據傳輸控制器能夠在CPU不參與的情況下，完成AD數(shù)據內存任意位置的傳輸。

（四）藍牙無線傳輸模塊

HC-08藍牙串口通信模塊是新一代的基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。設備低成本的收發(fā)器芯片，傳輸距離近、低功耗，現(xiàn)在的智能手機大部分都有藍牙通信的功能，呼吸傳感器可以配備專用的藍牙模塊與手機進行數(shù)據的傳送，藍牙模塊功耗低，特別適合于便攜式設備。

（五）蜂鳴報警模塊

傳感器采集的信號，通過單片機處理判斷呼吸的運動情況，從而計算出呼吸的周期，監(jiān)測到有呼吸暫?，F(xiàn)象發(fā)生，且持續(xù)時間超過設置的閾值（10s）時，就會觸發(fā)蜂鳴器進行報警，報警電路如圖4所示。

四、系統(tǒng)軟件設計

采用C語言對MSP430主控芯片進行編程，系統(tǒng)原理框架流程如圖5所示。單片機接收到傳感器模塊采集的數(shù)據后，對其進行處理，若發(fā)生呼吸信號暫?，F(xiàn)象（其功率小于設置的閾值，如3W），且持續(xù)該狀態(tài)的時間超過設置的閾值（10s），則啟動報警，完成一次監(jiān)測，否則，直接跳轉到結束，繼續(xù)進行下一次監(jiān)測。

五、測試結果

將傳感器固定在嬰兒的腰腹位置，嬰兒呼吸時由于腹部的運動，使壓力傳感器受到其應變力的作用產生相對應的電信號，利用放大電路對這種信號進行放大，最后輸出數(shù)字信號傳送到單片機。采集到的信號如圖6（a）所示，嬰兒在熟睡時候的呼吸波是比較平穩(wěn)且有規(guī)律的;出現(xiàn)異常時的呼吸波信號如圖6（b）所示。

六、結語

本文設計了一款體積小、價格便宜、操作簡單的防止嬰兒嗆奶窒息的監(jiān)測系統(tǒng)，該裝置可以在嬰兒發(fā)生嗆奶的時候發(fā)出警報并及時向家長反映嬰兒的狀態(tài)，提醒身邊的人及時采取急救措施。在實際應用中有重要的意義，具有良好的市場要求和前景。

參考文獻：

[1]強靜.新生兒發(fā)生嗆奶時的預防及處置[J].大家健康，2016，10（02）：153-154.

[2]安娜，常梅，曹軍慶，等.可穿戴嬰兒窒息報警裝置.中國，201510919126.3[P].2015.12.11.

[3]王新立，張慧杰，常梅，等.一種預防嬰兒窒息的報警裝置及報警方法.中國，201510919726.6[P].2015.12.11.

[4]李宏恩，周晉陽，郝文延.一種可穿戴呼吸實時檢測系統(tǒng)的設計[J].科技通報，2017，33（6）：78-81.

[5]趙佳佳.基于STM32的睡眠呼吸監(jiān)測儀[J].現(xiàn)代計算機，2017（02）：77-80.

[6]劉一，張琴，任占兵.一種新型睡眠呼吸暫停檢測系統(tǒng)的設計[J].電子器件，2015，38（03）：636-638.

[7]賈學斌，廖曦文，王云峰.基于PVDF壓電薄膜的阻塞型呼吸暫停監(jiān)測方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（05）：143-145.

基金項目：廣東省中山大學新華學院2018年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201813902072）資助

作者簡介：湯少嫻（1997-），女，漢族，廣東廣州人，本科，研究方向：醫(yī)療儀器;植文浩（1997-），男，漢族，廣東廣州人，本科，研究方向：醫(yī)療儀器。

*通訊作者：莫忠（1985-），男，漢族，湖南邵陽人，碩士，講師，研究方向：醫(yī)學電子技術及生物傳感器。