前言

　　睡眠呼吸暫停癥是一種很常見的睡眠呼吸疾病，根據(jù)研究調(diào)查，在美國(guó)約有24%的成年男性及9%成年女性或超過(guò)200萬(wàn)人口患有此疾病，在中國(guó)臺(tái)灣至少有35萬(wàn)人也有此問題。

　　一般在診斷患者是否罹患睡眠呼吸暫停癥是指患者在睡眠中出現(xiàn)呼吸暫停和低通氣的總次數(shù)超過(guò)每小時(shí)5次。其中呼吸暫停是指在睡眠中，出現(xiàn)10秒以上的呼吸氣流消失，低通氣是指呼吸氣流并未完全停止，只是減少到原來(lái)的20%~50%，同時(shí)血氧濃度下降4%以上的呼吸紊亂。目前醫(yī)生在診斷睡眠呼吸暫停癥時(shí)常使用夜間睡眠呼吸多項(xiàng)生理監(jiān)測(cè)儀，記錄一整夜的睡眠周期，其中包括呼吸暫停以及呼吸變淺的次數(shù)、型態(tài)、缺氧指數(shù)、次數(shù)、心電圖的變化、口鼻腔氣流、胸腹部呼吸運(yùn)動(dòng)、耳垂血氧等信號(hào)的記錄、打鼾次數(shù)等情形。使用夜間睡眠呼吸多項(xiàng)生理監(jiān)測(cè)儀雖然精確，但需要在身上配戴多種儀器，也必須在特定的醫(yī)院中由專業(yè)人士操作才能進(jìn)行測(cè)量，非常不方便也容易影響患者的睡眠，所以不適合做長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。因此一般患者除非到了非常嚴(yán)重的地步是不會(huì)走進(jìn)醫(yī)院進(jìn)行這項(xiàng)檢查。更何況睡眠呼吸多項(xiàng)生理監(jiān)測(cè)儀是一項(xiàng)價(jià)格昂貴的儀器，一般患者不會(huì)購(gòu)買在居家中自行測(cè)量，所以很難達(dá)到普遍性。本系統(tǒng)主要針對(duì)這些缺點(diǎn)發(fā)展出一套使用簡(jiǎn)單、察覺性更低、價(jià)格低廉及適合在居家睡眠環(huán)境下作長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到幫助醫(yī)師了解病患的病情，并提供醫(yī)生追蹤治療過(guò)程的改善情形。

　　研究方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖1為系統(tǒng)方塊圖。本系統(tǒng)是由(1)生理參數(shù)測(cè)量計(jì)及(2)生理參數(shù)分析器所構(gòu)成。生理參數(shù)測(cè)量計(jì)包含有生理信號(hào)感測(cè)裝置、微控制器。生理參數(shù)分析器則是利用藍(lán)牙無(wú)線模塊接收生理測(cè)量計(jì)所測(cè)量到的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，加以分析，并以具親和力的操作畫面顯示出來(lái)，提供病患睡眠生理變化情形。

　　圖1 無(wú)線型睡眠呼吸暫停癥監(jiān)視系統(tǒng)方塊圖

　　生理參數(shù)測(cè)量計(jì)

　　生理信號(hào)感測(cè)裝置

　　心跳變化使用的感測(cè)組件為光傳感器，主要利用人體心臟收縮時(shí)血管中的血流量及血氧濃度會(huì)因此而產(chǎn)生變化。本系統(tǒng)采用光耦合器(CNY70)利用光反射法偵測(cè)血管末端血流量的變化。圖2為光耦合器CNY70內(nèi)部架構(gòu)及動(dòng)作原理。

　　圖2 光耦合器CNY70內(nèi)部架構(gòu)及動(dòng)作原理

　　音頻信號(hào)接收器主要是接收睡眠時(shí)因呼吸道阻塞所產(chǎn)生的鼾聲，本系統(tǒng)采用電容式音頻接收器作為信號(hào)接收的主要組件，利用接收音波壓力改變振動(dòng)膜的位移量，使振動(dòng)膜與鋁質(zhì)外殼間的電容CT隨著音波強(qiáng)弱改變電容量，再經(jīng)FET完成阻抗的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生RECM，使REXT和RECM的分壓改變，得到不同的輸出。圖3為音頻接受器內(nèi)部架構(gòu)及動(dòng)作原理。

　　圖3 音頻接受器內(nèi)部架構(gòu)及動(dòng)作原理

　　呼吸傳感器的工作原理是利用呼吸時(shí)胸腔會(huì)產(chǎn)生起伏而拉動(dòng)臥式可變電阻因而產(chǎn)生電阻值的改變。

　　生理信號(hào)感測(cè)電路

　　1.心跳感測(cè)電路

　　圖4為心跳感測(cè)電路方塊圖。心跳變化時(shí)，傳感器所測(cè)量到的信號(hào)，包含有直流偏壓(DC Offset)、心跳變化的信號(hào)、呼吸及肌肉顫動(dòng)、60Hz及高頻的噪聲，其中心跳變化的信號(hào)為所需的信號(hào)，其它信號(hào)一律視為噪聲，因此分別采用硬件的前置濾波電路及軟件兩種處理方式，以消除不同的噪聲對(duì)測(cè)量所造成的影響。前置濾波電路主要特點(diǎn)是可以減輕軟件程序進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理所需的運(yùn)算量及時(shí)間，避免造成信號(hào)處理過(guò)程中延遲情形。圖5為心跳信號(hào)之波形。圖6為將心跳信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之波形。圖7為心跳感測(cè)電路。

　圖4 心跳感測(cè)電路方塊圖

　　圖6 心跳信號(hào)轉(zhuǎn)換后波形                                      圖5 心跳信號(hào)轉(zhuǎn)換前波形圖

　　圖7 心跳感測(cè)電路

　　2.鼾聲感測(cè)電路

　　圖8為鼾聲感測(cè)電路方塊圖。以音頻接收器測(cè)量到的鼾聲信號(hào)包含很多噪聲及背景雜音的影響，必須利用硬件濾波器去除高頻、低頻噪聲只留下鼾聲頻帶內(nèi)的信號(hào)，Smithson[1995]研究中顯示鼾聲的頻率大約在1~200Hz的聲音頻帶內(nèi)，其它聲音的頻率域則較廣。首先由音頻接收器從量得的信號(hào)，信號(hào)放大，再經(jīng)由200Hz低通濾波器濾除其它聲音所造成的噪聲干擾。圖10為將鼾聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之波形。圖11為鼾聲感測(cè)電路。

　　圖8 鼾聲感測(cè)電路方塊圖

　　圖10 鼾聲信號(hào)轉(zhuǎn)換后波形                                 圖9 鼾聲信號(hào)轉(zhuǎn)換前波形

　　圖11 鼾聲感測(cè)電路

　　3.呼吸感測(cè)電路

　　圖12為呼吸感測(cè)電路方塊圖。利用呼吸時(shí)胸腔的起伏拉動(dòng)臥式可變電阻改變電阻值因而產(chǎn)生的電壓變化，經(jīng)由信號(hào)放大電路、比較電路，即可判斷呼吸的情形。圖13為呼吸信號(hào)波形。圖14為呼吸感測(cè)電路。

　　圖12 呼吸感測(cè)電路方塊圖

                                  圖13 呼吸信號(hào)波形

　　圖14 呼吸感測(cè)電路

　　CPU及顯示電路

　　圖15所示為本系統(tǒng)CPU及顯示電路。CPU是使用盛群半導(dǎo)體股份有限公司所生產(chǎn)的HT46R24微控制器，其中由Port A 及Port C驅(qū)動(dòng)15*4中文顯示型LCD，作為生理參數(shù)數(shù)據(jù)的顯示，Port B為生理參數(shù)及定時(shí)器的輸入端，而Port D則經(jīng)過(guò)MAX232準(zhǔn)位轉(zhuǎn)換做串行傳輸。

　　圖15 CPU及顯示電路

　　固件程序

　　生理參數(shù)測(cè)量計(jì)之程序如下：在生理參數(shù)測(cè)量時(shí)為了避免讀取到身體翻轉(zhuǎn)時(shí)的錯(cuò)誤信號(hào)，利用多重讀取的方式加以避免，在信號(hào)變化時(shí)連續(xù)讀取，且每次讀取間加入一段時(shí)間延遲，再經(jīng)過(guò)比對(duì)讀取的信號(hào)是否相同，此方式可降低信號(hào)讀取時(shí)的錯(cuò)誤率。處理完成后的生理參數(shù)資料存放于微控制器的緩存器，并通過(guò)中文型LCD顯示所測(cè)量到的生理參數(shù)。藍(lán)牙無(wú)線模塊傳輸方面，主要將儲(chǔ)存在微控制器內(nèi)部緩存器的生理參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串行傳輸與個(gè)人計(jì)算機(jī)間做數(shù)據(jù)通訊。

　　生理參數(shù)分析器

　　以Visual Basic6.0為開發(fā)工具，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線模塊接收由生理參數(shù)測(cè)量計(jì)所傳輸?shù)纳韰?shù)數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的生理參數(shù)進(jìn)行分析，連接Excel將每個(gè)時(shí)間點(diǎn)所測(cè)量的生理參數(shù)資料進(jìn)行分析及統(tǒng)合以曲線圖的方式顯示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的生理變化狀況，讓醫(yī)師在診斷上更加方便。

　　結(jié)果

　　圖16為由醫(yī)院所取得正確的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)實(shí)際仿真測(cè)量所得之曲線分析圖。本系統(tǒng)提供一組一般正常睡眠時(shí)的呼吸生理參數(shù)數(shù)據(jù)及曲線圖，增加醫(yī)師在比對(duì)及判斷的方便性。

　　圖16 生理參數(shù)經(jīng)過(guò)帕線分析后結(jié)果顯示

　　圖16上方為未罹患睡眠呼吸暫停癥的睡眠呼吸生理變化情形；下方則為罹患睡眠呼吸暫停癥患者睡眠時(shí)的睡眠生理變化情形。

　　表1為圖16各個(gè)顏色曲線所代表的意義。

　　圖16曲線分析及比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，睡眠呼吸暫停癥的患者睡眠時(shí)呼吸通常伴隨著鼾聲，當(dāng)有睡眠呼吸暫停的情況發(fā)生，心跳次數(shù)在同一時(shí)間域內(nèi)有非常明顯的下降情形，因此能判斷罹患睡眠呼吸暫停癥的患者在長(zhǎng)期未接受有關(guān)睡眠呼吸暫停癥治療的情況下，心臟長(zhǎng)期在睡眠時(shí)未有規(guī)律的跳動(dòng)而容易罹患有關(guān)心血管方面的疾病。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在設(shè)計(jì)單芯片微控制器的軟件時(shí)，必須以時(shí)間軸為基準(zhǔn)，測(cè)量各項(xiàng)生理參數(shù)，才能于重建時(shí)找出各個(gè)生理參數(shù)間的關(guān)系。為了使生理參數(shù)測(cè)量計(jì)的體積小型化，必須選擇低消耗電量及體積較小的組件，并使用微控制器使整體電源消耗最小化。藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊為低功率消耗且高安全性的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

　　在生理參數(shù)測(cè)量時(shí)，必須將生理信號(hào)感測(cè)裝置固定于患者身體上，因?yàn)樗X時(shí)頭部、身體移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，容易造成測(cè)量設(shè)備的脫落及不正確的測(cè)量數(shù)據(jù)，此時(shí)不正確的測(cè)量多少會(huì)影響醫(yī)師對(duì)癥狀的評(píng)估。所以生理參數(shù)測(cè)量計(jì)的傳感器體積必須要很小，固定容易、不易脫落及避免影響患者的睡眠，處理生理參數(shù)的數(shù)據(jù)時(shí)，必須要先利用濾波器，將其噪聲除去，只顯示真正的睡眠呼吸的生理參數(shù)的波形，這樣才更容易得到準(zhǔn)確的生理參數(shù)，進(jìn)而提高醫(yī)師診斷上的正確性。

　　另外，要配合生理參數(shù)測(cè)量計(jì)內(nèi)各個(gè)電路模塊，系統(tǒng)的電源供應(yīng)就顯得很重要。傳統(tǒng)電源處理方式是由電力公司所提供110V 60Hz(編者注：此指標(biāo)為臺(tái)灣電力)的電源經(jīng)由一個(gè)重量、體積不小的變壓器，經(jīng)過(guò)不斷的整流及穩(wěn)壓才能得到系統(tǒng)所需的電壓，而此過(guò)程所產(chǎn)生溫度容易因?yàn)樯岵煌耆鴮?dǎo)致組件容易損毀。為了要讓生理參數(shù)測(cè)量計(jì)體積小、重量輕、且不會(huì)產(chǎn)生高溫，因此生理參數(shù)測(cè)量計(jì)采用市面上110V 60Hz轉(zhuǎn)換成5V 1A的電源轉(zhuǎn)換器，提供微控制器使用，再通過(guò)直流轉(zhuǎn)直流-雙組-電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成感測(cè)電路模塊所需的±5V電源，相較于以往不但降低電源設(shè)計(jì)的難度，使得攜帶更加的方便。