智能仪器仪表 便携式睡眠呼吸暂停监测仪
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便携式睡眠呼吸暂停监测仪
摘要:介绍了一种基于胸腹运动检测法,应用压电薄膜式传感器设计的新型便携式睡眠呼吸暂停监测仪,为睡眠呼吸暂停的普及检测提供了一种简易手段。
关键词:睡眠呼吸暂停;传感器;便携式;监测仪;压电薄膜
Abstract: In this paper, a new portable sleep apnea monitoring device is presented. This new device is based on chest & abdomen movement inspection by piezoelectric thin film sensors and providing us an easy way to popularize the sleep apnea monitor.
Key words:Sleep apnea, sensor; Portable; Monitoring device; Piezoelectric thin film
引言
睡眠呼吸暂停是一种新发现的与睡眠相关的呼吸疾病,主要特征是患者在睡觉中短时间内发生呼吸异常乃至停止的现象,严重的将会引起死亡。睡眠呼吸暂停的主要疾病有两种:阻塞性睡眠呼吸暂停综合症和中枢性睡眠呼吸暂停综合症。
目前已经涌现出一些先进的检测系统,通过对患者晚上睡眠的实时监控,及时对患者的睡眠情况进行检查,可以发现睡眠呼吸暂停综合症的长度和频度,对疾病的明确诊断和治疗发挥了重要作用。但因其价格昂贵、体积庞大,只能在专业医院使用。随着人们对睡眠呼吸疾病认识的不断深入,迫切需要有更简单经济的方法来普及睡眠呼吸暂停患者的检测手段,我们应用胸腹运动检测法,设计了一种简易的新型睡眠呼吸暂停监测仪。这种方法的优点是测量灵敏度高,佩戴方便、舒适,不影响睡眠质量。
1 系统的设计思想
在正常情况下,呼吸肌能很好地协调呼吸运动。吸气时胸廓和腹部均隆起向外运动,呼气时向内运动回到静息时的状态。而中枢性呼吸暂停发生时呼吸驱动暂时丧失,气流及胸腹呼吸运动全部消失。阻塞性呼吸暂停发生时,上气道气流消失,但胸腹部的呼吸运动依然存在,并且运动的方向相反。我们定义呼吸消失10秒以上为发生一次暂停,暂停达到20秒即报警并启动辅助治疗仪。设计思想是设计一款能测量腹部、胸部运动状态的仪器,来检测呼吸暂停的产生。本监测仪是由传感器、监测仪、辅助治疗仪等部分组成。
2 系统设计
2.1 传感器设计
本系统中采用的是PVDF压电薄膜式的传感器,经过测试,稳定性好,抗干扰性能强。PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料,它既具有压电性又有薄膜柔软的机械性能,用它制作压力传感器,具有设计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全舒适,能紧贴体壁,以及声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点,可用于呼吸,脉搏心音等人体信号的检测。这些信号携带有人体重要的生理参数信息,通过对该信号的有效处理,可准确得到波形、心率次数等,可为医生提供可靠的诊断依据。压电薄膜用作为一种动态应变传感器,非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。当拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(压电薄膜),薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号(电荷或电压),并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感,但对于压电薄膜来说,在纵向施加一个很小的力时,横向上会产生很大的应力,而如果对薄膜大面积施加同样的力时,产生的应力会小很多。因此,压电薄膜对动态应力非常敏感,28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变(长度的百万分率变化)。压电薄膜很薄,质轻,非常柔软,可以无源工作,因此可以广泛应用于医用传感器,尤其是需要探测细微的信号时。显然,该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出,而且压电薄膜极其耐用,可以经受数百万次的弯曲和振动。
2.2 传感器的工作原理
人体信号的采集方式在进行信号采集的时候,有几种方式可以选用,一种是非接触式采集,此种方式对人体无任何的影响,不会干扰被监测人的正常生活;一种是接触采集,信号的采集装置接触人体,甚至要置入体内,或多或少的影响到被测人的正常生活,所以测量传感器的选用就显得十分重要。
根据几个信号的强弱,就知道被测人员健康情况。呼吸信号的采集来源于三个指标,分别是鼻呼吸、胸呼吸和腹部呼吸,健康的人一般是用鼻呼吸和胸呼吸,而当有异常情况时,主要是腹呼吸,而鼻呼吸和胸呼吸微弱,或全停止。所以对被监测人员的呼吸提取,就从鼻
呼吸和胸呼吸、腹呼吸三个方面入手。
将呼吸信号转化为电信号的方式有几种,一是利用电阻应变片作为传感器,当有呼吸运动时,在运动的方上引起电阻的变化,从而采集到电信号,此种传感器的电阻材料主要是康铜丝和卡码合金,该种传感器的特点是线性误差小,长时间使用零点稳定性好。但该传感器的灵敏度受到电阻丝弯曲形状影响较大,在机械应力的作用下,使得材料本身的电阻率发生了较大的变化。
固态压阻式传感器是近年发展起来的新型传感器件,由于它的原理是基于半导体的压阻效应。所以也称之为半导体应变式传感器。
半导体材料在机械应力的作用下,使得材料本身的电阻率发生了较大的变化,这种现象叫压阻效应。这与金属电阻的应变效应有本质的区别。晶体在应力的作用下,晶格间的载流子电子、空穴的相互作用发生了变化,半导体材料从能量的角度看,原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了变化,这就影响了导带中载流子的数目,同时又使载流子的迁移率发生了变化,因此晶体的电阻率发生了变化,半导体应变片的应变灵敏系数要比金属应变片大几十倍至一百多倍。通常把半导体应变式传感器称之为压阻式传感器。半导体晶片的压电效应的方向性强,对于一个给定的半导体晶片来说,在某一晶格方向上压电效应最显著,而在其它方向上压电效应就较小或不会出现。
半导体应变片目前主要有两大类型:体型半导体应变片,这种元件的应变片需要用特殊胶水来粘贴,精度受到影响;扩散式半导体应变片,它是应用扩散掺杂工艺,在一块芯片上一次完成,精度、可靠性都很高。目前被大量应用于医学测量等领域。本研究就采用了该种器件。呼吸信号的采集原理如下,如图3.1所示:
图3.1扩散压敏电阻式惠斯登全桥传感器
为了提高灵敏度,把扩散压敏电阻接成惠斯登全桥,并且把电阻值增加的两个电阻对接,以使电桥输出的灵敏度最大。
当有应力作用时,即有呼吸运动时,两个电阻的增量为△R,另两个对接电阻减小量为-△R,由于温度的影响,每个电阻都有△R 的变化量。根据图3.1,电桥的输出为:
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