便携式睡眠监测的设计研究.pdf

Design Research on Portable Sleep Monitoring Instrument A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering By Zhang Jian Supervised by Prof. Tian Xuelong Major: Biomedical Engineering College of Bioengineering of Chongqing University, Chongqing, China April, 2011 中文摘要 摘 要 人的一生中大约有三分之一的时间是在睡眠度过的，通过睡眠可以：①消除 疲劳和恢复体力；②使大脑得到休息，以恢复精力；③增强免疫力；④促进人的 生长发育；⑤延缓衰老；⑥使人放松，有利于人的心理健康；⑦有利于皮肤美容 等。睡眠质量的好坏影响直接影响人的身体健康。然而，目前还没有简便的方法 可以让人们了解自己的睡眠结构，睡眠的重要性还未得到充分的认识。目前进行 睡眠监测诊断的仪器主要为多导睡眠图仪(PSG)，该设备比较复杂，需要在病人身 上粘贴的传感器多，给病人带来的生理心理负荷大，对病人的睡眠造成严重的影 响，且价格昂贵，不便于随身携带和推广。在只需单纯判断睡眠质量的情况下， 是不需要监测如PSG 一样全面的生理信号的。光电容积脉搏波作为一种极易获取 到的信号，不仅包含有心搏功能、血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息， 同时包含有丰富的微循环生理病理信息，是研究人体循环系统重要的信息来源。 在睡眠过程中，脉搏会随着睡眠深度的不同而有所变化，通过分析可从脉搏中分 离出睡眠相关信息。基于此，本文采用了一种仅通过监测双光源手指脉搏信号来 完成病人睡眠监测的方法，设计出便携式的睡眠监测仪，首先通过硬件电路采集 整夜的双光源手指脉搏信号，再通过上位机软件进行信号分析，从中分离出睡眠 相关信息，继而对睡眠质量进行客观评估。 文中介绍了手指光电脉搏波的采集原理及方法，比较了有创检测方法和无创 检测方法的优劣，并对其数学模型进行了简要介绍，说明了测量血氧饱和度时选 用双光源的原因及对光源波长的要求。根据数学模型，实际电路设计中需要采集 I I 的参数为：近红外和红外透射光的最大强度 和 (脉搏波直流成分)及由于脉 max max 搏搏动而引起的透射光强度变化量Imax 和Imax (脉搏波交流成分) 。另外，测量血 氧饱和度之前还需要对脉搏血氧曲线进行定标，文中讨论了传统和现代定标方式 的优缺点，并对影响血氧饱和度测量的因素进行了说明。 下位机部分，利用MSP430FG439 为核心开发了睡眠监测仪的信号采集系统， 详细介绍了其各模块的原理、构成及控制方式。用H 桥式恒流源的方式对脉搏探 头进行驱动，既可实现脉搏探头LED 的分时驱动，又可实现其光源强度的动态调 节。利用单片机内部放大器和DAC 、ADC 并配合一定的算法，用数字和模拟相结 合的方式完成了脉搏波直流及交流成分的采集，并完成对瞬时SPO 和RRI 的计算。 2 通过编程，系统还可实现探头的脱落报警以及自动低功耗处理。最后，将血氧、 脉搏波数据、RRI 存储到大容量FLASH 中，以供后期上位机分析。