便携式睡眠监测仪的设计研究

论文摘要

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的参数为:近红外和红外透射光的最大强度I max和I ’max（脉搏波直流成分）及由于脉搏搏动而引起的透射光强度变化量ΔI max和ΔI’max（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SPO2和RRI的计算。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。上位机部分,通过VC++和MATLAB混合编程的方法设计了睡眠监测仪的数据分析系统。通过串口接收到的数据,按照既定协议进行解码后,得到对应时间点的脉搏、RRI及SPO2数据。下位机和上位机之间的通讯,采用实时接收和非实时接收两种模式。实时接收模式,在采集数据的同时即开始传输数据,可用于对脉搏、RRI及血氧的实时监控;非实时接收模式,先将数据存储到FALSH中,采集完毕后,将数据进行统一传输。数据分析时,分别从HRV的时域、频域及非线性方面,脉搏波的波形特征方面和脉率及SPO2随睡眠的变化趋势方面分析了各参数与睡眠的相关性,详细介绍了其数据的处理方式,从脉搏波中分离出了睡眠相关信息,从而对睡眠质量进行客观评估。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目的、内容及技术路线
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 1.4 可行性论证
• 2 光电脉搏波及血氧饱和度的测量原理
• 2.1 光电脉搏波的测量原理
• 2.2 血氧饱和度的测量原理及方法
• 2.2.1 有创检测法
• 2.2.2 无创检测法
• 2.3 数学模型分析
• 2.4 入射光波长选择
• 2.5 脉搏血氧曲线的定标
• 2.5.1 传统定标方法
• 2.5.2 现代定标方法
• 2.6 影响血氧饱和度测量的因素
• 3 系统硬件电路的设计
• 3.1 系统硬件设计方案选择
• 3.1.1 PM-9000 血氧设计方案
• 3.1.2 ADI 单片血氧仪设计方案
• 3.1.3 TI 单片血氧仪设计方案
• 3.2 硬件电路设计
• 3.2.1 主控芯片介绍
• 3.2.2 脉搏探头驱动电路
• 3.2.3 信号预处理电路
• 3.2.4 存储模块电路
• 3.2.5 电源管理模块电路
• 3.2.6 JTAG 模块电路
• 3.2.7 串行通信模块电路
• 3.2.8 其它外围电路设计
• 4 单片机系统软件设计
• 4.1 探头驱动软件设计
• 4.2 脉搏波交流信号处理
• 4.3 串口通讯软件设计
• 4.4 FLASH 存储软件设计
• 4.5 LED 信号强度调节
• 4.6 按键控制程序
• 4.7 单片机系统整体软件流程
• 5 上位机软件设计
• 5.1 VC++和MATLAB 的混合编程
• 5.1.1 MATLAB 中利用mcc 生成dll
• 5.1.2 VC++6.0 环境的设置
• 5.1.3 在VC++中调用dll 的方法
• 5.1.4 将MATLAB 绘制的图形嵌入到VC++界面中
• 5.1.5 脱离Matlab 独立发布程序
• 5.2 上位机信号的接收
• 5.2.1 上位机信号的实时接收
• 5.2.2 上位机信号的非实时接收
• 5.3 RRI 信号预处理
• 5.3.1 异常点的剔除
• 5.3.2 信号的重采样
• 5.3.3 去直流处理
• 5.4 心率变异性分析
• 5.4.1 时域分析法
• 5.4.2 频域分析法
• 5.5 血氧饱和度分析
• 6 睡眠分期及睡眠质量分析
• 6.1 睡眠分期
• 6.2 分期结果验证
• 6.3 睡眠质量分析
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 后续工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录