一種阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀的製作方法

2023-09-22 07:18:10

專利名稱：一種阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及呼吸治療設備領域，特指一種阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀。
背景技術：
呼吸信號和心電信號是人體最重要的生命特徵。對於有睡眠呼吸暫停(OSASH)的病人，或者剛出生的嬰兒，以及某些患有呼吸系統疾病、心臟疾病的病人，需要實時監測其在睡眠期間的呼吸和心跳狀況。另外，對於睡眠呼吸暫停發作的病人，還需要及時進行治療。「都卜勒雷達傳感器」在生命體徵監測上的研究與應用已經有較長的歷史，利用都卜勒雷達傳感器可以在不直接接觸人體的狀況下，獲知人體的生命體徵信號，此類技術往往用於救援生命搜救探測設備，如生命探測儀、穿牆雷達等等。這種都卜勒雷達傳感器的功率往往非常大，探測範圍也較大，但是它對於人體的輻射較大。現有都卜勒雷達傳感器的技術尺寸較大，無法直接應用到家庭或者醫院內部的呼吸監測。而且，基於都卜勒雷達傳感器的對於應用於分析呼吸頻率和心率的信號處理一直也沒有具體解決方案。另外，現有對於呼吸暫停的治療方式大部分是依靠手術治療或者採用呼吸機進行臨床治療；採用手術治療往往都會復發，所以大部分的專家不建議手術，而採用呼吸機治療時需要帶鼻罩，很多病人難以接受鼻罩帶來的不適，因此還需要解決治療過程中的舒適度問題。

發明內容
本發明要解決的技術問題就在於針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單緊湊、成本低廉、操作簡便、輻射低、適用範圍廣的阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀。為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案` 一種阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，包括
雷達信號收發器，包括壓控振蕩器、發射天線、接收天線、混頻器和基帶晶片；所述壓控振蕩器用來產生脈衝信號並傳送到發射天線，所述發射天線向監測目標發送信號；所述接收天線用來接收監測目標反射回來的回波，並送入混頻器，然後在混頻器中與壓控振蕩器產生的脈衝信號進行混頻；混頻之後的信號送入基帶晶片，所述基帶晶片根據得到的信號對呼吸頻率和呼吸暫停信息做出分析處理並發出控制指令至振動電機；
振動電機，與基帶晶片連接，用來對監測目標進行刺激以使監測目標呼吸順暢；
電源，用來為上述各部件供電。作為本發明的進一步改進
所述接收天線經依次相連的低噪放、由第二放大器和第三放大器組成的二級放大器後與混頻器相連。所述壓控振蕩器經第一放大器與發射天線相連。本發明還包括網絡接口，通過網絡接口接入網際網路。所述振動電機產生的振動用來對監測目標的氣道進行刺激。
與現有技術相比，本發明的優點在於本發明的阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，結構簡單緊湊、體積小、功率低、輻射低、成本低廉、操作簡便、適用範圍廣，其採用低成本的小型雷達傳感器實時監測人在睡眠時段的呼吸和心跳信息，進行呼吸暫停分析，預測呼吸暫停的發生，並在發生呼吸暫停後及時啟動振動電機進行擴張氣道的刺激，誘導氣道暢通，促使呼吸正常進行。該治療儀的監測結果精度高，且與人體無直接接觸，更容易被病人所接受和使用。


圖1是本發明的結構原理示意圖。圖2是本發明基帶晶片中採用的頻域率估計算法的流程示意圖。圖3是本發明基帶晶片中採用的時域率估計算法的流程示意圖。圖4是本發明基帶晶片中採用的呼吸規則性判定方法的流程示意圖。圖5是本發明基帶晶片中採用的振動電機控制方法的流程示意圖。
具體實施例方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發明的阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，包括電源5、雷達信號收發器3以及振動電機2 ;雷達信號收發器3包括壓控振蕩器6 (VC0)、第一放大器7、發射天線8、接收天線9、低噪放10、第二放大器11、第三放大器12、混頻器13和基帶晶片14，振動電機2通過連接線4與基帶晶片14連接；壓控振蕩器6 (VCO)用來產生5GHz的脈衝信號，通過第一放大器7傳送到發射天線8，發射天線8用來向監測目標發送雷達信號；接收天線9用來接收監測目標反射回來的回波，並經過低噪放10去除噪聲、再經過第二放大器11和第三放大器12進行兩級放大後進入混頻器13，該信號在混頻器13中與壓控振蕩器6產生的脈衝信號進行混頻，混頻之後的信號進入基帶晶片14進行去除噪聲、呼吸信號檢測和心跳信號檢測，並進行呼吸頻率計算、心率計算以及呼吸暫停監測。基帶晶片14對計算得到的呼吸頻率和呼吸暫停信息做出分析處理，最終發出控制指令至振動電機2，即基帶晶片14輸出的控制信號通過連接線4控制振動電機2的啟動、停止和振動強度，通過振動電機2的振動來對監測目標的氣道進行刺激，從而使得呼吸順暢。進一步，本發明的阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀還設置有網絡接口，通過網絡接口接入網際網路，並將治療儀工作時的數據發送到專家系統所在的伺服器。本發明治療儀的工作流程為1.啟動呼吸暫停治療儀，開始自動搜尋監測目標；
2.將振動電機2通過可更換的方式貼到監測目標的頸部兩側；3.鎖定監測目標後，進行呼吸頻率計算和心率計算；4.分析並捕捉呼吸暫停，在呼吸暫停發生時給以振動電機2啟動信號，呼吸暫停結束時給以振動電機2停止信號，發生異常時報警；5.輕按治療儀上的「上傳數據」按鈕，可以將數據通過網際網路發送到專家系統所在的伺服器。這樣，本發明就可以直接應用於家庭中對患有阻塞性睡眠暫停的病人進行治療，或者給醫院裡已經被診斷為阻塞性 睡眠呼吸暫停的病人使用。本發明採用非接觸式的方式進行呼吸暫停治療，能夠令病人感覺舒適，滿足不被束縛的人性化需求，具有很強的實用價值。
如圖2所示，為基帶晶片14中執行的頻域率估計算法，用於在頻域計算呼吸頻率和心率。該頻域率估計算法的詳細步驟如下
1.取解調後數據X的M個樣本(M= 2880或其他);這M個樣本包含了非呼吸運動和其他噪聲和幹擾信號；
2.將數據X中的所有非呼吸信號和幹擾信號的所有時間間隔設為零；
3.將數據X中的每個數減去X的均值；
4.頻域中的呼吸頻率如下確定
4.1對於X的所有樣本進行傅立葉變換(DFT)，不做窗口，補零和插值算法；
4. 2頻域率估計是X中具有最大幅值的頻率。在某些實現方式中，可以是在最小呼吸頻率6和最大呼吸頻率48之間的一個最大幅值的頻率。如圖3所示，為基帶晶片14中執行的呼吸頻率的時域率估計算法。該時域率估計算法的詳細步驟如下
1.取解調後數據X的M個樣本(M= 2880或其他);這M個樣本包含了非呼吸運動和其他噪聲和幹擾信號；
2.將數據X中的所有非呼吸信號和幹擾信號的所有時間間隔設為零；
3.將數據X中的每個數減去X的均值；
4.時域的率估計如下確定
4.1令Ui為樣本的索引，使得X [uJ^O且x[ui+1]>0 (過零點)；
4. 2令&1是[Ui, ui+1]區間內的最大幅值；
4. 3 令A = maxCai),則存在三個不同的數 i, j,k,使得 apo.1A , a」>0. 1A, ak >0.1A ； 4. 4如果在步驟c)中不存在A，則無法確定呼吸頻率；
4. 5否則記一個呼吸周期I為區間[Ui, ui+1], gi = I滿足下述條件1.ai>0.1A
i1.y(n)=l 對於 ui<n<ui+1
ii1.z(n)=l 對於 ui<n<ui+1
其中y(n)和ζ (η)分別是運動窗口和裁剪窗口 ；
4.6 否則，gi = O ；
4.7令λ是81 = I的連續呼吸的最大數目。如果λ〈2，那麼無法確定呼吸頻率，否則呼吸頻率為(60Χ100Χ A)/((ui+A-Ui)0本發明的呼吸暫停治療儀對呼吸頻率的估計和心率的估計分別按照圖2和圖3的頻域率估計和時域率估計算法進行，最後給出的呼吸頻率為頻域呼吸頻率估計和時域呼吸頻率估計的均值；如果呼吸頻率的頻域估值和時域估值差值大於4，則表示系統監測信息不充分，暫停振動電機2;否則顯示頻域估值作為呼吸頻率；心率的計算方式為如果心率的頻域估計和時域估計的差值大於12，則表示系統監測信息不充分，否則將心率的頻域估值作為心率。如圖4所示，為基帶晶片14中執行的呼吸規則性判定方法。該呼吸規則性判定方法的具體步驟為
1.取M個呼吸信號，M取值為50 100;計算呼吸一呼吸間隔的均值和標準方差；
2.計算M個呼吸信號的每次呼吸的呼吸深度的均值和標準方差；3.計算呼吸一呼吸間隔的協方差Cl;並計算呼吸深度的協方差C2 ；
4.如果Cl〈閾值並且C2〈閾值，則判定呼吸為規則呼吸；
5.如果步驟4的判斷不成立，則判定為不規則呼吸；對呼吸一呼吸間隔和呼吸深度進行FFT變換，檢查波形中是否存在周期性元素；
6.如果呼吸不存在周期性，則再增加呼吸的樣本到2M個，返回步驟2進行處理；如果2M個樣本檢測不到周期性，則判定為呼吸無周期性，計算全範圍內的平均呼吸頻率，並計算呼吸暫停事件的均值；
7.如果周期是規則的，則計算每周期的呼吸暫停長度，並求均值，得出每周期的平均呼吸暫停長度；
8.對計算的數據進行歸類。如果呼吸規則，給出「呼吸規則一X次呼吸/分鐘」的指示，如果呼吸不規則，指示「周期性一不規則」。如果存在呼吸暫停，則指示「平均呼吸暫停長度Y」 ；如果呼吸不規則，則指示「Z次呼吸暫停/分鐘」。如圖5所示，為振動電機2的控制算法，該振動電機2控制算法的具體步驟如下
1.t=t+delta_t ；
在時間區間[t，t+delta_t]內，需要滿足以下條件中的一個
a)檢測不到心肺運動；
b)非心肺運動信號大於心肺運動信號；
2.如果滿足步驟I中的條件a)或者b)，則標記[t，t+delta_t]為清醒時段；
3.否則，在時間區間[t，t+delta_t]內，滿足以下條件
a)平均心肺運動信號大於非心肺運動信號；
b)非心肺運動信號次數大於I次；
4.如果滿足步驟3中條件a)和條件b)，則回到步驟I;
5.在時間區間[t,t+delta_t]內，滿足下述條件呼吸暫停時間>1. 5個呼吸周期；
6.如果不滿足步驟5中的條件，則停止振動電機2，回到步驟I;
7.如果滿足步驟5中的條件，則啟動振動電機2； 8.如果連續的清醒時段超過10個，則表示睡眠結束，算法結束。以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，其特徵在於，包括 雷達信號收發器(3)，包括壓控振蕩器(6)、發射天線(8)、接收天線(9)、混頻器(13)和基帶晶片(14);所述壓控振蕩器(6)用來產生脈衝信號並傳送到發射天線(8)，所述發射天線(8)向監測目標發送信號；所述接收天線(9)用來接收監測目標反射回來的回波，並送入混頻器(13)，然後在混頻器(13)中與壓控振蕩器(6)產生的脈衝信號進行混頻；混頻之後的信號送入基帶晶片(14)，所述基帶晶片(14)根據得到的信號對呼吸頻率和呼吸暫停信息做出分析處理並發出控制指令至振動電機(2)； 振動電機(2)，與基帶晶片(14)連接，用來對監測目標進行刺激以使監測目標呼吸順暢； 電源(5)，用來為上述各部件供電。
2.根據權利要求1所述的阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，其特徵在於，所述接收天線(9)經依次相連的低噪放(10)、由第二放大器(11)和第三放大器(12)組成的二級放大器後與混頻器(13)相連。
3.根據權利要求1所述的阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，其特徵在於，所述壓控振蕩器(6)經第一放大器(7)與發射天線(8)相連。
4.根據權利要求1所述的阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，其特徵在於，還包括網絡接口，通過網絡接口接入網際網路。
5.根據權利要求1所述的阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，其特徵在於，所述振動電機(2)產生的振動用來對監測目標的氣道進行刺激。
全文摘要
一種阻塞性睡眠呼吸暫停治療儀，包括雷達信號收發器，包括壓控振蕩器、發射天線、接收天線、混頻器和基帶晶片；所述壓控振蕩器用來產生脈衝信號並傳送到發射天線，所述發射天線向監測目標發送信號；所述接收天線用來接收監測目標反射回來的回波，並送入混頻器，然後在混頻器中與壓控振蕩器產生的脈衝信號進行混頻；混頻之後的信號送入基帶晶片，所述基帶晶片根據得到的信號對呼吸頻率和呼吸暫停信息做出分析處理並發出控制指令至振動電機；振動電機，與基帶晶片連接，用來對監測目標進行刺激以使監測目標呼吸順暢；電源，用來為上述各部件供電。本發明具有結構簡單緊湊、成本低廉、操作簡便、輻射低、適用範圍廣等優點。
文檔編號A61B5/0205GK103054708SQ20131001034
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者韓明華, 衣曉飛, 王生水, 吳鋒濤 申請人:湖南納雷科技有限公司