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睡眠呼吸中止症之简易型预测系统
第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛报告

【作者: 黃克穠、柯嘉倫等】2016年03月03日 星期四

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在现今社会,全民积极追求着养生、健康、保健的生活来延长寿命。人一生中有三分之一的时间是处于睡眠状态,睡眠是极其重要的生理需求,但却有许多人因睡眠时暂时停止呼吸而突然惊醒,导致精神、生理系统、健康等损害。在台湾,有这样睡眠困扰的人数不在少数。


根据许多研究显示,睡眠呼吸中止症与许多疾病是互为因果关系,如代谢性疾病、肥胖、心血管疾病等。目前的医疗环境,睡眠呼吸中止症需要透过特定医院的睡眠中心来诊断,这些特定医院使用的仪器设备为睡眠生理检查仪,国家对于此检验睡眠呼吸中止症的设施并未非常广泛设置,所以在受检床位有限、检测设备昂贵及患者需要抽空到医院做长时间检查的现况下,高便利性、低价位和简易实用的睡眠呼吸中止症的预警器有其必要及急迫性,以便让需求者能够快速检测出异状,对此睡眠呼吸中止的现象加以预警。


本设计以盛群半导体所开发的HT66F70A微控制晶片做为整体控制核心,搭配功能完善的人机操作介面,并整合红外线、温度、三轴加速度器等感测器用来感测心跳、血氧浓度、体温和呼吸等生理参数,依照感测器所获得的数值来检验受测者是否患有睡眠呼吸中止的症状,并监控患者身体状况进而发出警讯。


本作品具有「高便利性与低价位」的特点,适合推广至全台各地,包括花东、离岛等医疗资源较为缺乏的区域,让人们能够拥有良好的睡眠,来迎接每天不断的挑战。


前言

近年来,国人约有四十万人至一百万人有睡眠呼吸中止问题,但当中有正确被诊断出来并且得到适当治疗者却非常少数,这类患者容易白天嗜睡,感觉身体休息再久也无法恢复,疲倦容易导致工作意外、车祸等危险情况,应该尽快治疗。


睡眠呼吸中止症候群(Sleep apnea syndrome;SAS)其病征为每小时有五次以上因咽喉阻塞导致的呼吸暂停或不足,呼吸暂停是指呼吸停止达10秒以上;呼吸不足是指呼吸流速减少30%以上及血氧饱和度下降4%且达10秒以上。这些现象可从呼吸道气流与呼吸道肌肉有无收缩来判断症状,大致可分为两种,分别为阻塞性睡眠呼吸中止和中枢神经性睡眠呼吸中止,图1的上、下图为胸部和腹部呼吸时的起伏变化图,可藉由判断这起伏变化来区分。


图1 : (上)阻塞性睡眠呼吸中止;(下)中枢性睡眠呼吸中止
图1 : (上)阻塞性睡眠呼吸中止;(下)中枢性睡眠呼吸中止

工作原理

本产品以盛群半导体所开发的HT66F70A做为系统核心,测试的方法是以医学上判定当患者有暂停10秒钟,且次数超过5次以上,患者的血液含氧量会在呼吸停止时下降,含氧量会从正常99%~98%下降到86%以下等这些参数来作为判断的准则。再配合其他感测器,如温度感测器LM35DZ、IR感测器、三轴加速度计来感测其他生理参数的资料,传送到萤幕上显示,当检测有立即危险时(以医学参考的数值再经由演算法作判定),警报器就会响起,简易让患者透过居家检测了解病情,减少睡眠呼吸中止症所带来的负面影响,医生也可以更快了解患者的病情降低误诊。


产品功能:(1)体温、呼吸频率监测;(2)脉搏频率监测;(3)血液含氧量监测;(4)呼吸中止警报。


MCU核心功能

本作品采用HT66F70A作为核心MCU,基于其高效能、​​低功耗的特性,运用在呼吸中止简易型系统上,具有市场优势。 HT66F70A在本产品中担任运算整合的核心、检测、读取。运用晶片上的I/O脚位、A/D脚位、I2C硬体电路,由IR感测器、LM35DZ温度感测器、三轴加速器模组,搭配萤幕来做显示及判断,再由预测的数值是否使蜂鸣器发出声响。 IR感测器、LM35DZ温度感测器、三轴加速器模组来展现出产品准确与方便的功能性。


本产品共分为五大模组,下列为本产品的模组:(1)萤幕模组;(2)警报器模组;(3)红外线模组;(4)温度感测模组;(5 )三轴加速度模组。上列模组的配合应用和软体整合,为HT66家族的强项,适合作为睡眠呼吸中止系统的开发。下列为各个模组之介绍。


(1)萤幕模组

人机介面是机器和使用者的沟通桥梁。本设计使用SAG12864E8FXID液晶显示板做为人机互动介面,并具简易功能和操作方式,即使是长者也可以在极短时间内学会使用本产品。图2为液晶显示板的外观。


图2 : 液晶显示板的外观
图2 : 液晶显示板的外观

(2)警报器模组

本产品使用警报器搭配HT66F70A、蜂鸣器做成感测系统。当测量到的生理讯号超过预设的危险值时,感测器会将当下读取到的数值透过I/O通道转成数据传回至HT66F70A晶片,蜂鸣器会马上动作发出警告,让使用者或者他人能及时反应做出措施。


(3)红外线模组

正常人体的含氧量在99%到98%,有中度至严重的睡眠呼吸中止症患者不单只是换气量降低,其血液含量亦会随着呼吸停止而下降,含氧量可以降到86 %甚至更低,透过红外线感测可得心跳频率,且当血液有不同含氧量时对不同频段的红外线的吸收会有不同,进而换算出血氧浓度。


(4)温度感测模组

LM35DZ温度感测器放置于手臂位置,可侦测人体温度。


(5)三轴加速度模组

将三轴加速器置于胸口上,可测得呼吸时胸腔之变化,用来判定呼吸与否,另可记录睡眠时翻身情形,进而得知睡眠品质是否良好。


作品结构

本次作品结构可分为软、硬体两大部分分别讨论。主部分阐明HT66F70A在电路中与各系统的相互关系,与I/O接脚配置说明,以描述硬体架构,再透过系统流程图与程式演算法,确切说明系统的软体概念。


硬体结构

本产品的系统核心是盛群半导体HT6670A。本MCU符合工业上摄氏-40度到85度工作温度与抗高杂讯的规格标准,并且包含12位元A/D。


系统方块图包含:萤幕模组(SAG12864)、警报器模组、两颗红外线元件(940nm/660nm)、温度感测元件(LM35DZ)、三轴加速度速元件(MPU6050)。整个系统由锂电池及升压电路提供5V的供电。系统架构图如图4所示。



图3 : 系统架构图
图3 : 系统架构图

萤幕模组

本作品使用SAG12864E8FXID液晶显示板,即时刷新状态,并且介面清晰简单,因此对于年纪较大的长者,操作上也较容易上手。 SAG12864的控制晶片为ST7920控制器,透过时序的输出做为跟HT66F70A沟通,不断的即时刷新,身体状态的资讯能够即时显示。表1为液晶显示板脚位对应。


表1 液晶显示板脚位对应

PIN NO

SYMBOL

PIN NO

SYMBOL

1

Vss

11

DB4

2

Vdd

12

DB5

3

Vo

13

DB6

4

RS

14

DB7

5

R/W

15

NC

6

E

16

NC

7

DB0

17

NC

8

DB1

18

NC

9

DB2

19

NC

10

DB3

20

NC


警报器模组

警报器模组采用HT66F70A晶片做设计,使用PB0脚位,本产品设计为当睡眠时身体有突发反映,其蜂鸣器将会警告使用者。当HT66F70A侦测到身体资讯透过A/D转换,当输入值低于警戒值,就会开通通道,驱动蜂鸣器。


红外线模组(660nm/940nm)

本作品采用HT66F70A晶片做为设计,使用其中的PB3以及PB5脚位来连接(R)LED receiver波长为660nm,(IR)LED receiver波长为940nm,透过A/D converter将值转换回传。藉由运算放大器电路和微控制晶片,将两个波长的差异值透过演算法来计算出血氧浓度的数值。


图4为红外线模组之示意图。


图4 : 为红外线模组之示意图
图4 : 为红外线模组之示意图

温度感测元件

本产品采用HT66F70A晶片做为设计,使用其PA4的脚位连接再透过A/D转换,透过演算法来计算出正确的温度。图5为温度感测元件之示意图。


图5 : 为温度感测元件之示意图
图5 : 为温度感测元件之示意图

软体系统

开启睡眠呼吸中止症之简易预测系统,将两颗红外线元件(940nm/660nm)、温度感测元件(LM35DZ)、三轴加速度元件(MPU6050)装在身体上。受试者于睡眠前开启电源后开始检测,透过元件回传资料到HT66F70A后,在藉由上传显示到萤幕。但受试者假使在受试期间,身体有突发状况,主控器将会打开警报器的I/O,使其警报响起,让大家警觉病人的状态。图6为软体流程图。



图6 : 软体流程图。
图6 : 软体流程图。

测试方法

本次创意设计为简易的检测系统,方便大部分的使用者使用。在测试部分,分成五个部分。第一部分测试为红外线元件,第二部分为测试温度感测元件,第三部分为测试三轴加速度元件的运作,第四部分为测试银幕资讯是否即时变化,第五部分为警报器系统。


红外线元件

红外线元件的测试方法是将两个不同波长的LCD(分别是660nm和940nm)夹在手指头上,在透过自制放大器,放大其波长让我们能够更准确判断,两个波长的差异值,最后透过演算法,回传到HT66F70A,在送至银幕显示。图7~8分别为自制放大器的电路图、自制放大器的实体图、红外线元件的实体图、心跳的示波图。



图7 : 为自己的放大电路
图7 : 为自己的放大电路
图8 : 实体图(上)自制放大器;(中)红外线元件;(下)心跳的示波图
图8 : 实体图(上)自制放大器;(中)红外线元件;(下)心跳的示波图

温度感测元件

温度感测元件的测试方法是将LM35DZ放在受试者身体上,透过电流的差异透过演算法将其值回传回HT66F70A,再透过萤幕来显示。


三轴加速度元件

三轴加速度元件的测试方法是将其放置在受试者胸口,来检视胸口的震幅变化,来判断是否有呼吸中断的情形。透过I2C的方式不断的跟HT66F70A来做资讯的交换,再透过萤幕显示一分钟的呼吸次数。图9为三轴加速度元件实体图。



图9 : 三轴加速度元件示意图
图9 : 三轴加速度元件示意图

萤幕资讯系统

萤幕资讯系统藉由上述3个检测元件来回传到HT66F70A后,再透由晶片与萤幕沟通,即时性的显示状况。图10为萤幕资讯的实体图。



图10 : 萤幕资讯的实体图
图10 : 萤幕资讯的实体图

警报器系统

警报器系统检测是透过前3个元件所传回来的值,判断其中的数值是否过低,透过A/D转换后,HT66F70A会将警报器的I/O打开,发出警戒声来警告受试者状况不佳。


经由一系列的测试与实验结果,各项功能皆可完美呈现出来,非常感谢HT66F70A丰富的硬体资源,以及良好的开发环境。


结论

以HT66F70A晶片搭配数个感测器的睡眠呼吸中止症之预测系统已经开发完成。实际测试后发现本测试系统具有相当的便利性,大小亦方便随身携带。这项便利性非常适合广大的老年化族群。


因为作品开发时间不够,本测试系统对于其他感测器的应用并未达完善。本产品可以加入更多资讯使其达到更加准确的测试环境。相信在未来,这项系统能够推广每一户家庭来提高人们生活水准。


(作者黄克秾为义守大学电子工程学系副教授,柯嘉伦、郑民先、柳旺祺


为义守大学电子工程学系硕士班研究生)


参考资料

[1] 钟启仁。微处理机实习迈向AMA中级先进微控制器应用认证,台科大。


[2] HT66F70。 Data Sheet。 HTTP://呜呜呜.或OL特考.com.才能/泡打粉/UC/回头66发现0v230.泡打粉


[3] 李齐雄、黄鸿斌。 LCD液晶显示模组原理与实作,儒林。


[4] 钟启仁。 HT66Fxx Flash MCU 原理与实务​​-C语言,全华。


[5] 江振锋。分析呼吸暂止与浅呼吸指数与心率变异度的关系。


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