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睡眠呼吸中止症之簡易型預測系統
第十屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽報告

【作者: 黃克穠、柯嘉倫等】   2016年03月03日 星期四

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在現今社會,全民積極追求著養生、健康、保健的生活來延長壽命。人一生中有三分之一的時間是處於睡眠狀態,睡眠是極其重要的生理需求,但卻有許多人因睡眠時暫時停止呼吸而突然驚醒,導致精神、生理系統、健康等損害。在台灣,有這樣睡眠困擾的人數不在少數。


根據許多研究顯示,睡眠呼吸中止症與許多疾病是互為因果關係,如代謝性疾病、肥胖、心血管疾病等。目前的醫療環境,睡眠呼吸中止症需要透過特定醫院的睡眠中心來診斷,這些特定醫院使用的儀器設備為睡眠生理檢查儀,國家對於此檢驗睡眠呼吸中止症的設施並未非常廣泛設置,所以在受檢床位有限、檢測設備昂貴及患者需要抽空到醫院做長時間檢查的現況下,高便利性、低價位和簡易實用的睡眠呼吸中止症的預警器有其必要及急迫性,以便讓需求者能夠快速檢測出異狀,對此睡眠呼吸中止的現象加以預警。


本設計以盛群半導體所開發的HT66F70A微控制晶片做為整體控制核心,搭配功能完善的人機操作介面,並整合紅外線、溫度、三軸加速度器等感測器用來感測心跳、血氧濃度、體溫和呼吸等生理參數,依照感測器所獲得的數值來檢驗受測者是否患有睡眠呼吸中止的症狀,並監控患者身體狀況進而發出警訊。


本作品具有「高便利性與低價位」的特點,適合推廣至全臺各地,包括花東、離島等醫療資源較為缺乏的區域,讓人們能夠擁有良好的睡眠,來迎接每天不斷的挑戰。


前言

近年來,國人約有四十萬人至一百萬人有睡眠呼吸中止問題,但當中有正確被診斷出來並且得到適當治療者卻非常少數,這類患者容易白天嗜睡,感覺身體休息再久也無法恢復,疲倦容易導致工作意外、車禍等危險情況,應該盡快治療 。


睡眠呼吸中止症候群 (Sleep apnea syndrome;SAS)其病徵為每小時有五次以上因咽喉阻塞導致的呼吸暫停或不足,呼吸暫停是指呼吸停止達10秒以上;呼吸不足是指呼吸流速減少30%以上及血氧飽和度下降4%且達10秒以上。這些現象可從呼吸道氣流與呼吸道肌肉有無收縮來判斷症狀,大致可分為兩種,分別為阻塞性睡眠呼吸中止和中樞神經性睡眠呼吸中止,圖1的上、下圖為胸部和腹部呼吸時的起伏變化圖,可藉由判斷這起伏變化來區分。


圖1 :  (上)阻塞性睡眠呼吸中止;(下)中樞性睡眠呼吸中止
圖1 : (上)阻塞性睡眠呼吸中止;(下)中樞性睡眠呼吸中止

工作原理

本產品以盛群半導體所開發的HT66F70A做為系統核心,測試的方法是以醫學上判定當患者有暫停10秒鐘,且次數超過5次以上,患者的血液含氧量會在呼吸停止時下降,含氧量會從正常99%~98%下降到86%以下等這些參數來作為判斷的準則。再配合其他感測器,如溫度感測器LM35DZ、IR感測器、三軸加速度計來感測其他生理參數的資料,傳送到螢幕上顯示,當檢測有立即危險時(以醫學參考的數值再經由演算法作判定),警報器就會響起,簡易讓患者透過居家檢測了解病情,減少睡眠呼吸中止症所帶來的負面影響,醫生也可以更快了解患者的病情降低誤診。


產品功能:(1)體溫、呼吸頻率監測;(2)脈搏頻率監測;(3)血液含氧量監測;(4)呼吸中止警報。


MCU核心功能

本作品採用HT66F70A作為核心MCU,基於其高效能、低功耗的特性,運用在呼吸中止簡易型系統上,具有市場優勢。HT66F70A在本產品中擔任運算整合的核心、檢測、讀取。運用晶片上的I/O腳位、A/D腳位、I2C硬體電路,由IR感測器、LM35DZ溫度感測器、三軸加速器模組,搭配螢幕來做顯示及判斷,再由預測的數值是否使蜂鳴器發出聲響。IR感測器、LM35DZ溫度感測器、三軸加速器模組來展現出產品準確與方便的功能性。


本產品共分為五大模組,下列為本產品的模組:(1)螢幕模組;(2)警報器模組;(3)紅外線模組;(4)溫度感測模組;(5)三軸加速度模組。上列模組的配合應用和軟體整合,為HT66家族的強項,適合作為睡眠呼吸中止系統的開發。下列為各個模組之介紹。


(1)螢幕模組

人機介面是機器和使用者的溝通橋樑。本設計使用SAG12864E8FXID液晶顯示板做為人機互動介面,並具簡易功能和操作方式,即使是長者也可以在極短時間內學會使用本產品。圖2為液晶顯示板的外觀。


圖2 : 液晶顯示板的外觀
圖2 : 液晶顯示板的外觀

(2)警報器模組

本產品使用警報器搭配HT66F70A、蜂鳴器做成感測系統。當測量到的生理訊號超過預設的危險值時,感測器會將當下讀取到的數值透過I/O通道轉成數據傳回至HT66F70A晶片,蜂鳴器會馬上動作發出警告,讓使用者或者他人能及時反應做出措施。


(3)紅外線模組

正常人體的含氧量在99%到98%,有中度至嚴重的睡眠呼吸中止症患者不單只是換氣量降低,其血液含量亦會隨著呼吸停止而下降,含氧量可以降到86%甚至更低,透過紅外線感測可得心跳頻率,且當血液有不同含氧量時對不同頻段的紅外線的吸收會有不同,進而換算出血氧濃度。


(4)溫度感測模組

LM35DZ溫度感測器放置於手臂位置,可偵測人體溫度。


(5)三軸加速度模組

將三軸加速器置於胸口上,可測得呼吸時胸腔之變化,用來判定呼吸與否,另可記錄睡眠時翻身情形,進而得知睡眠品質是否良好。


作品結構

本次作品結構可分為軟、硬體兩大部分分別討論。主部分闡明HT66F70A在電路中與各系統的相互關係,與I/O接腳配置說明,以描述硬體架構,再透過系統流程圖與程式演算法,確切說明系統的軟體概念。


硬體結構

本產品的系統核心是盛群半導體HT6670A。本MCU符合工業上攝氏-40度到85度工作溫度與抗高雜訊的規格標準,並且包含12位元A/D。


系統方塊圖包含:螢幕模組(SAG12864)、警報器模組、兩顆紅外線元件(940nm/660nm)、溫度感測元件(LM35DZ)、三軸加速度速元件(MPU6050)。整個系統由鋰電池及昇壓電路提供5V的供電。系統架構圖如圖4所示。



圖3 : 系統架構圖
圖3 : 系統架構圖

螢幕模組

本作品使用SAG12864E8FXID液晶顯示板,即時刷新狀態,並且介面清晰簡單,因此對於年紀較大的長者,操作上也較容易上手。SAG12864的控制晶片為ST7920控制器,透過時序的輸出做為跟HT66F70A溝通,不斷的即時刷新,身體狀態的資訊能夠即時顯示。表1為液晶顯示板腳位對應。


表1 液晶顯示板腳位對應

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


警報器模組

警報器模組採用HT66F70A晶片做設計,使用PB0腳位,本產品設計為當睡眠時身體有突發反映,其蜂鳴器將會警告使用者。當HT66F70A偵測到身體資訊透過A/D轉換,當輸入值低於警戒值,就會開通通道,驅動蜂鳴器。


紅外線模組(660nm/940nm)

本作品採用HT66F70A晶片做為設計,使用其中的PB3以及PB5腳位來連接(R)LED receiver波長為660nm,(IR)LED receiver波長為940nm,透過A/D converter將值轉換回傳。藉由運算放大器電路和微控制晶片,將兩個波長的差異值透過演算法來計算出血氧濃度的數值。


圖4為紅外線模組之示意圖。


圖4 : 為紅外線模組之示意圖
圖4 : 為紅外線模組之示意圖

溫度感測元件

本產品採用HT66F70A晶片做為設計,使用其PA4的腳位連接再透過A/D轉換,透過演算法來計算出正確的溫度。圖5為溫度感測元件之示意圖。


圖5 : 為溫度感測元件之示意圖
圖5 : 為溫度感測元件之示意圖

軟體系統

開啟睡眠呼吸中止症之簡易預測系統,將兩顆紅外線元件(940nm/660nm)、溫度感測元件(LM35DZ)、三軸加速度元件(MPU6050)裝在身體上。受試者於睡眠前開啟電源後開始檢測,透過元件回傳資料到HT66F70A後,在藉由上傳顯示到螢幕。但受試者假使在受試期間,身體有突發狀況,主控器將會打開警報器的I/O,使其警報響起,讓大家警覺病人的狀態。圖6為軟體流程圖。



圖6 : 軟體流程圖。
圖6 : 軟體流程圖。

測試方法

本次創意設計為簡易的檢測系統,方便大部分的使用者使用。在測試部分,分成五個部分。第一部分測試為紅外線元件,第二部分為測試溫度感測元件,第三部分為測試三軸加速度元件的運作,第四部分為測試銀幕資訊是否即時變化,第五部分為警報器系統。


紅外線元件

紅外線元件的測試方法是將兩個不同波長的LCD(分別是660nm和940nm)夾在手指頭上,在透過自制放大器,放大其波長讓我們能夠更準確判斷,兩個波長的差異值,最後透過演算法,回傳到HT66F70A,在送至銀幕顯示。圖7~8分別為自製放大器的電路圖、自製放大器的實體圖、紅外線元件的實體圖、心跳的示波圖。



圖7 : 為自製的放大電路
圖7 : 為自製的放大電路
圖8 :  實體圖(上)自制放大器;(中)紅外線元件;(下)心跳的示波圖
圖8 : 實體圖(上)自制放大器;(中)紅外線元件;(下)心跳的示波圖

溫度感測元件

溫度感測元件的測試方法是將LM35DZ放在受試者身體上,透過電流的差異透過演算法將其值回傳回HT66F70A,再透過螢幕來顯示。


三軸加速度元件

三軸加速度元件的測試方法是將其放置在受試者胸口,來檢視胸口的震幅變化,來判斷是否有呼吸中斷的情形。透過I2C的方式不斷的跟HT66F70A來做資訊的交換,再透過螢幕顯示一分鐘的呼吸次數。圖9為三軸加速度元件實體圖。



圖9 : 三軸加速度元件實體圖
圖9 : 三軸加速度元件實體圖

螢幕資訊系統

螢幕資訊系統藉由上述3個檢測元件來回傳到HT66F70A後,再透由晶片與螢幕溝通,即時性的顯示狀況。圖10為螢幕資訊的實體圖。



圖10 : 螢幕資訊的實體圖
圖10 : 螢幕資訊的實體圖

警報器系統

警報器系統檢測是透過前3個元件所傳回來的值,判斷其中的數值是否過低,透過A/D轉換後,HT66F70A會將警報器的I/O打開,發出警戒聲來警告受試者狀況不佳。


經由一系列的測試與實驗結果,各項功能皆可完美呈現出來,非常感謝HT66F70A豐富的硬體資源,以及良好的開發環境。


結論

以HT66F70A晶片搭配數個感測器的睡眠呼吸中止症之預測系統已經開發完成。實際測試後發現本測試系統具有相當的便利性,大小亦方便隨身攜帶。這項便利性非常適合廣大的老年化族群。


因為作品開發時間不夠,本測試系統對於其他感測器的應用並未達完善。本產品可以加入更多資訊使其達到更加準確的測試環境。相信在未來,這項系統能夠推廣每一戶家庭來提高人們生活水準。


(作者黃克穠為義守大學電子工程學系副教授,柯嘉倫、鄭民先、柳旺祺


為義守大學電子工程學系碩士班研究生)


參考資料

[1] 鍾啟仁。微處理機實習邁向AMA中級先進微控制器應用認證,台科大。


[2] HT66F70。Data Sheet。http://www.holtek.com.cn/pdf/uc/ht66fx0v230.pdf


[3] 李齊雄、黃鴻斌。LCD液晶顯示模組原理與實作,儒林。


[4] 鍾啟仁。HT66Fxx Flash MCU 原理與實務-C語言,全華。


[5] 江振鋒。分析呼吸暫止與淺呼吸指數與心率變異度的關係。


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