吉林大学：仪器科学与电气工程学院中文论文集（2013年下半年）

吉林大学仅器科学与电气工程学院2013年下半年中文论文集 表1电磁辐射测试效据 5 1020 运话于机 s404 0 0 210 120150 0 微机电源 1489132112871125341 电气试验154311003146 0 5结论 本次制作的电磁辐射测量仪能够多地点、实时 检测被检测点的电磁辐射量，并通过上位机的液晶 显示器进行整合显示。对被检测点的电磁辐射变化 能够做到实时检测，安全，稳定。 参考文献 1.李丽智便携式环境电磁场仪的设计2008。 2.陈杰，梁四洋，刘兵便携式电磁辐射测量仪 电子测量技术)2009.6 3.李群岭，王拓，王建忠电磁辐射测量仪对测 量结果的影响分析)2011.6 4.季燕飞，段焕春基于单片机内置比较器的高特 度AWDU 5.秦会斌，胡建人，郑梁环境电磁辐射测量方 法研究02007.4 6.徐培基电磁辐射的测量)1986.12 7.赵玉峰，于燕华 环境电磁辐射测量技术) 1984.4 8.赵立威基于虚拟仪器技术的电磁辐射的检测 研究D12008.5 9.管登高，孙传敏等 电磁辐射污染和电磁辐射 环境保护[R]2010.3 10.张显奎，马汉吒手机产品也环境电磁辐射评 价研究R2008.12 11.孙燕燕，电磁辐射检测忙川2010.9 20

吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 20 表 1 电磁辐射测试数据 5 结论 本次制作的电磁辐射测量仪能够多地点、实时 检测被检测点的电磁辐射量，并通过上位机的液晶 显示器进行整合显示。对被检测点的电磁辐射变化 能够做到实时检测，安全，稳定。 参考文献 1. 李丽智 便携式环境电磁场仪的设计[J] 2008.1 2. 陈杰，梁四洋，刘兵 便携式电磁辐射测量仪 电子测量技术[J] 2009.6 3. 李群岭，王拓，王建忠 电磁辐射测量仪对测 量结果的影响分析[J] 2011.6 4. 季燕飞，段焕春基于单片机内置比较器的高精 度 A/D[J] 5. 秦会斌，胡建人，郑梁 环境电磁辐射测量方 法研究[J] 2007.4 6. 徐培基 电磁辐射的测量[J] 1986.12 7. 赵玉峰，于燕华 环境电磁辐射测量技术[J] 1984.4 8. 赵立威 基于虚拟仪器技术的电磁辐射的检测 研究[D]2008.5 9. 管登高，孙传敏等 电磁辐射污染和电磁辐射 环境保护[R]2010.3 10. 张显奎，马汉吒 手机产品也环境电磁辐射评 价研究[R]2008.12 11. 孙燕燕，电磁辐射检测忙[J] 2010.9

王利等：呼吸暂停综合症早期发现仪的开发与研制 呼吸暂停综合症早期发现仪的开发与研制 王刚，连士博，徐丽霞 (佶林大学仪器科学与电气工程学院，长春130061) 摘要：设计了一种呼吸暂停综合症早期发现装置，该系统主要由信号采集棋块、数据存储传输模块、上位机数据 处理模块，人机交互界面组成。采用驻极体传感器对呼吸信号进行转化，控制器采集的呼吸数指据可存储至SD卡 或者经蓝牙无线传送至上位机，利用MATLAB对数据进行处理，设计可视化界面显示呼吸波形并提供病情分析 在实验室环境下对样机进行测试 实现 了对呼吸波形的正确显示和分析。该装置功耗低，成本低，体积小，能够 对呼吸暂停综合症进行早期诊断， 关键词：呼吸信号驻极体SD卡蓝牙 中图分类号：T774文献标识码A Development of early detection instrument for apnea syndrome Wang Gang.Lian Shi-bo,Xu Li-xia (College of instrumentation and Electrical Engineering.Jilin University..China) Abstract:Aiming at low levels of detection and penetration of sleep apnea syndrome.a portable early detection device of sleep apnea vndrome is designed The system is composed of signal acquisition module data storage and transmission module host computer eooth to the host computer.The automatic detection program can extract the respiratory signal from ECG signal using EDR algorithm,and display the respiratory signals,meanwhile give the automatic analysis of SASfor the patients.Testing the prototypeunder laboratory conditions.the result shows that the device can achieve early diagnosis of apnea syndrome with low power consumption and low Electret SDcard Bluetooth 方法是睡眠呼吸多导图，但其诊断费用昂贵。睡即 0引言 呼吸暂停综合症的检测普及率较低，我国得到诊断 和治疗的患者还不到总数的2%。因此一种家庭式 的睡眠呼吸检测方式显得尤为重要。为此，设计了 SAS)曾 度被成为 SAS是指在 种非直接接触式睡眠SAS的自动检测仪器 小时的睡眠过程中，呼吸暂停或低通气达30次以 在实验室条件下对该样机进行了测试，基本实现了 上或呼吸暂停每小时达5次，每次10秒以上。 呼吸信号的非直接接触式检测及病情的自动诊断。 SAS在一般人群中的患病率为1一4%，而65岁 以上老人患病率则高达20一40%网。目前临床检测 1系统整体结构设计 “指导老师：李肃义 项日类型：大学生创新项日

王 刚等：呼吸暂停综合症早期发现仪的开发与研制 21 呼吸暂停综合症早期发现仪的开发与研制∗ 王刚,连士博,徐丽霞 (吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130061) 摘要：设计了一种呼吸暂停综合症早期发现装置，该系统主要由信号采集模块、数据存储传输模块、上位机数据 处理模块、人机交互界面组成。 采用驻极体传感器对呼吸信号进行转化，控制器采集的呼吸数据可存储至 SD 卡 或者经蓝牙无线传送至上位机，利用 MATLAB 对数据进行处理，设计可视化界面显示呼吸波形并提供病情分析。 在实验室环境下对样机进行测试，实现了对呼吸波形的正确显示和分析。该装置功耗低，成本低，体积小，能够 对呼吸暂停综合症进行早期诊断。 关键词：呼吸信号 驻极体 SD 卡 蓝牙 中图分类号：TH774 文献标识码 A Development of early detection instrument for apnea syndrome Wang Gang, Lian Shi-bo, Xu Li-xia (College of instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun130022, China) Abstract：Aiming at low levels of detection and penetration of sleep apnea syndrome, a portable early detection device of sleep apnea syndrome is designed. The system is composed of signal acquisition module, data storage and transmission module, host computer data processing module, and an automatic detection program. We use electret sensor to convert respiratory and heart rate signal, and collect the respiratory data through micro control unit, then store the data on a SD card or transmit the data by using Bluetooth to the host computer. The automatic detection program can extract the respiratory signal from ECG signal using EDR algorithm, and display the respiratory signals, meanwhile give the automatic analysis of SAS for the patients. Testing the prototype under laboratory conditions, the result shows that the device can achieve early diagnosis of apnea syndrome with low power consumption and low cost. Keywords: Respiratory signal Electret SD card Bluetooth ∗ 指导老师：李肃义 项目类型：大学生创新项目 0 引言 睡眠呼吸暂停综合症 (Sleep Apnea Syndrome, SAS)曾一度被成为“睡梦杀手”[1]。SAS 是指在 7 小时的睡眠过程中，呼吸暂停或低通气达 30 次以 上或呼吸暂停每小时达 5 次，每次 10 秒以上。 SAS 在一般人群中的患病率为 1—4%，而 65 岁 以上老人患病率则高达 20—40%[2]。目前临床检测 方法是睡眠呼吸多导图，但其诊断费用昂贵。睡眠 呼吸暂停综合症的检测普及率较低，我国得到诊断 和治疗的患者还不到总数的 2‰。因此一种家庭式 的睡眠呼吸检测方式显得尤为重要。为此，设计了 一种非直接接触式睡眠 SAS 的自动检测仪器，并 在实验室条件下对该样机进行了测试，基本实现了 呼吸信号的非直接接触式检测及病情的自动诊断。 1 系统整体结构设计

吉林大学仅器科学与电气工程学院2013年下半年中文论文集 系统主要由信号采集模块，数据存储传输模块 3.1 SD卡存储 数据处理模块、人机交互界面组成四部分组成。系 D卡存储部分的功能是将经过AD转换之 统的结构框图如下： 后的呼吸信号存储到$D卡中，以供后期调出原始 赠 数据进行分析。 > 数据在储采用下AT16文件格式使用该件 超-赠 格式的SD卡分区情况如图6所示。MBR区是 SD卡物理0扇区，保留区存放FAT文件系统的重 要参数和引导数据，FAT表记录簇的使用情况，根 目录区记录根目录信总，文件目录数据区是各种数 据的实际存储区。 图1整体结构框图 MBR 保留区 2硬件设计与实现 FAT表 根目录☒ 2.1传感器选择 文件目求数据区 目前的简便仪器对呼吸信号的检测主要有三种 方式 MSP430通过 (1)利用热敏电阻检测鼻腔处的温度的变化， MSP430向SD卡中存储信息前，先对SD卡初始 但是热敏电阻重复使用会降低其灵敏度： 化，得到扇区信息，然后可进行文件创建操作。文 (2)利用压力传感器检测鼻腔处压力的变化， 件创建过程是通过访间SD卡的FAT区和根目录 但是压力传感器要置于在鼻腔内m,会在一定程度 风，确认要建立的文件不存在目省足够的空白等时： 上影响呼吸也会产生不适感： 可完成文件创建，并在根目录区登记。写入数据时， (3)通过检测胸腔运动产生的阻抗变化 根据文件名在文件目录区找到写入目标的地址，由 FAT表的链式地址完成数据写入。 驻极体具有体积小、结构简单、频带宽、失真 3.2蓝牙数据传输 小、瞬态响应好、价格低的特点，所以选择驻极体 本设计采用XS128蓝牙模块，该模块为串口 过呼吸信号进行转化， 至于鼻部下方就能准确感受 通信 分为主机模块和从机模块， 两个横块上电后 呼吸，利用听 诊器听头放于胸腔不用直接接触皮肤 自动匹配连接。 其中主机模块为USB接口，可直 降低不适感回 接与P℃机连接。 2.2传感器网络架构模型 3.2.1蓝牙终端节点 本部分主要包括基本滤波和放大电路，运用简 蓝牙终端节点即蓝牙从机模块，用来发送数据」 单的共射级三级管放大电路进行初步处理，基本电 发送程序的流程图如图7所示，采用8位数据位 路如图3所示 位停止位、无奇偶校验的通信格三 开始 图3信号采集电路 3软件设计与实现 图7发送程序的流程图

吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 22 系统主要由信号采集模块、数据存储传输模块、 数据处理模块、人机交互界面组成四部分组成。系 统的结构框图如下： 图 1 整体结构框图 2 硬件设计与实现 2.1 传感器选择 目前的简便仪器对呼吸信号的检测主要有三种 方式： （1）利用热敏电阻检测鼻腔处的温度的变化， 但是热敏电阻重复使用会降低其灵敏度； （2）利用压力传感器检测鼻腔处压力的变化， 但是压力传感器要置于在鼻腔内[3]，会在一定程度 上影响呼吸也会产生不适感； （3）通过检测胸腔运动产生的阻抗变化采集呼 吸信号.传感器需要紧贴胸腔，会产生束缚感[4~5] 。 驻极体具有体积小、结构简单、频带宽、失真 小、瞬态响应好、价格低的特点，所以选择驻极体 对呼吸信号进行转化，至于鼻部下方就能准确感受 呼吸，利用听诊器听头放于胸腔不用直接接触皮肤， 降低不适感[6] 。 2.2 传感器网络架构模型 本部分主要包括基本滤波和放大电路，运用简 单的共射级三级管放大电路进行初步处理，基本电 路如图 3 所示。 图 3 信号采集电路 3 软件设计与实现 3.1 SD 卡存储 SD 卡存储部分的功能是将经过 AD 转换之 后的呼吸信号存储到 SD 卡中，以供后期调出原始 数据进行分析。 数据存储采用 FAT16 文件格式，使用该文件 格式的 SD 卡分区情况如图 6 所示。MBR 区是 SD 卡物理 0 扇区，保留区存放 FAT 文件系统的重 要参数和引导数据，FAT 表记录簇的使用情况，根 目录区记录根目录信息，文件目录数据区是各种数 据的实际存储区[7~8]。 图 6 FAT16 存储结构 MSP430 通过 SPI 总线实现对 SD 卡的读写[9]。 MSP430 向 SD 卡中存储信息前，先对 SD 卡初始 化，得到扇区信息，然后可进行文件创建操作。文 件创建过程是通过访问 SD 卡的 FAT 区和根目录 区，确认要建立的文件不存在且有足够的空白簇时， 可完成文件创建，并在根目录区登记。写入数据时， 根据文件名在文件目录区找到写入目标的地址，由 FAT 表的链式地址完成数据写入。 3.2 蓝牙数据传输 本设计采用 XS128 蓝牙模块，该模块为串口 通信，分为主机模块和从机模块，两个模块上电后 自动匹配连接，其中主机模块为 USB 接口，可直 接与 PC 机连接。 3.2.1 蓝牙终端节点 蓝牙终端节点即蓝牙从机模块，用来发送数据。 发送程序的流程图如图 7 所示，采用 8 位数据位、 1 位停止位、无奇偶校验的通信格式。 图 7 发送程序的流程图

王利等：辱吸暂停袋合症早期发现仪的开发与研制 3.2.2蓝牙主控节点 1000 主控节点即蓝牙主机模块，用来接收无线传输 的数据，并将数据通过串口传送至PC机上，并将 500H 数据自动保存，以便利用MATLAB对数据进行分 析。 3.3PC机MATLAB程序设计 本设计利用MATLAB软件，主要进行串口通 信、数据处理和交互界面显示三项功能。其中数据 处理又分为两部分，一部分是从心电信号中提取出 胸部呼吸信号。另一部分是鼻部呼吸信号进行滤波 图9心率波形 程序流程如图8所示。首先进行横式判断，确定 理数据来源，将两路信号分离后 判断是鼻部呼吸 信号还是胸部呼吸信号，分别进行数据处理，最后 将波形显示至GU界面，并进行病情分析。 3.3.1 MATLAB串口通讯 利用MATLAB自带的通信功能创建串口通 信，通过串口实时接收数据四。 3.3.2肺部呼吸信号的提取 通过对心电信号频谱的分析可知：信号主要集 中在10Hz以内，人体呼吸的频率主要集中在1Hz 图10心率信号频谱 以下的频率段，本设计中将心电信号R波的波峰 350 相连，提取出特征占，讲行插值得到连续信马[四面 300 通过FIR低通滤波器得到肺部呼吸信号。图 912分别为心率波形及其频语、处理后肺部呼吸 波形及其频谐。 150 时同s 15 图11处理后肺部呼吸波形 250 0 50 50 100 n, 图12处理后的肺部呼吸频谱 3,3.3鼻部呼吸信号的处理 鼻部呼吸信号受外界干扰相对较小，所以在 MATLAB中仅需运用FIR低通滤波器进行提取， 相对简单容易。 3.3.4诊断及可视化界面显示 根据呼吸暂停综合症的定义，通过MATLAB 计算每晚的呼吸暂停发作次数。 对病情进行初步分 图8呼吸信号滤波程序流程图 析，利用MATLAB设计GUI可视界面如图13

王 刚等：呼吸暂停综合症早期发现仪的开发与研制 23 3.2.2 蓝牙主控节点 主控节点即蓝牙主机模块，用来接收无线传输 的数据，并将数据通过串口传送至 PC 机上，并将 数据自动保存，以便利用 MATLAB 对数据进行分 析。 3.3 PC 机 MATLAB 程序设计 本设计利用 MATLAB 软件，主要进行串口通 信、数据处理和交互界面显示三项功能。其中数据 处理又分为两部分，一部分是从心电信号中提取出 胸部呼吸信号。另一部分是鼻部呼吸信号进行滤波。 程序流程如图 8 所示。首先进行模式判断，确定处 理数据来源，将两路信号分离后，判断是鼻部呼吸 信号还是胸部呼吸信号，分别进行数据处理，最后 将波形显示至 GUI 界面，并进行病情分析。 3.3.1 MATLAB 串口通讯 利用 MATLAB 自带的通信功能创建串口通 信，通过串口实时接收数据[11]。 3.3.2 肺部呼吸信号的提取 通过对心电信号频谱的分析可知：信号主要集 中在 10Hz 以内，人体呼吸的频率主要集中在 1Hz 以下的频率段，本设计中将心电信号 R 波的波峰 相连，提取出特征点，进行插值得到连续信号[12]再 通过 FIR 低通滤波器得到肺部呼吸信号[13]。图 9~12 分别为心率波形及其频谱、处理后肺部呼吸 波形及其频谱。 图 8 呼吸信号滤波程序流程图 图 9 心率波形 图 10 心率信号频谱 图 11 处理后肺部呼吸波形 图 12 处理后的肺部呼吸频谱 3.3.3 鼻部呼吸信号的处理 鼻部呼吸信号受外界干扰相对较小，所以在 MATLAB 中仅需运用 FIR 低通滤波器进行提取， 相对简单容易。 3.3.4 诊断及可视化界面显示 根据呼吸暂停综合症的定义，通过 MATLAB 计算每晚的呼吸暂停发作次数，对病情进行初步分 析，利用 MATLAB 设计 GUI 可视界面如图 13

吉林大学仅器科学与电气工程学院2013年下半年中文论文集 由模式选择、诊断结果、呼吸波形显示三部分组成 声器在心音采集中的应用).重庆大学学报（自 然科学版，2007,30(1033-40 7.关硕，关济实，FAT16文件系统在单片机存储系 统上的实现)科技信息，2008.(13)：409-410 8.邓剑杨晓非廖俊卿，FAT文件系统原理及 实现仍计算机与数字工程，2005， 33(91105.108 9.蔡靖.基于FATI6文件存储格式的可穿戴心电 监测系统D).吉林大学，2010 图13可视化界面 10.罗志达，余学飞，彭达明.基于蓝牙技术的医疗 4结语 设备间数据通信接口的设计与实现).医疗卫 生装备.2010.31(2)：28-31 笔者设计的呼吸暂停综合症早期发现仪能够实 11.顾学乔，曹资，徐寅林.基于MATLAB串口通 现无线、 无直接接触式呼吸信号检测及基本病情分 析，具有重量轻、体积小、功耗低、成本低、佩藏 信及滤波的U仪表技术，2010，(8)17-19 舒适等特点，从而减少病人经济负担，在家里舒适 12.赵素文，贾磊磊，卢望.基于心电信号中提取呼 睡觉的同时实现疾病的监测。在接下来的工作中， 吸信号的探讨[几.桂林航天工业高等专科学按 要使采集模块集成化，从而减小外界干扰，提高采 学报，2012，(65120-24 样淮确度。 13.李强，赵伟.MATLAB数据处理与应用M.北 参考文献 京：国防工业出版社，2001 1.李肃义，李赛男，于潇，杨美玲，丁梅，熊文激 应用动态心电图初诊睡眠呼吸暂停症的研究进 展)现代预防医学 2 Hiestand DM,Br itz P.Goldman M,Phillips B. Prevalence of symptoms and risk of sleep apnea in the US population:results from the national sleep foundation sleep in America 2005 poll.Chest [ 2006,130(31:780-786 3.王双玲，陈真诚.基于VC+6.0的家庭式睡 呼吸测试仪系统).中国医学物理学杂志 2010,274y2047-2050 4.郝连旺，未涛.呼吸信号检测方法的研究叮 微纳电子技术，2007，(7/8)12-16 5.胡寒冬，陈洪波，陈真诚.便携式睡眠呼吸暂停 低通气监测仪的设计仍.电子测量与仪器学报， 2011,25(9y812-816 6阙小生，杨浩，唐容，但春梅，朱军.驻极体传 24

吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 24 由模式选择、诊断结果、呼吸波形显示三部分组成。 图 13 可视化界面 4 结语 笔者设计的呼吸暂停综合症早期发现仪能够实 现无线、无直接接触式呼吸信号检测及基本病情分 析，具有重量轻、体积小、功耗低、成本低、佩戴 舒适等特点，从而减少病人经济负担，在家里舒适 睡觉的同时实现疾病的监测。在接下来的工作中， 要使采集模块集成化，从而减小外界干扰，提高采 样准确度。 参考文献 1. 李肃义, 李赛男, 于潇, 杨美玲, 丁梅, 熊文激. 应用动态心电图初诊睡眠呼吸暂停症的研究进 展[J]. 现代预防医学 2. Hiestand DM, Br itz P, Goldman M, Phillips B. Prevalence of symptoms and risk of sleep apnea in the US population: results from the national sleep foundation sleep in America 2005 poll. Chest [J], 2006, 130(3):780-786. 3. 王双玲, 陈真诚. 基于 VC++6．0 的家庭式睡眠 呼吸测试仪系统[J]. 中国医学物理学杂志, 2010, 27(4): 2047-2050 4. 郝连旺, 宋涛. 呼吸信号检测方法的研究[J]. 微纳电子技术, 2007, (7/8): 12-16 5. 胡寒冬, 陈洪波, 陈真诚. 便携式睡眠呼吸暂停 低通气监测仪的设计[J]. 电子测量与仪器学报, 2011, 25(9): 812-816 6. 阙小生, 杨浩, 唐容, 但春梅, 朱军. 驻极体传 声器在心音采集中的应用[J]. 重庆大学学报(自 然科学版), 2007, 30(10): 33-40 7. 关硕，关济实. FAT16 文件系统在单片机存储系 统上的实现[J]. 科技信息, 2008, (13): 409-410 8. 邓剑 杨晓非 廖俊卿. FAT 文件系统原理及 实 现 [J]. 计算机与数字工程 , 2005, 33(9):105-108 9. 蔡靖. 基于 FAT16 文件存储格式的可穿戴心电 监测系统[D]. 吉林大学, 2010. 10. 罗志达, 余学飞, 彭达明. 基于蓝牙技术的医疗 设备间数据通信接口的设计与实现[J].医疗卫 生装备, 2010, 31(2): 28-31 11. 顾学乔, 曹赟, 徐寅林. 基于 MATLAB 串口通 信及滤波的[J]. 仪表技术, 2010, (8): 17-19 12. 赵素文, 贾磊磊, 卢望. 基于心电信号中提取呼 吸信号的探讨[J]. 桂林航天工业高等专科学校 学报, 2012, (65): 20-24 13. 李强, 赵伟. MATLAB 数据处理与应用[M]. 北 京：国防工业出版社, 2001