STM32单机片的智能止鼾器设计

广州中医药大学第一临床医学院 武夏林 李丹云

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（OSAHS），俗称鼾症，临床表现有夜间睡眠打鼾伴呼吸暂停和白天嗜睡。目前已成为临床常见的一大疾病，给人们的生活带来严重困扰，降低生活质量，尤其是睡眠质量，并且可导致高血压、糖尿病和心血管疾病等并发症及交通事故，甚至出现夜间猝死，是一种有潜在致死性的睡眠呼吸疾病。相关数据显示，全球有将近10亿人受鼾症影响，我国30-69岁成年人患病率达23.6%，并呈现出逐年增长趋势。近年来，国家相关部委积极推动智慧健康的产业部署，促进智能化医疗，鼓励从预警、保护、预防多角度实现人体保健的“实时电子监控”。随着社会经济的发展以及科学技术的进步，亚健康群体对保健产品的需求和要求也在不断提高，智能家用医疗保健器械表现出较强的市场竞争力。

本文设计制作了一种结合中医疗法的多功能智能止鼾器。止鼾器包括止鼾器主体、约束头带及约束颈带，由主体外壳、按摩模块、脉冲电流模块以及鼾声检测模块构成止鼾器主体。鼾声检测模块中预设鼾声响度设定值，可根据检测到的数据控制脉冲电流模块，实现智能调控。按摩模块可对患者廉泉穴进行按摩缓解作用，约束头带可保证止鼾器主体贴附于喉颈位置，防止患者入眠后无意识的摘拔，提高睡眠期间的治疗可靠性，起到有效止鼾作用。使用者可在手机端软件中发送指令实现改变工作模式、设定工作时间等功能，并可查看夜晚鼾声数据，观察鼾声变化趋势。此项目适用于卧室、办公室、飞机、高铁等多种场景。

1 硬件设计

1.1 佩戴部分

佩戴部分的设计主要涉及止鼾器主体外壳、约束头带及约束颈带。

主体外壳为C字形壳体，采用硬质塑料制成，其弧形内侧面构成用于与人体的喉颈轮廓配合的弧形贴合部，保证佩戴的良好贴合度和舒适性。为了提高佩戴舒适度，C字形壳体的外部包覆有海绵垫层，具有柔软微弹、吸湿排汗的特性，能够有效避免在睡眠期间患者的喉颈部出汗严重的问题。

约束头带与主体外壳连接并形成用于容纳人体头部的第一佩戴空间，通过约束头带可将止鼾器主体固定在人体头部的下巴下侧，同时也能够约束患者的口部在睡眠时出现不自主张开的动作。另外，在C字形壳体上还连接有约束颈带，与约束头带岔开布置，分别连接在C字形壳体的两端位置，且约束颈带与主体外壳之间形成用于容纳人体颈部的第二佩戴空间。佩戴时，将约束头带紧绕在患者的头部、约束颈带紧绕在患者的颈部，既可保证按摩模块对准廉泉穴工作，又可防止止鼾器主体从颈部脱落，提高了睡眠期间的治疗可靠性。

约束头带具有弹性伸缩段，与C字形壳体之间采用魔术贴粘接连接。具体的，约束头带包括中间的第一弹性伸缩段以及两端的柔性布带，约束头带的柔性布带与C字形壳体固定连接，其中一端的柔性布带为断开式结构，柔性布带的断开位置设有第一魔术贴，通过第一魔术贴之间的粘接配合从而使断开的柔性布带连接为一体，即实现了约束头带的可拆连接，又实现了止鼾器主体佩戴时的松紧可调。颈带与头带的结构相同。

为了适应不同的使用需求，也可直接将约束颈带省去，仅保留约束头带，并且在约束头带对应头顶位置设有网兜结构，通过网兜结构兜紧在患者的头部。

1.2 按摩部分

按摩模块位于C字形壳体的容纳腔内，包括驱动电机和按摩头。在主体外壳对应人体的廉泉穴位置设有供按摩头伸出的通孔，开设于C字形壳体的弧形内侧壁上。另外，在C字形壳体容纳腔中的弧形内侧壁还设有电机安装座，驱动电机固定连接在电机安装座上，其主轴与按摩头连接。按摩头的形状为凹字形，按摩头两端的凸出部用于与人体皮肤摩擦接触。当驱动电机工作时，通过主轴转动带动按摩头旋转动作，按摩头两端的凸出部与人体的廉泉穴皮肤摩擦接触，模拟出传统按摩手法中的环状按揉动作，能够持续刺激廉泉穴，增加局部血液的流动性和温度，起到清咽利舌通畅气机的作用，在入眠前期对患者起到有效缓解和预防打鼾的功效。

1.3 鼾声检测与脉冲电流部分

鼾声检测模块与脉冲电流模块电性连接，与电源一同位于C字形壳体容纳腔内。鼾声检测模块中，处理器分别与麦克风、呼吸传感器、存储器以及脉冲电流模块电性连接，鼾声响度设定值设于存储器中。处理器选用STM32F103R6单片机，其采用CORTEX-M3内核，具有能耗低、成本低和性能良好等特性；麦克风为微型麦克风，呼吸传感器为PVDF呼吸传感器，采用麦克风和呼吸传感器相结合的设计，分别用于检测患者的鼾声响度和呼吸频率，通过鼾声信号和呼吸信号共同检测患者睡眠时打鼾的状态。

电源为鼾声检测模块各部分提供工作所需的电流。脉冲电流模块中设有脉冲电流发生电路，用于电源输出的直流电转化成脉冲电流，其波形为方波脉冲，频率为1至8Hz，大小约为1毫安远低于人体的安全电流，可模拟针灸的刺激效果。在C字形壳体的下侧面对应人体喉部两侧位置设有两个导电贴片，与脉冲电流模块之间连接有导线，通过脉冲电流模块、导线、导电贴片以及人体皮肤之间形成构成电流回路。鼾声检测模块与脉冲电流模块电路控制图如图1所示。

2 软件设计

软件设计主要用于鼾声检测与脉冲电流模块的智能调控。

鼾声检测模块中，麦克风可实时获取患者的鼾声，并将鼾声音频信号转化为鼾声电信号传输至处理器中，处理器判断当前鼾声是否超过存储器中预设的鼾声响度设定值，若是，则控制脉冲电流模块工作，采用脉冲电流刺激患者体表，使患者自主调整睡眠姿态；若否，则继续监控。另外，呼吸传感器的内部具有滤波电路和型号为LM358的放大芯片，滤波电路用于处理环境噪声及电路本身产生的工频干扰，放大芯片用于对获取患者的呼吸振动所产生的微弱电信号进行增强，增强后的呼吸电信号传输至处理器，通过处理器判断患者当前是否处于呼吸暂停的危险情况。通过两种方式共同监控患者的睡眠状态，保证了患者处于睡眠期间的安全性。

图1 鼾声检测模块与脉冲电流模块电路控制图

C字形壳体中还设有蓝牙接收模块，其型号为HC05HC05主从一体蓝牙模块，可接收外部蓝牙信号并传输至处理器中，进而调节鼾声检测模块的鼾声响度设定值，以及脉冲电流模块的脉冲电流大小。外部蓝牙信号可为使用者手机端，通过开启手机蓝牙与止鼾器的蓝牙接收模块连接，操作手机即可方便调节止鼾器的工作模式和相应参数。鼾声检测与脉冲电流模块智能调控流程图如图2所示。

图2 鼾声检测与脉冲电流模块智能调控流程图

结语：智能止鼾器是一种新型的医疗保健器械，该设计基于STM32单机片在睡眠期间止鼾的基础之上，增加了结合中医按摩疗法、腧穴理论的治疗作用，并能实时监测睡眠期间的鼾声情况，预防呼吸暂停，发挥标本兼顾的止鼾效果。随着健康中国的不断推进，家用医疗保健器械逐步向智能化发展，智慧健康正走进每一个人的生活。