用于睡眠呼吸暂停治疗设备的传感器

白皮书

睡眠呼吸暂停治疗和睡眠研究设备中的传感器

了解传感器如何在睡眠监测和睡眠治疗(IoMT(医疗物联网)市场中增长最快的部分)中发挥重要作用。

简介

物联网 (IoT) 是时下最热门的话题之一,人们都在纷纷谈论它将如何改变我们的工作方式、休闲方式、娱乐方式等。IoT 一词可以指互联的产品,但更为常见的是指向更具体的词,如 IIoT(工业物联网)和 IoMT(医疗物联网)等等。

在医疗领域,针对广泛的应用,如

诊断、治疗以及监测开发连接物联网的设备的热潮

方兴未艾。IoMT 设备可向中心点提供实时、连续的信息,

便于医生和其他医疗技术人员通过远程方式

安全、可靠地收集有关患者的诊断和临床信息。这些信息

经自动或人工分析后,可帮助确定医疗需求。而对于已经确诊的患者,可以待在家里接受监测,从而极大节省了监测费用。这使患者可以有更多时间留在更舒适的家庭环境中,同时为医院或其他医疗机构中的其他患者增加空间。

 

当人们不愿或无法提供自己的健康数据时(例如睡觉时),远程医疗监测就显得尤为重要。近期的一份报告发现,睡眠监测和睡眠治疗是 IoMT 医疗保健市场中增长快速的细分市场,近年来,睡眠治疗患者的数量增加了一倍以上。

睡眠监测设备

这些可以成为监测睡眠模式的经济有效的选项。
它们可以监测睡眠周期,跟踪可用于
诊断睡眠呼吸暂停和其他健康问题的异常状况。医护人员可以利用
这些信息对患者治疗方式作出周全的决定。睡眠治疗设备可用于控制和治疗一系列睡眠障碍,
有些 IoMT 设备即便不能实际治愈打鼾,
至少也能适当缓解。传感器和连接技术
的发展提高了诊断和治疗常见
睡眠障碍的水平。

诊断和治疗睡眠障碍的传感技术

图 1. 用于诊断和治疗睡眠障碍的传感技术

睡眠研究

以往,睡眠障碍患者求诊需要到医院或睡眠中心,在那里留观一到几个晚上,以跟踪一系列数据,

如心率、呼吸频率、血氧浓度、总睡眠量、深度睡眠量、

打鼾、停止呼吸状况,等等。临床睡眠研究

存在几个问题,包括高成本、很多人不愿

前往诊所以及在临床环境下相比在通常家居环境下所收集数据的

整体有效性。过去几年,睡眠研究已经从临床环境转移到

家居环境,这虽然解决了一些问题,但

较难收集睡眠数据。家庭睡眠研究系统于是应运而生,支持

持续监测心率、呼吸频率、血氧浓度、停止呼吸状况。

此外,能够监测睡眠姿势、房间温度和湿度的

更为复杂的系统也已推出。这些系统或者将数据持续传输到云端进行保存,

或者将所有数据均存储在系统内部

的内存中。然后,可对收集的数据进行自动和/或人工分析,

以确定睡眠障碍的类型和严重度。

睡眠监测系统

睡眠研究:睡眠监测系统通常由一系列传感器组成,可以监测生理参数(如心率和呼吸频率)以及

环境状况(如温度和湿度)等。还可以包括确定其他睡眠或

呼吸相关变量(如身体运动、血氧浓度和空气

流量测量)的传感器。在此范围内的传感器包括:

  • 具有睡眠监测功能的压电薄膜睡眠传感器,可监测呼吸频率、心率、身体活动、深度睡眠、轻度睡眠等
  • 光电式 SpO2 传感器,以无创方式测量血氧浓度
  • 低压气体流量传感器,用于测量吸气和呼气期间的压力
  • 湿度和温度传感器,可测量吸入和呼出气体的温度和湿度

诊断出睡眠问题后,即可制定治疗计划,其中包括一系列设备、饮食、锻炼,并且,通常还包括对睡眠模式和其他生理数据的监测。

配备传感器产品的睡眠呼吸暂停治疗机

图 2. 配备 TE CONNECTIVITY 传感器产品的睡眠呼吸暂停治疗机

睡眠呼吸暂停

最常见的睡眠障碍是睡眠呼吸暂停,这是一种严重疾病,

导致患者呼吸反复停止和开始。睡眠呼吸暂停患者有时会

重度打鼾,而且,即使睡了一整晚上,也常常感到疲劳。睡眠呼吸暂停主要有三种类型:

  • 阻塞性睡眠呼吸暂停,在喉咙肌肉放松时最常发生的状况
  • 中枢性睡眠呼吸暂停,当大脑没有向肌肉发送适当的控制呼吸的信号时发生的状况
  • 复杂型睡眠呼吸暂停,患者同时存在阻塞性睡眠呼吸暂停和中枢性睡眠呼吸暂停时发生的状况

 

使用意识和使用简便性加快了睡眠呼吸暂停治疗机的普及。深度睡眠期间,某些人的喉咙、舌头和上颚周围的软组织会塌陷。这将部分阻塞呼吸通道,导致打鼾。通过施加轻微的正气压使气管保持张开,可以充分减轻打鼾症状。这就是睡眠呼吸暂停治疗机的设计目的。

正气压 (PAP) 机器

主要用以下三种正气压 (PAP) 设备来治疗该疾病:
CPAP、AutoCPAP 和 BiLevel 设备。所有这些设备都能控制进入患者体内的气流,但方式各不相同,
且复杂性和成本依次上升。

 

CPAP 是 Continuous Positive Airway Pressure(持续气道正压通气)的简称,这类设备提供持续不断
的气流,患者必须吸入气体然后呼出。这是最基本t
的 PAP 设备,通常最先被使用。在许多情况下,保险范围会言明首先使用 CPAP,
因为它成本较低,而且适用大多数患者。调整 CPAP 的最大的问题之一是
持续不断的气流对于呼气
形成巨大压力。许多制造商通过感测和/或降低
机器对呼气的压力给出了解决办法。

 

AutoCPAP - 自动调节持续气道正压通气(或 APAP)。与 CPAP 设定为提供一个持续压力不同,
APAP 设定了高低压范围,
以满足不同的吸气需求。该范围通常预先确定,
且此类设备具有灵敏的算法技术,允许机器检测
每次呼吸需要多少吸气压力。提供压力范围的原理在于,
人的压力需求在任何特定的夜晚或睡眠时间都可能有所不同。
可能影响吸入压力的因素包括睡眠姿势、感冒或过敏反应、
饮酒和药物。

 

BiLevel 指示 PAP 设备可提供 2 种不同的压力,一种用于吸气,另一种用于呼气。由于它是非常复杂的设备,因此它的费用很高,通常保留用于特殊需要。由于 BiLevel 与呼吸机类似,因此它通常用于患有其他疾病的患者,例如 ALS、帕金森氏症或患者因其他疾病而需要辅助呼吸的情况。它还经常用于患有中枢性睡眠呼吸暂停的患者,但很多患有中枢性呼吸暂停的患者使用 CPAP 或 APAP 的表现也很好。

 

基本的 PAP 机器通常包含提供加压空气的风扇或电机、输送空气的面罩和
某种类型的控制显示器。更复杂的系统会增加
其他功能和控制。患者戴上面罩,面罩利用压力通过鼻腔输送
空气,这样,鼻腔不会凹陷并
导致呼吸暂停。一系列传感器通常用于监测和控制气压以及
监测环境和设备的其他方面。TE Connectivity (TE) 生产多种
用于睡眠呼吸暂停治疗机的传感器,可帮助监测和控制
空气流量、气压、温度和湿度,并为电机、风扇
和鼓风机提供反馈。

 

当低压空气被持续不断地输送到睡眠呼吸暂停设备呼吸面罩中以保持气管开放时,进入人体的温暖、潮湿的空气可以显著提高患者的舒适度。多种较新的睡眠呼吸暂停治疗机配备了此选项。气流的湿度必须得到监测和控制,TE 可提供特定的传感器来测量和调节湿度、温度和其他参数。

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传感器与一般的电子设备一样,也会做得越来越小、越来越精确,

支持全数字输出和更低功耗。低功耗有利于

更广泛的应用,包括电池供电系统。更加小型化

使得传感器更靠近呼吸面罩,并允许

就在感兴趣的部位进行测量和控制。

数字或模拟 htu31 组合传感器
图 3. 数字或模拟 HTU31 湿度和温度组合传感器

TE 推出了可表面贴装的 HTU31 湿度/温度数字
输出组合传感器,尺寸为 2.5 x 2.5 x 0.9 mm。每个传感器出厂前都
经过校准,达到了高精度,并且进行了序列化,具有可追溯性,
通常提供 ±2% 的相对湿度精确度,±0.2°C 的温度精确度。它们采用紧凑的 6 针 DFN 封装,
提供快速响应时间,
功耗通常仅为 3.78μW。这些传感器有可配置地址的数字 I2C 版本和
模拟版本。

 

TE 还提供低压传感器,可用于监测和调节管路压力,
以保持气管打开。这些传感器的差压版本可用于
监测/调节气流。这些压力传感器采用 16 针 SOIC 封装,
适合表面贴装。TE 还提供多种独立的
温度传感技术,可用于监测和控制 PAP 应用中压缩空气的温度,
或者作为睡眠监测应用的一部分
用于监测室内空气温度。技术包括 NTC 热敏电阻、
铂 RTD、微热电偶、热电堆和数字温度传感器。
封装采用全新数字 TSYS03,超紧凑的 XDFN6 封装,
尺寸仅为 1.5mm x 1.5mm x 0.38mm,温度范围从 0°C 到 60°C,精度为 ±0.5°C,
配套组件广泛,有多种温度范围、精度和尺寸可选。

用于睡眠监测的超低压产品
图 4. 用于睡眠监测和治疗应用的超低压传感产品

最后,TE 还生产一系列板和表面贴装各向异性磁阻产品

(AMR) 位置传感器,广泛用于电机和风扇控制,可准确监测旋转或线性位移。它们尺寸小,精确度和可靠性较高,这使它们可以用于许多紧凑的、高性能家用医疗产品,包括 PAP 机器。

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结论

在过去的几十年中,睡眠医学一直是一门不断扩展的学科。随着睡眠障碍症发病率上升,有关监测和治疗产品将不断被开发出来。人们已经开发了许多用于记录睡眠和诊断睡眠障碍的新方法。睡眠障碍是慢性疾病,需要持续治疗并监测治疗效果。针对初步诊断和后续治疗监测的技术应是经济高效的,这一点非常重要。这是一个可满足睡眠障碍的诊断和治疗需求的远程医疗技术示例。传感器可用于临床或家庭环境中对睡眠的监测,以及治疗常见睡眠障碍(睡眠呼吸暂停)的设备,并可发挥至关重要的作用。