止鼾器的研究与讨论

止鼾器的研究与讨论 在我们日常的生活中常常会听到鼾声,不论是打鼾者亦或是听鼾者大都对这事十分的头疼，打鼾者早晨口干舌燥，听鼾者深夜辗转难眠。所以研制一种止鼾的辅助器具具有很大的实际意义，但要想设计一种止鼾器就必须先对打鼾有一个深入的了解。 一、打鼾的成因与危害 打鼾的直接发病机制是上气道的狭窄和阻塞，但其发病并非简单的气道阻塞，实际是上气道塌陷，并伴有呼吸中枢神经调节因素障碍。引起上气道狭窄和阻塞的原因很多，包括鼻中隔弯曲、扁桃体肥大、软腭过长、下颌弓狭窄、下颌后缩畸形、颞下颌关节强直。 打鼾虽然说是小事，但其实它潜在的危害很大，比如影响家人的睡眠，每天早起感到喉头又干又燥。但它的危害还不止于此，严重的可导致大脑缺氧，并累及全身各个脏器，使大脑皮层内侧部分物质结构发生变化，损伤脑组织导致痴呆。 由于打鼾的人气道比正常人狭窄，严重时气道会完全阻塞，发生呼吸暂停甚至猝死。 二、打鼾的诊断与治疗 由于打鼾成因的复杂性，加上其本身又难以治，在打鼾方面的医学研究一直在进行，其诊断与治疗有很多种。诊断方法主要为X线头影测量、多导睡眠监测、鼻咽纤维镜检查。而治疗方法主要分为非手术治疗和手术治疗。 一、非手术治疗 1.经鼻持续气道正压呼吸(CPAP)。此法是目前治疗中重度打鼾最有效的治疗方法，大部分患者通过CPAP治疗，都可以达到满意的治疗效果。 2.口腔矫治器。睡眠时佩戴口腔矫治器可以抬高软腭，牵引舌主动或被动向前，以及下颌前移，达到扩大口咽及下咽部，是治疗单纯鼾症的主要手段或打鼾非外科治疗的重要辅助手段之一，但对中重度打鼾患者无效。 二、手术治疗 手术治疗的目的在于减轻和消除气道阻塞，防止气道软织塌陷。常用的手术方法有四种:扁桃体、腺样体切除术;鼻腔手术;舌成形术;腭垂、腭、咽成形术。由于手术治疗法不是康复工程讨论的重点，也就不再累述了。 三、止鼾辅助器具——止鼾器 因为止鼾器是治疗打鼾的主要辅助器具，所以在对市场上的止鼾技术了解了一番后，我决定选取止鼾器作为研究与讨论的方向。 当今社会上的止鼾器主要有三种呼吸机、硅胶阻鼾器、电子止鼾器。其主要原理与特点如下: 呼吸机，也就是戴在鼻子上的类似与口罩的设备，通过供氧,让鼻子呼吸达到身体正常的用氧水平,进而停止口腔呼吸,不再打鼾效果明显，但价格昂贵，且有安全隐患，易造成自主呼吸衰退。 硅胶阻鼾器简称“止鼾牙套”，通过使颌向前伸出，从而防止舌根部下垂，确保呼吸道畅通起到防止打鼾的作用。使用麻烦，需要你睡觉前卡在嘴里，且效果不明显，还有依赖性。 电子止鼾器，通过电脉冲的刺激作用，促使鼾症患者咽喉部位肌肉收缩，恢复气道畅通，从而停止打鼾。 四、止鼾器的设计 基于《数电》、《信号与系统》、《模电》、《康复工程》等课程的相关知识，参考了相关的文献资料后，我们设计了一种555时基集成电路，作为止鼾器的基本电路，。电路图如下: 一、止鼾器的工作原理 打鼾者发出鼾声，止鼾器接收到信号，发出类似针刺电脉冲，使鼾睡者感觉，改变睡姿，完成止鼾。一般打鼾不严重者在电脉冲刺激下，经过几次电击后，形成条件反射，一受刺激，便停止打鼾。 优点:能较有效地阻止打鼾的发生。 缺点:?电路缺少对鼾声和噪声的区分, 致使电路容易引起误触发 ?电路通过脉冲电压刺激患者使患者有针刺痛感, 会影响患者的睡眠质量。 二、止鼾器的电路原理及其工作过程 该止鼾器电路由音频检测电路和刺激脉冲产生器电路组成，工作如图所示。 音频检测放大电路由传声器 (话筒)BM、音频放大管V1、V2、电容器Cl、C2和电阻器Rl-R4组成。 刺激脉冲产生器电路由时基集成电路IC、电阻器R5、R6、电容器C3、C4、二极管VDl、VD2和脉冲变压器T组成。 接通电源开关S后，该电子止鼾器的音频检测放大电路进入工作状态。此时若使用者打鼾时，传声器BM将鼾声变为电信号。该电信号经Vl和V2放大后，加至IC的4脚，使刺激脉冲产生器电路工作，产生高电平，高电平经过脉冲变压器T，产生脉冲电压，此脉冲电压通过电极加在打鼾者身体的某部位，刺激打鼾者、使其改变睡姿。 电信号 声音信号(鼾声) 音频放大管 使用者 传声器 产生脉冲电压，刺激使用者 刺激脉冲产 生电路 IC芯片 三、止鼾器的改进 由于设计的止鼾器存在?电路缺少对鼾声和噪声的区分, 致使电路容易引起误触发 ?电路通过脉冲电压刺激患者使患者有针刺痛感, 会影响患者的睡眠质量所以进行改进止鼾器相关的讨论。 在查找市面较常用的电子止鼾器的原理后，我首先想到的是通过降低电刺激的幅度，将电刺激作用于穴位，通过长期的治疗来达到缓解止鼾的作用。但在查找相关的“电针灸”，“穴位与打鼾”的知识后，发现这种改进方法行不通。首先，电针灸不可能降低到较低的幅度，第二，电针灸必须与针一起使用，单单的电刺激对穴位的刺激的效果几乎为无。第三，穴位的刺激其实与治疗打鼾基本无直接 关系，刺激穴位只能达到促进睡眠的作用，并不能阻止打鼾。所以这种改进想法失败。 在答辩的时受到老师的启发后，我查找了相关资料后，发现普通打鼾的根本原因是因为颏舌肌的放松，使舌根前移, 上呼吸道变窄。与所以我决定通过直接影响肌肉来解决打鼾的问。 由《生物学》所学的相关知识可知把一定频率的电刺激加载到运动神经上，该运动神经所控制的骨骼肌就会发生收缩。当刺激的频率大过一定范围时肌肉就会发生强直收缩。所以只要将电刺激加载到支配颏舌肌的神经——舌下神经，就可以防止打鼾者颏舌肌放松，使舌根前移, 上呼吸道变窄的情况，从而有效的防止打鼾的发生。 参考理论(因为并非是治疗肌肉，所以只是作为参考):神经肌肉电刺激疗法(简称NMES)是应用低频脉冲电流刺激肌肉使其收缩，以恢复其运动功能的方法。 一、物理特性 (一)波型 常见NMES的波型有两种:不对称双相方波和对称双相方波。前者有阴阳极之分，一般用阴极作主极，用于小肌肉、肌束的刺激。后者没有极性，用于大肌肉和肌 群的刺激。失神经支配肌肉的NMES一般用指数波(三角波)。 (二)脉冲宽度 许多袖珍NMES仪的波宽固定于0.2~0.4ms之间。而大型NMES仪的波宽在0.05~100ms可调。对于正常神经支配的肌肉(包括上运动神经无 麻痹的肌肉)，Bowman等(1985)认为波宽0.3ms的电流比0.05ms或1ms的电流更舒适，不易引起疼痛。 (三)频率 NMES所用的频率常在100Hz以下。临床应用时常需要使肌肉达到完全强直收缩。对正常肌肉，频率30Hz以上。对失神经支配的肌肉，引起强直收缩所需的频率降低。频率越高，神经越易疲劳。 (四)占空系数和通断比 通断比在1:1~1:1.5之间。要注意通断比和频率的共同影响:30Hz、1:3的电流与50Hz、1:7的电流所引起的肌收缩力无统计学差异。病情越严重，所需的占空系数和频率就越低。 改进思路: Rf 1(使用时将传音器紧贴患者的咽 喉部位，并在传音器的外部缠上一层多IOP1R1孔橡胶物质。 - CR作用:有效地减少了外界声音的干扰，+使止鼾器更加地灵敏。 2(将c1换为右图所示的带通滤波 RC器。 此带通滤波器的Au为: 当f,f时A的模最大，为带通滤波器的中心频率。此时Au为: 0u 得到上下限截止频率: 通频带宽B为: 因为鼾声的频率为100Hz~800Hz之间，所以f=450Hz，B=700Hz。选取合0 适的电阻和电容的值就可以完成带通滤波。选取Rf=4k，R1=9k，R=1k,C=0.35u。 工作原理:通过电容的串并联过滤掉频率在100Hz~800Hz的电信号。 作用:防止患者的吞咽声或咀嚼声导致止鼾器的误触发。减少由于外界噪声引起止鼾器的误触发。 3(变压器T改为三角波发生器(如尾页附图所示)，作为产生电刺激脉冲的发生源。电压开关的正极VF1接信号的输入端，负极接地。运放的VF2端接输出端，将电极与传音器结合在一起，从而直接刺激喉部肌肉。 工作原理:当有鼾声产生时，555时基电路产生高电平，使电压开关打开，使三角波发生器的负反馈通路，形成三角波。通过改变变阻器R11的大小来改变三角波的频率，通过改变变阻器D2 1N1183的阻值来改变三角波的占空比，通过改变变阻器P1的阻值来改变三角波的直流偏移量，通过改变变阻器R5的阻值来改变三角波的幅度。 作用:患者可自己调节输出三角波的幅度，频率，占空比，直流偏移量，使输出的三角波适合不同的患者。 止鼾器改进后的电路原理及其工作过程 整个电路分为音频转换电路，带通滤波电路，判断电三角波发生电路组成。 接通电源开关S后，该电子止鼾器的音频检测放大电路进入工作状态，传声器BM将声信号变为电信号。该电信号经带通滤波电路过滤后，再经过Vl和V2放大，加至IC的4脚。若有鼾声产生，刺激脉冲产生器电路工作，产生高电平，高电平使电压开关打开，使三角波发生电路的负反馈通路，产生三角波电脉冲，此脉冲电压通过电极加在打鼾者咽喉部位，刺激打鼾者的舌下神经，使颏舌肌收缩，阻止打鼾。 该止鼾器改进后的优点: ? 电路加上了鼾声和噪声的区分, 防止电路引起误触发。 ? 止鼾器通过低幅度的三角波电脉冲影响颏舌肌的收缩，从而制止打鼾，而不会影响患者的睡眠。 ? 止鼾器输出的三角波各项指标都可调，提高了止鼾器的适用范围和它的可调性。 J2J2 J2 J1J1J1 2 6C2 1uC1 1uU3 OPA637E3 R4 100k74 C3 10nJ1 R1 1kJ2V1 9 P1 1k Z1 1N2804Z2 1N2804R9 30kJ1R8 1kR7 1kR3 100kV2 9C4 1n C5 1nJ2J2 - ++ VF1 SW1 0R12 30kR11 10k+,-D1 1N1183P2 1k 2R2 1kR5 105kR6 10k6U4 UA741/3013D2 1N1183-74++ 2VF26U1 UA741/3013 74 -2 6++U2 OPA2273-74++