一種基于體震信號的睡眠檢測方法及檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于體震信號的睡眠檢測方法及檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次與傳感器連接的第一放大器、濾波器、兩個第二放大器、模/數(shù)信號轉換器、信號接口、服務器；第一放大器連接于信號接口；其中一個第二放大器連接于信號接口。服務器用于分析接收到的信號，分析結果輸出于信息終端設備。該檢測方法包括：收集體動信號，根據(jù)體動信號波形幅度方差判斷睡眠狀態(tài)；體震信號經(jīng)過壓電傳感器轉換為電信號，通過放大模塊等信號處理電路，提取呼吸心率，利用一種基于動作幅度、心率、呼吸而建立的睡眠檢測算法對睡眠質(zhì)量進行評估。測試結果表明具有較高的準確性，該方法對使用者的正常生活無影響，對無接觸式的睡眠檢測具有重要意義。
【專利說明】
一種基于體震信號的睡眠檢測方法及檢測系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種睡眠檢測方法和檢測系統(tǒng)，特別是涉及一種基于體震信號的睡眠檢測方法及檢測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]人有三分之一的時間是在睡眠中度過的，睡眠對評估人們的工作壓力、疲勞度和精神狀況等日常生活狀況有著重要意義。醫(yī)學上對睡眠的結構和進程的了解，是利用多導睡眠儀來完成的。它可以能夠進行全天監(jiān)護，及時記錄各項生理指標，具有報警等實時監(jiān)測能力，但是這些設備主要集中于醫(yī)院和研究所，其上百萬的價格制約了其普及性。近些年來，隨著移動應用方式的推廣，小型化微型化的檢測儀的研制水平不斷提高。追蹤睡眠質(zhì)量也成了許多當前流行的可穿戴產(chǎn)品所關注的功能。動作、胸腔擴張收縮、心臟栗血都會引起人體和與人體接觸物體的震動，采集這些震動，經(jīng)過壓電傳感器轉換為電信號，通過放大模塊等信號處理電路，再傳輸?shù)胶笈_進行預處理，本設計就是這樣一種基于動作幅度、心率、呼吸而建立的睡眠檢測算法，獲取睡眠質(zhì)量評估。
[0003]在目前的生物醫(yī)學工程研究當中，我們對人體的各種生理信號進行采集與處理，傳統(tǒng)測量心率和呼吸的方式，是利用電極或傳感器直接接觸人體，對人體產(chǎn)生一定約束，從而使受試者產(chǎn)生一定的心理負擔。
[0004]因此，有必要提出一種新的基于體震信號的睡眠檢測方法和檢測系統(tǒng)來解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于體震信號的睡眠檢測方法及檢測系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術中睡眠檢測儀價格高，且只能在醫(yī)院和研究所使用而不具有普及性的問題，并且用于解決現(xiàn)有技術中的睡眠檢測儀對人體有一定約束而使受試者產(chǎn)生心理負擔的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種基于體震信號的睡眠檢測方法，該體震信號至少包括:體動信號、心沖擊信號以及呼吸信號，其特征在于，所述檢測方法至少包括:(I)將睡眠狀態(tài)劃分為覺醒期、快速眼動期和非快速眼動期；非快速眼動期包括淺睡期和深睡期；(2)收集體動信號；根據(jù)所述體動信號波形幅度的方差來判斷睡眠狀態(tài)；若波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者同時分別呈現(xiàn)升高趨勢且分別升高至25和2以上，睡眠狀態(tài)為覺醒期；否則為非覺醒期；(3)若為非覺醒期，且所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者同時分別呈現(xiàn)下降趨勢時，確定為覺醒期到淺睡期的狀態(tài)切換；當所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者分別下降至3和0.2以下，確定睡眠狀態(tài)為深睡期；(4)結合所述心沖擊信號和呼吸信號判斷所述睡眠狀態(tài)；若前半夜的心沖擊信號的變異性隨睡眠時間的增加而增加，且呼吸信號不平穩(wěn)則確定為快速眼動期；(5)結合所述呼吸信號驗證步驟(3)中的深睡期；若后半夜的呼吸信號平穩(wěn)則確定為深睡期。
[0007]作為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測方法的一種優(yōu)選方案，所述體動信號包括:四肢移動和身體翻轉。
[0008]作為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測方法的一種優(yōu)選方案，所述步驟(2)中以10分鐘為一個窗口、以每次前進5分鐘來收集所述體動信號。
[0009]作為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測方法的一種優(yōu)選方案，所述步驟(2)中確定睡眠狀態(tài)為覺醒期的方法還包括:伴隨有持續(xù)時間超過5秒的大小動作。
[0010]作為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測方法的一種優(yōu)選方案，所述步驟(3)中，當所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者分別下降至3和0.2以下，若伴隨有大小動作，則確定睡眠狀態(tài)為淺睡期。
[0011]本發(fā)明還提供一種基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)至少包括:傳感器、與所述傳感器連接的第一放大器；與所述第一放大器連接的濾波器；與所述濾波器連接的兩個第二放大器；與所述兩個第二放大器連接的模/數(shù)信號轉換器；與所述模/數(shù)信號轉換器連接的信號接口 ；所述信號接口連接有服務器；.所述第一放大器連接于所述信號接口 ；所述其中一個第二放大器連接于所述信號接口。所述服務器用于分析接收到的信號，分析結果輸出于信息終端設備。
[0012]作為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述傳感器為壓電陶瓷傳感器。
[0013]作為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述信息終端設備包括:智能手機、PC或PAD。
[0014]作為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述濾波器為有限脈沖響應濾波器。
[0015]如上所述，本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測方法及檢測系統(tǒng)，具有以下有益效果:本系統(tǒng)使用了基于體震信號的無感覺測量技術，檢測設備壓在床腳下，測試時用戶按照平時習慣在床睡覺即可。當心臟向外栗血時，身體會產(chǎn)生與促使血液流動的力相反的作用力，該作用力引起了與心跳同步的身體震動，產(chǎn)生體震信號，體震信號的規(guī)律與心率相關。同時人體每一次呼吸伴隨著胸腔的擴張和收縮，這種變化也會引起緩慢變化的體震信號，這些信號通過人體傳遞給了固體，再通過固體被壓電傳感器采集到。雖然微弱，壓電傳感器的靈敏度足以測量到，經(jīng)過一系列的信號傳輸，通過算法處理模塊分離出心跳、呼吸和人在床上的體動。本系統(tǒng)不需要用戶穿戴手環(huán)手表等設備，也不需要用戶每天睡覺前手動去調(diào)整告訴設備“我要睡覺了，你來檢測吧”，用戶可以像之前一樣正常自由地在自己家中起居作息。設備安裝后，無聲無息地檢測使用者所有睡眠習慣，無須接觸用戶，心率、呼吸、活動、夜里起床次數(shù)等情況均在檢測范圍內(nèi)，作為睡眠診斷的依據(jù)。
【附圖說明】
[0016]圖1顯示為本發(fā)明的呼吸濾波器幅頻響圖。
[0017]圖2顯示為本發(fā)明的BCG和ECG的時序?qū)疽鈭D。
[0018]圖3顯不為本發(fā)明的原始波形、BCG、呼吸波的時序?qū)灰鈭D。
[0019]圖4顯示為本發(fā)明的實驗數(shù)據(jù)和ZOE睡眠監(jiān)測儀數(shù)據(jù)的對比結果。
[0020]圖5顯示為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)的結構組成示意圖。
[0021]圖6顯示為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)的安裝示意圖。
[0022]元件標號說明
[0023]01傳感器
[0024]02第一放大器
[0025]03波器
[0026]04 第二放大器
[0027]05 模/數(shù)信號轉換器
[0028]06 信號接口
[0029]07服務器
[0030]08 信息終端設備
【具體實施方式】
[0031]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0032]請參閱圖1至圖6。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。
[0033]本發(fā)明提供一種基于體震信號的睡眠檢測方法，首先，本實施例中，所述體震信號包括:體動信號、心沖擊信號以及呼吸信號。優(yōu)選地，本實施例中的體動信號包括:四肢移動和身體翻轉。本發(fā)明的所述檢測方法至少包括以下步驟:
[0034]步驟一:將睡眠狀態(tài)劃分為覺醒期、快速眼動期和非快速眼動期；非快速眼動期包括淺睡期和深睡期；睡眠質(zhì)量的評價其實就是對睡眠結構組成的分析。睡眠結構將睡眠狀態(tài)劃分為Wake期(覺醒期)、REM期(快速眼動期，也就是通常人們所說的做夢時期)、NREM期(非快速眼動期)，其中NREM又分為Light期(淺睡期)和Deep期(深睡期)。其中，真正讓大腦和軀干得到休息和放松的時期是Deep期。REM期、Light期、Deep期的總和，就是我們通常所說的睡眠時間。睡眠效率，一般定義為，睡眠效率=Deep期/ (Wake期+REM期 +NREM 期)X 100%。
[0035]—個睡眠周期持續(xù)60-120分鐘，至少要經(jīng)歷Light期和Deep期兩種狀態(tài)。健康人一整晚的睡眠中平均包含3-5個這樣的睡眠周期。其中，Deep期在睡眠周期中占15%左右，第二天才不會覺得疲憊。
[0036]步驟二:收集體動信號；根據(jù)所述體動信號波形幅度的方差來判斷睡眠狀態(tài)；若波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者同時分別呈現(xiàn)升高趨勢且分別升高至25和2以上，睡眠狀態(tài)為覺醒期；否則為非覺醒期；優(yōu)選地，體動的幅度和頻率較大，一般為四肢移動或身體翻轉，判斷為Wake期；體動較為短促、幅度小，發(fā)生頻率低，判斷為REM期或Light期；人體保持平靜、無明顯體動，判斷為Deep期。優(yōu)選地，該步驟中以10分鐘為一個窗口、以每次前進5分鐘來收集所述體動信號。同時，該步驟確定睡眠狀態(tài)為覺醒期的方法還包括:伴隨有持續(xù)時間超過5秒的大小動作。
[0037]接著實施步驟三:若為非覺醒期，且所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者同時分別呈現(xiàn)下降趨勢時，確定為覺醒期到淺睡期的狀態(tài)切換；當所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者分別下降至3和0.2以下，確定睡眠狀態(tài)為深睡期；優(yōu)選地，該步驟中，當所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者分別下降至3和0.2以下，若伴隨有大小動作，則確定睡眠狀態(tài)為淺睡期。
[0038]接著實施步驟四:在步驟三的基礎上結合所述心沖擊信號和呼吸信號判斷所述睡眠狀態(tài)；若前半夜的心沖擊信號的變異性隨睡眠時間的增加而增加，且呼吸信號不平穩(wěn)則確定為快速眼動期；呼吸波的正常頻率范圍是0.1-lHz，據(jù)此，將數(shù)字信號降低采樣率至50Hz，設計FIR濾波器截止頻率為0.5Hz，其幅頻響應如圖1所示，能有效去除環(huán)境噪聲和心跳干擾，單獨提取出呼吸波。由心臟向外栗血而產(chǎn)生的體震信號稱為心沖擊信號，描述心沖擊的信號的圖表稱為心沖擊圖(Ballistocard1gram，簡稱BCG)。BCG最早在1961年被提出，由于當時科技水平的限制，僅停留在理論研究的范疇。隨著現(xiàn)代傳感器技術和信號處理技術的發(fā)展，BCG在無接觸無感知生理信號測量方面逐漸受到重視。如圖2所示，經(jīng)過2-35Hz帶通濾波后所得的BCG(上方線條)和心電圖(Electrocard1gram，簡稱ECG)(下方線條)在時序上是一一對應的，用符號來標識了每個特征波群出現(xiàn)的位置可以看到，每一次心搏活動出現(xiàn)總是尾隨著一個心沖擊。因此，可以由心沖擊信號計算出心率。
[0039]取一段數(shù)據(jù)進行分析，如圖3所示，圖3顯示為本發(fā)明的原始波形、BCG、呼吸波的時序?qū)疽鈭D。從上而下，分別是混雜了各種信息的原始波形、經(jīng)過2-35HZ帶通濾波后所得的BCG波形，以及經(jīng)過0.5Hz低通濾波的呼吸波，可以看到壓電傳感器采集到的信息經(jīng)處理后是可以提取出心率和呼吸的。
[0040]接著實施步驟五:結合所述呼吸信號驗證步驟三中的深睡期；若后半夜的呼吸信號平穩(wěn)則確定為深睡期。
[0041]總的來說，本發(fā)明的睡眠檢測方法是以10分鐘為一個窗口進行移動，每次前進5分鐘，用波形幅度的方差分布來作為衡量體動的標準。當波形幅度的均方差/最小值和均方差/平均值同時下降，則有可能是睡眠周期的狀態(tài)切換，如果分別跌至3和0.2以下，則可預估為Deep期，但是如果這期間有大小動作，則降至Light期，如果前一個狀態(tài)為Wake期，也降至Light期；反之，當波形幅度的均方差/最小值和均方差/平均值同時上升至25和2以上，則可預估為Wake期；以此類推。此外，如果有大小動作出現(xiàn)，且持續(xù)時間超過5秒，判為Wake期。
[0042]預判之后再做調(diào)整，Wake期不會直接切換到De印期，中間必然有個Light期過渡。然后再結合心率和呼吸來判定，整晚心率總體趨勢減慢，前半夜的睡眠周期持續(xù)時間較長，后半夜較短。不同REM期的心率變異性隨著睡眠時間的增加而增大。REM期呼吸急促并且非常不平穩(wěn)，Deep期呼吸最為平穩(wěn)。
[0043]本實施例的實驗結果:設計一個測試環(huán)境，測試人員在佩戴了 ZOE睡眠監(jiān)測儀的同時，躺在床腳已安裝檢測設備的床上，同步測試。所得的數(shù)據(jù)如圖4所示，圖4顯示為本發(fā)明的實驗數(shù)據(jù)和ZOE睡眠監(jiān)測儀數(shù)據(jù)的對比結果。上方是ZOE睡眠監(jiān)測儀給出的數(shù)據(jù)，23:00-6:00時間段中每一小段睡眠狀態(tài)的判斷，下方是本系統(tǒng)在同一時段的判斷結果。數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，正確率95%以上。
[0044]本發(fā)明還提供一種基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)，如圖5所示，圖5顯示為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)的結構組成示意圖。所述檢測系統(tǒng)至少包括:傳感器01、與所述傳感器連接的第一放大器02 ;與所述第一放大器連接的濾波器03 ;與所述濾波器連接的兩個第二放大器04 ;與所述兩個第二放大器連接的模/數(shù)信號轉換器05 ;與所述模/數(shù)信號轉換器連接的信號接口 06 ;所述信號接口連接有服務器07 ；.所述第一放大器連接于所述信號接口 ；所述其中一個第二放大器連接于所述信號接口。所述服務器用于分析接收到的信號，分析結果輸出于信息終端設備08。本實施例中優(yōu)選地，所述傳感器為壓電陶瓷傳感器。進一步優(yōu)選地，所述信息終端設備包括:智能手機、PC或PAD，并且所述濾波器為有限脈沖響應濾波器。
[0045]圖6顯示為本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)的安裝示意圖。檢測設備壓在床腳下，測試時用戶按照平時習慣在床睡覺即可。其原理是:當心臟向外栗血時，身體會產(chǎn)生與促使血液流動的力相反的作用力，該作用力引起了與心跳同步的身體震動，產(chǎn)生體震信號，體震信號的規(guī)律與心率相關。同時人體每一次呼吸伴隨著胸腔的擴張和收縮，這種變化也會引起緩慢變化的體震信號，這些信號通過人體傳遞給了固體，再通過固體被壓電傳感器采集到。雖然微弱，壓電傳感器的靈敏度足以測量到，經(jīng)過一系列的信號傳輸，通過算法處理模塊分離出心跳、呼吸和人在床上的體動。
[0046]綜上所述，本發(fā)明的基于體震信號的睡眠檢測方法和檢測系統(tǒng)。體震信號經(jīng)過壓電傳感器轉換為電信號，通過放大模塊等信號處理電路，提取呼吸心率，利用一種基于動作幅度、心率、呼吸而建立的睡眠檢測算法對睡眠質(zhì)量進行評估。測試結果表明具有較高的準確性，該方法對使用者的正常生活無影響，對無接觸式的睡眠檢測具有重要意義。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0047]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1.一種基于體震信號的睡眠檢測方法，該體震信號至少包括:體動信號、心沖擊信號以及呼吸信號，其特征在于，所述檢測方法至少包括: (1)將睡眠狀態(tài)劃分為覺醒期、快速眼動期和非快速眼動期；非快速眼動期包括淺睡期和深睡期； (2)收集體動信號；根據(jù)所述體動信號波形幅度的方差來判斷睡眠狀態(tài)；若波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者同時分別呈現(xiàn)升高趨勢且分別升高至25和2以上，睡眠狀態(tài)為覺醒期；否則為非覺醒期； (3)若為非覺醒期，且所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者同時分別呈現(xiàn)下降趨勢時，確定為覺醒期到淺睡期的狀態(tài)切換；當所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者分別下降至3和0.2以下，確定睡眠狀態(tài)為深睡期； (4)結合所述心沖擊信號和呼吸信號判斷所述睡眠狀態(tài)；若前半夜的心沖擊信號的變異性隨睡眠時間的增加而增加，且呼吸信號不平穩(wěn)則確定為快速眼動期； (5)結合所述呼吸信號驗證步驟(3)中的深睡期；若后半夜的呼吸信號平穩(wěn)則確定為深睡期。2.根據(jù)權利要求1所述的基于體震信號的睡眠檢測方法，其特征在于:所述體動信號包括:四肢移動和身體翻轉。3.根據(jù)權利要求2所述的基于體震信號的睡眠檢測方法，其特征在于:所述步驟(2)中以10分鐘為一個窗口、以每次前進5分鐘來收集所述體動信號。4.根據(jù)權利要求3所述的基于體震信號的睡眠檢測方法，其特征在于:所述步驟(2)中確定睡眠狀態(tài)為覺醒期的方法還包括:伴隨有持續(xù)時間超過5秒的大小動作。5.根據(jù)權利要求1所述的基于體震信號的睡眠檢測方法，其特征在于:所述步驟(3)中，當所述波形幅度均方差/波形幅度最小值和波形幅度均方差/波形幅度平均值二者分別下降至3和0.2以下，若伴隨有大小動作，則確定睡眠狀態(tài)為淺睡期。6.一種基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測系統(tǒng)至少包括: 傳感器、與所述傳感器連接的第一放大器；與所述第一放大器連接的濾波器；與所述濾波器連接的兩個第二放大器；與所述兩個第二放大器連接的模/數(shù)信號轉換器；與所述模/數(shù)信號轉換器連接的信號接口 ；所述信號接口連接有服務器 所述第一放大器連接于所述信號接口；所述其中一個第二放大器連接于所述信號接□ O 所述服務器用于分析接收到的信號，分析結果輸出于信息終端設備。7.根據(jù)權利要求6所述的基于體震信號的睡眠檢測方法，其特征在于:所述傳感器為壓電陶瓷傳感器。8.根據(jù)權利要求6所述的基于體震信號的睡眠檢測方法，其特征在于:所述信息終端設備包括:智能手機、PC或PAD。9.根據(jù)權利要求6所述的基于體震信號的睡眠檢測方法，其特征在于:所述濾波器為有限脈沖響應濾波器。
【文檔編號】A61B5/00GK105982642SQ201510058439
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月4日
【發(fā)明人】陸美珠
【申請人】上海寬帶技術及應用工程研究中心, 上海孝通天地信息科技有限公司