CN103815910B - 一种监护系统及床垫、报警系统及其睡眠状态识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种监护系统及床垫、报警系统及其睡眠状态识别方法。监护系统包括压力感应器、数据采集器、处理器。压力感应器包括压电驻极体薄膜、第一金属接地电极、金属正电极、第一绝缘隔离层、第二绝缘隔离层。第一、第二绝缘隔离层设置在压电驻极体薄膜的相对两侧上，第一金属接地电极设置在压电驻极体薄膜与第一绝缘隔离层之间，金属正电极设置在压电驻极体薄膜与第二绝缘隔离层之间，第一金属接地电极、金属正电极分别与数据采集器电性连接。本发明的优点在于：通过识别婴幼儿睡眠状态成为父母或看护人提供更有效的照理工具。本发明还提供一种安装有该监护系统的床垫、应用该监护系统的报警系统、该监护系统的睡眠状态识别方法。

Description

一种监护系统及床垫、报警系统及其睡眠状态识别方法
技术领域
本发明涉及监护系统，尤其涉及一种婴幼儿呼吸监护系统、安装有该婴幼儿呼吸监护系统的床垫、应用该婴幼儿呼吸监护系统的报警系统、该婴幼儿呼吸监护系统的睡眠状态识别方法。
背景技术
婴幼儿在进入睡眠时先进入浅睡眠状态。在浅睡眠时，其不时会做出躯干和肢体运动以及轻声抽泣等动作，整个睡眠过程不安静，偶尔短暂的睁开眼睛，四肢和躯体有一些活动，有时出现吸吮或咀嚼动作，轻微的声响就可引发惊跳动作。浅睡眠后大概1～2小时后进入深睡眠，深睡眠婴幼儿比较安静，脸部和四肢呈放松状态，呼吸非常均匀。婴幼儿在睡觉时是否脚踢或滚动使被子掉落导致着凉,是否将被子捂住自己的脸导致窒息，父母或监护人像强迫症一样时不时会进行检查，这样既影响了婴幼儿的休息，也影响父母或看护人休息和做事。
目前的婴幼儿监护系统存在如下问题：
1.目前非入侵式柔性呼吸监护床垫主要采用PVDF压电薄膜作为压力感应器，成本较贵；
2.压电驻极体薄膜作为压力感应器，抗电磁干扰能力低；
3.现有采用压电薄膜压力传感器技术，多采用多点分布式，整体性能差，并且增加装配成本；
4.厚重，不便运输和携带；
5.不能有效识别婴幼儿的睡眠状态。
发明内容
本发明采用一种轻质、超薄的非入侵式呼吸监护系统实时对监测婴幼儿呼吸，并能对异常情况及时报警，通过识别婴幼儿睡眠状态，不仅对婴幼儿健康成长起非常重要的作用，而且可以为父母或看护人提供更有效的照理工具。
本发明是这样实现的，一种婴幼儿呼吸监护系统，其包括压力感应器、数据采集器、处理器；该压力感应器布设在床垫下，该数据采集器对该压力感应器进行数据采集，该处理器对该数据采集器获取的数据进行数据处理、报警与显示；该压力感应器感测婴幼儿的呼吸与动作而输出时域谱，该处理器对该时域谱转换为频域谱，并判断该频域谱是否满足一个预定阶梯规律，并在该频域谱满足该预定阶梯规律时判断并定义婴幼儿处于睡眠状态；该压力感应器包括压电驻极体薄膜、第一金属接地电极、金属正电极、第一绝缘隔离层、第二绝缘隔离层；该第一绝缘隔离层和该第二绝缘隔离层设置在该压电驻极体薄膜的相对两侧上，该第一金属接地电极设置在该压电驻极体薄膜与该第一绝缘隔离层之间，该金属正电极设置在该压电驻极体薄膜与该第二绝缘隔离层之间，该第一金属接地电极、该金属正电极分别与该数据采集器电性连接。
作为上述方案的进一步改进，该压力感应器还包括第二金属接地电极以及第三绝缘隔离层，该第三绝缘隔离层设置在该第二绝缘隔离层上，该第二金属接地电极分布在该第三绝缘隔离层与该第二绝缘隔离层之间，该第二金属接地电极用于屏蔽该金属正电极防止该金属正电极受到电磁干扰。
优选地，在该压电驻极体薄膜上的金属正电极的外围设置了接地电极圈，该接地电极圈与该金属正电极保持同一平面。
作为上述方案的进一步改进，该数据采集器包括放大滤波模块、数据采集模块以及无线发射模块，该放大滤波模块电性连接于该压力感应器与该数据采集模块之间，该放大滤波模块用于放大该压力感应器的电信号和滤除干扰信号，该数据采集模块通过该无线发射模块与该处理器无线通讯。
本发明还涉及一种床垫，其安装有上述任一所述的婴幼儿呼吸监护系统。
本发明还涉及一种报警系统，其包括压力感应器、数据采集器、处理器；该压力感应器布设在床垫下，该数据采集器对该压力感应器进行数据采集；该处理器包括用于对该数据采集器获取的数据进行数据处理的数据分析模块、用于显示的显示模块以及用于报警的报警模块；该压力感应器感测婴幼儿的呼吸与动作而输出时域谱，处理器将时域谱转换为频域谱，该数据分析模块判断该频域谱是否满足一个预定阶梯规律，并在该频域谱满足该预定阶梯规律时判断并定义婴幼儿处于睡眠状态，否则判断并定义婴幼儿处于清醒状态并驱动该报警模块进行报警，该数据分析模块还驱动该显示模块显示该时域谱和频域谱；该压力感应器包括压电驻极体薄膜、第一金属接地电极、金属正电极、第一绝缘隔离层、第二绝缘隔离层；该第一绝缘隔离层和该第二绝缘隔离层设置在该压电驻极体薄膜的相对两侧上，该第一金属接地电极设置在该压电驻极体薄膜与该第一绝缘隔离层之间，该金属正电极设置在该压电驻极体薄膜与该第二绝缘隔离层之间，该第一金属接地电极、该金属正电极分别与该数据采集器电性连接。
作为上述方案的进一步改进，该压力感应器还包括第二金属接地电极以及第三绝缘隔离层，该第三绝缘隔离层设置在该第二绝缘隔离层上，该第二金属接地电极分布在该第三绝缘隔离层与该第二绝缘隔离层之间，该第二金属接地电极用于屏蔽该金属正电极防止该金属正电极受到电磁干扰。
优选地，在该压电驻极体薄膜上的金属正电极的外围设置了接地电极圈，该接地电极圈与金属正电极保持同一平面。
本发明还提供一种睡眠状态识别方法，其应用于上述任意一所述的婴幼儿呼吸监护系统中，该睡眠状态识别方法包括以下步骤：获取时域谱；将该时域谱转换为频率谱；判断该频域谱是否满足一个预定阶梯规律；当该频域谱不满足该预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为清醒状态，启动报警，当该频域谱满足该预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为睡眠状态。
本发明还提供另一种睡眠状态识别方法，其应用于上述任意一所述的婴幼儿呼吸监护系统中，该睡眠状态识别方法包括以下步骤：获取时域谱；将该时域谱转换为频率谱；判断该频域谱是否满足一个第一预定阶梯规律；当该频域谱不满足该第一预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为清醒状态，启动报警；当该频域谱满足该第一预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为浅睡眠状态，并继续判断该频域谱是否满足一个第二预定阶梯规律；当该频域谱满足该第二预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为深睡眠状态。
综上所述，本发明的优点在于：
1.目前非入侵式柔性呼吸监护床垫主要采用PVDF压电薄膜作为压力感应器，相对于现有技术，本发明采用成本更、灵敏度更高(d33可达到400pC/N)的压电驻极体薄膜101作为监测婴幼儿呼吸、动作的压力感应器件；
2.在压电驻极体薄膜101的金属正电极102外围，与金属正电极102保持同一平面设置了接地电极圈1021，该屏蔽处理方法，增强了压电驻极体薄膜101作为压力感应器1的抗干扰能力；
3.无需阵列式分布，可整体式成型，从而降低了组装成本；
4.轻质超薄(仅有0.2－0.4mm左右)，运输、携带更为方便；
5.可通过婴幼儿的呼吸和动作信息，识别出其睡眠处于清醒，浅睡眠和深睡眠。
附图说明
图1为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统的应用示意图。
图2为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统的模块结构示意图。
图3为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统的压力感应器的局部剖视图。
图4为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统的压力感应器的第一金属接地电极与压电驻极体薄膜之间的关系示意图(正电极图)。
图5为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统的第二金属接地电极与压电驻极体薄膜之间的关系示意图(负电极图)。
图6为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统的接地电极圈与金属正电极之间的关系示意图(屏蔽电极图)。
图7为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统在不同状态下的时域谱。
图8为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统在不同状态下的频域谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明较佳实施方式提供的婴幼儿呼吸监护系统的应用示意图。该婴幼儿呼吸监护系统包括压力感应器1、数据采集器2、处理器3(在本实施方式中指无线终端，如手机)。压力感应器1布设在床垫下，数据采集器2对压力感应器1进行数据采集，处理器3对数据采集器2获取的数据进行数据处理、报警与显示。
请结合图2，数据采集器2包括放大滤波模块201、数据采集模块202、无线发射模块203。该处理器包括无线接收模块301、数据分析模块302、显示模块303以及报警模块304。
该放大滤波模块201电性连接于该压力感应器1与该数据采集模块202之间，该放大滤波模块201用于放大该压力感应器的电信号和滤除干扰信号。无线发射模块203与无线接收模块301之间无线通讯，从而使数据采集器2与处理器3无线通讯。
请一并参阅图3、图4、图5及图6，该压力感应器1包括压电驻极体薄膜101、第一金属接地电极103、金属正电极102、第一绝缘隔离层1051、第二绝缘隔离层1052、第二金属接地电极104以及第三绝缘隔离层1053。
该第一绝缘隔离层1051和该第二绝缘隔离层1052设置在该压电驻极体薄膜101的相对两侧上，该第一金属接地电极103设置在该压电驻极体薄膜101与该第一绝缘隔离层1051之间，该金属正电极102设置在该压电驻极体薄膜101与该第二绝缘隔离层1052之间。该第三绝缘隔离层1053设置在该第二绝缘隔离层1052上，该第二金属接地电极104分布在该第三绝缘隔离层1053与该第二绝缘隔离层1052之间，该第二金属接地电极104用于屏蔽该金属正电极102防止该金属正电极102受到电磁干扰。在该压电驻极体薄膜101上的金属正电极102的外围设置了接地电极圈1021，该接地电极圈1021与该金属正电极102保持同一平面。第一金属接地电极103、金属正电极102、第二金属接地电极104、接地电极圈1021分别与该数据采集器2的放大滤波模块201电性连接。
压电驻极体薄膜101是压力感应器的敏感材料，该材料不能直接使用，需要配套上金属正电极102和第一金属接地电极103引出信号，第二金属接地电极104的作用是用以屏蔽金属正电极102，以起到抗电磁干扰的作用。
接地电极圈1021也是接地屏蔽电极，跟金属正电极102在同一个平面，以便在横截面上对金属正电极102起到屏蔽作用。在压电驻极体薄膜101的金属正电极102外围，与金属正电极102保持同一平面设置了接地电极圈1021，该屏蔽处理方法，增强了压电驻极体薄膜101作为压力感应器1的抗干扰能力。
请结合图7及图8，图8频域谱是图7时域谱的数据进行FFT(傅立叶变换)的结果，如果图7时域谱的周期比较明显和稳定，图8频域谱有个别主峰也会比较明显；如果图7时域谱的周期比较杂乱，图8频域谱也会比较杂乱，没有明显主峰。通过对图8频域谱主峰的峰值大小，和主峰的位置(频率的大小)可以识别睡眠状态。
该压力感应器1感测婴幼儿的呼吸与动作而输出时域谱，处理器将时域谱转换为频域谱，该处理器3的数据分析模块302判断该频域谱是否满足一个预定阶梯规律，并在该频域谱满足该预定阶梯规律时判断并定义婴幼儿处于睡眠状态。也就是说，相应的睡眠状态识别方法包括以下步骤：获取时域谱；将该时域谱转换为频率谱；判断该频域谱是否满足一个预定阶梯规律；当该频域谱不满足该预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为清醒状态，启动报警，当该频域谱满足该预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为睡眠状态。
在本实施方式中，婴幼儿状态分为清醒、浅睡眠、深睡眠三个状态。当该频域谱不满足一个第一预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为清醒状态，启动报警；当该频域谱满足该第一预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为浅睡眠状态，并继续判断该频域谱是否满足一个第二预定阶梯规律；当该频域谱满足该第二预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为深睡眠状态。预定阶梯规律(如第一预定阶梯规律、第二预定阶梯规律)一般根据实验数据进行拟合，在本实施方式中，分别根据图8表示的浅睡眠、深睡眠规律进行设计。
婴幼儿在清醒状态时，肢体动作频繁。采集到的时域谱没有明显的周期性，频域谱比较杂乱，没有明显的规律。
婴幼儿在进入睡眠时先进入浅睡眠状态，在该状态婴儿出了有较为明显的周期性呼吸波，此外还有肢体动作造成的干扰波，此时频域谱主频较为明显。
在进入深睡眠状态时，婴幼儿几乎没有肢体动作，时域谱表现为周期性的呼吸波，频域谱有较为明显的阶梯，并且阶梯位置较浅睡眠状态更低。
本发明的婴幼儿呼吸监护系统也相当于报警系统，是具有婴幼儿呼吸监护功能的报警系统。
本发明的优点在于：
1.目前非入侵式柔性呼吸监护床垫主要采用PVDF压电薄膜作为压力感应器，相对于现有技术，本发明采用成本更、灵敏度更高(d33可达到400pC/N)的压电驻极体薄膜101作为监测婴幼儿呼吸、动作的压力感应器件；
2.在压电驻极体薄膜101的金属正电极102外围，与金属正电极102保持同一平面设置了接地电极圈1021，该屏蔽处理方法，增强了压电驻极体薄膜101作为压力感应器1的抗干扰能力；
3.无需阵列式分布，可整体式成型，从而降低了组装成本；
4.轻质超薄(仅有0.2－0.4mm左右)，运输、携带更为方便；
5.可通过婴幼儿的呼吸和动作信息，识别出其睡眠处于清醒，浅睡眠和深睡眠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种婴幼儿呼吸监护系统，其包括压力感应器、数据采集器、处理器；该压力感应器布设在床垫下，该数据采集器对该压力感应器进行数据采集，该处理器对该数据采集器获取的数据进行数据处理、报警与显示；其特征在于：该压力感应器感测婴幼儿的呼吸与动作而输出时域谱，该处理器对该时域谱转换为频域谱，并判断该频域谱是否满足一个预定阶梯规律，并在该频域谱满足该预定阶梯规律时判断并定义婴幼儿处于睡眠状态；该压力感应器包括压电驻极体薄膜、第一金属接地电极、金属正电极、第一绝缘隔离层、第二绝缘隔离层；该第一绝缘隔离层和该第二绝缘隔离层设置在该压电驻极体薄膜的相对两侧上，该第一金属接地电极设置在该压电驻极体薄膜与该第一绝缘隔离层之间，该金属正电极设置在该压电驻极体薄膜与该第二绝缘隔离层之间，该第一金属接地电极、该金属正电极分别与该数据采集器电性连接。
2.如权利要求1所述的婴幼儿呼吸监护系统，其特征在于：该压力感应器还包括第二金属接地电极以及第三绝缘隔离层，该第三绝缘隔离层设置在该第二绝缘隔离层上，该第二金属接地电极分布在该第三绝缘隔离层与该第二绝缘隔离层之间，该第二金属接地电极用于屏蔽该金属正电极防止该金属正电极受到电磁干扰。
3.如权利要求2所述的婴幼儿呼吸监护系统，其特征在于：在该压电驻极体薄膜上的金属正电极的外围设置了接地电极圈，该接地电极圈与该金属正电极保持同一平面。
4.如权利要求1所述的婴幼儿呼吸监护系统，其特征在于：该数据采集器包括放大滤波模块、数据采集模块以及无线发射模块，该放大滤波模块电性连接于该压力感应器与该数据采集模块之间，该放大滤波模块用于放大该压力感应器的电信号和滤除干扰信号，该数据采集模块通过该无线发射模块与该处理器无线通讯。
5.一种床垫，其特征在于：其安装有如权利要求1至4中任意一项所述的婴幼儿呼吸监护系统。
6.一种报警系统，其包括压力感应器、数据采集器、处理器；该压力感应器布设在床垫下，该数据采集器对该压力感应器进行数据采集；该处理器包括用于对该数据采集器获取的数据进行数据处理的数据分析模块、用于显示的显示模块以及用于报警的报警模块；其特征在于：该压力感应器感测婴幼儿的呼吸与动作而输出时域谱,处理器将时域谱转换为频域谱，该数据分析模块判断该频域谱是否满足一个预定阶梯规律，并在该频域谱满足该预定阶梯规律时判断并定义婴幼儿处于睡眠状态，否则判断并定义婴幼儿处于清醒状态并驱动该报警模块进行报警，该数据分析模块还驱动该显示模块显示该时域谱和频域谱；该压力感应器包括压电驻极体薄膜、第一金属接地电极、金属正电极、第一绝缘隔离层、第二绝缘隔离层；该第一绝缘隔离层和该第二绝缘隔离层设置在该压电驻极体薄膜的相对两侧上，该第一金属接地电极设置在该压电驻极体薄膜与该第一绝缘隔离层之间，该金属正电极设置在该压电驻极体薄膜与该第二绝缘隔离层之间，该第一金属接地电极、该金属正电极分别与该数据采集器电性连接。
7.如权利要求6所述的报警系统，其特征在于：该压力感应器还包括第二金属接地电极以及第三绝缘隔离层，该第三绝缘隔离层设置在该第二绝缘隔离层上，该第二金属接地电极分布在该第三绝缘隔离层与该第二绝缘隔离层之间，该第二金属接地电极用于屏蔽该金属正电极防止该金属正电极受到电磁干扰。
8.如权利要求7所述的报警系统，其特征在于：在该压电驻极体薄膜上的金属正电极的外围设置了接地电极圈，该接地电极圈与金属正电极保持同一平面。
9.一种睡眠状态识别方法，其应用于如权利要求1至4中任意一项所述的婴幼儿呼吸监护系统中，其特征在于：该睡眠状态识别方法包括以下步骤：
获取时域谱；
将该时域谱转换为频域谱；
判断该频域谱是否满足一个预定阶梯规律；
当该频域谱不满足该预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为清醒状态，启动报警，当该频域谱满足该预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为睡眠状态。
10.一种睡眠状态识别方法，其应用于如权利要求1至4中任意一项所述的婴幼儿呼吸监护系统中，其特征在于：该睡眠状态识别方法包括以下步骤：
获取时域谱；
将该时域谱转换为频域谱；
判断该频域谱是否满足一个第一预定阶梯规律；
当该频域谱不满足该第一预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为清醒状态，启动报警；
当该频域谱满足该第一预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为浅睡眠状态，并继续判断该频域谱是否满足一个第二预定阶梯规律；
当该频域谱满足该第二预定阶梯规律时，判断并定义婴幼儿为深睡眠状态。
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