CN105832316A

CN105832316A - 枕式睡眠生理参数监测装置

Info

Publication number: CN105832316A
Application number: CN201610151364.9A
Authority: CN
Inventors: 陈强; 彭虎; 陈勋; 郑磊
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: CN105832316B

Abstract

本发明公开了一种枕式睡眠生理参数监测装置，包括顶板、底板、压力传感器、调理电路、A/D转换电路、微控制器、无线传输模块；压力传感器、调理电路、A/D转换电路依次连接构成压力信号采集模块；压力信号采集模块通过A/D转换电路与微控制器连接，微控制器通过无线传输模块进行无线信号传输连接；顶板通过压力传感器与底板连接，且顶板与底板之间设有容纳空间；除压力传感器之外的其余元件均安装在顶板和底板之间的容纳空间里。本发明在监测时不影响被测者睡眠质量，并且结构简单，使用方便，成本低廉。

Description

枕式睡眠生理参数监测装置

技术领域

本发明涉及一种能够监测使用者睡眠过程中心率、呼吸、头部运动等生理参数，而传感器与身体无接触的枕式睡眠生理参数监测装置。

背景技术

睡眠质量影响人的身心健康。随着生活水平和健康意识的提高，人们开始关心睡眠质量对于生活质量的影响，尤其是中老年人和有睡眠障碍的人群。判断睡眠质量的客观手段是监测与睡眠质量相关的生理参数，例如呼吸节律、心率、身体运动等参数，用于判断睡眠质量。目前的睡眠生理参数监测的系统存在以下问题：

1.专业睡眠生理参数监测设备，例如多道睡眠图，虽然测量参数多、结果可靠，但是设备成本高、需要专业人员操作，而且需要在被测者贴身佩戴多个传感器，影响睡眠舒适度，只适合临床诊断，不适合家用作为健康监护。

2.有脉搏测量和加速度传感器的智能腕表，能够测量心率和肢体运动，但不能测量呼吸节律。

3.能够测量身体运动的设备一般基于视频判别或压力敏感床垫，设备比较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于压力测量的枕式睡眠生理参数监测装置。

本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种枕式睡眠生理参数监测装置输出的压力信号分析方法。

对于枕式睡眠生理参数监测装置，本发明采用的技术方案是，枕式睡眠生理参数监测装置，包括顶板、底板、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第一调理电路、第二调理电路、第三调理电路、第四调理电路、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、第三A/D转换电路、第四A/D转换电路、微控制器、无线传输模块；

第一压力传感器、第一调理电路、第一A/D转换电路依次连接构成第1压力信号采集模块；

第二压力传感器、第二调理电路、第二A/D转换电路依次连接构成第2压力信号采集模块；

第三压力传感器、第三调理电路、第三A/D转换电路依次连接构成第3压力信号采集模块；

第四压力传感器、第四调理电路、第四A/D转换电路依次连接构成第4压力信号采集模块；

第1压力信号采集模块中的第一A/D转换电路与微控制器连接，

第2压力信号采集模块中的第二A/D转换电路与微控制器连接，

第3压力信号采集模块中的第三A/D转换电路与微控制器连接，

第4压力信号采集模块中的第四A/D转换电路与微控制器连接，

微控制器通过无线传输模块进行无线信号传输连接；

顶板分别通过第一、第二、第三和第四压力传感器与底板连接；

顶板与底板平行设置且设有间距，第一、第二、第三、第四压力信号采集模块、微控制器、无线传输模块安装在顶板和底板之间的容纳空间里。

作为优选，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器与顶板的连接点构成一矩形区域，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器分别位于矩形区域的4个转角处。

作为优选，顶板和底板均为矩形硬质板材制成，顶板和底板相互平行且设有间距。

作为优选，第一、第二、第三和第四压力传感器的量程均不低于100牛顿，频率响应范围不低于20赫兹。

对于压力信号分析方法，本发明采用的技术方案是，压力信号由第1、第2、第3、第4压力信号采集模块通过微控制器取得，且第一、第二、第三、第四压力传感器构成一矩形区域，矩形区域的坐标原点为矩形区域几何中心，包括以下步骤：

S1：对第1、第2、第3、第4压力信号采集模块采集的数据求和；

S2：对步骤S1处理后的信号，采用截止频率20Hz的低通滤波器进行低通滤波；

S3：对步骤S2处理后的信号，采用0.1Hz～0.5Hz的带通滤波器进行带通滤波；

S4：对步骤S3处理后的信号，设置阈值整形，形成矩形脉冲信号；

S5：对步骤S4处理后的信号，计算相邻脉冲上升沿的时间间隔；

S6：对步骤S5计算的时间间隔求倒数，得到呼吸频率；

S7：对步骤S2处理后的信号，采用0.8Hz～12Hz的带通滤波器进行低通滤波；

S8：对步骤S7处理后的信号，设置阈值整形，形成矩形脉冲信号；

S9：对步骤S8处理后的信号，计算相邻脉冲上升沿的时间间隔；

S10：对步骤S9计算的时间间隔求倒数，得到心搏频率；

S11：根据第1、第2、第3、第4压力信号采集模块采集的数据，按下式计算被测者头部对顶板压力作用点在所述矩形区域中的坐标位置：

\{\begin{matrix} X = \frac{f_{1} - f_{2} - f_{3} + f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} X_{1} \\ Y = \frac{f_{1} + f_{2} - f_{3} - f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} Y_{1} \end{matrix}

式中：

f₁，f₂，f₃和f₄分别为第一、第二、第三、第四压力传感器获取的压力数据；

坐标原点为矩形区域的几何中心点；

X₁为所述矩形区域长度的1/2，Y₁为所述矩形区域长度的1/2；

X是压力作用点的横坐标，Y是压力作用点的纵坐标；

S12：对步骤S6得到的呼吸频率设定阈值，检测睡眠呼吸暂停；

S13：根据步骤S11得到的被测者头部对顶板压力作用点在所述矩形区域中的坐标位置，分析头部运动情况。

作为优选，步骤S2中采用的低通滤波器为6阶Butterworth型数字低通滤波器；步骤S3和步骤S7中采用的带通滤波器均为6阶Butterworth型数字带通滤波器。

本发明的有益效果是：

能够不影响被测者睡眠质量的情况下同时监测被测者睡眠中的呼吸节律、心搏节律和身体运动数据，并且在监测时，并且结构简单，使用方便，成本低廉。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明枕式睡眠生理参数监测装置实施例的电路框图。

图2是本发明枕式睡眠生理参数监测装置实施例的结构主视图。

图3是本发明枕式睡眠生理参数监测装置实施例的结构俯视图。

图4是本发明枕式睡眠生理参数监测装置实施例的测量信号分析方法的流程图。

图5是本发明枕式睡眠生理参数监测装置实施例的被测者头部对顶板的压力F的受力分析图。

图6是本发明枕式睡眠生理参数监测装置实施例的数据示例图，有呼吸暂停情况。

图7是本发明枕式睡眠生理参数监测装置实施例的数据示例图，有头部转动。

图中标记，1-顶板，2-底板，3-压力传感器，301-第一压力传感器，302-第二压力传感器，303-第三压力传感器，304-第四压力传感器，4-内腔。

具体实施方式

图1是一种枕式睡眠生理参数监测装置，由第一压力传感器、第一调理电路、第一A/D转换电路、第二压力传感器、第二调理电路、第二A/D转换电路、第三压力传感器、第三调理电路、第三A/D转换电路、第四压力传感器、第四调理电路、第四A/D转换电路、微控制器、无线传输模块组成。各器件通过电路连接，图中未加标示的还有电源及其他周边器件。

在图1中，由第一压力传感器、第一调理电路、第一A/D转换电路依次连接构成第1压力信号采集模块，由第二压力传感器、第二调理电路、第二A/D转换电路依次连接构成第2压力信号采集模块，由第三压力传感器、第三调理电路、第三A/D转换电路依次连接构成第3压力信号采集模块，由第四压力传感器、第四调理电路、第四A/D转换电路依次连接构成第4压力信号采集模块。

由第1、第2、第3、第4压力信号采集模块中各压力传感器所感应到的压力信号，经过调理电路和A/D转换得到共4路数字信号。4路数字信号输入微控制器，在微控制器内进行运算，运算后所得数据通过无线传输模块，发送到智能终端。

在图2中，顶板1和底板2平行设置且设有间距，该间距不宜超过2cm。使用时，底板1在下，顶板2在上，水平放置。其中，4个压力传感器3的两端分别连接顶板1和底板2。

如图3所示，4个压力传感器在顶板1的安装位置构成了一个矩形区域，并且第一压力传感器301、第二压力传感器302、第三压力传感器303、第四压力传感器304分别设在矩形区域的4个角上。除4个压力传感器以外的元件部分，如微控制器、无线传输模块及周边电路均安装在内腔4中的底板2上面，这些元件并不与顶板1接触，避免对压力传感器产生干扰。

整个枕式睡眠生理参数监测仪在使用时可以放置在枕头里面。

本实施例是通过微控制器中运行数据分析程序，通过分析压力信号的变化，获得被测量者的呼吸频率、心搏频率和头部运动信息。

图4为测量信号分析方法的流程图，该方法具体包括以下步骤：

S1：对第一、第二、第三和第四压力信号采集模块输出的4路压力信号求和；

S6：对步骤S5计算的时间间隔求倒数，得到呼吸频率；

S7：对步骤S2处理后的信号，优选0.8Hz～12Hz的带通滤波器进行低通滤波；

S10：对步骤S9计算的时间间隔求倒数，得到心搏频率；

S11：根据采集模块输出的4路压力信号，计算头部对顶板压力作用点在矩形区域的坐标位置；

S13：根据步骤S11得到的中心点位置，分析头部运动情况。

步骤S2中采用的低通滤波器优选为6阶Butterworth型数字低通滤波器。

步骤S3和S7中采用的带通滤波器优选为6阶Butterworth型数字带通滤波器。

在步骤S11中，用于计算头部对顶板压力作用点在矩形区域的坐标位置(X,Y)的计算公式为公式(1)：

\{\begin{matrix} X = \frac{f_{1} - f_{2} - f_{3} + f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} X_{1} \\ Y = \frac{f_{1} + f_{2} - f_{3} - f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} Y_{1} \end{matrix} - - - (1)

在公式(1)中，f₁，f₂，f₃和f₄分别为4个压力传感器获取的压力数据。如图3所示，X₁为4个压力传感器横向距离(如图3中第一压力传感器301到第二压力传感器302的距离)的1/2，Y₁为4个压力传感器纵向距离的1/2，X是被测者头部对顶板压力作用点的横坐标，Y是被测者头部对顶板压力作用点的纵坐标，该坐标所在直角坐标系的坐标原点为4个压力传感器构成的矩形区域的几何中心点。

枕式睡眠生理参数监测仪的基本工作原理如下：

监测呼吸频率的工作原理为：被测者呼吸时，胸廓舒张会带动颈部和头部的运动，使头部对顶板的压力变化，从而使压力传感模块测量的信号中存在与呼吸频率相关的成分，提取该信号成分可以获取被测者的呼吸节律。

监测心搏频率的工作原理为：被测者心脏搏动时，产生的震动通过颈部传递到头部，使头部对顶板的压力变化，从而使压力传感模块测量的信号中存在与心搏频率相关的成分，提取该信号可以获取被测者的呼吸频率。

监测头部运动的工作原理为：如图5所示，被测者头部对顶板的压力F_h作用于位置(X,Y)，方向垂直向下；支撑在顶板下面的4个压力传感器的作用力均垂直向上，f₁作用位置在(-X₁,-Y₁)，f₂作用位置在(X₁,-Y₁)，f₃作用位置在(X₁,Y₁)，f₄作用位置在(-X₁,Y₁)。顶板达到力矩平衡时，有函数关系式如公式(2)：

\{\begin{matrix} Σ F = F_{h} + f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4} = 0 \\ {ΣM}_{x} = F_{h} X - f_{1} X_{1} + f_{2} X_{1} + f_{3} X_{1} - f_{4} X_{1} = 0 \\ {ΣM}_{y} = F_{h} Y - f_{1} Y_{1} - f_{2} Y_{1} + f_{3} Y_{1} + f_{4} Y_{1} = 0 \end{matrix} - - - (2)

在公式(2)中，F_h为头部压力，∑F为顶板在竖直方向受力之和，∑M_x为顶板偏转力矩的x分量，∑M_y为顶板偏转力矩的y分量。

f₁，f₂，f₃和f₄分别是4个压力传感器对顶板的作用力，由于4个压力传感器构成的矩形区域的几何中心就是坐标系的坐标原点，则X₁、Y₁距离原点正好是矩形区域的横向距离和纵向距离的1/2。

X是被测者头部对顶板压力作用点的横坐标，Y是被测者头部对顶板压力作用点的纵坐标。

求解方程组得步骤S11计算头部对顶板压力作用点在矩形区域的坐标位置(X,Y)的计算公式如下：

\{\begin{matrix} X = \frac{f_{1} - f_{2} - f_{3} + f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} X_{1} \\ Y = \frac{f_{1} + f_{2} - f_{3} - f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} Y_{1} \end{matrix} - - - (1)

通过公式(1)可以计算出头部位置在睡眠过程中的变化，用于估计头部的运动。即以头部对顶板的压力作用点(X,Y)的坐标变动来估计头部的位置变动。可以根据t时刻4个传感器的读数，计算出头部着力点t时刻在矩形板上的位置，从而得到头部与枕头接触点的运动轨迹，进而用于分析身体运动情况。

图6为枕式睡眠生理参数检测仪的数据示例图，图中信号是被测量者有呼吸暂停的情况下获得的，可以看到4个压力信号之和经过不同频段的滤波后，可以分别提取与呼吸和心搏相关的波形，经过进一步整形，即可获得呼吸频率和心率，进而用以分析睡眠呼吸暂停、心率、心率变异性等与睡眠质量相关的生理信息。

图7为枕式睡眠生理参数检测仪的数据示例图，图中信号是在被测量者有头部转动的情况下获得的，可以看到头部转动过程中4个压力信号的变化。对4路压力信号，使用步骤S11的公式，即可计算出头部对顶板压力作用点在矩形区域的坐标位置的变化过程，进而用以通过分析头部运动来间接判断睡眠深度等与睡眠质量相关的生理信息。

智能终端将接收到的呼吸频率、心搏频率、头部与顶板作用区域的中心点位置等信息综合分析，可以分析判断当前睡眠质量，并且可以将相关数据通过WIFI或无线通信网络发送至亲人的手机或者云服务器上。如果被测量者的呼吸或心率出现严重问题，智能终端可以报警或者向远程终端发送求救信号。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.枕式睡眠生理参数监测装置，包括顶板和底板，其特征在于：还包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第一调理电路、第二调理电路、第三调理电路、第四调理电路、第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、第三A/D转换电路、第四A/D转换电路、微控制器、无线传输模块；

所述第一压力传感器、第一调理电路、第一A/D转换电路依次连接构成第1压力信号采集模块；

所述第二压力传感器、第二调理电路、第二A/D转换电路依次连接构成第2压力信号采集模块；

所述第三压力传感器、第三调理电路、第三A/D转换电路依次连接构成第3压力信号采集模块；

所述第四压力传感器、第四调理电路、第四A/D转换电路依次连接构成第4压力信号采集模块；

所述第1压力信号采集模块中的第一A/D转换电路与微控制器连接，

所述第2压力信号采集模块中的第二A/D转换电路与微控制器连接，

所述第3压力信号采集模块中的第三A/D转换电路与微控制器连接，

所述第4压力信号采集模块中的第四A/D转换电路与微控制器连接，

所述微控制器通过无线传输模块进行无线信号传输连接；

所述顶板分别通过第一、第二、第三和第四压力传感器与底板连接；

所述顶板与底板平行设置且设有间距，除压力传感器之外的其余元件均安装在顶板和底板之间的容纳空间里。

2.如权利要求1所述的枕式睡眠生理参数监测装置，其特征在于：所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器与顶板的连接点构成一矩形区域，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器分别位于所述矩形区域的4个转角处。

3.如权利要求2所述的枕式睡眠生理参数监测装置，其特征在于：所述顶板和底板均为矩形硬质板材制成，顶板和底板相互平行且设有间距。

4.如权利要求2所述的枕式睡眠生理参数监测装置，其特征在于：所述第一、第二、第三和第四压力传感器的量程均不低于100N，频率响应范围不低于20Hz。

5.如权利要求4所述的枕式睡眠生理参数监测装置的压力信号分析方法，其特征在于，所述压力信号由第1、第2、第3、第4压力信号采集模块通过微控制器取得，且第一、第二、第三、第四压力传感器构成一矩形区域，矩形区域的坐标原点为矩形区域几何中心，包括以下步骤：

S6：对步骤S5计算的时间间隔求倒数，得到呼吸频率；

S10：对步骤S9计算的时间间隔求倒数，得到心搏频率；

\{\begin{matrix} X = \frac{f_{1} - f_{2} - f_{3} + f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} X_{1} \\ Y = \frac{f_{1} + f_{2} - f_{3} - f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} Y_{1} \end{matrix}

式中：

坐标原点为矩形区域的几何中心点；

X是压力作用点的横坐标，Y是压力作用点的纵坐标；

6.如权利要求5所述的压力信号分析方法，其特征在于，所述步骤S2中采用的低通滤波器为6阶Butterworth型数字低通滤波器；所述步骤S3和步骤S7中采用的带通滤波器均为6阶Butterworth型数字带通滤波器。