CN108852289A - 基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备 - Google Patents

基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备,其特征是:以穿戴设备为本体,在穿戴设备上设置三轴加速度计,使得穿戴设备在穿戴状态下,三轴加速度计所在位置对应于人体的颈部、胸部和/或躯干,根据三轴加速度计输出的数据监测人的睡眠状态,人的睡眠状态包括左侧睡体位、右侧睡体位、仰睡体位、俯睡体位、起床和打鼾。本发明能够应用在医疗场所,更能作为日用器具为广大的普通人群常规使用,以提高睡眠质量实现健康睡眠,避免因不良睡姿给人的身体健康带来的危害。

Description

基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备
技术领域
[0001] 本发明涉及睡眠用具,更具体地说是睡眠监测装置。
背景技术
[0002] 睡眠研究中对睡眠体位、翻身与睡眠质量的研宄几乎为零,睡姿对人体健康的影 响研究众说纷纭,臆想猜测推的多,很多人根据自己的臆想推断睡姿的好坏,比如有的人 说:“左侧睡压迫心脏不好”,但是又有人说:“心脏因为保护在胸廓之中,所以左侧卧位并不 会受到很大的压迫”,据国外医学调查统计发现,习惯左侧卧位的人群,患心脏疾病的发病 率比习惯右侧卧位的人群要低70%以上,医生解释说,这是因为轻度压迫使心脏功能受到 锻炼,更不易患病,这些林林总总的只能是解释,都是管中窥豹,或者说就是臆想推测。
[0003] 侧睡仅限于个案数据及调查所得,尤其是调查睡姿习惯可靠性根本不高,因为人 入睡后是在无意识下睡眠,到底自己什么睡姿被调查者自己都不清楚,那么调查的结果只 是清醒下的睡姿,即入睡前或睡醒后的睡姿,可靠性是没有保障的。
[0004] 宄其原因是没有监测正常人睡眠体位或睡姿的设备,无法实时监测人睡眠时整夜 睡姿的变化,没有实际的睡姿数据,一些人只能异想天开的去推测什么睡姿睡眠最好。
[0005] 没有实际的睡眠体位监测数据,因而无法研究睡姿、翻身与睡眠质量的关系;睡 姿、翻身与健康的关系;睡姿、翻身与半边病的关系等,尤其是侧睡习惯、翻身与颈椎病、腰 椎病、偏头痛、面瘫、高低肩、歪脖子、中风、股骨痛等半边病的关系;以及睡姿与打鼾的关 系。
发明内容
[0006] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足,提供一种基于三轴加速度计的穿戴 式睡眠监测设备,监测人的睡姿、睡眠体位、翻身及鼾声,用于研究睡姿、翻身、鼾声与人睡 眠质量、半边病的关系,能够应用在医疗场所,更能作为日用器具为广大的普通人群常规使 用,以提高睡眠质量实现健康睡眠,避免因不良睡姿给人的身体健康带来的危害。
[0007] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0008] 本发明基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备的特点是:以穿戴设备为本体, 在所述穿戴设备上设置三轴加速度计,使得所述穿戴设备在穿戴状态下,三轴加速度计所 在位置对应于人体的颈部、胸部和/或躯干,根据三轴加速度计输出的数据监测人的睡眠状 态,所述人的睡眠状态包括左侧睡体位、右侧睡体位、仰睡体位、俯睡体位、起床和打鼾。
[0009] 本发明基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备的特点也在于:将人体的三维坐 标轴分别设定为U轴、V轴和W轴,针对人体呈直立状态,V轴为竖直方向,且上向为V轴正向, 下向为V轴负向;人体手臂左右平展为U轴,且左臂一侧为U轴正向,右臂一侧为U轴负向;w轴 沿人体前后向,且前向为W轴正,后向为W轴负向;设置所述三轴加速度计的x轴、Y轴和Z轴与 人体的U轴、V轴和W轴一一对应、平行设置,且各轴正负方向一致。
[0010] 本发明基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备的特点也在于:设置三轴加速度 计中X、Y和Z轴的三轴输出一一对应为x、y和z,设置各轴的数据输出范围为(-N,N)。
[0011] 按如下方式判断人的睡眠状态:
[0012] 若有:-N1 <y<Nl,且X彡-N2,判断人的睡眠状态为左侧睡体位;
[0013] 若有:-Nl<y<Nl,且x彡N2,判断人的睡眠状态为右侧睡体位;
[0014] 若有:-Nl<x<Nl,且z>〇,判断人的睡眠状态为仰睡体位;
[0015] 若有:-N1<x<N1,且z<0,判断人的睡眠状态为俯睡体位;
[0016] 若有:y彡N1,判断人的睡眠状态为起床;
[0017] a x为x的增量,若有:A X形成一次不小于N3的波动,判断人的睡眠状态发生一次 体动;从一个体位到另一个体位的体位变换的体动为翻身;所述体位包括:左侧睡体位、右 侧睡体位、仰睡体位和俯睡体位;
[0018]其中,N 的值不小于 8,N1= (40%-70%)N,N2= (70%-90%)N,N3= (5%-20%)N。 [0019] 本发明基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备的特点也在于:设置三轴加速度 计中X、Y和Z轴的三轴输出--对应为x、y和z,设置各轴的数据输出范围为(-N,N),三轴输 出数据之和M为:M=x+y+z; A M为M的增量;按如下方式进行打鼾监测:
[0020]定义:周期A的时长为T,时长T分为两个时段,分别是第一时段(tl,t2)和第二时段 (t2,t3);在第一时段(tl,t2)中,增量AM大于N4不少于连续3次,且相邻两次增量AM之间 的时间间隔不大于k;在第二时段(t2,t3)中,增量AM小于N5;若有连续三个周期与周期A相 同,则判断人的睡眠状态为打鼾;所述三个周期与周期A相同是指:任意两个周期的时长相 差不超过30%;
[0021] 其中,k在0〜2秒之间取值,且k值不为0,N的值不小于8,N4= (3%-10%) N,N5 = (2% 〜10%)N。
[0022]本发明基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备的特点也在于:在打鼾监测时使 得所述穿戴设备在穿戴状态下,所述三轴加速度计所在位置对应于人体的颈部和/或胸部。 [0023]人三分之一的时间在睡眠,关于睡眠的体位及体位变化对人健康的影响情况,关 于一个睡姿持续多大的时长会对人体造成危害的情况,包括翻身与睡眠质量的关系,睡姿 与半边病的关系,打鼾与睡姿的关系,本发明基于睡眠体位对人体健康的关系的研宄,以便 指导千预人的睡眠体位,提高人的睡眠质量减少因睡眠造成的疾病,将三轴加速度计用于 人睡眠体位及打鼾的监测,并将监测装置与日常穿戴品如护肩、颈环和背心相结合,实现睡 眠体位及鼾声的有效监测,与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
[0024] 1、本发明将三轴加速度计用于人睡眠体位及打鼾的监测,实现了睡眠的有效监 测,正常人的睡眠数据得以收集到云端,在大数据下研宄睡眠,为提高、指导人们睡眠质量 服务;
[0025] 2、本发明实现睡姿、翻身与睡眠质量、健康的研宄;
[0026] 3、本发明实现了睡姿、翻身与疾病的关系研究,特别是半边病如侧睡习惯、翻身与 颈椎病、腰椎病、偏头痛、面瘫、高低肩、歪脖子、中风、股骨痛等半边病的关系研究,为干预 和纠正睡眠体位、翻身等睡眠行为提供了理论依据及设备;
[0027] 4、本发明实现了三轴加速度计监测鼾声实现打鼾的干预,并可实现鼾声与睡眠体 位关系的研究,实现打鼾的大数据研宄;
附图说明
[0028]图1为本发明三轴加速度计三轴与人体三轴正向对应图;
[0029]图2为本发明三轴加速度计三轴与人体三轴五种对应示意图;
[0030]图3为本发明颈环穿戴式打鼾监测设备示意图;
[0031]图4为本发明睡衣穿戴式打鼾监测设备示意图;
[0032]图中标号:1三轴加速度计及其控制电路、2颈环、3睡衣。
具体实施方式
[0033]本实施例中以穿戴设备为本体,穿戴设备为颈环或睡衣等,在穿戴设备上设置三 轴加速度计,三轴加速度计如ADXL345、ADXL362、MUPU-6050等产品,使得穿戴设备在穿戴状 态下,三轴加速度计所在位置对应于人体的颈部、胸部和/或躯干;若穿戴设备为颈环,则三 轴加速度计对应于人的颈部;若穿戴设备为睡衣,则三轴加速度计对应于人的胸部,根据三 轴加速度计输出的数据监测人的睡眠状态。人的睡眠状态包括左侧睡体位、右侧睡体位、仰 睡体位、俯睡体位、起床和打鼾。
[0034]如图1所示,将人体的三维坐标轴分别设定为U轴、V轴和W轴,针对人体呈直立状 态,V轴为竖直方向,且上向为V轴正向,下向为V轴负向;人体手臂左右平展为U轴,且左臂一 侧为U轴正向,右臂一侧为U轴负向;W轴沿人体前后向,且前向为W轴正,后向为W轴负向;设 置三轴加速度计的X轴、Y轴和Z轴与人体的U轴、V轴和W轴一一对应、平行设置,且各轴正负 方向一致,即X轴与U轴相互平行且正轴方向一致,Y轴与V轴相互平行且正轴方向一致;Z轴 与W轴相互平行且正轴方向一致。
[0035]具体实施中,三轴加速度计的X、Y和Z轴与人体的U、V、W轴可以任意对应,图2中(a) 为人体的U、V、W轴示意,⑹、(c)、(d)、(e)和⑴为五种不同的对应方式,三轴加速度计三轴 与人体三轴的对应方式共有二十四种,本实施例在图1中三轴加速度计的X、Y和Z轴与人体 的u、v、w轴一一对应、平行设置,且各轴方向一至。
[0036] 设置三轴加速度计中X、Y和Z轴的三轴输出一一对应为x、y和z,设置各轴的数据输 出范围为(_N,N),N不小于8,根据不同品牌不同型号设置三轴加速度计的精度设置N的值, 以此决定各轴的数据输出范围,比如,将N取值为256,则各轴的数据输出范围为:(-256, 256),针对不同型号的三轴加速度计,N的取值以不大于256较为适宜,当N取值过大时,会增 加三轴加速度计的耗电量。
[0037] 本实施例中按如下方式判断人的睡眠状态:
[0038] 若有:-Nl<y<Nl,且x彡-N2,判断人的睡眠状态为左侧睡体位;其中,_Nl<y<Nl表示 人体为躺下,因穿戴人的不同、穿戴设备的松紧程度不同、穿戴位置不同等使三轴加速度计 形成偏移,造成三轴加速度计的轴与人体的对应轴发生一定角度的偏移,因此将Y轴的输出 数据y处在(_N1,N1)范围内,都判断为穿戴者为躺下或说是呈卧床的姿态,并以x<-N2判断 为穿戴者呈左侧睡;
[0039] 本实施例中,Nl= (40%-70%)N,N2= (70%-90%)N;当 N 取值为 256 时,N1 的取值 范围为102.4-179.2,N2的取值范围为179.2-230.4;具体可以将N1取值为150,将N2取值为 200。
[0040] 若有:-Nl<y<Nl,且x彡N2,判断人的睡眠状态为右侧睡体位;
[0041] 若有:-N1 <x<Nl,且,判断人的睡眠状态为仰睡体位;
[0042] 若有:-Nl<x<Nl,且z<0,判断人的睡眠状态为俯睡体位;
[0043] 在Z轴呈水平时,z = 0;因此当俯睡或仰睡时,z值不为0,则有判据:z>〇或z<〇。
[0044] 若有:y彡N1,判断人的睡眠状态为起床,在坐姿或站立时,上半身接近竖直,即y彡 Nl〇
[0045] A x*x的增量,若有:A x形成一次不小于N3的波动,判断人的睡眠状态发生一次 体动;N3的取值对应人睡眠体动的幅度,睡眠时打鼾会引起三轴加速度计输出的数据发生 波动,N3的取值尽量规避打鼾引起的A x变化,N3 = (5 % -20 %) N。
[0046] 从一个体位到另一个体位的体位变换的体动为翻身;体位包括:左侧睡体位、右侧 睡体位、仰睡体位和俯睡体位;不同体位下打鼾引起三轴加速度计不同的轴输出数据呈周 期性变化,仰睡时引起对应W轴的数据周期性变化,侧睡时则引起其他的周数据变化最大, 但都引起三轴输出数据之和M周期性变化,如果监测一个轴的数据变化监测打鼾,就必须计 算三个轴的数据,为简化计算判断工作量,只要监测三轴加速度计的三轴输出数据之和M的 周期性变化可实现任意体位下的打鼾监测。
[0047] 本实施例中,设置三轴加速度计中X、Y和Z轴的三轴输出一一对应为x、y和z,设置 各轴的数据输出范围为(_N,N),N不小于8,三轴输出数据之和M为:M = x+y+z; AM为M的增 量;按如下方式进行打鼾监测:
[0048] 定义:周期A的时长为T,时长T分为两个时段,分别是第一时段(tl,t2)和第二时段 (t2,t3);第一时段(t 1,t2)对于人打鼾发出振动声音时段,带动颈部和胸部振动,在第一时 段(tl,t2)中,增量A M大于N4不少于连续3次,且相邻两次增量A M之间的时间间隔不大于 k,增量AM是打鼾振动带动三轴加速度计三轴输出数据变化的增量,每次打鼾引起的振动 都大于连续3次且时间间隔小于k,k在0〜2秒之间取值,且k值不为0,是为了屏蔽如体动、拉 被子等一些干扰;N4= (3%-10%)N,当N取值为256,将N4取值为15;为防止其它因素千扰可 以增大N4以降低灵敏度,比如:将N4取值20;在对N4取值时,N取值越大,则N4的取值越靠近 3 %,比如当N设置为256,将N4靠近5 % N取值为15;反之,N取值越小,则N4的取值越靠近 10%,比如当N设置为8时,将N4靠近10%N取值为1;第二时段(t2,t3)是人打鼾不发声不振 动的阶段,也就是静默的时段,在第二时段(t2,t3)中,增量A M小于N5,N5是三轴加速度计 佩戴人体上静止不动时三轴输出数据之和变化的波纹最大值;N5= (2%〜10%) N,当N值设 置越大,则N5的取值越靠近2 % N;反之,设置N值设置越小,则N5的取值越靠近10 %,比如当N 的值设置为256时,Nf5取值为10;当N的值设置为8时,N5取值为1。若有连续三个周期与周期A 相同,则判断人的睡眠状态为打鼾;三个周期与周期A相同是指:任意两个周期的时长相差 不超过30%;各打鼾周期的时长不一定相等,因此将时长相差不超过30%作为判断打鼾周 期相同的依据;
[0049]在打鼾监测时使得所述穿戴设备在穿戴状态下,三轴加速度计所在位置对应于人 体的颈部和/或胸部,因打鼾会引起颈部和胸部的振动。
[0050] 实施例1:
[0051] 如图3,基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备为颈环2,三轴加速度计及其控 制电路1设置在颈环2中,穿戴时三轴加速度计位于人的颈部,三轴加速度计采用ADXLM5, ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计,分辨率高(13位)。针对ADXL345,定义N = 256,则三轴输出数据范围为(-256,256) ;N1= (4〇%_7〇%)N,将N1取值15〇;似=(7〇%-90%)1将呢取值200 43=(5%-20%)1将吣取值30;财=(3%-10%)1^值设置越大,则 N4取值靠近3%N,反之,N值设置越小,则N4取值越靠近1〇%,当N取值为256时,将N4取值为 15; N5 = (2%〜10%) N,N值设置越大,则N5取值靠近2%N,反之,N值设置越小,则N5的取值 越靠近10%,对于N设置为256,将N5取值为l〇;k值取为1秒;则按如下方式判断人的睡眠状 态:
[0052] 若有:-150<y<150,且x<-200,判断人的睡眠状态为左侧睡体位;
[0053] 若有:150<y<l 50,且x多200,判断人的睡眠状态为右侧睡体位;
[0054] 若有:-150<x<l 50,且z>0,判断人的睡眠状态为仰睡体位;
[0055] 若有:-150<x<150,且z<0,判断人的睡眠状态为俯睡体位;
[0056] 若有:y彡150,判断人的睡眠状态为起床;
[0057] A x形成一次不小于30波动,判断人的睡眠状态发生一次体动;
[0058] 周期A的时长为T,时长T分为两个时间段,分别是第一时段(tl,t2)和第二时段 (t2,t3);在第一时段(tl,t2)中,增量AM大于15不少于连续3次,且相邻两次增量AM之间 的时间间隔不大于1;在第二时段(t2,t3)中,增量AM小于10;若有连续三个周期与周期A相 同,则判断人的睡眠状态为打鼾;三个周期与周期A相同是指:任意两个周期的时长相差不 超过30 %。
[0059] 实施例2:
[0060]如图4,基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备为睡衣3,三轴加速度计及其控 制电路1设置在睡衣3中,穿戴时三轴加速度计位于人的胸部,三轴加速度计采用MUPU-6〇50,针对MIMJ-6050,定义N= 10,则三轴输出数据范围为(-10,1〇),N1取值为6,N2取值为 8,N3取值为1,N4取值为1,N5取值l,k取值为1秒;则按如下方式判断人的睡眠状态:
[0061] 若有:-6<y<6,且x<-8,判断人的睡眠状态为左侧睡体位;
[0062] 若有:6<y<16,且x彡8,判断人的睡眠状态为右侧睡体位;
[0063] 若有:-6<x<6,且z>0,判断人的睡眠状态为仰睡体位;
[0064] 若有:-6<x<6,且z<0,判断人的睡眠状态为俯睡体位;
[0065] 若有:y^:6,判断人的睡眠状态为起床;
[0066] A x形成一次不小于1波动,判断人的睡眠状态发生一次体动;
[0067]周期A的时长为T,时长T分为两个时间段,分别是第一时间段(tl,t2)和第二时段 (t2,t3);在第一时间段(tl,t2)中,增量△ M大于1不少于连续3次,且相邻两次增量a M之间 的时间间隔不大于1;在第二时间段(t2,t3)中,增量AM小于1;若有连续三个周期与周期A 相同,则判断人的睡眠状态为打鼾;所述三个周期与周期A相同是指:任意两个周期的时长 相差不超过30%。

Claims (5)

1. 基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备,其特征是:以穿戴设备为本体,在所述穿 戴设备上设置三轴加速度计,使得所述穿戴设备在穿戴状态下,三轴加速度计所在位置对 应于人体的颈部、胸部和/或躯干,根据三轴加速度计输出的数据监测人的睡眠状态,所述 人的睡眠状态包括左侧睡体位、右侧睡体位、仰睡体位、俯睡体位、起床和打鼾。
2. 根据权利要求1所述的基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备,其特征是:将人体 的三维坐标轴分别设定为U轴、V轴和W轴,针对人体呈直立状态,V轴为竖直方向,且上向为V 轴正向,下向为V轴负向;人体手臂左右平展为U轴,且左臂一侧为U轴正向,右臂一侧为U轴 负向;W轴沿人体前后向,且前向为W轴正,后向为ff轴负向;设置所述三轴加速度计的X轴、Y 轴和Z轴与人体的U轴、V轴和W轴——对应、平行设置,且各轴正负方向一致。
3. 根据权利要求2所述基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备,其特征是:设置三轴 加速度计中X、Y和Z轴的三轴输出一一对应为x、y和z,设置各轴的数据输出范围为(-N,N); 按如下方式判断人的睡眠状态: 若有:-Nl<y<Nl,且x<-N2,判断人的睡眠状态为左侧睡体位; 若有:_Nl<y<Nl,且x彡N2,判断人的睡眠状态为右侧睡体位; 若有:-Nl<x<Nl,且z>0,判断人的睡眠状态为仰睡体位; 若有:-Nl<x<Nl,且z<0,判断人的睡眠状态为俯睡体位; 若有:y多N1,判断人的睡眠状态为起床; A x为x的增量,若有:A x形成一次不小于N3的波动,判断人的睡眠状态发生一次体动; 从一个体位到另一个体位的体位变换的体动为翻身;所述体位包括:左侧睡体位、右侧睡体 位、仰睡体位和俯睡体位; 其中,N 的值不小于 8,N1= (40%-70%)N,N2= (70%-90%)N,N3= (5%-20%)N。
4. 根据权利要求2所述基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备,其特征是:设置三轴 加速度计中X、Y和Z轴的三轴输出一一对应为x、y和z,设置各轴的数据输出范围为(-N,N), 三轴输出数据之和M为:M=x+y+z; AM为M的增量;按如下方式进行打鼾监测: 定义:周期A的时长为T,时长T分为两个时段,分别是第一时段(tl,t2)和第二时段(t2, t3);在第一时段(t 1,t2)中,增量A M大于N4不少于连续3次,且相邻两次增量A M之间的时 间间隔不大于k;在第二时段(t2,t3)中,增量AM小于N5;若有连续三个周期与周期A相同, 则判断人的睡眠状态为打鼾;所述三个周期与周期A相同是指:任意两个周期的时长相差不 超过30 %; 其中,k在0〜2秒之间取值,且k值不为0,N的值不小于8,N4 = (3 % -10 %) N,N5 = (2 %〜 10%)N。
5. 根据权利要求1或4所述基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备,其特征是:在打 鼾监测时使得所述穿戴设备在穿戴状态下,所述三轴加速度计所在位置对应于人体的颈部 和/或胸部。
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