CN108852289B

CN108852289B - 基于三轴加速度计的穿戴式睡眠监测设备

Info

Publication number: CN108852289B
Application number: CN201810444740.2A
Authority: CN
Inventors: 张安斌
Original assignee: 张安斌
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2021-02-09
Also published as: CN108852289A

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

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

睡眠研究中对睡眠体位、翻身与睡眠质量的研究几乎为零，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。

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。

究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。

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

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。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

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。

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。

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)。

按如下方式判断人的睡眠状态：

若有：-N1﹤y﹤N1，且x≤-N2，判断人的睡眠状态为左侧睡体位；

若有：-N1﹤y﹤N1，且x≥N2，判断人的睡眠状态为右侧睡体位；

若有：-N1﹤x﹤N1，且z﹥0，判断人的睡眠状态为仰睡体位；

若有：-N1﹤x﹤N1，且z﹤0，判断人的睡眠状态为俯睡体位；

若有：y≥N1，判断人的睡眠状态为起床；

Δx为x的增量，若有：Δx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。

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)，三轴输出数据之和M为：M＝x+y+z；ΔM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(t1,t2)和第二时段(t2，t3)；在第一时段(t1,t2)中，增量ΔM大于N4不少于连续3次，且相邻两次增量ΔM之间的时间间隔不大于k；在第二时段(t2，t3)中，增量ΔM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。

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。

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究，以便指导干预人的睡眠体位，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：

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，在大数据下研究睡眠，为提高、指导人们睡眠质量服务；

2、本发明实现睡姿、翻身与睡眠质量、健康的研究；

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；

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究；

附图说明

图1为本发明三轴加速度计三轴与人体三轴正向对应图；

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；

图3为本发明颈环穿戴式打鼾监测设备示意图；

图4为本发明睡衣穿戴式打鼾监测设备示意图；

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

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。

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。

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，(b)、(c)、(d)、(e)和(f)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。

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。

本实施例中按如下方式判断人的睡眠状态：

若有：-N1﹤y﹤N1，且x≤-N2，判断人的睡眠状态为左侧睡体位；其中，-N1﹤y﹤N1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；

本实施例中，N1＝(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。

若有：-N1﹤x﹤N1，且，判断人的睡眠状态为仰睡体位；

若有：-N1﹤x﹤N1，且z﹤0，判断人的睡眠状态为俯睡体位；

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﹥0或z﹤0。

若有：y≥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≥N1。

Δx为x的增量，若有：Δx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Δx变化，N3＝(5％-20％)N。

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。

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；ΔM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(t1,t2)和第二时段(t2，t3)；第一时段(t1,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(t1,t2)中，增量ΔM大于N4不少于连续3次，且相邻两次增量ΔM之间的时间间隔不大于k，增量ΔM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；为防止其它因素干扰可以增大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ΔM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，N5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；

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。

实施例1：

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ADXL345，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＝(40％-70％)N，将N1取值150；N2＝(70％-90％)N，将N2取值200；N3＝(5％-20％)N，将N3取值30；N4＝(3％-10％)N，N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10％，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10；k值取为1秒；则按如下方式判断人的睡眠状态：

若有：-150﹤y﹤150,且x≤-200，判断人的睡眠状态为左侧睡体位；

若有：150﹤y﹤150，且x≥200，判断人的睡眠状态为右侧睡体位；

若有：-150﹤x﹤150，且z﹥0，判断人的睡眠状态为仰睡体位；

若有：-150﹤x﹤150，且z﹤0，判断人的睡眠状态为俯睡体位；

若有：y≥150，判断人的睡眠状态为起床；

Δx形成一次不小于30波动，判断人的睡眠状态发生一次体动；

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(t1,t2)和第二时段(t2，t3)；在第一时段(t1,t2)中，增量ΔM大于15不少于连续3次，且相邻两次增量ΔM之间的时间间隔不大于1；在第二时段(t2，t3)中，增量ΔM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％。

实施例2：

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-6050，针对MUPU-6050，定义N＝10，则三轴输出数据范围为(-10,10)，N1取值为6，N2取值为8，N3取值为1，N4取值为1，N5取值1，k取值为1秒；则按如下方式判断人的睡眠状态：

若有：-6﹤y﹤6,且x≤-8，判断人的睡眠状态为左侧睡体位；

若有：6﹤y﹤16，且x≥8，判断人的睡眠状态为右侧睡体位；

若有：-6﹤x﹤6，且z﹥0，判断人的睡眠状态为仰睡体位；

若有：-6﹤x﹤6，且z﹤0，判断人的睡眠状态为俯睡体位；

若有：y≥6，判断人的睡眠状态为起床；

Δx形成一次不小于1波动，判断人的睡眠状态发生一次体动；

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(t1,t2)和第二时段(t2，t3)；在第一时间段(t1,t2)中，增量ΔM大于1不少于连续3次，且相邻两次增量ΔM之间的时间间隔不大于1；在第二时间段(t2，t3)中，增量ΔM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

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；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；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：-N1﹤x﹤N1，且z﹥0，判断人的睡眠状态为仰睡体位；

若有：-N1﹤x﹤N1，且z﹤0，判断人的睡眠状态为俯睡体位；

若有：y≥N1，判断人的睡眠状态为起床；

其中，N的值不小于8，N1＝(40％-70％)N，N2＝(70％-90％)N，N3＝(5％-20％)N；

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；ΔM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(t1,t2)和第二时段(t2，t3)；在第一时段(t1,t2)中，增量ΔM大于N4不少于连续3次，且相邻两次增量ΔM之间的时间间隔不大于k；在第二时段(t2，t3)中，增量ΔM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。

2.根据权利要求1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。