CN112022122B - 一种睡眠监测耳机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种睡眠监测耳机，包括信号采集装置，用于采集使用者的脉搏信号、心电信号、脑电信号、鼾声次数及时长、周围环境噪声，并传输至信号处理装置；信号处理装置，用于对采集的信号进行降噪处理；存储装置，用于接收处理后的脉搏信号、心电信号、脑电信号进行记录生成睡眠报告，并上传至客户端；检查装置，用于检测分析数据处理装置中的数据，判断数据是否异常、是否存在数据断连的情况；判断装置，用于基于脉搏信号、心电信号、鼾声，来检测呼吸相关情况并传输至存储装置；控制单元，用于将工作模式切换为睡眠模式，所述工作模式包括降噪模式、开放模式。本发明舒适度更高，监测到的数据更加准确。

Description

一种睡眠监测耳机
技术领域
本发明涉及睡眠监控领域，特别是涉及一种睡眠监测耳机。
背景技术
随着传感器、物联网、人工智能技术的快速发展，居家睡眠监测产品也层出不穷，受制于居家睡眠场景舒适性和成本等因素，像临床PSG那样的做法不能直接搬到家庭环境中。目前常见的耳机主要功能为便携、能够播放音频，有入耳式耳机和头戴式耳机两种类型，不能满足人们多样化的需要。因此就衍生出一种能够监测睡眠的智能耳机。但是现有智能耳机存在睡眠时舒适度低，睡眠监测数据不准确，只是停留在为了监测而监测的概念上，没有实用价值，无法将安全监控、睡眠改善联系起来的缺陷。比如呼吸暂停是一种常见疾病，但是发病时极易发生致命危险，目前检测此方面的一般只在三甲医院存在，单次检查费用高，病人预约和等待检测的时间较长，限制了监测者的自由，增加了其心理负担，还需要通过长时间监测来获取数据进行分析，不易用于家庭监护，所以检测不方便，而现有的呼吸检测仪造价昂贵，因此现在急需一种成本低，监测数据准确的装置来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种睡眠监测耳机及数据采集检测方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够有效获取使用者的睡眠监测数据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种睡眠监测耳机，包括：
信号采集装置，用于采集使用者的脉搏信号、心电信号、脑电信号、鼾声次数及时长、周围环境噪声，并传输至信号处理装置；
信号处理装置，用于对采集的信号进行降噪处理、信号提取、分类处理；还用于采集使用者语音信号，包括是否说梦话，并记录说梦话的时长、次数、内容，并将梦话内容传输至存储装置；
存储装置，用于接收处理后的脉搏信号、心电信号、脑电信号进行记录生成睡眠报告，并上传至客户端；
检查装置，用于检测分析数据处理装置中的数据，判断数据是否异常、是否存在数据断连的情况,并将上述信息反馈给控制单元，用于判断信号采集装置是否正常运行；
判断装置，用于基于脉搏信号、心电信号、鼾声，来检测呼吸相关情况并传输至存储装置；
控制单元，用于将工作模式切换为睡眠模式，所述工作模式包括降噪模式、开放模式，所述开放模式下能听到周围环境的声音，并能够根据所述周围环境声音的分贝大小，对使用者进行安全提示。
优选地，所述信号处理装置包括第一信号处理单元、第二信号处理单元、第三信号处理单元，所述第二信号处理单元用于将环境噪声传输至控制系统，用于判断是否开启降噪模式，所述第一信号处理单元用于预处理，去除噪声干扰，然后进行信号放大处理并传输至第三信号处理单元，用于分析记录呼吸暂停的次数。
优选地，判断是否开启所述降噪模式的方法为：通过检测外界环境噪声是否大于预设值，当大于预设值时，启动降噪模式；所述降噪模式能够自动屏蔽外界环境噪声，防止在噪音较大的情况下，使用者调节音量过大，导致损伤听力。
优选地，所述睡眠模式启动方式有两种：手动、自动；判断使用者处于清醒状态还是睡意状态，若使用者处于清醒状态则不启动睡眠模式，若使用者处于睡意状态则启动睡眠模式。
优选地，通过分析所述呼吸相关情况，来判断是否存在呼吸暂停，所述呼吸暂停的判断方法为：每夜7H睡眠过程中，呼吸暂停及低通气反复发作30次以上；呼吸暂停低通气指数(AHI)≥5次/h。
优选地，还包括音量模块，用于调整声音的大小，以便适用于不同的场合，在开放模式、降噪模式下，所述音量模块处于开启状态；在所述睡眠模式下，当检测到处于深度睡眠后，所述音量模块关断。
优选地，还包括音律模块，根据使用者的习惯模型推送不同模式下的音律；还用于在客户端对使用者实现叫醒功能，在闹钟前十五到二十分钟开始检测使用者状态，当检测到使用者为轻度睡眠叫醒，尽量避免深睡时吵醒使用者，若是一直处于深度睡眠状态，此时仍在闹铃时刻叫醒使用者。
优选地，还包括报警模块，当处于睡眠模式时，音律模块暂停使用，不影响夜间熟睡；当发生呼吸暂停时，所述音律模块启动振动模式，辅助使用者调整睡姿，若呼吸暂停情况没有改善，则启动报警模块；另外，当出现鼾声较多、较大现象时，报警模块启动，用于提醒使用者侧身睡。
优选地，所述判断装置还用于对梦话进行分析，结合用户睡眠状态，分析使用者是否存在心理压力太大的现象，以此可以在白天提醒用户放松，调节心理。
优选地，所述报警模块还用于当耳机与客户端的距离大于预设值时，启动客户端定位，并进行语音提示。
本发明公开了以下技术效果：本发明现实入睡时间和实际入睡时间误差在5分钟内。有多种模式可以切换，睡眠时舒适度高，更加便于家庭监护。睡眠模式、降噪模式、开放模式可以随意切换，使用更加方便简单。通过多层信号处理，使得信号监测数据更加准确。另外还设置有本发明还检查装置，用于检测分析数据处理装置中的数据，判断数据是否异常、是否存在数据断连的情况，并将上述信息反馈给控制单元，用于判断信号采集装置是否正常运行；所述控制单元将检查装置中反馈的信息传递给判断装置，若数据存在异常或者断连，则将此数据进行存储，并在睡眠报告中进行显示，此数据无参考价值。除此以外还给出了深睡、浅睡、清醒时长、翻身次数、环境噪音等多项数据，同时还记录了夜间呼吸和心率状况，计算出睡眠效率、以及对应的睡眠年龄。最重要的是，报告的最后给出了针对使用者的睡眠情况的分析和改善建议。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明睡眠监测耳机的结构示意图；
图2为信号处理流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
参照图1所示，本实施例提供一种睡眠监测耳机，包括：
信号采集装置，用于采集使用者的脉搏信号、心电信号、脑电信号、鼾声次数及时长、周围环境噪声的分贝及时长，并传输至信号处理装置；还用于采集使用者语音信号，比如是否说梦话，并记录说梦话的时长、次数、内容，并将梦话内容传输至存储装置；
信号处理装置，用于对采集的信号进行降噪处理、信号提取、分类处理；
存储装置，用于接收处理后的脉搏信号、心电信号、脑电信号进行记录生成睡眠报告，并上传至客户端；所述睡眠报告的内容为根据使用者的睡眠情况进行分析，并提出改善建议。
检查装置，用于检测分析数据处理装置中的数据，判断数据是否异常、是否存在数据断连的情况，并将上述信息反馈给控制单元，用于判断信号采集装置是否正常运行；所述控制单元将检查装置中反馈的信息传递给判断装置，若数据存在异常或者断连，则将此数据进行存储，并在睡眠报告中进行显示，此数据无参考价值。
判断装置，用于基于脉搏信号、心电信号、鼾声，来检测呼吸相关情况，比如鼾声是否较多、较大，并传输至存储装置；还用于对梦话进行分析，结合用户睡眠状态，分析使用者是否存在心理压力太大的现象，以此可以在白天提醒用户放松，调节心理。
控制单元，用于将工作模式切换为睡眠模式，所述工作模式包括降噪模式、开放模式。所述开放模式下，能听到周围环境的声音，并能够根据所述周围环境声音的分贝大小，对使用者进行安全提示。
进一步优化方案，所述信号处理装置包括第一信号处理单元、第二信号处理单元、第三信号处理单元，所述第二信号处理单元用于将环境噪声传输至控制系统，用于判断是否开启降噪模式，所述第一信号处理单元用于预处理，对接收到的信号采用中值滤波器法进行滤波去噪处理，去除基线漂移，然后采用主成分分析法进行信号特征提取，并采用t检验方法对提出出的特征值进行分析，分析待测者的清醒状态、睡意状态进行判断，判断在这两种状态下的同一特征是否有显著性差异，选取两种状态下差异显著的特征作为睡意检测的客观指标。然后提取出反应信号放大处理并传输至第三信号处理单元，用于判断是否开启睡眠模式，还用于分析记录呼吸暂停的次数。
去除基线漂移的过程为：采用两个中值滤波器，第一个中值滤波器去除心电信号中的QRS波和P波，第二个中值滤波器去除心电信号中的T波，去除QRS波、P波、T波后得到基线漂移信号，用原始心电信号减去基线漂移信号得到去除基线漂移后的信号。
在QRS波群中的特征，以R波尤为明显，R波波峰最高，斜率最大的波形，确定了R波的位置，方便检测其他特征点的检测，同时检测R波的准确性也决定了后续提取呼吸信号的准确性。因此为了减小误差，采用差分阈值法来确定R波的位置，并采用三次纠错，来提高R波检测的准确性。
进一步优化方案，判断是否开启所述降噪模式的方法为：通过检测外界环境噪声是否大于预设值，当大于预设值时，启动降噪模式。所述降噪模式可以自动屏蔽外界环境噪声，防止在噪音较大的情况下，使用者调节音量过大，导致损伤听力。
进一步优化方案，所述睡眠模式启动方式有两种：手动、自动；判断所述睡眠模式的自动启动的方法为：判断使用者处于清醒状态还是睡意状态，若使用者处于清醒状态则不启动睡眠模式，若使用者处于睡意状态则启动睡眠模式。清醒状态下，脑电波主要为β波，频率较高，波幅较小；
睡眠状态下分为以下几种类型：
当躺在床上闭上眼睛准备睡觉时，β波会逐渐被频率相对较低、波幅相对较大的α波取代；第一个阶段轻度睡眠阶段：脑电波的频率变得较低、波幅变得较小呼吸越来越慢；第二个阶段：出现短暂爆发的、频率高、波幅大的“睡眠锭”；第三个阶段：脑电波的频率变低、波幅变大，出现δ波；第四个阶段深度睡眠阶段：身体几乎不会有什么活动；第五个阶段快速眼动睡眠阶段：会有翻身等动作、眼球会在眼皮底下转动，此时δ波消失，取而待之的是高频率、低波幅的脑电波，呼吸会变得急促，心率和血压会不太规律。
所述清醒状态、睡眠状态的判断依据为：通过大数据采集使用者的状态信息并进行训练得到初始状态数据，另外，在实际使用的过程中，针对使用者的不同，再采集当前使用者数据再进行训练，并对初始状态数据进行校正得到实际状态数据，并存储到存储模块进行记忆。
根据测出的结果统计睡觉开始时脑电波β、α波连续长于30分，或中间累计β、α波时长超过30分钟，或深度睡眠加上浅度睡眠时间总和少于6小时，可判断用户有失眠现象。若存在失眠现象，可启动音律模块放一些βαδθ混合脑波音频,逐步把脑电波从β波引导到α波进而转入δ波或θ波(睡眠状态),辅助使用者入睡。
进一步优化方案，由于心电信号、脉搏信号中包含呼吸信息，因此通过分析所述呼吸相关情况，来判断是否存在呼吸暂停现象，所述呼吸暂停的判断方法为：每夜7H睡眠过程中，呼吸暂停及低通气反复发作30次以上；呼吸暂停低通气指数(AHI)≥5次/h。所述7H睡眠为使用者的睡眠时间均值。
所述呼吸相关情况的分析方法为：采用基于心电信号、脉搏信号的呼吸率融合算法，选用小波变换对心电和脉搏预处理,去除信号中含有的噪声干扰；然后,对心电、脉搏信号的进行特征点检测,获取特征点序列,并进行滑动平均的处理得到含有呼吸信息的序列；最后,对得到的信号序列利用插值法进行处理得到呼吸信号。当呼吸信号的峰值频率在0.1-0.8范围内时，则判定为无呼吸，若连续三次以上判定为无呼吸，则确定为呼吸暂停。
进一步优化方案，本装置还包括时钟同步芯片，实现本装置的时钟功能，用于在本装置断电之后，防止时间停留在当前时间点，保证睡眠分析报告的可靠性，充分考虑到时间的准确性。另外通过将当前时间信息发送至存储装置，用于更新时间信息，保证客户端与云端的实时性。
进一步优化方案，本装置还包括音量模块，用于调整声音的大小，以便适用于不同的场合，在开放模式、降噪模式下，所述音量模块处于开启状态；在所述睡眠模式下，当检测到处于深度睡眠后，所述音量模块关断。
进一步优化方案，本装置还包括音律模块，根据使用者的习惯模型推送不同模式下的音律；还用于在客户端对使用者实现叫醒功能，在闹钟前十五到二十分钟开始检测使用者状态，当检测到使用者为轻度睡眠叫醒，尽量避免深睡时吵醒使用者，若是一直处于深度睡眠状态，此时仍在闹铃时刻叫醒使用者。
本装置还包括报警模块，当处于睡眠模式时，音律模块暂停使用，不影响夜间熟睡。当发生呼吸暂停时，所述音律模块启动振动模式，辅助使用者调整睡姿，若呼吸暂停情况没有改善，则启动报警模块。另外，当出现鼾声较多、较大现象时，报警模块启动，用于提醒使用者侧身睡。
当耳机与客户端的距离大于预设值时，启动客户端定位，并进行语音提示。所述报警模块还用于当在睡眠模式下，发生呼吸暂停时，读取存储装置中的信息，并发送至客户端，所述客户端可以为使用者的通信端，或者使用者家人、朋友的通信端，用于提醒使用者的健康情况。
进一步优化方案，所述报警模块还用于当耳机与客户端的距离大于预设值时，启动客户端定位，并进行语音提示。
进一步优化方案，本装置还包括语音控制模块，用于控制耳机的关断与开启、模式转换、音量大小、音律的切换。
进一步优化方案，所述判断装置还用于对梦话进行分析，结合用户睡眠状态，分析使用者是否存在心理压力太大的现象，以此可以在白天提醒用户放松，调节心理。
采用本装置测得的入睡时间和实际入睡时间误差在5分钟内。除此以外，根据实际睡眠数据结合科学合理睡眠依据分析睡眠生理参数，生成详细睡眠报告。本发明的睡眠报告还给出了深睡、浅睡、清醒时长、翻身次数、环境噪音等多项数据，与现有耳机的监测结果更全面、与现有睡眠检测仪相比，成本更低，适用范围更广。同时还记录了夜间呼吸和心率状况，计算出睡眠效率、以及对应的睡眠年龄。最重要的是，本发明的睡眠报告的最后给出了针对使用者的睡眠情况的分析和改善建议。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种睡眠监测耳机，其特征在于，包括：
信号采集装置，用于采集使用者的脉搏信号、心电信号、脑电信号、鼾声次数及时长、周围环境噪声，并传输至信号处理装置；
信号处理装置，用于对采集的信号进行降噪处理、信号提取、分类处理；还用于采集使用者语音信号，包括是否说梦话，并记录说梦话的时长、次数、内容，并将梦话内容传输至存储装置；
存储装置，用于接收处理后的脉搏信号、心电信号、脑电信号进行记录生成睡眠报告，并上传至客户端；
检查装置，用于检测分析信号处理装置中的数据，判断数据是否异常、是否存在数据断连的情况,并将信息反馈给控制单元，用于判断信号采集装置是否正常运行；
判断装置，用于基于脉搏信号、心电信号、鼾声，来检测呼吸相关情况并传输至存储装置；
控制单元，用于将工作模式切换为睡眠模式，所述工作模式包括降噪模式、开放模式，所述开放模式下能听到周围环境的声音，并能够根据所述周围环境声音的分贝大小，对使用者进行安全提示；
所述信号处理装置包括第一信号处理单元、第二信号处理单元、第三信号处理单元，所述第二信号处理单元用于将环境噪声传输至控制单元，用于判断是否开启降噪模式，所述第一信号处理单元用于预处理，去除噪声干扰，然后进行信号放大处理并传输至第三信号处理单元，用于分析记录呼吸暂停的次数；
所述预处理的过程包括：对接收到的信号采用中值滤波器法进行滤波去噪处理，去除基线漂移，然后采用主成分分析法进行信号特征提取，并采用t检验方法对提出的特征值进行分析，分析待测者的清醒状态、睡意状态，再对所述待测者的清醒状态、睡意状态进行判断，判断在这两种状态下的同一特征是否有显著性差异，选取两种状态下差异显著的特征作为睡意检测的客观指标；
所述去除基线漂移的过程包括：采用两个中值滤波器，第一个中值滤波器去除心电信号中的QRS波和P波，第二个中值滤波器去除心电信号中的T波，去除QRS波、P波、T波后得到基线漂移信号，用原始心电信号减去基线漂移信号得到去除基线漂移后的信号；
所述睡眠模式启动方式有两种：手动、自动；判断使用者处于清醒状态还是睡意状态，若使用者处于清醒状态则不启动睡眠模式，若使用者处于睡意状态则启动睡眠模式；
还包括音律模块，根据使用者的习惯模型推送不同模式下的音律；还用于在客户端对使用者实现叫醒功能，在闹钟前十五到二十分钟开始检测使用者状态，当检测到使用者为轻度睡眠时叫醒，尽量避免深睡时吵醒使用者，若是一直处于深度睡眠状态，此时仍在闹铃时刻叫醒使用者；
判断是否开启所述降噪模式的方法为：通过检测外界环境噪声是否大于预设值，当大于预设值时，启动降噪模式；所述降噪模式能够自动屏蔽外界环境噪声，防止在噪音较大的情况下，使用者调节音量过大，导致损伤听力；
通过分析所述呼吸相关情况，来判断是否存在呼吸暂停，所述呼吸暂停的判断方法为：每夜7H睡眠过程中，呼吸暂停及低通气反复发作30次以上；呼吸暂停低通气指数(AHI)≥5次/h；
所述呼吸相关情况的分析方法为：采用基于心电信号、脉搏信号的呼吸率融合算法，选用小波变换对心电和脉搏预处理，去除信号中含有的噪声干扰；然后，对心电、脉搏信号进行特征点检测，获取特征点序列，并进行滑动平均的处理得到含有呼吸信息的信号序列；最后，对得到的信号序列利用插值法进行处理得到呼吸信号；当呼吸信号的峰值频率在0.1-0.8范围内时，则判定为无呼吸，若连续三次以上判定为无呼吸，则确定为呼吸暂停；
还包括报警模块，当处于睡眠模式时，音律模块暂停使用，不影响夜间熟睡；当发生呼吸暂停时，所述音律模块启动振动模式，辅助使用者调整睡姿，若呼吸暂停情况没有改善，则启动报警模块；另外，当出现鼾声较多、较大现象时，报警模块启动，用于提醒使用者侧身睡；
所述判断装置还用于对梦话进行分析，结合用户睡眠状态，分析使用者是否存在心理压力太大的现象，以此可以在白天提醒用户放松，调节心理；
所述报警模块还用于当耳机与客户端的距离大于预设值时，启动客户端定位，并进行语音提示。
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