WO2022050862A1 - Device for recording biophysical variables of a person during sleep - Google Patents

Device for recording biophysical variables of a person during sleep Download PDF

Info

Publication number
WO2022050862A1
WO2022050862A1 PCT/RU2020/000611 RU2020000611W WO2022050862A1 WO 2022050862 A1 WO2022050862 A1 WO 2022050862A1 RU 2020000611 W RU2020000611 W RU 2020000611W WO 2022050862 A1 WO2022050862 A1 WO 2022050862A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
sensors
user
sleep
during sleep
Prior art date
Application number
PCT/RU2020/000611
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Сергеевич МЕДВЕДЕВ
Денис Адамович ШРЕЙБЕР
Евгений Анатольевич ЕРИН
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СЛИПО" (ООО "СЛИПО")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СЛИПО" (ООО "СЛИПО") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СЛИПО" (ООО "СЛИПО")
Publication of WO2022050862A1 publication Critical patent/WO2022050862A1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/0205Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb

Definitions

  • the utility model relates to devices for recording and monitoring the most important biophysical parameters of a person during sleep, namely, to devices that can be built into mattresses of various configurations at the production stage in order to monitor various biophysical parameters of a person during sleep and improve sleep quality.
  • a device for non-contact recording of the patient's vital signs in continuous mode in the supine state is known (patent RU 2698441), which includes a housing made in the form of a plastic mold and fixed to the patient's bed, a controller located directly in the housing, and a sensor represented by a piezoelectric sensor of the family EmfitR-Series, housed in a cover that is fixed to the bed under the mattress in the area of the patient's shoulder blades.
  • the controller includes signal amplifiers (U1) and (U 2) and a signal recording device (URS), when the power is turned on, connecting to the cloud service using a secure SSL connection and continuously transmitting vital signs to the cloud application at the level of the application data transfer protocol, such as pulse rate per minute, respiratory rate per minute, hemodynamic activity index, motor activity index, intervalogram.
  • the sensor is connected to the amplifier (U1) by a coaxial cable.
  • a feature of this device is that it refers to medical technology and is primarily aimed at continuous monitoring of the health of sick people and children under medical supervision. Therefore, the specificity of this technical does not allow the use of this device by a wide range of consumers.
  • a technical solution is known, which is an electric bed (patent RU 2722634), which includes a tracking module installed on the top of the bed body, and a wireless communication module.
  • the tracking module is configured to determine such parameters as body temperature, heart rate, respiratory rate, snoring intensity, respiration rate, number of cases of tossing and fidgeting in bed.
  • the wireless communication module configured to send the tracking data to the server, while the server receives the setting signal sent by the terminal device (for example, a gadget), and sends an alarm when the tracking data goes beyond threshold values specified in the setting signal, wherein the wireless communication module is configured to receive data on the state of the electric bed and send said data to the server.
  • a system for monitoring the biophysical parameters of a person during sleep is known (patent US2019380653), which is an "intelligent" mattress in which one or more force sensors are built in to detect movements (respiratory movements, heart beats, body movements) and determine the user's posture during sleep. Additionally, sensors for temperature and humidity (sweating) of the user's body can be built into the mattress.
  • the sensors are divided into two sets, each of which is associated with the corresponding side of the mattress (left and right), with each set of sensors designed to receive data associated with one user.
  • a set of force sensors is placed on the respective side of the mattress (left and right) as follows: three force sensors in the user's head/chest region, three force sensors in the user's waist region, three force sensors in the user's legs.
  • a set of sensors for each user is connected to the corresponding microcontroller.
  • microcontrollers are connected to the main processor.
  • the user's biophysical data is transmitted via a wireless communication module associated with the main processor, and the communication module can be configured to transmit data via wireless Wi-Fi, Bluetooth, 3G, 4G or Long Term Evolution (LTE).
  • LTE Long Term Evolution
  • the disadvantage of this technical solution is that the proposed placement of force sensors does not provide sufficient coverage of the sleeping area, which can lead to the problem of signal loss when the user moves on the mattress during sleep. Also, the use of force sensors to determine the user's postures in a dream provides high accuracy only when a large number of force sensors are distributed over the mattress in order to build a pressure distribution map, which can lead to increased labor intensity and energy consumption of signal processing algorithms and can have a negative impact on the properties of the mattress, cause discomfort to the user.
  • the system consists of a processor unit located near the user's bed, a sensor unit built into the user's bed, and a control unit.
  • the sensor unit includes an electronic unit and a sensing module including sensors for detecting changes in pressure generated by the user's body (eg, piezoelectric and piezoresistive sensors) and additionally sensors for detecting the temperature of the user's body.
  • the sensing module is made in the form of a "cushion" located on the mattress or under it in the area of the user's chest.
  • User data from the sensing module may be transmitted via the electronic module to the processing device via BlueTooth, Wi-Fi or other suitable wireless means.
  • communication can be wired, with the sensor unit connected to the processor module using wire and USB ports.
  • the processing device may include the following components: a microphone to detect and record sounds surrounding the user, a light sensor to determine the level of illumination of the room, a temperature sensor to determine the ambient temperature, and an air quality sensor.
  • Declared sensors connected to the control unit, configured to process and store information received from the declared sensors.
  • the processor device includes a light source and a speaker for implementing a light and sound program corresponding to a certain phase of the user's sleep, aimed at providing quality sleep.
  • the user data from the sensor unit can be transmitted to a mobile terminal (eg, smartphone) from which the processor device can be controlled using a specially installed application.
  • a mobile terminal eg, smartphone
  • each user is provided with their own sensor unit, from which information about the indicators is sent to the processor device, which is configured to receive and process two sets of data.
  • the processor device is installed near the bed, in particular on the bedside table, which may be somewhat inconvenient for users, and in the case of wired communication with the sensor unit, cause discomfort. And also in this technical solution, its ability to determine the position of a person in a dream using the claimed pressure sensors is not disclosed.
  • a device for monitoring heartbeat, respiration and the state of movement of the human body, consisting of sensor modules, a microprocessor unit, a communication unit and a USB power supply unit.
  • Each of the sensor modules includes a piezoelectric ceramic sensor and a signal amplification and filtering unit (in the preferred embodiment, five sensor units in the head area, five sensor units in the thoracic region).
  • the signals from each piezoelectric ceramic sensor are sent to the signal amplification and filtering unit in order to complete the amplification and filtering of the original signals of human vital signs, then they are sent to the microprocessor unit, where the signal processing takes place and the analysis and processing of data on the amplified and filtered signals is completed, and then data on the indicators are sent to the communication unit.
  • Information from the communication unit is transmitted to the server or mobile terminal via wired Ethernet or wireless Wi-Fi, Bluetooth, 2G or 4G.
  • the USB power supply supplies power to each unit via the USB adapter.
  • the disadvantages of this device is that the use of sensors of this type with the proposed option for their distribution over the mattress can worsen the characteristics and properties of the mattress and cause discomfort to the user, and the device does not allow registering the position of a person in a dream.
  • Known mattress for monitoring the parameters of respiration and heartbeat of a person which includes many piezoelectric sensors (from three to nine), made in the form of a piezoelectric film of polyamide.
  • said piezoelectric elements are integrally formed from a single composite sheet of piezoelectric material.
  • the computing unit connected to the sensors, receives and processes the output signals to obtain diagnostic variables such as respiratory rate, respiratory phase, heart rate, human body movements.
  • This technical solution is aimed primarily at monitoring the parameters of breathing and heartbeat of people suffering from respiratory syndrome, therefore, it does not provide for its use among a wide range of consumers. And also, embedding a plurality of piezoelectric films into a mattress is a rather laborious process, and the use of a plurality of sensitive sensors can lead to the complication of signal processing algorithms. In addition, using piezoelectric sensors, it is impossible to obtain information about the position and posture of a person on a mattress.
  • the task to be solved by this utility model is to create a device for comprehensive monitoring of important biophysical parameters of a person during sleep for a wide range of users with the possibility of embedding it in mattresses of various configurations while ensuring high accuracy in determining breathing, heart rate, sleep phases and human position. while sleeping, without compromising the characteristics and properties of the mattress.
  • the technical result of the proposed utility model is to ensure high accuracy in determining the important biophysical parameters of a person during sleep in the absence of a negative impact on the characteristics and properties of the mattress and while ensuring the compactness of the device and reducing the complexity of its embedding in mattresses of various configurations.
  • the technical result is achieved by using a device for recording human biophysical indicators during sleep, which includes sensitive sensors connected to the processor unit, characterized in that a piezo-sensitive tape and a tape bend sensor are used as sensors.
  • sensors are used to determine four biophysical indicators of a person during sleep, in particular: pulse rate, respiratory rate, sleep stage and position in sleep. It will be apparent to a person skilled in the art that other indicators such as regularity of falling asleep, weight determination, snoring and any other characteristics known from the prior art can be taken by means of these sensors.
  • sleep characteristics are analyzed, which allows you to adjust various areas of life in order to improve the quality of sleep of the system user and, as a result, improve the quality of life.
  • the system using the device and built-in sensors, collects primary information about sleep and, based on it, issues recommendations regarding diet, physical activity and lifestyle in general, and so on.
  • the user's biophysical information is transmitted wirelessly to the electronic device using a radio modem via BlueTooth, Wi-Fi, or other suitable wireless means.
  • Information about the user's biophysical indicators can be transmitted to the backend of any electronic device (mobile phone, tablet, neo-laptop, etc.), be built into the smart home system, transmitted and stored in a virtual cloud.
  • any electronic device mobile phone, tablet, neo-laptop, etc.
  • the processing unit includes a central processor, modules for analog processing of the output signals of the piezo-sensitive tape and a tape bend sensor, and the modules for analog processing of the output signals of the piezo-sensitive tape and the tape bend sensor are connected to the central processor and the input to the analog-to-digital converter.
  • a rechargeable battery (ABA) is built into the processor unit.
  • the processor unit has a USB port for supplying a 5 V supply voltage.
  • an accelerometer is integrated into the processing unit.
  • FIG. 1 Volumetric model of a fragment of a double mattress with an installed device for recording human biophysical parameters during sleep, where 1 - a block of sensitive sensors, 2 - a processing block; fig. 2 - Option for placing blocks of sensitive sensors on a double mattress, top view, where 1 - block of sensitive sensors; fig. 3 - Classification of areas of the human body according to the size of the mattress.
  • a device for recording biophysical parameters of a person during sleep includes: a block of sensitive sensors, including at least one piezosensitive tape and at least one tape bend sensor; a processor unit, which includes: a central processing unit (CPU), which is a highly integrated microcircuit, analog signal processing modules of the declared sensitive sensors, a storage battery (battery), an accelerometer, and a radio modem.
  • CPU central processing unit
  • a storage battery battery
  • an accelerometer and a radio modem.
  • a piezo sensitive tape preferably from TE Connectivity, is made of PVDF and is used to detect the three main metrics of the device: heart rate, respiration rate and sleep phase (product name Sleep Monitor Strips).
  • the principle of operation of the piezo-sensitive tape is that when it is placed on the surface or inside the mattress, in the case when the tape is subjected to dynamic influences (respiratory movements, heart beats, body movements) from the user, an electric charge is generated proportional to the intensity of the impacts.
  • the total thickness of the strip is about 50 microns, which makes it extremely flexible and completely invisible when placed under the body.
  • Heartbeat and respiration are the most important physiological processes, the parameters of which determine the state of human health.
  • the pulse and breathing rates should be in a certain range, including during sleep.
  • Continuous monitoring of these indicators makes it possible to detect potential health problems and make recommendations for adjusting diet, lifestyle, or warning the person to see a doctor.
  • Such measures allow timely diagnosis of serious diseases, such as nocturnal orthopnea, snoring, cardiovascular diseases, diseases of the nervous system (panic attacks, restless legs syndrome), sleep disturbances and timely treatment.
  • information about the position of a person in a dream can identify or prevent diseases of the spine (for example, cervicothoracic osteochondrosis) in the early stages.
  • the bend sensor is a passive, preferably multi-channel, tape bend sensor manufactured by Flexpoint (Bend Sensor) and is designed to obtain information about the user's sleeping position.
  • the proposed bending sensor is a tape - a film based on polyamide, in which sensing elements are built in, changing their resistance as the bending radius of the tape changes.
  • the position in a dream is understood as a horizontal position of the body on the bed that is stable in time, which is also called posture.
  • posture There are four basic postures: on the back, on the left side, on the right side, on the stomach.
  • a flex sensor in a product and knowledge of sleeping positions has several practical applications: when the device is first connected, the flex sensor provides interactive information about which side of the bed the user is on, thereby linking the mobile application to the device; using the bend sensor, it is supposed to determine the number of night rises, which is the initial information for calculating more general metrics; in medical practice, there is an opinion that not every posture is harmless in terms of the effect on the spine and internal organs, therefore, knowledge about postures will allow users to be advised to take a more correct position in sleep.
  • the choice of the declared tape sensors for use in the proposed device for determining the indicators of respiration and heartbeat, movements and postures during sleep due to their advantages over other sensors used for this purpose (eg piezodiscs, MEMS sensors, pressure sensors, point sensors).
  • the advantages include a large coverage area (it is convenient to stretch the tape sensor through the entire mattress), the absence of discomfort and inconvenience for the user (the tape with sensors is practically not felt), the absence of any negative radiation on the user's body, less labor-intensive and energy-consuming algorithms for processing output signals .
  • tape bend sensors allows you to most accurately record the movements and postures of the user during sleep.
  • the accelerometer provides an opportunity not only to measure the acceleration along the three axes of Cartesian coordinates, but also to implement its own simple logic, for example, tracking the excess of the acceleration threshold along one or several axes. The result of such tracking is the formation of a logic level at a special output of the accelerometer chip.
  • the central processing unit CPU
  • the central processing unit can turn off the most energy-consuming components of the system, such as analog signal processing modules of the declared sensitive sensors and wait for a signal from the accelerometer, which will work at the moment when the user lies on the mattress.
  • the proposed device operates as follows.
  • the block of sensitive sensors for converting user movements into an analog electrical signal consists of a piezo-sensitive tape and a tape bend sensor.
  • the piezo-sensitive tape reacts to the user's micro-movements (respiratory movements, heart beats, body movements) and generates an electrical signal at the output proportional to the intensity of the corresponding influences, and then the electrical signal enters the processor unit, where the processes of matching, filtering and signal amplification take place.
  • the bend sensor made in the form of a passive multi-channel tape sensor with built-in sensing elements, reacts to the pressure exerted by the user on the mattress, and forms resistance at the outputs, and the resistance changes as the radius of the bend of the tape changes. Then the output signals of the bend sensor are sent to the processor unit for the purpose of their switching.
  • the accelerations along the three Cartesian axes are converted into a digital code, then the output code enters the central processing unit (CPU) of the processor unit.
  • CPU central processing unit
  • the output signals are sent to the central processing unit (CPU), where they are digitally processed using an analog-to-digital converter (ADC).
  • CPU central processing unit
  • ADC analog-to-digital converter
  • the digitized signals are then transmitted to an electronic device (such as a smartphone) using a wireless communication module built into the central processing unit (CPU).
  • the wireless module is a 2.4 GHz radio modem that supports Bluetooth Low Energy technology.
  • Interaction is based on a client-server methodology, where the server is a peripheral device, and the client is a mobile application.
  • the peripheral device implements the so-called services - logically separate information entities, including at least one characteristic, through which data is directly exchanged.
  • the processing unit includes a central processing unit (CPU), which is also associated with the following elements: non-volatile memory, which is a storage device in the form of a digital microcircuit designed to store system and/or user information; low-frequency quartz resonator - an electronic component - an additional source of clocking for the central processor, necessary for the operation of a real-time clock; elements that determine the configuration of the mattress: a set of two resistors, the installation of one of which determines the type of mattress (single or double), a set of two resistors, the installation of one of which determines the side of the mattress to which the device is tied at the factory (left or right); an indicator element controlled by the central processing unit (CPU) and designed to signal various statuses of the device; non-latching mechanical button designed for various user actions (calibration, hardware reset, etc.).
  • CPU central processing unit
  • the device has the ability to work both from a rechargeable battery (ACB), which ensures autonomous operation of the device, and from an external source, and switching the power supply of the device from the battery to an external power source and vice versa (depending on whether an external source is connected) is carried out due to a special unit .
  • ACB rechargeable battery
  • the charge is carried out at the expense of the charger (charger), to the status output of which an indicator element is connected, displaying the status of the charge.
  • the low voltage supply (5 V) for charging the built-in battery is provided via the USB port.
  • the analog signal goes through three stages of processing: matching - converting the charge generated by the sensor into an electrical voltage; anti-aliasing filtering to eliminate the effect of aliasing; amplification to increase the dynamic range of the signal.
  • the signal from the piezo-sensitive tape is fed to the pre-processing unit of the processor unit with zero gain.
  • the signal From the output of the pre-processing block, the signal enters the filtering block.
  • the filtering unit is built on the basis of an active second-order filter according to the Sallen-Key scheme and is designed to suppress components with frequencies above 15 Hz in the output signal spectrum, which can significantly reduce the effect of network interference on the signal and eliminate the effect of aliasing. Because the filter has zero gain, it does not require a voltage reference. After filtering, the signal enters the amplification unit, designed to expand the dynamic range of the useful signal.
  • the block is built on the basis of a non-inverting amplifier circuit based on an operational amplifier. Since the block input signal is biased, the feedback circuit is connected to the reference voltage.
  • the signal is fed to the input of an analog-to-digital converter (ADC) built into the central processing unit (CPU). Further signal processing is performed by digital methods.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the bend sensor is connected to a pre-processing unit that converts the resistance of the segments into electrical voltage.
  • the block is implemented on the basis of a voltage divider, the number of which is determined by the number of sensor channels.
  • the signals enter the channel switching unit, which is an analog multiplexer that switches the signal from several inputs to one output in accordance with the state of the address inputs, which are set by the central processing unit (CPU).
  • the channel switching unit which is an analog multiplexer that switches the signal from several inputs to one output in accordance with the state of the address inputs, which are set by the central processing unit (CPU).
  • the signal From the output of the switching unit, the signal enters the matching unit, implemented according to the voltage follower circuit on the operational amplifier. After that, the signal is fed to an analog-to-digital converter (ADC) built into the central processing unit (CPU).
  • ADC analog-to-digital converter
  • the signals of the used sensitive sensors are digitally processed using an ADC built into the central processing unit (CPU).
  • CPU central processing unit
  • the signals go through several stages: a digital IIR (infinite impulse response filter) low-pass filter to suppress the pulse signal and isolate the respiration signal; calculation of the respiration spectrum by the fast Fourier transform (FFT) method in a window of 4096 points and calculation of its frequency from the maximum of the spectral component; digital IIR high-pass filter for respiration suppression; decomposition into experimental modes (according to the EEMD method), as a result of which the signal is decomposed into several components (modes).
  • FFT fast Fourier transform
  • the rejection criterion is going beyond the threshold equal to the average value in the specified window of 10 points. If the change in the current value modulo exceeds the threshold by 3 units, then the value is replaced by the average.
  • the first step is implemented in the processor unit of the proposed device, and the second step - on the side of the mobile application.
  • the user has the opportunity to receive information about the indicators of the pulse rate and respiratory rate during sleep, and the device performs the function of alerting the user about the critical values of these indicators, for example, the pulse rate.
  • the algorithm for determining sleep phases is based on data from a piezo-sensitive tape and involves counting movements per unit of time. If the signal of the piezo-sensitive tape exceeds a certain threshold, which occurs only during movements, then the movement is detected. The intensity of movement is the higher, the longer the signal of the piezo-sensitive tape is below the threshold value.
  • the signal from the ADC samples is converted into resistance in accordance with the voltage divider formula.
  • all sensor channels are periodically polled and measured values are stored in non-volatile memory, after which the data is transferred to a mobile application for further processing.
  • Preferred applications of the proposed device are as follows.
  • the device has the ability to be built into mattresses of various configurations, in particular single, double, children's, and various options for placing the declared sensitive sensors are possible and their variation in number (coordination with mattress manufacturers) and modifications (coordination with companies producing sensitive sensors) is possible. ).
  • tape sensors in the form of thin films are used.
  • FIG. 2 An embodiment of the integration of the proposed device into a double mattress is shown in Fig. 2, where it is shown that the blocks of sensitive sensors (1) are made as independent blocks for each bed.
  • processor units for each sensor unit, or it can be made in one housing with two sensor units connected.
  • the sensors are placed in a technical case and placed on a mattress.
  • the device is integrated into the mattress during manufacture.
  • the piezo-sensitive tape and the tape bend sensor can be glued together using an adhesive layer.
  • Declared sensitive sensors in the form of tapes are connected to the processor unit, which consists of a plastic case, which houses the printed circuit board, battery, radio modem, and is located on the side of the mattress.
  • the piezo-sensitive tape can be located in the three upper zones: the zone of the head, chest and lower back (Fig. 3). The most distinct signal is expressed in the region of the head and chest zones.
  • the piezo-sensitive tape can be located on the surface of the mattress, inside or under it. At the same time, if the sensor is located under the mattress, it is required to provide (select) such parameters of the analog signal processing module of the sensor that will provide the necessary signal level at the input of the central processing unit (CPU). *
  • the flex sensor is placed on the mattress in the area of the user's chest.
  • the most preferred variant is the transverse arrangement of the sensors, when both sensors are located across the mattress in the chest area, and the processor unit is installed on the side of the mattress (Fig. 1).

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)

Abstract

The invention relates to devices for recording and monitoring biophysical variables during sleep, which are designed for integration into mattresses for the purpose of improving sleep quality. The present device comprises a unit of sensitive sensors for converting the movements of a user into an analog electrical signal, and a processing unit consisting of a housing, a printed circuit board and a rechargeable battery. The unit of sensitive sensors consists of at least one piezoelectric sensor, and at least one bend sensor. The piezoelectric sensor is configured in the form of a piezosensitive film and is intended to record the pulse rate, respiratory rate and movements of a user during sleep (to identify a sleep phase). The bend sensor is configured in the form of a passive multichannel sensor strip comprised of a polyamide-based film with built-in sensitive elements, the resistance of which varies in accordance with the bend radius of the strip. The bend sensor is intended to identify the positions of the user during sleep and the number of nocturnal awakenings. The processing unit is configured for analog and digital processing of the output signals of the claimed sensitive sensors. The device wirelessly transmits information to an electronic device.

Description

Устройство регистрации биофизических показателей человека в течение сна Device for recording human biophysical parameters during sleep
Полезная модель относится к устройствам регистрации и мониторинга наиболее важных биофизических показателей человека в течение сна, а именно, к устройствам с возможностью встраивания в матрасы различной конфигурации на этапе производства с целью отслеживания различных биофизических показателей человека во время сна и повышения качества сна. The utility model relates to devices for recording and monitoring the most important biophysical parameters of a person during sleep, namely, to devices that can be built into mattresses of various configurations at the production stage in order to monitor various biophysical parameters of a person during sleep and improve sleep quality.
В настоящее время широко представлены интеллектуальные системы, встраиваемые в матрасы, оснащенные специальными чувствительными датчиками, позволяющие собирать первичную информацию о сне, а именно, отслеживать частоту сердечного ритма, частоту дыхания, температуру тела, положение позы во сне, контролировать фазы сна, анализировать полученную информацию и предлагать рекомендации по улучшению качества сна. Currently, there are widely represented intelligent systems embedded in mattresses equipped with special sensitive sensors that allow you to collect primary information about sleep, namely, monitor heart rate, breathing rate, body temperature, posture position in sleep, control sleep phases, analyze the information received. and offer recommendations to improve the quality of sleep.
Из уровня техники известны следующие технические решения. The following technical solutions are known from the prior art.
Известно устройство бесконтактной регистрации показателей жизнедеятельности пациента в непрерывном режиме в состоянии лежа (патент RU 2698441), включающее в себя корпус, выполненный в виде пластмассовой литой формы и фиксирующийся к кровати пациента, контроллер, расположенный непосредственно в корпусе, и сенсор, представленный пьезоэлектрическим датчиком семейства EmfitR-Series, размещающийся в чехле, который фиксируется к кровати под матрасом в районе лопаток пациента. Контролер включает в себя усилители сигналов (У1) и (У 2) и устройство регистрации сигнала (УРС) при включении питания соединяющееся с облачным сервисом при помощи защищенного соединения SSL и на уровне прикладного протокола передачи данных в непрерывном режиме передающее в облачное приложение показатели жизнедеятельности, такие как частота пульса в минуту, частота дыхания в минуту, индекс гемодинамической активности, индекс двигательной активности, интерваллограмма. При этом сенсор соединен с усилителем (У1) коаксиальным кабелем. A device for non-contact recording of the patient's vital signs in continuous mode in the supine state is known (patent RU 2698441), which includes a housing made in the form of a plastic mold and fixed to the patient's bed, a controller located directly in the housing, and a sensor represented by a piezoelectric sensor of the family EmfitR-Series, housed in a cover that is fixed to the bed under the mattress in the area of the patient's shoulder blades. The controller includes signal amplifiers (U1) and (U 2) and a signal recording device (URS), when the power is turned on, connecting to the cloud service using a secure SSL connection and continuously transmitting vital signs to the cloud application at the level of the application data transfer protocol, such as pulse rate per minute, respiratory rate per minute, hemodynamic activity index, motor activity index, intervalogram. In this case, the sensor is connected to the amplifier (U1) by a coaxial cable.
Особенностью данного устройства является то, что оно относится к медицинской технике и прежде всего направлено на непрерывный мониторинг состояния здоровья больных людей и детей, находящихся под медицинским наблюдением. Поэтому специфика данного технического не позволяет применять данное устройство широкому кругу потребителей. A feature of this device is that it refers to medical technology and is primarily aimed at continuous monitoring of the health of sick people and children under medical supervision. Therefore, the specificity of this technical does not allow the use of this device by a wide range of consumers.
Известно техническое решение, представляющее собой электрическую кровать (патент RU 2722634), включающую в себя модуль отслеживания, установленный на верхней части корпуса кровати, и модуль беспроводной связи. Модуль отслеживания выполнен с возможностью определения таких параметров, как температура тела, частота сердечных сокращений, частота дыхательных движений, интенсивность храпа, интенсивность дыхания, количество случаев ворочания и ерзания в кровати. A technical solution is known, which is an electric bed (patent RU 2722634), which includes a tracking module installed on the top of the bed body, and a wireless communication module. The tracking module is configured to determine such parameters as body temperature, heart rate, respiratory rate, snoring intensity, respiration rate, number of cases of tossing and fidgeting in bed.
С модуля отслеживания информация о показателях жизнедеятельности пользователя поступает на модуль беспроводной связи, выполненный с возможностью отсылки данных отслеживания на сервер, при этом сервер принимает установочный сигнал, посылаемый терминальным устройством (например, гаджетом), и посылает сигнал тревоги, когда данные отслеживания выходят за пределы пороговых значений, заданных в установочном сигнале, при этом модуль беспроводной связи выполнен с возможностью приема данных о состоянии электрической кровати и отсылки указанных данных на сервер. From the tracking module, information about the user's vital signs goes to the wireless communication module, configured to send the tracking data to the server, while the server receives the setting signal sent by the terminal device (for example, a gadget), and sends an alarm when the tracking data goes beyond threshold values specified in the setting signal, wherein the wireless communication module is configured to receive data on the state of the electric bed and send said data to the server.
Факт того, что техническое решение представляет собой электрическую кровать с возможностью формирования сигнала о тревожных показателях жизнедеятельности пользователя, позволяет сделать вывод, что его использование в основном предпочтительно в медицинских учреждениях и не рассчитано на широкий круг потребителей. The fact that the technical solution is an electric bed with the ability to generate a signal about the user's alarming vital signs allows us to conclude that its use is mainly preferable in medical institutions and is not designed for a wide range of consumers.
Известна система мониторинга биофизических показателей человека в течение сна (патент US2019380653), представляющая собой «интеллектуальный» матрас, в который встроены один или несколько датчиков силы для обнаружения движений (дыхательные движения, удары сердца, движения тела) и определения поз пользователя во время сна. Дополнительно в матрас могут встраиваться датчики температуры и влажности (потоотделения) тела пользователя. A system for monitoring the biophysical parameters of a person during sleep is known (patent US2019380653), which is an "intelligent" mattress in which one or more force sensors are built in to detect movements (respiratory movements, heart beats, body movements) and determine the user's posture during sleep. Additionally, sensors for temperature and humidity (sweating) of the user's body can be built into the mattress.
В случае двуспальной конфигурации матраса, датчики разделены на два набора, каждый из которых связан с соответствующей стороной матраса (левой и правой), при этом каждый набор датчиков предназначен для получения данных, связанных с одним пользователем. In the case of a double mattress configuration, the sensors are divided into two sets, each of which is associated with the corresponding side of the mattress (left and right), with each set of sensors designed to receive data associated with one user.
В одном из альтернативных вариантов, набор датчиков силы размещается на соответствующей стороне матраса (левой и правой) следующим образом: три датчика силы в районе головы/грудной клетки пользователя, три датчика силы в районе поясницы пользователя, три датчика силы в районе ног пользователя. In one alternative, a set of force sensors is placed on the respective side of the mattress (left and right) as follows: three force sensors in the user's head/chest region, three force sensors in the user's waist region, three force sensors in the user's legs.
Набор датчиков для каждого пользователя подключается к соответствующему ему микроконтроллеру. В свою очередь, микроконтроллеры подключаются к главному процессору. Данные о биофизических показателях пользователя передаются с помощью модуля беспроводной связи, связанного с главным процессором, причем модуль связи может быть выполнен с возможностью передачи данных через беспроводной Wi-Fi, Bluetooth, 3G, 4G или Long Term Evolution (LTE). A set of sensors for each user is connected to the corresponding microcontroller. In turn, microcontrollers are connected to the main processor. The user's biophysical data is transmitted via a wireless communication module associated with the main processor, and the communication module can be configured to transmit data via wireless Wi-Fi, Bluetooth, 3G, 4G or Long Term Evolution (LTE).
Недостатком данного технического решения является то, что предлагаемый вариант размещения датчиков силы не обеспечивает достаточное покрытие спальной зоны, что может привести к проблеме пропадания сигнала при перемещении пользователя по матрасу в течение сна. А также применение датчиков силы для определения поз пользователя во сне обеспечивает высокую точность только при распределении большого количества датчиков силы по матрасу с целью построения карты распределения давлений, что может привести к повышенной трудоемкости и энергозатратности алгоритмов обработки сигналов и может оказать негативное влияние на свойства матраса, причинить дискомфорт пользователю. The disadvantage of this technical solution is that the proposed placement of force sensors does not provide sufficient coverage of the sleeping area, which can lead to the problem of signal loss when the user moves on the mattress during sleep. Also, the use of force sensors to determine the user's postures in a dream provides high accuracy only when a large number of force sensors are distributed over the mattress in order to build a pressure distribution map, which can lead to increased labor intensity and energy consumption of signal processing algorithms and can have a negative impact on the properties of the mattress, cause discomfort to the user.
Известна система мониторинга биофизических показателей человека в течение сна, позволяющая определять частоту пульса и дыхания пользователя, фазу сна и регистрировать движения пользователя во сне (патент US2016015315). Known system for monitoring the biophysical parameters of a person during sleep, which allows you to determine the pulse rate and respiration of the user, the phase of sleep and record the movements of the user during sleep (patent US2016015315).
Система состоит из процессорного устройства, расположенного около кровати пользователя, сенсорного блока, встроенного в кровать пользователя и блока управления. The system consists of a processor unit located near the user's bed, a sensor unit built into the user's bed, and a control unit.
Сенсорный блок включает в себя электронный блок и чувствительный модуль, включающий в себя датчики для определения изменения давления, создаваемого телом пользователя (например, пьезоэлектрические и пьезорезисторные датчики) и дополнительно датчики для определения температуры тела пользователя. В приоритетном варианте исполнения, чувствительный модуль выполнен в виде «подушки», расположенной на матрасе или под ним в районе грудной клетки пользователя. The sensor unit includes an electronic unit and a sensing module including sensors for detecting changes in pressure generated by the user's body (eg, piezoelectric and piezoresistive sensors) and additionally sensors for detecting the temperature of the user's body. In the preferred embodiment, the sensing module is made in the form of a "cushion" located on the mattress or under it in the area of the user's chest.
Данные о пользователе с чувствительного модуля могут передаваться через электронный модуль на процессорное устройство через BlueTooth, Wi-Fi или другие подходящие беспроводные средства. В качестве альтернативы связь может быть проводной с соединением сенсорного блока с процессорным модулем с помощью провода и USB-портов. User data from the sensing module may be transmitted via the electronic module to the processing device via BlueTooth, Wi-Fi or other suitable wireless means. Alternatively, communication can be wired, with the sensor unit connected to the processor module using wire and USB ports.
Процессорное устройство может содержать следующие компоненты: микрофон для регистрации и записи звуков, окружающих пользователя, датчик света для определения уровня освещенности помещения, датчик температуры для определения температуры окружающей среды и датчик качества воздуха. Заявленные датчики подключаются к блоку управления, выполненному с возможностью обработки и хранения информации, полученных от заявленных датчиков. А также процессорное устройство включает в себя источник света и динамик для реализации световой и звуковой программы соответствующей определенной фазе сна пользователя, направленной на обеспечение качественного сна. The processing device may include the following components: a microphone to detect and record sounds surrounding the user, a light sensor to determine the level of illumination of the room, a temperature sensor to determine the ambient temperature, and an air quality sensor. Declared sensors connected to the control unit, configured to process and store information received from the declared sensors. Also, the processor device includes a light source and a speaker for implementing a light and sound program corresponding to a certain phase of the user's sleep, aimed at providing quality sleep.
В альтернативном варианте данные о пользователе с сенсорного блока могут передаваться на мобильный терминал (например, смартфон), с которого можно управлять процессорным устройством с помощью специального установленного приложения. Alternatively, the user data from the sensor unit can be transmitted to a mobile terminal (eg, smartphone) from which the processor device can be controlled using a specially installed application.
В случае двуспальной конфигурации кровати для каждого пользователя предусматривается свой сенсорный блок, с которого информация о показателях поступает на процессорное устройство, выполненное с возможностью получения и обработки двух наборов данных. In the case of a double bed configuration, each user is provided with their own sensor unit, from which information about the indicators is sent to the processor device, which is configured to receive and process two sets of data.
Недостатком данного технического решения является то, что при эксплуатации предложенной системы мониторинга сна, процессорное устройство устанавливается около кровати, в частности на прикроватной тумбочке, что может быть несколько неудобным для пользователей, а в случае проводной связи с сенсорным блоком доставлять дискомфорт. А также в данном техническом решении не раскрыта его возможность определять положения человека во сне с помощью заявленных датчиков давления. The disadvantage of this technical solution is that during the operation of the proposed sleep monitoring system, the processor device is installed near the bed, in particular on the bedside table, which may be somewhat inconvenient for users, and in the case of wired communication with the sensor unit, cause discomfort. And also in this technical solution, its ability to determine the position of a person in a dream using the claimed pressure sensors is not disclosed.
Известно устройство (патент CN110652303) для мониторинга сердцебиения, дыхания и состояния движения тела человека, состоящее из сенсорных модулей, микропроцессорного блока, блока связи и блока питания USB. A device (patent CN110652303) is known for monitoring heartbeat, respiration and the state of movement of the human body, consisting of sensor modules, a microprocessor unit, a communication unit and a USB power supply unit.
Каждый из сенсорных модулей включает в себя пьезоэлектрический керамический датчик и блок усиления и фильтрации сигналов (в предпочтительном варианте, пять сенсорных блоков в области головы, пять сенсорных блоков в области грудного отдела). Each of the sensor modules includes a piezoelectric ceramic sensor and a signal amplification and filtering unit (in the preferred embodiment, five sensor units in the head area, five sensor units in the thoracic region).
Сигналы от каждого пьезоэлектрического керамического датчика поступают на блок усиления и фильтрации сигналов с целью завершения усиления и фильтрации исходных сигналов жизненно важных показателей человека, затем поступают на микропроцессорный блок, где происходит обработка сигналов и завершается анализ и обработка данных по усиленным и отфильтрованным сигналам, а затем данные о показателях поступают на блок связи. Информация с блока связи передается на сервер или мобильный терминал через проводной Ethernet или беспроводной Wi-Fi, Bluetooth, 2G или 4G. Блок питания USB подает питание на каждый блок через USB-адаптер. The signals from each piezoelectric ceramic sensor are sent to the signal amplification and filtering unit in order to complete the amplification and filtering of the original signals of human vital signs, then they are sent to the microprocessor unit, where the signal processing takes place and the analysis and processing of data on the amplified and filtered signals is completed, and then data on the indicators are sent to the communication unit. Information from the communication unit is transmitted to the server or mobile terminal via wired Ethernet or wireless Wi-Fi, Bluetooth, 2G or 4G. The USB power supply supplies power to each unit via the USB adapter.
Недостатками данного устройства является то, что использование датчиков данного типа с предложенным вариантом их распределения по матрасу могут ухудшать характеристики и свойства матраса и причинять дискомфорт пользователю, а также устройство не позволяет регистрировать положение человека во сне. The disadvantages of this device is that the use of sensors of this type with the proposed option for their distribution over the mattress can worsen the characteristics and properties of the mattress and cause discomfort to the user, and the device does not allow registering the position of a person in a dream.
Известен матрас для мониторинга параметров дыхания и сердцебиения человека (патент US2003045806), включающий в себя множество пьезоэлектрических датчиков (от трех до девяти), выполненных в виде пьезоэлектрической пленки из полиамида. В альтернативном варианте осуществления данного технического решения указанные пьезоэлектрические элементы сформированы как единое целое из единого композитного листа пьезоэлектрического материала. Known mattress for monitoring the parameters of respiration and heartbeat of a person (patent US2003045806), which includes many piezoelectric sensors (from three to nine), made in the form of a piezoelectric film of polyamide. In an alternative embodiment of this technical solution, said piezoelectric elements are integrally formed from a single composite sheet of piezoelectric material.
Вычислительный блок, соединенный с датчиками, принимает и обрабатывает выходные сигналы для получения диагностических переменных таких как, частота дыхания, фаза дыхания, частота сердечных сокращений, движения тела человека. The computing unit, connected to the sensors, receives and processes the output signals to obtain diagnostic variables such as respiratory rate, respiratory phase, heart rate, human body movements.
Данное техническое решение направлено прежде всего на мониторинг параметров дыхания и сердцебиения людей, страдающих респираторным синдромом, поэтому не предусматривает его использование среди широкого круга потребителей. А также встраивание в матрас множества пьезоэлектрических пленок достаточно трудоемкий процесс, а применение множества чувствительных датчиков может привести к усложнению алгоритмов обработки сигналов. К тому же с помощью пьезоэлектрических датчиков невозможно получить информацию о положении и позе человека на матрасе. This technical solution is aimed primarily at monitoring the parameters of breathing and heartbeat of people suffering from respiratory syndrome, therefore, it does not provide for its use among a wide range of consumers. And also, embedding a plurality of piezoelectric films into a mattress is a rather laborious process, and the use of a plurality of sensitive sensors can lead to the complication of signal processing algorithms. In addition, using piezoelectric sensors, it is impossible to obtain information about the position and posture of a person on a mattress.
Данное техническое решение является наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели и может выступать в качестве прототипа. This technical solution is the closest analogue to the claimed utility model and can act as a prototype.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание устройства для комплексного мониторинга важных биофизических показателей человека в течение сна для широкого круга пользователей с возможностью его встраивания в матрасы различной конфигурации при обеспечении высокой точности определения показателей дыхания, сердцебиения, фаз сна и положения человека во сне, при этом не ухудшая характеристики и свойства матраса. The task to be solved by this utility model is to create a device for comprehensive monitoring of important biophysical parameters of a person during sleep for a wide range of users with the possibility of embedding it in mattresses of various configurations while ensuring high accuracy in determining breathing, heart rate, sleep phases and human position. while sleeping, without compromising the characteristics and properties of the mattress.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении высокой точности определения важных биофизических показателей человека во время сна при отсутствии негативного воздействия на характеристики и свойства матраса и при обеспечении компактности устройства и снижении трудоемкости его встраивания в матрасы различной конфигураций. The technical result of the proposed utility model is to ensure high accuracy in determining the important biophysical parameters of a person during sleep in the absence of a negative impact on the characteristics and properties of the mattress and while ensuring the compactness of the device and reducing the complexity of its embedding in mattresses of various configurations.
Технический результат достигается при использовании устройства регистрации биофизических показателей человека в течение сна, включающее в себя чувствительные датчики, подключенные к процессорному блоку, отличающегося тем, что в качестве датчиков используются пьезочувствительная лента и ленточный датчик изгиба. The technical result is achieved by using a device for recording human biophysical indicators during sleep, which includes sensitive sensors connected to the processor unit, characterized in that a piezo-sensitive tape and a tape bend sensor are used as sensors.
Указанные датчики используются для определения четырех биофизических показателей человека в течение сна, в частности: частоты пульса, частоты дыхания, стадии сна и положения во сне. Специалисту в данной области техники очевидно, что посредством данных датчиков можно снимать и другие показатели, такие как регулярность засыпания, определении веса, храпе и любых других характеристик известных из уровня техники. These sensors are used to determine four biophysical indicators of a person during sleep, in particular: pulse rate, respiratory rate, sleep stage and position in sleep. It will be apparent to a person skilled in the art that other indicators such as regularity of falling asleep, weight determination, snoring and any other characteristics known from the prior art can be taken by means of these sensors.
За счет определения частоты пульса, частоты дыхания, стадии сна и положения во сне (и других показателей) анализируются характеристики сна, что позволяет корректировать различные сферы жизни с целью повышения качества сна пользователя системы и как следствие - улучшение качества жизни. Для достижения поставленной цели система с помощью устройства и встроенных датчиков собирает первичную информацию о сне и на ее основе выдает рекомендации в части рациона питания, физической активности и образа жизни в целом и прочее. By determining the pulse rate, respiratory rate, sleep stage and position in a dream (and other indicators), sleep characteristics are analyzed, which allows you to adjust various areas of life in order to improve the quality of sleep of the system user and, as a result, improve the quality of life. To achieve this goal, the system, using the device and built-in sensors, collects primary information about sleep and, based on it, issues recommendations regarding diet, physical activity and lifestyle in general, and so on.
В предпочтительном варианте реализации устройства передача информации о биофизических показателях пользователя осуществляется на электронное устройство беспроводным способом с помощью радиомодема через BlueTooth, Wi-Fi или другие подходящие беспроводные средства. In a preferred embodiment of the device, the user's biophysical information is transmitted wirelessly to the electronic device using a radio modem via BlueTooth, Wi-Fi, or other suitable wireless means.
Информация о биофизических показателях пользователя может передаваться на бэкэнд любого электронного средства (мобильный телефон, планшет, неоутбук и пр.), быть встроена в систему умного дома, передаваться и храниться в виртуальном облаке. Information about the user's biophysical indicators can be transmitted to the backend of any electronic device (mobile phone, tablet, neo-laptop, etc.), be built into the smart home system, transmitted and stored in a virtual cloud.
Процессорный блок включает центральный процессор, модули аналоговой обработки выходных сигналов пьезочувствительной ленты и ленточного датчика изгиба, причем модули аналоговой обработки выходных сигналов пьезочувствительной ленты и ленточного датчика изгиба связаны с центральным процессором и входом на аналогово-цифровой преобразователь. The processing unit includes a central processor, modules for analog processing of the output signals of the piezo-sensitive tape and a tape bend sensor, and the modules for analog processing of the output signals of the piezo-sensitive tape and the tape bend sensor are connected to the central processor and the input to the analog-to-digital converter.
В другом предпочтительном варианте реализации устройства, в процессорный блок встроена аккумуляторная батарея (АБК). В другом предпочтительном варианте реализации устройства процессорный блок имеет USB-порт для подачи питающего напряжения 5 В. In another preferred embodiment of the device, a rechargeable battery (ABA) is built into the processor unit. In another preferred embodiment of the device, the processor unit has a USB port for supplying a 5 V supply voltage.
В другом предпочтительном варианте реализации устройства, в процессорный блок встроен акселерометр. In another preferred embodiment of the device, an accelerometer is integrated into the processing unit.
Далее полезная модель будет описана по ссылкам на чертежи: фиг. 1 - Объёмная модель фрагмента двуспального матраса с установленным устройством регистрации биофизических параметров человека в течение сна, где 1 - блок чувствительных датчиков, 2 - процессорный блок; фиг. 2 - Вариант размещений блоков чувствительных датчиков на двуспальном матрасе, вид сверху, где 1 -блок чувствительных датчиков; фиг. 3 - Классификация зон человеческого тела в соответствии с размером матраса. The utility model will now be described with reference to the drawings: FIG. 1 - Volumetric model of a fragment of a double mattress with an installed device for recording human biophysical parameters during sleep, where 1 - a block of sensitive sensors, 2 - a processing block; fig. 2 - Option for placing blocks of sensitive sensors on a double mattress, top view, where 1 - block of sensitive sensors; fig. 3 - Classification of areas of the human body according to the size of the mattress.
Устройство для регистрации биофизических показателей человека в течение сна включает в себя: блок чувствительных датчиков, включающий в себя, по крайней мере, одну пьезочувствительную ленту и, по край ней мере, один ленточный датчик изгиба; процессорный блок, включающий в себя: центральный процессор (ЦП), представляющий собой высокоинтегрированную микросхему, модули аналоговой обработки сигналов заявленных чувствительных датчиков, аккумуляторную батарею (АКБ), акселерометр, а также радиомодем. A device for recording biophysical parameters of a person during sleep includes: a block of sensitive sensors, including at least one piezosensitive tape and at least one tape bend sensor; a processor unit, which includes: a central processing unit (CPU), which is a highly integrated microcircuit, analog signal processing modules of the declared sensitive sensors, a storage battery (battery), an accelerometer, and a radio modem.
Пьезочувствительная лента предпочтительно компании-производителя ТЕ Connectivity выполнена из ПВДФ, и используется для определения трех основных метрик устройства: частоты пульса, частоты дыхания и фазы сна (наименование продукта Sleep Monitor Strips). A piezo sensitive tape, preferably from TE Connectivity, is made of PVDF and is used to detect the three main metrics of the device: heart rate, respiration rate and sleep phase (product name Sleep Monitor Strips).
Принцип действия пьезочувствительной ленты заключается в том, что при ее размещении на поверхности или внутри матраса в случае, когда лента подвергается динамическим воздействиям (дыхательные движения, удары сердца, движения тела) со стороны пользователя, генерируется электрический заряд, пропорциональный интенсивности воздействий. The principle of operation of the piezo-sensitive tape is that when it is placed on the surface or inside the mattress, in the case when the tape is subjected to dynamic influences (respiratory movements, heart beats, body movements) from the user, an electric charge is generated proportional to the intensity of the impacts.
Общая толщина полосы составляет около 50 микрон, что делает ее чрезвычайно гибкий и совершенно незаметный при размещении под телом. The total thickness of the strip is about 50 microns, which makes it extremely flexible and completely invisible when placed under the body.
Сердцебиение и дыхание - это важнейшие физиологические процессы, параметры которых определяют состояние здоровья человека. У здорового человека частота пульса и дыхания должны находиться в определенном диапазоне, в том числе во время сна. Непрерывный контроль за этими показателями позволяют детектировать потенциальные проблемы со здоровьем и сделать рекомендации по корректировке рациона питания, образа жизни или предупредить человека о необходимости обращения к врачу. Такие меры позволяют своевременно диагностировать серьезные заболевания, такие как ночное ортопноэ, храп, сердечно-сосудистые заболевания, заболевания нервной системы (панические атаки, синдром «беспокойных ног»), нарушение сна и своевременно преступать к их лечению. А также, информация о положении человека во сне может на ранних стадиях выявить или предотвратить заболевания позвоночника (например, шейно-грудной остеохондроз). Heartbeat and respiration are the most important physiological processes, the parameters of which determine the state of human health. In a healthy person, the pulse and breathing rates should be in a certain range, including during sleep. Continuous monitoring of these indicators makes it possible to detect potential health problems and make recommendations for adjusting diet, lifestyle, or warning the person to see a doctor. Such measures allow timely diagnosis of serious diseases, such as nocturnal orthopnea, snoring, cardiovascular diseases, diseases of the nervous system (panic attacks, restless legs syndrome), sleep disturbances and timely treatment. And also, information about the position of a person in a dream can identify or prevent diseases of the spine (for example, cervicothoracic osteochondrosis) in the early stages.
Датчик изгиба - пассивный, предпочтительно многоканальный, ленточный датчик изгиба компании-производителя Flexpoint (датчик Bend Sensor) и предназначен для получения информации о положении пользователя во сне. Предлагаемый датчик изгиба представляет собой ленту - пленку на основе полиамида, в которую встроены чувствительные элементы, изменяющие свое сопротивление по мере изменения радиуса изгиба ленты. The bend sensor is a passive, preferably multi-channel, tape bend sensor manufactured by Flexpoint (Bend Sensor) and is designed to obtain information about the user's sleeping position. The proposed bending sensor is a tape - a film based on polyamide, in which sensing elements are built in, changing their resistance as the bending radius of the tape changes.
На одном из краев ленты имеются электрические контакты для подключения к процессорному блоку. On one of the edges of the tape there are electrical contacts for connecting to the processor unit.
Под положением во сне понимается устойчивое во времени горизонтальное положение тела на кровати, которое также называют позой. Существует четыре основных позы: на спине, на левом боку, на правом боку, на животе. The position in a dream is understood as a horizontal position of the body on the bed that is stable in time, which is also called posture. There are four basic postures: on the back, on the left side, on the right side, on the stomach.
Помимо перечисленных существует ряд второстепенных и промежуточных поз.In addition to those listed, there are a number of secondary and intermediate postures.
Использование в продукте датчика изгиба и знание о позах во сне имеет несколько практических применений: при первом подключении устройства датчик изгиба предоставляет интерактивную информацию о том, на какой стороне кровати располагается пользователь, благодаря чему производится привязка мобильного приложения к устройству; с помощью датчика изгиба предполагается определять количество ночных подъемов, что является исходной информацией для расчета более общих метрик; во врачебной практике существует мнение о том, что не всякая поза безвредна с точки зрения влияния на позвоночник и внутренние органы, поэтому знания о позах позволят рекомендовать пользователям занимать более правильное положение во сне. The use of a flex sensor in a product and knowledge of sleeping positions has several practical applications: when the device is first connected, the flex sensor provides interactive information about which side of the bed the user is on, thereby linking the mobile application to the device; using the bend sensor, it is supposed to determine the number of night rises, which is the initial information for calculating more general metrics; in medical practice, there is an opinion that not every posture is harmless in terms of the effect on the spine and internal organs, therefore, knowledge about postures will allow users to be advised to take a more correct position in sleep.
Выбор заявленных ленточных датчиков для использования в предлагаемом устройстве для определения показателей дыхания и сердцебиения, движений и поз пользователя в течение сна обусловлен их преимуществами по сравнению с другими датчиками, применяющихся для данных целей (например, пьезодисками, MEMS- датчиками, датчиками давления, точечными датчиками). К достоинствам можно отнести большую зону покрытия (ленточный датчик удобно протянуть через весь матрас), отсутствие дискомфорта и неудобства для пользователя (лента с датчиками практически не чувствуется), отсутствие каких-либо негативных излучений на тело пользователя, менее трудоемкие и энергозатратные алгоритмы обработки выходных сигналов. The choice of the declared tape sensors for use in the proposed device for determining the indicators of respiration and heartbeat, movements and postures during sleep due to their advantages over other sensors used for this purpose (eg piezodiscs, MEMS sensors, pressure sensors, point sensors). The advantages include a large coverage area (it is convenient to stretch the tape sensor through the entire mattress), the absence of discomfort and inconvenience for the user (the tape with sensors is practically not felt), the absence of any negative radiation on the user's body, less labor-intensive and energy-consuming algorithms for processing output signals .
Кроме сказанного, использование ленточных датчиков изгиба позволяет наиболее точно снимать показатели о движениях и позах пользователя в течение сна. In addition to the above, the use of tape bend sensors allows you to most accurately record the movements and postures of the user during sleep.
Учитывая, что сами по себе ленточные датчики не могут функционировать без процессорного блока, в котором происходит прием и обработка сигналов от датчиков, то можно заключить о функциональном и конструктивном единстве данных узлов, а устройство, состоящее из ленточных датчиков, соединенных посредствам электрических контактов с процессорным блоком, рассматривается как единое устройство. Taking into account that the tape sensors themselves cannot function without a processor unit in which the signals from the sensors are received and processed, it can be concluded that these nodes are functional and constructive, and a device consisting of tape sensors connected by means of electrical contacts to the processor block is treated as a single device.
Также предлагается использование дополнительного датчика - акселерометра с целью реализации алгоритмов энергосбережения. Предполагается следующий подход к реализации энергосбережения: акселерометр предоставляет возможность не только измерять ускорение по трем осям декартовых координат, но и реализовывать собственную несложную логику, например, отслеживание превышения порога ускорения по одной или нескольким осям. Результатом такого отслеживания является формирование логического уровня на специальном выходе микросхемы акселерометра. Таким образом, настроив определенный порог ускорения, центральный процессор (ЦП) может отключать наиболее энергозатратные узлы системы, такие как модули аналоговой обработки сигналов заявленных чувствительных датчиков и ожидать сигнала от акселерометра, который сработает в тот момент, когда пользователь ляжет на матрас. It is also proposed to use an additional sensor - an accelerometer in order to implement energy saving algorithms. The following approach to the implementation of energy saving is assumed: the accelerometer provides an opportunity not only to measure the acceleration along the three axes of Cartesian coordinates, but also to implement its own simple logic, for example, tracking the excess of the acceleration threshold along one or several axes. The result of such tracking is the formation of a logic level at a special output of the accelerometer chip. Thus, by setting a certain acceleration threshold, the central processing unit (CPU) can turn off the most energy-consuming components of the system, such as analog signal processing modules of the declared sensitive sensors and wait for a signal from the accelerometer, which will work at the moment when the user lies on the mattress.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. The proposed device operates as follows.
Блок чувствительных датчиков для преобразований движений пользователя в аналоговый электрический сигнал состоит из пьезочувствительной ленты и ленточного датчика изгиба. The block of sensitive sensors for converting user movements into an analog electrical signal consists of a piezo-sensitive tape and a tape bend sensor.
Пьезочувствительная лента реагирует на микродвижение пользователя (дыхательные движения, удары сердца, движения тела) и формирует на выходе электрический сигнал пропорциональный интенсивности соответствующих воздействий, а затем электрический сигнал поступает в процессорный блок, где проходят процессы согласования, фильтрации и усиления сигнала. The piezo-sensitive tape reacts to the user's micro-movements (respiratory movements, heart beats, body movements) and generates an electrical signal at the output proportional to the intensity of the corresponding influences, and then the electrical signal enters the processor unit, where the processes of matching, filtering and signal amplification take place.
Датчик изгиба, выполненный в виде пассивного многоканального ленточного датчика с встроенными чувствительными элементами, реагирует на давление, оказываемое пользователем на матрас, и на выходах формирует сопротивление, причем сопротивление изменяется по мере „ изменения радиуса изгиба ленты. Затем выходные сигналы датчика изгиба поступают в процессорный блок с целью их коммутации. The bend sensor, made in the form of a passive multi-channel tape sensor with built-in sensing elements, reacts to the pressure exerted by the user on the mattress, and forms resistance at the outputs, and the resistance changes as the radius of the bend of the tape changes. Then the output signals of the bend sensor are sent to the processor unit for the purpose of their switching.
В акселерометре происходит преобразование ускорений по трем декартовым осям в цифровой код, затем выходной код поступает в центральный процессор (ЦП) процессорного блока. In the accelerometer, the accelerations along the three Cartesian axes are converted into a digital code, then the output code enters the central processing unit (CPU) of the processor unit.
После аналоговой обработки сигналов заявленных чувствительных датчиков выходные сигналы поступают на центральный процессор (ЦП), где с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) осуществляется их цифровая обработка. After analog signal processing of the declared sensitive sensors, the output signals are sent to the central processing unit (CPU), where they are digitally processed using an analog-to-digital converter (ADC).
Затем осуществляется передача оцифрованных сигналов на электронное устройство (например, смартфон) с помощью модуля беспроводной связи, встроенного в центральный процессор (ЦП). Например, модуль беспроводной связи представляет собой радиомодем, работающий на частоте 2.4 ГГц и поддерживающий технологию Bluetooth Low Energy. The digitized signals are then transmitted to an electronic device (such as a smartphone) using a wireless communication module built into the central processing unit (CPU). For example, the wireless module is a 2.4 GHz radio modem that supports Bluetooth Low Energy technology.
Взаимодействие строится по клиент-серверной методологии, где сервером выступает периферийное устройство, а клиентом - мобильное приложение. Периферийное устройство реализует так называемые сервисы - логически обособленные информационные сущности, включающие как минимум одну характеристику, через которые непосредственно производится обмен данными. Interaction is based on a client-server methodology, where the server is a peripheral device, and the client is a mobile application. The peripheral device implements the so-called services - logically separate information entities, including at least one characteristic, through which data is directly exchanged.
Процессорный блок включает в себя центральный процессор (ЦП), с которым также связаны следующие элементы: энергонезависимая память, представляющая собой запоминающее устройство в виде цифровой микросхемы, предназначенной для хранения системной и/или пользовательской информации; кварцевый резонатор низкой частоты - электронный компонент - дополнительный источник тактирования центрального процессора, необходимый для работы часов реального времени; элементы, определяющие конфигурацию матраса: набор из двух резисторов, монтаж одного из которых определяет тип матраса (односпальный или двуспальный), набор из двух резисторов, монтаж одного из которых определяет сторону матраса, к которой привязано устройства на заводе-изготовителе (левая или правая); индикаторный элемент, управляемый со стороны центрального процессора (ЦП) и предназначенный для сигнализации различных статусов устройства; механическая кнопка без фиксации, предназначенная для различных пользовательский действий (калибровка, аппаратный сброс и др.). The processing unit includes a central processing unit (CPU), which is also associated with the following elements: non-volatile memory, which is a storage device in the form of a digital microcircuit designed to store system and/or user information; low-frequency quartz resonator - an electronic component - an additional source of clocking for the central processor, necessary for the operation of a real-time clock; elements that determine the configuration of the mattress: a set of two resistors, the installation of one of which determines the type of mattress (single or double), a set of two resistors, the installation of one of which determines the side of the mattress to which the device is tied at the factory (left or right); an indicator element controlled by the central processing unit (CPU) and designed to signal various statuses of the device; non-latching mechanical button designed for various user actions (calibration, hardware reset, etc.).
Устройство имеет возможность работы как от аккумуляторной батареи (АКБ), обеспечивающей автономную работу устройства, так и от внешнего источника, причем переключение питания устройства с АКБ на внешний источник питания и обратно (в зависимости от того подключен ли внешний источник) осуществляется за счет специального узла. The device has the ability to work both from a rechargeable battery (ACB), which ensures autonomous operation of the device, and from an external source, and switching the power supply of the device from the battery to an external power source and vice versa (depending on whether an external source is connected) is carried out due to a special unit .
Заряд осуществляется за счет зарядного устройства (ЗУ), к статусному выходу которого подключен индикаторный элемент, отображающий статус заряда. The charge is carried out at the expense of the charger (charger), to the status output of which an indicator element is connected, displaying the status of the charge.
Подача питающего низкого напряжения (5 В) для заряда встроенной АКБ обеспечивается через USB-порт. The low voltage supply (5 V) for charging the built-in battery is provided via the USB port.
Узел в виде делителя напряжения, выход которого подключен к центральному процессору (ЦП) предназначен для детектирования наличия внешнего питания. A node in the form of a voltage divider, the output of which is connected to the central processing unit (CPU), is designed to detect the presence of external power.
Далее рассматривается процесс обработки электрического сигнала пьезочувствительной ленты. Next, the process of processing the electrical signal of the piezo-sensitive tape is considered.
На аппаратном уровне аналоговый сигнал проходит три стадии обработки: согласование - преобразование заряда, генерируемого датчиком, в электрическое напряжение; антиалайзинговая фильтрация для устранения эффекта наложения спектров; усиление с целью повышения динамического диапазон сигнала. At the hardware level, the analog signal goes through three stages of processing: matching - converting the charge generated by the sensor into an electrical voltage; anti-aliasing filtering to eliminate the effect of aliasing; amplification to increase the dynamic range of the signal.
Сигнал с пьезочувствительной ленты поступает на блок предварительной обработки процессорного блока с нулевым коэффициентом усиления. The signal from the piezo-sensitive tape is fed to the pre-processing unit of the processor unit with zero gain.
С выхода блока предварительной обработки сигнал поступает в блок фильтрации. From the output of the pre-processing block, the signal enters the filtering block.
Блок фильтрации построен на базе активного фильтра второго порядка по схеме Саллена-Ки и предназначен для подавления в выходном спектре сигнала составляющих с частотами выше 15 Гц, что позволяет существенно снизить влияние на сигнал сетевых наводок и устранить эффект наложения спектров. Поскольку фильтр имеет нулевой коэффициент усиления, ему не требуется опорное напряжение. После фильтрации сигнал поступает в блок усиления, предназначенный для расширения динамического диапазона полезного сигнала. Блок построен на базе схемы неинвертирующего усилителя на операционному усилителе. Поскольку на вход блока сигнал поступает со смещением, цепь обратной связи подключена к опорному напряжению. The filtering unit is built on the basis of an active second-order filter according to the Sallen-Key scheme and is designed to suppress components with frequencies above 15 Hz in the output signal spectrum, which can significantly reduce the effect of network interference on the signal and eliminate the effect of aliasing. Because the filter has zero gain, it does not require a voltage reference. After filtering, the signal enters the amplification unit, designed to expand the dynamic range of the useful signal. The block is built on the basis of a non-inverting amplifier circuit based on an operational amplifier. Since the block input signal is biased, the feedback circuit is connected to the reference voltage.
После усиления сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в центральный процессор (ЦП). Дальнейшая обработка сигнала производится цифровыми методами. After amplification, the signal is fed to the input of an analog-to-digital converter (ADC) built into the central processing unit (CPU). Further signal processing is performed by digital methods.
Далее рассматривается процесс обработки электрического сигнала датчика изгиба. Next, the process of processing the electrical signal of the bend sensor is considered.
Датчик изгиба подключается к блоку предварительной обработки, выполняющего роль преобразования сопротивления сегментов в электрическое напряжение. Схемотехнически блок реализован на основе делителя напряжения, количество которых определяется числом каналов датчика. The bend sensor is connected to a pre-processing unit that converts the resistance of the segments into electrical voltage. Schematically, the block is implemented on the basis of a voltage divider, the number of which is determined by the number of sensor channels.
Из блока предварительной обработки сигналы поступают в блок коммутации каналов, который представляет собой аналоговый мультиплексор, коммутирующий сигнал с нескольких входов на один выход в соответствии с состоянием адресных входов, который задаются центральным процессором (ЦП). From the pre-processing unit, the signals enter the channel switching unit, which is an analog multiplexer that switches the signal from several inputs to one output in accordance with the state of the address inputs, which are set by the central processing unit (CPU).
С выхода блока коммутации сигнал поступает в блок согласования, реализованный по схеме повторителя напряжения на операционном усилителе. После этого сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), встроенный в центральный процессор (ЦП). From the output of the switching unit, the signal enters the matching unit, implemented according to the voltage follower circuit on the operational amplifier. After that, the signal is fed to an analog-to-digital converter (ADC) built into the central processing unit (CPU).
После аналоговой обработки сигналы используемых чувствительных датчиков проходят цифровую обработку с помощью АЦП, встроенного в центральный процессор (ЦП). After analog processing, the signals of the used sensitive sensors are digitally processed using an ADC built into the central processing unit (CPU).
Для вычисления показателей пульса и дыхания сигналы проходят несколько стадий: цифровой БИХ-фильтр (фильтр с бесконечной импульсной характеристикой) нижних частот для подавления сигнала пульса и выделения сигнала дыхания; расчет спектра дыхания методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) в окне 4096 точек и вычисление его частоты по максимуму спектральной составляющей; цифровой БИХ-фильтр верхних частот для подавления сигнала дыхания; декомпозиция на экспериментальные моды (по методу EEMD), в результате чего сигнал раскладывается на несколько составляющих (мод). Таким образом удается избавиться от шумов и достаточно эффективно реализовать выделение сигнала пульса на фоне оставшегося после первого этапа сигнала дыхания; расчет спектра сигнала пульса методом БПФ в окне 4096 точек и вычисление частоты сердцебиения. To calculate the pulse and respiration values, the signals go through several stages: a digital IIR (infinite impulse response filter) low-pass filter to suppress the pulse signal and isolate the respiration signal; calculation of the respiration spectrum by the fast Fourier transform (FFT) method in a window of 4096 points and calculation of its frequency from the maximum of the spectral component; digital IIR high-pass filter for respiration suppression; decomposition into experimental modes (according to the EEMD method), as a result of which the signal is decomposed into several components (modes). Thus, it is possible to get rid of noises and quite effectively implement the selection of the pulse signal against the background of the respiration signal remaining after the first stage; calculation of the spectrum of the pulse signal using the FFT method in a window of 4096 points and the calculation of the heart rate.
Описанные выше методы аналоговой обработки позволяют получить стабильно корректные расчетные значения частот пульса и дыхания только при определенных условиях: отсутствие сетевых помех; отсутствие влияния процесса дыхания, существенных движений и положения во сне; отсутствие влияния матраса; отсутствие резких микро движений. The methods of analog processing described above make it possible to obtain consistently correct calculated values of the pulse and respiration rates only under certain conditions: no network interference; lack of influence of the breathing process, significant movements and position in a dream; lack of influence of the mattress; no sudden micro movements.
Практика показала высокую степень нестационарности сигнала, то есть непостоянство формы сигнала как по амплитуде, так и по времени ввиду перечисленных выше факторов. Учитывая сказанное, в системе используются несколько дополнительных шагов по цифровой обработке массивов частот пульса и дыхания перед тем, как пользователь увидит численные значения в мобильном приложении: Practice has shown a high degree of signal non-stationarity, that is, the variability of the signal shape both in amplitude and in time due to the factors listed above. Given the above, the system uses several additional steps to digitally process the arrays of pulse and respiration rates before the user sees the numerical values in the mobile application:
Отбрасывание невалидных значений в ретроспективе из 10 измерений. Критерием отбрасывания является выход за порог, равный среднему значению в указанном окне из 10 точек. Если изменение текущего значение по модулю превышает порог на 3 единицы, то значение заменяет средним. Discarding invalid values in a 10-measurement retrospective. The rejection criterion is going beyond the threshold equal to the average value in the specified window of 10 points. If the change in the current value modulo exceeds the threshold by 3 units, then the value is replaced by the average.
Многоступенчатое усреднение полученной кривой с помощью скользящего окна, состоящего из трех точек: берется текущая точка, одно предыдущее и одно последующее значение. Если изменение текущего значения по модулю превышает среднее на 0.1 единицы в окне третьей точки, то оно заменяется средним. Multi-stage averaging of the obtained curve using a sliding window consisting of three points: the current point is taken, one previous and one subsequent value. If the change in the current value modulo exceeds the average by 0.1 units in the third point window, then it is replaced by the average.
Первый шаг реализуется в процессорном блоке предложенного устройства, а второй шаг - на стороне мобильного приложения. The first step is implemented in the processor unit of the proposed device, and the second step - on the side of the mobile application.
Таким образом, пользователь имеет возможность получать информацию о показателях частоты пульса и частоты дыхания в течении сна, причем устройство выполняет функцию оповещения пользователя о критических значениях данных показателях, например, частоты пульса. Алгоритм определения фаз сна основывается на данных пьезочувствительной ленты и предполагает подсчет движений в единицу времени. Если сигнал пьезочувствительной ленты превысил определенный порог, что происходит только при движениях, то фиксируется движение. Интенсивность движения тем выше, чем дольше сигнал пьезочувствительной ленты находится за пороговым значением. Thus, the user has the opportunity to receive information about the indicators of the pulse rate and respiratory rate during sleep, and the device performs the function of alerting the user about the critical values of these indicators, for example, the pulse rate. The algorithm for determining sleep phases is based on data from a piezo-sensitive tape and involves counting movements per unit of time. If the signal of the piezo-sensitive tape exceeds a certain threshold, which occurs only during movements, then the movement is detected. The intensity of movement is the higher, the longer the signal of the piezo-sensitive tape is below the threshold value.
Информацию о позах пользователя в течение сна получают на основании сигнала датчика изгиба. Процесс происходит следующим образом. Information about the postures of the user during sleep is obtained based on the bend sensor signal. The process is as follows.
После оцифровки сигнал из отсчетов АЦП преобразуется в сопротивление в соответствии с формулой делителя напряжения. В ходе активной сессии сна производится периодический опрос всех каналов датчика и сохранение измеренных значений в энергонезависимую память, после чего данные передаются в мобильное приложения для последующей обработки. After digitization, the signal from the ADC samples is converted into resistance in accordance with the voltage divider formula. During an active sleep session, all sensor channels are periodically polled and measured values are stored in non-volatile memory, after which the data is transferred to a mobile application for further processing.
Предпочтительные варианты применения предлагаемого устройства осуществляются следующим образом. Preferred applications of the proposed device are as follows.
Устройство имеет возможность его встраивания в матрасы различной конфигурации, в частности односпальные, двуспальные, детские, причем возможны различные варианты размещения заявленных чувствительных датчиков и возможно их варьирование по количеству (согласование с компаниями-производителями матрасов) и модификациям (согласование с компаниями-производителями чувствительных датчиков). The device has the ability to be built into mattresses of various configurations, in particular single, double, children's, and various options for placing the declared sensitive sensors are possible and their variation in number (coordination with mattress manufacturers) and modifications (coordination with companies producing sensitive sensors) is possible. ).
Для достижения технического результата используются ленточные датчики в виде тонких пленок. To achieve the technical result, tape sensors in the form of thin films are used.
Вариант осуществления интеграции предлагаемого устройства в двуспальный матрас представлен на фиг. 2, где показано, что блоки чувствительных датчиков (1) выполнены самостоятельными блоками для каждого спального места. An embodiment of the integration of the proposed device into a double mattress is shown in Fig. 2, where it is shown that the blocks of sensitive sensors (1) are made as independent blocks for each bed.
В таком варианте процессорных блоков может быть два на каждый блок датчиков, а может быть выполнен в одном корпусе с подключением двух блоков датчиков. In this version, there can be two processor units for each sensor unit, or it can be made in one housing with two sensor units connected.
В предпочтительном варианте выполнения предложенного устройства датчики помещаются в технический чехол и размещаются на матрасе. В другом варианте устройство встраивается в матрас при его производстве. Причем пьезочувствительная лента и ленточный датчик изгиба могут быть склеены между собой с помощью адгезивного слоя. Заявленные чувствительные датчики в виде лент подключаются к процессорному блоку, состоящему из пластикового корпуса, в котором размещены печатная плата, АКБ, радиомодем, и расположенному на боковой части матраса. In the preferred embodiment of the proposed device, the sensors are placed in a technical case and placed on a mattress. In another embodiment, the device is integrated into the mattress during manufacture. Moreover, the piezo-sensitive tape and the tape bend sensor can be glued together using an adhesive layer. Declared sensitive sensors in the form of tapes are connected to the processor unit, which consists of a plastic case, which houses the printed circuit board, battery, radio modem, and is located on the side of the mattress.
Далее рассматриваются варианты компоновок размещения заявленных чувствительных датчиков. Next, the layout options for the placement of the declared sensitive sensors are considered.
В предпочтительном варианте, для корректного определения частоты пульса пьезочувствительная лента может располагаться в трех верхних зонах: зоне головы, груди и поясницы (фиг. 3). Наиболее отчетливый сигнал выражен в районе зон головы и груди. In the preferred embodiment, for the correct determination of the pulse rate, the piezo-sensitive tape can be located in the three upper zones: the zone of the head, chest and lower back (Fig. 3). The most distinct signal is expressed in the region of the head and chest zones.
Пьезочувствительная лента может располагаться на поверхности матраса, внутри или под ним. При этом, в случае расположения датчика под матрасом требуется обеспечить (подобрать) такие параметры модуля аналоговой обработки сигнала датчика, которые позволят обеспечить необходимый уровень сигнала на входе центрального процессора (ЦП). * The piezo-sensitive tape can be located on the surface of the mattress, inside or under it. At the same time, if the sensor is located under the mattress, it is required to provide (select) such parameters of the analog signal processing module of the sensor that will provide the necessary signal level at the input of the central processing unit (CPU). *
В предпочтительном варианте датчик изгиба размещается на матрасе в зоне груди пользователя. Preferably, the flex sensor is placed on the mattress in the area of the user's chest.
Варианты с загибанием датчика допускаются, но не рекомендуются производителем, так как это может привести к механическому повреждению чувствительного элемента. Options with bending the sensor are allowed, but not recommended by the manufacturer, as this can lead to mechanical damage to the sensitive element.
Возможные варианты расположения датчиков: поперечное расположение - когда ленточный датчик располагается поперек всего матраса или одного спального места (для двуспального матраса); диагональное расположение - когда ленточный датчик располагается под угом к вертикальной оси спального места; продольное расположение - когда ленточный датчик располагается вдоль (посередине) спального места. Possible options for the location of the sensors: transverse location - when the tape sensor is located across the entire mattress or one bed (for a double mattress); diagonal arrangement - when the tape sensor is located at an angle to the vertical axis of the bed; longitudinal arrangement - when the tape sensor is located along (in the middle) of the bed.
Наиболее предпочтительным вариантом является поперечное расположение датчиков, когда оба датчика располагаются поперек матраса в зоне груди, а процессорный блок устанавливается сбоку матраса (фиг. 1). The most preferred variant is the transverse arrangement of the sensors, when both sensors are located across the mattress in the chest area, and the processor unit is installed on the side of the mattress (Fig. 1).
При реализации предлагаемого устройства достигается возможность мониторинга широко спектра жизненно важных биофизических показателей пользователя, высокая точность их определения без негативного влияния на характеристики и свойства матраса, снижение трудоемкости встраивания в матрасы различной категории и возможность распространения устройства среди широкого круга потребителей. When implementing the proposed device, it is possible to monitor a wide range of vital biophysical indicators of the user, high accuracy of their determination without a negative impact on the characteristics and properties of the mattress, reducing the complexity of embedding in mattresses of various categories and the possibility of distributing the device among a wide range of consumers.

Claims

Формула Formula
1. Устройство регистрации биофизических показателей человека в течение сна, включающее в себя чувствительные датчики, подключенные к процессорному блоку, отличающееся тем, что в качестве датчиков используются пьезочувствительная лента и многоканальный ленточный датчик изгиба. 1. A device for recording biophysical parameters of a person during sleep, including sensitive sensors connected to the processor unit, characterized in that a piezo-sensitive tape and a multi-channel bending tape sensor are used as sensors.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что процессорный блок включает центральный процессор, модули аналоговой обработки выходных сигналов пьезоэлектрического датчика и датчика изгиба, причем модули аналоговой обработки выходных сигналов пьезоэлектрического датчика и датчика изгиба связаны с центральным процессором и входом на аналогово-цифровой преобразователь. 2. The device according to claim 1, characterized in that the processor unit includes a central processor, modules for analog processing of the output signals of the piezoelectric sensor and the bend sensor, and the modules for analog processing of the output signals of the piezoelectric sensor and the bend sensor are connected to the central processor and the input to the analog-to-digital converter.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит модуль связи с мобильным устройством, который выполнен в виде радиомодема. 3. The device according to claim. 1, characterized in that it contains a communication module with a mobile device, which is made in the form of a radio modem.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в процессорный блок встроена аккумуляторная батарея. 4. The device according to claim 1, characterized in that a rechargeable battery is built into the processor unit.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что процессорный блок имеет USB-порт для подачи питающего напряжения 5 В. 5. The device according to claim 1, characterized in that the processor unit has a USB port for supplying a 5 V supply voltage.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в процессорный блок встроен акселерометр. 6. The device according to claim 1, characterized in that an accelerometer is built into the processor unit.
PCT/RU2020/000611 2020-09-02 2020-11-17 Device for recording biophysical variables of a person during sleep WO2022050862A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020129094 2020-09-02
RU2020129094 2020-09-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022050862A1 true WO2022050862A1 (en) 2022-03-10

Family

ID=80491879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/000611 WO2022050862A1 (en) 2020-09-02 2020-11-17 Device for recording biophysical variables of a person during sleep

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2022050862A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030045806A1 (en) * 1997-05-16 2003-03-06 Brydon John William Ernest Respiratory-analysis systems
WO2011094448A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Dreamwell, Ltd. Systems and methods for bedding with sleep diagnostics
JP2012173141A (en) * 2011-02-22 2012-09-10 Seiko Epson Corp Bend sensor
AU2014216042A1 (en) * 2013-08-29 2015-03-19 Pgs Geophysical As Piezoelectric accelerometer
CN210433472U (en) * 2019-05-30 2020-05-01 中侨健康管理(上海)有限公司 Piezoelectric sensing belt, monitoring terminal and system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030045806A1 (en) * 1997-05-16 2003-03-06 Brydon John William Ernest Respiratory-analysis systems
WO2011094448A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Dreamwell, Ltd. Systems and methods for bedding with sleep diagnostics
JP2012173141A (en) * 2011-02-22 2012-09-10 Seiko Epson Corp Bend sensor
AU2014216042A1 (en) * 2013-08-29 2015-03-19 Pgs Geophysical As Piezoelectric accelerometer
CN210433472U (en) * 2019-05-30 2020-05-01 中侨健康管理(上海)有限公司 Piezoelectric sensing belt, monitoring terminal and system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Mechanical Application Design Guide", BEND SENSOR@ TECHNOLOGY. COPYRIGHT@ 2015 FLEXPOINT SENSOR SYSTEMS, pages 3,7 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220192513A1 (en) Remote Physiological Monitor
CN108042108B (en) Sleep quality monitoring method and system based on body vibration signals
EP2200499B1 (en) Multi-sensor patient monitor to detect impending cardiac decompensation
WO2019174027A1 (en) Physiological information monitoring method, physiological information monitoring mat, and mattress
US20090281394A1 (en) Bio-mechanical sensor system
CN107065719A (en) A kind of data analysis system of intelligent mattress
CN110780600A (en) Sleep-assisting mattress with alarm function
JP6463433B1 (en) Respiration evaluation system, analysis system, and program
CN108670220A (en) A kind of intellectual monitoring device for assisting health monitoring
WO2010105203A2 (en) Method and apparatus for elder care monitoring
CN109620176A (en) A kind of intelligent sleep monitoring method and device
KR20190089353A (en) System for measuring bio signal usingmulti channel piezoelectric sensor of film
JP2021522966A (en) Devices and methods for deriving respiratory rates from multiple biometric sources
WO2019245055A1 (en) Mat for detecting biological information, device for detecting biological information, and system for distributing biological information
US20130331662A1 (en) Portable Monitoring Device For Breath Detection
WO2017117739A1 (en) Sleep monitoring system
CN110652303A (en) Medical intelligent mattress based on piezoelectric ceramic sensor
CN110477887A (en) A kind of monitoring device of non-invasive long-range apnea syndrome
KR20180085464A (en) Method for sleep efficiency prediction from unconstrained measurement of cardiorespiratory signals
JP3353460B2 (en) Monitoring device
Shamsir et al. Instrumentation of a pyroelectric transducer based respiration monitoring system with wireless telemetry
CN109350017B (en) Vital sign monitoring device and method based on multi-sensor array
RU201833U1 (en) Device for recording human biophysical parameters during sleep
WO2022050862A1 (en) Device for recording biophysical variables of a person during sleep
JP2001276019A (en) Biological information collecting instrument utilizing hermetically sealed air type sound sensor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20952614

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20952614

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1