分布式睡眠監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牛孟然 奚樂(lè)樂(lè) 梁國(guó)壯

摘 要：設(shè)計(jì)一種分布式睡眠監(jiān)測(cè)平臺(tái)，利用MPU-6050工作電路和STM32F103微處理器電路組成的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行人體重力加速度信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，并結(jié)合患者生理參數(shù)對(duì)患者睡眠情況做出正確的評(píng)估，及時(shí)指導(dǎo)患者選擇最適宜的防治方法。

關(guān)鍵詞：睡眠監(jiān)測(cè)；無(wú)線通信；采集模塊

1 前言

近年來(lái)失眠、打鼾、睡眠呼吸暫停等睡眠障礙疾患發(fā)病率高、危害面廣，已成為影響人們身心健康、工作效率和生活質(zhì)量的公共衛(wèi)生問(wèn)題。目前的PSG監(jiān)測(cè)要求病人在病房監(jiān)測(cè)室內(nèi)睡一整夜，一臺(tái)儀器一天只監(jiān)測(cè)1名病人。眾多的失眠、打鼾、呼吸暫停等睡眠障礙患者只能預(yù)約排隊(duì)。這樣的監(jiān)測(cè)方法因預(yù)約時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)的數(shù)量太少，遠(yuǎn)不能滿足眾多睡眠障礙患者急需監(jiān)測(cè)診治的要求。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于重力加速度傳感器實(shí)時(shí)采集睡眠信號(hào)，結(jié)合用戶年齡、性別、體重、身高等生理參數(shù)，對(duì)睡眠質(zhì)量和結(jié)果進(jìn)行記錄、分析、專業(yè)指導(dǎo)，最后反饋給用戶的無(wú)線睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集端、無(wú)線傳輸端、總服務(wù)器端3部分組成，各部分通過(guò)ZigBee進(jìn)行傳輸。主要實(shí)現(xiàn)睡眠信號(hào)的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)結(jié)果分析等功能。傳感器采集到生理信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后再做預(yù)處理，然后將所得結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)RS232串行通訊接口將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，PC機(jī)根據(jù)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示和進(jìn)一步處理，然后根據(jù)睡眠者的生理參數(shù)對(duì)其睡眠情況做出評(píng)估，并提出睡眠建議，最終將結(jié)果反饋回給用戶。

2.1 數(shù)據(jù)采集端

數(shù)據(jù)采集端主要由MPU-6050工作電路組成的信號(hào)采集模塊和STM32F103微處理器電路構(gòu)成的預(yù)處理模塊組成。將重力加速度傳感器（MPU-6050）采集的睡眠腕動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，然后在前置放大電路中利用信號(hào)調(diào)理電路增大信噪比，接著利用模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，完成生理信號(hào)的提取，并且向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)，供醫(yī)生查看用戶數(shù)據(jù)，及時(shí)分析用戶睡眠情況，指導(dǎo)用戶采取適當(dāng)?shù)姆乐畏椒ā?/p>

2.2 無(wú)線傳輸端

無(wú)線傳輸端主要由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器、終端節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線通信模塊構(gòu)成。它們之間通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的傳感器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將若干節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)接收并進(jìn)行初步分析處理再通過(guò)RS232串口發(fā)送至PC機(jī)。

2.3 服務(wù)器端

服務(wù)器端主要由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，主要完成了對(duì)人體生理參數(shù)的接收、存儲(chǔ)、分析處理以及顯示等工作。接收模塊負(fù)責(zé)接無(wú)線傳輸端發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)解碼后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。存儲(chǔ)模塊用于存放用戶的數(shù)據(jù)信息，處理模塊主要通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶的生理參數(shù)，評(píng)估用戶的睡眠質(zhì)量。

3 睡眠測(cè)試結(jié)果與處理

將集成了加速度傳感器監(jiān)護(hù)設(shè)備佩戴于人體的非慣用手腕，獲得其睡眠時(shí)非慣性用手腕的腕動(dòng)信息，根據(jù)腕動(dòng)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到腕活動(dòng)信息如圖1所示。

以60s為單位時(shí)間內(nèi)腕活動(dòng)次數(shù)來(lái)表示當(dāng)前狀態(tài)，將加速值和參考值（0.3g）相比較，每過(guò)參考值一次即計(jì)數(shù)一次，單位時(shí)間內(nèi)的過(guò)參考值次數(shù)就被當(dāng)做腕活動(dòng)次數(shù)值。對(duì)一分鐘內(nèi)的腕活動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再將之前四分鐘、當(dāng)前一分鐘和之后兩分鐘的腕活動(dòng)計(jì)數(shù)作為睡眠決策算法的輸入，通過(guò)睡眠決策算法來(lái)估計(jì)當(dāng)前一分鐘內(nèi)的睡眠質(zhì)量。睡眠決策算法依據(jù)式（1）：

（1）式中，D為當(dāng)前一分鐘的睡眠決策結(jié)果，當(dāng)D≥1為醒覺(jué)，當(dāng)D<1為睡眠。A為一分鐘的活動(dòng)計(jì)數(shù)，P是多項(xiàng)式的縮放因子，隨患者的生理參數(shù)變化可手動(dòng)調(diào)整。PC機(jī)中的睡眠分析軟件將接收到的腕活動(dòng)數(shù)據(jù)利用式（1）計(jì)算得到睡眠監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)每分鐘的D值，從而判斷出每分鐘的睡醒情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)結(jié)合ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)，利用重力加速度傳感器采集睡眠呼吸信號(hào)，在低功耗微處理器的平臺(tái)上，設(shè)計(jì)一種睡眠呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行無(wú)線傳輸，最后PC機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示和進(jìn)一步處理。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明該設(shè)備能穩(wěn)定準(zhǔn)確獲取生理參數(shù)，滿足輕度睡眠障礙者以及健康人群預(yù)防性監(jiān)測(cè)的需求，為廣大睡眠呼吸障礙人群提供方便可靠、省時(shí)高效的人性化睡眠監(jiān)測(cè)服務(wù)，并依據(jù)準(zhǔn)確結(jié)果指導(dǎo)患者采取適當(dāng)?shù)姆乐畏椒ā?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]李津，金捷.睡眠呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展[J].國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志，2008，31（6）：352-354.

[2]鐘旭，肖毅.多導(dǎo)睡眠圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代儀器，2002，（3）：32-35.

[3]歐陽(yáng)順林，鄭佩霞，褚玉敏，等.便攜式多導(dǎo)睡眠呼吸監(jiān)測(cè)在成人阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征診斷中的應(yīng)用[J].中國(guó)耳鼻咽喉顱底外科雜志，2012，18（2）：111-113.

（作者單位：河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院）