射頻微功率雷達(dá)在智能睡眠管理中的應(yīng)用

竇元珠，許小俊，薄紅瑞，徐禮勝

1. 熙康阿爾卑斯科技有限公司，遼寧沈陽 110179；2. 東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110169

射頻微功率雷達(dá)在智能睡眠管理中的應(yīng)用

竇元珠1，許小俊2，薄紅瑞2，徐禮勝2

1. 熙康阿爾卑斯科技有限公司，遼寧沈陽 110179；2. 東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110169

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們生活質(zhì)量的提高，人們對自身健康越來越關(guān)注；同時(shí)，隨著生活節(jié)奏的加快與工作壓力的增加，睡眠成了困擾許多人的問題。根據(jù)調(diào)查研究顯示，睡眠不足將會(huì)增加患各種疾病的風(fēng)險(xiǎn)。多導(dǎo)睡眠圖儀是傳統(tǒng)的監(jiān)測睡眠的儀器，但是由于對病人檢測的生理信號比較多，因此對病人的身體和心理造成了一定的負(fù)擔(dān)，它在一定程度上會(huì)影響病人的睡眠質(zhì)量。本文介紹了一種基于2.45 GHz微波技術(shù)的非接觸式睡眠監(jiān)測系統(tǒng)iSleep，該系統(tǒng)通過自行設(shè)計(jì)的射頻運(yùn)動(dòng)傳感器采集人體的生理信號，然后通過相關(guān)算法從采集的射頻信號分離出體動(dòng)、呼吸和心跳信號，提取相關(guān)特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)睡眠分期，從而實(shí)現(xiàn)了智能睡眠的管理以及低生理和心理負(fù)荷下的睡眠監(jiān)測。

微波技術(shù)；睡眠分期；非接觸式睡眠監(jiān)測

1 研究背景

人的一生大約有三分之一的時(shí)間在睡眠中度過，睡眠是人類不可或缺的基本生命活動(dòng)之一。睡眠是一種主動(dòng)過程，睡眠是恢復(fù)精力所必須的休息，有專門的中樞管理睡眠與覺醒，睡覺時(shí)大腦只是換了一個(gè)工作方式，使能量得到貯存，有利于精神和體力的恢復(fù)；而適當(dāng)?shù)乃呤亲詈玫男菹?，既是維護(hù)健康和體力的基礎(chǔ)，也是取得高強(qiáng)度生產(chǎn)能力的保證[1-2]。睡眠質(zhì)量對人體的身心健康具有重大的意義，如果睡眠質(zhì)量不好會(huì)對人體造成不可估量的損失，增加患各種疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)今社會(huì)人類面臨的各種壓力越來越大，引發(fā)了許多身心健康問題，比如睡眠呼吸障礙（Sleep-related Breathing Disorders，SBD）就是其中之一。睡眠呼吸障礙患者在睡眠過程中反復(fù)發(fā)生呼吸暫?；蚝粑屯?，呼吸用力性短覺醒，并伴有反復(fù)性低氧血癥、高碳酸癥、交感活性增強(qiáng)、血壓升高和短覺醒（Arousal）等。它加重動(dòng)脈硬化的形成，對全身器官、多系統(tǒng)的功能產(chǎn)生影響，是高血壓、心肌梗死、心臟猝死和腦卒中的重要危險(xiǎn)因素。對睡眠呼吸障礙患者的診斷和識別是防治OSAHS的當(dāng)務(wù)之急[3]。再如因生活和工作壓力大造成的生物節(jié)律失調(diào)和睡眠障礙、有誘發(fā)憂郁癥的可能，影響工作效能與生活質(zhì)量，因此，有必要對睡眠質(zhì)量進(jìn)行日常性監(jiān)測評估，以隨時(shí)把握身體健康狀況，保證身體處于可在睡眠中得到自律休復(fù)的狀態(tài)。睡眠監(jiān)測主要指對睡眠時(shí)深淺程度和睡眠結(jié)構(gòu)信息的獲取，同時(shí)也包括對人體睡眠時(shí)的生理信號的監(jiān)測，通過監(jiān)測人體心肺的生理信息來監(jiān)測睡眠已有研究[4-6]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，不少學(xué)者、醫(yī)師、工程師等在睡眠監(jiān)測上有自己的觀點(diǎn)和看法，也提出不少關(guān)于睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，也有不少企業(yè)和公司已經(jīng)研發(fā)出相關(guān)的睡眠監(jiān)測產(chǎn)品，還有不少企業(yè)已經(jīng)看到了關(guān)于這方面的市場前景，已經(jīng)或正在投入大量的資金研發(fā)，睡眠監(jiān)測越來越得到人們的重視。睡眠監(jiān)測解析法主要有兩種，一種是睡眠腦波解析法，另一種是睡眠行為解析法。用于日?；弑O(jiān)測的產(chǎn)品以睡眠行為解析法產(chǎn)品為主，該類睡眠監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩類，一類是接觸式，一類是非接觸式，表1為市場上睡眠監(jiān)測產(chǎn)品對比。

表1 市場上睡眠監(jiān)測產(chǎn)品對比

2.1 多導(dǎo)睡眠監(jiān)測系統(tǒng)（Polysomnography，PSG）

國際上通常將基于PSG的腦波睡眠解析法其作為睡眠醫(yī)學(xué)和睡眠研究領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)方法，即：基于睡眠中的腦波類型對睡眠進(jìn)行監(jiān)測和分期。PSG監(jiān)測的信息包含了腦電圖、眼動(dòng)圖、肌電圖、口鼻氣流、胸腹運(yùn)動(dòng)、血氧飽和度、鼾聲、心電圖、體位等，其特點(diǎn)是可以較準(zhǔn)確地區(qū)分睡眠的覺醒，快波睡眠，慢波睡眠和快速眼動(dòng)睡眠，便于診斷睡眠相關(guān)疾病。但由于監(jiān)測時(shí)有多根電極與人體直接相連接，容易對人體的正常睡眠帶來干擾和心理負(fù)擔(dān)；此外，由于需要入院監(jiān)測，費(fèi)用昂貴難以進(jìn)行居家日常化監(jiān)測[7-9]。

2.2 Zeo個(gè)人睡眠教練

Zeo使用一根無線的扎頭帶，一個(gè)顯示儀，一臺(tái)在線分析儀和一個(gè)郵件基礎(chǔ)個(gè)人訓(xùn)導(dǎo)程序。使用時(shí)，需要將扎頭帶戴在用戶頭上，檢測腦電（EEG）、眼動(dòng)信號（EOG），能將深睡、淺睡、REM分析出來，并將醒覺時(shí)間、時(shí)長等時(shí)間標(biāo)記。

2.3 百利達(dá)（TANITA）睡眠監(jiān)測儀

百利達(dá)公司研發(fā)了床墊式的睡眠監(jiān)測儀，是一款非接觸式的睡眠監(jiān)測設(shè)備，其名稱是“Sleep Scan”，能將其鋪在床墊及被褥下面監(jiān)測睡眠狀況。監(jiān)測的信號是人體睡眠過程中的呼吸沖擊波、心跳沖擊波及體動(dòng)。其工作原理是：床墊內(nèi)管子里的水將睡眠中的呼吸和心跳引起的微弱振動(dòng)和體動(dòng)采集傳給壓力傳感器，將信息分成呼吸、心跳和體動(dòng)3種信號輸出，其結(jié)果存儲(chǔ)在SD卡中，次日采用上位機(jī)的專用軟件來分析處理信號，得到睡眠分期并將給出相應(yīng)的睡眠報(bào)告。

2.4 iSleep（優(yōu)睡寶）睡眠監(jiān)測儀

iSleep是東軟熙康推出的一款基于微波技術(shù)的非接觸智能睡眠監(jiān)測儀（圖1），與市場上已有的這些產(chǎn)品相比iSleep的優(yōu)勢在于完全非接觸測量以及便攜式，用戶在出行過程中也可以攜帶此產(chǎn)品，從而可以對個(gè)人的睡眠情況進(jìn)行居家日?；婚g斷監(jiān)測。本文就iSleep作簡要綜述。

圖1 iSleep睡眠監(jiān)測儀

3 iSleep概述

iSleep是國內(nèi)首款非接觸睡眠監(jiān)測儀，無需接觸就可以進(jìn)行睡眠監(jiān)測，并且iSleep提供手機(jī)APP服務(wù)、微信服務(wù)及睡眠數(shù)據(jù)解讀等服務(wù)，滿足多方面的需要。對于特殊人群（如嬰兒、嚴(yán)重?zé)齻∪?、呼吸傳染病病人等）的日常睡眠監(jiān)測以及用于航天員、飛行員、運(yùn)動(dòng)員、駕駛員等特種職業(yè)人員的生理狀態(tài)和睡眠監(jiān)測意義重大。對于工作壓力大，生活不規(guī)律的人群的睡眠監(jiān)測和老人的居家健康評估也是有效的手段。

3.1 iSleep理論基礎(chǔ)

正常成年人的睡眠具有周期性， 周期長約90～120 min，包括快速眼動(dòng)期（Rapid Eye Movement，REM）和非快速眼動(dòng)期（Non-Rapid Eye Movement，NREM），NREM包括淺睡、中睡、深睡三種狀態(tài)，NREM和REM交替出現(xiàn)，睡眠過程包括4～6個(gè)周期[14]，并且隨著睡眠狀態(tài)的改變，機(jī)體內(nèi)也發(fā)生著相應(yīng)的生理變化。如心率、呼吸率、消化液分泌、肌緊張度、體溫等；除以上表現(xiàn)，體動(dòng)、血氧等也發(fā)生著變化[15]。對于體動(dòng)信號而言，微覺醒和淺睡期的體動(dòng)和翻身信號比較顯著，不同睡眠狀態(tài)下的體動(dòng)及翻身動(dòng)作有明顯差異，其比如周期性腿動(dòng)癥相對頻率、持續(xù)時(shí)間和引起覺的效應(yīng)都隨睡眠的逐漸加深而下降，而腿動(dòng)的間隔時(shí)間增加；REM的腿動(dòng)持續(xù)時(shí)間最短，間隔時(shí)間最長[1]。

在使用醫(yī)用大型PSG睡眠監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行睡眠監(jiān)測時(shí)，必須在專門的監(jiān)測場所（如醫(yī)院的睡眠監(jiān)測室等）進(jìn)行，采用接觸式測量方法對人體的睡眠進(jìn)行監(jiān)測，在一定程度會(huì)對人體的睡眠狀況造成影響，而且體積龐大、價(jià)格昂貴，嚴(yán)重限制了睡眠監(jiān)測的廣泛開展，所以有必要開展一種低成本、低負(fù)荷、便攜式的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)。相關(guān)研究表明，微波技術(shù)可以用于監(jiān)測人體的睡眠狀況，該方案不會(huì)對人體的日常行為生活造成影響[10]，而且大量臨床實(shí)驗(yàn)表明，微波技術(shù)可以精確地監(jiān)測人體的心肺活動(dòng)[11]，可以替代常規(guī)的心肺監(jiān)測產(chǎn)品[12-13]。

iSleep優(yōu)睡寶是一款基于2.45 GHz微波技術(shù)的非接觸式睡眠監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用2.45 GHz微波技術(shù)監(jiān)測人體的日常生理信號（包括體動(dòng)，呼吸，心率等）實(shí)現(xiàn)了對人體睡眠質(zhì)量非接觸、無干擾、低功耗的監(jiān)測。本設(shè)備采用的微波技術(shù)是一種融合了雷達(dá)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體的前沿性非接觸檢測技術(shù)，其發(fā)射的電磁波可穿透非金屬介質(zhì)（被褥，衣物等）檢測到人體的生命信號（呼吸、體動(dòng)等），為心跳和呼吸的監(jiān)測提供了一種不用附加電極就能探測生命體征信息的新方法。該技術(shù)不僅克服了激光、紅外線受溫度影響大和遇障礙物阻擋失效等問題，而且還解決了超聲在檢測空間中傳播速度衰減大、易受環(huán)境雜物反射、干擾等問題。相比于已有的可穿戴式設(shè)備（如運(yùn)動(dòng)手環(huán)等），射頻傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式的測量，更為方便與實(shí)用，大大改善了使用者的體驗(yàn)，同時(shí)能解決一些嬰兒與老人等特殊人群不便于穿戴設(shè)備的缺點(diǎn)。

3.2 iSleep功能與特點(diǎn)

iSleep利用2.45 GHz的微功率微波雷達(dá)，其功率低至0.5 mW，且采取10%占空比的脈沖工作方式，因而平均功率低至0.05 mW，是藍(lán)牙設(shè)備的約1/200，對人體的影響可完全忽略不計(jì)，由于2.45 GHz的波長為約為120 mm，而人體呼吸產(chǎn)生的體表位移為3～4 mm左右，因而可以得到良好的線性動(dòng)態(tài)范圍。iSleep采用的微功率雷達(dá)的天線方向性（3 dB波瓣）為水平面和垂直面各90度，可以通過非接觸式的方式對人體的體動(dòng)信息進(jìn)行全面的采集，然后結(jié)合室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度以及人體入睡時(shí)間等信息的綜合分析，經(jīng)過睡眠算法計(jì)算出相關(guān)的人體睡眠信息，上傳至云平臺(tái)（圖2）。由于2.45 GHz對與衣物和被子等棉織物有良好的穿透性，可保證在各個(gè)季節(jié)，各種厚度的被子使用條件下準(zhǔn)確捕捉人體的各種體動(dòng)。睡眠監(jiān)測時(shí)使用者只需將該產(chǎn)品放置在床頭位置，距離約在0.5～0.8 m最佳，與身體平躺在床成45度正面朝向人體胸口位置（圖3），便可對人體的睡眠進(jìn)監(jiān)測，避免給使用者帶來額外的睡眠壓力。

圖2 iSleep的工作示意圖

圖3 iSleep監(jiān)測場景

該設(shè)備可以測得多項(xiàng)指標(biāo)，全方位掌握睡眠信息，包括睡眠時(shí)長、體動(dòng)、覺醒、淺睡、中睡、深睡、平均呼吸、平均心率、溫度、濕度睡眠指標(biāo)，通過測量睡眠過程的人體的綜合體動(dòng)信息，按睡眠行為解析法劃分覺醒、深度睡眠、中度睡眠、淺度睡眠四個(gè)階段，為用戶提供詳細(xì)的睡眠結(jié)構(gòu)分析。參考用戶睡眠環(huán)境、睡眠作息、睡眠結(jié)構(gòu)計(jì)算出睡眠質(zhì)量得分，讓用戶快速全面了解自己的睡眠質(zhì)量，見圖4。

iSleep帶有智能鬧鐘功能，智能鬧鐘會(huì)在用戶設(shè)定鬧鐘后，自動(dòng)選擇最佳喚醒時(shí)間點(diǎn)即用戶處于淺度睡眠時(shí)來叫醒用戶，讓用戶以最輕松的狀態(tài)起床，減輕起床時(shí)昏昏沉沉的感覺。

iSleep的數(shù)據(jù)可以通過GPRS或藍(lán)牙手機(jī)上傳到云存儲(chǔ)，生成個(gè)人睡眠檔案，通過查閱云數(shù)據(jù)，千里之外的家人也可以了解用戶的睡眠情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程親情關(guān)愛。在iSleep專用APP上，有通俗易懂的睡眠分析報(bào)告，提供更詳盡的睡眠服務(wù)，包括睡眠知識、睡眠綜合指標(biāo)、睡眠結(jié)構(gòu)分析、溫濕度指導(dǎo)、呼吸心率曲線、近七天數(shù)據(jù)分析、家人關(guān)注等。

熙康阿爾卑斯于去年發(fā)布了iSleep優(yōu)睡寶S100i睡眠監(jiān)測儀，今年該產(chǎn)品已經(jīng)升級為S200G，升級后的產(chǎn)品在保留了S100i經(jīng)典外觀與核心功能的同時(shí)，在軟硬件各方面進(jìn)行了全面升級，圖5為iSleep的升級功能。

圖4 睡眠結(jié)構(gòu)與睡眠解讀報(bào)告

圖5 iSleep升級功能

內(nèi)置GPRS通信模塊，數(shù)據(jù)傳輸更便捷。S200G采用GPRS的數(shù)據(jù)傳輸方式，讓用戶告別藍(lán)牙配對的繁瑣操作，擺脫對WiFi的依賴，輕松完成設(shè)備配對及數(shù)據(jù)上傳。依托熙康阿爾卑斯自主研發(fā)的高性能雙頻率天線，可以很好地保證信號與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

新增定時(shí)自動(dòng)監(jiān)測，監(jiān)測方式更多樣。iSleep一直致力于將復(fù)雜操作簡單化，S200G在沿襲了S100i的一鍵開啟/結(jié)束監(jiān)測的簡易操作基礎(chǔ)上，又新加入定時(shí)自動(dòng)監(jiān)測功能。對于作息時(shí)間比較規(guī)律或是希望養(yǎng)成良好作息習(xí)慣的人來說，只需在設(shè)備上設(shè)定好開啟與結(jié)束自動(dòng)監(jiān)測的時(shí)間，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，設(shè)備即可自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)操作，無需再進(jìn)行手動(dòng)操作。

加入多項(xiàng)實(shí)用設(shè)置，用戶體驗(yàn)更貼心。一款好的產(chǎn)品不僅要能用，更要好用。S200G加入了睡前溫馨提醒、睡眠背光調(diào)節(jié)、環(huán)境舒適度顯示、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換等多項(xiàng)貼心的人性化設(shè)置，相信會(huì)給用戶帶來最好的使用體驗(yàn)。

更新優(yōu)化產(chǎn)品界面，使用感受更友好。友好的產(chǎn)品界面是用戶持續(xù)使用產(chǎn)品的必要條件。為此，S200G對產(chǎn)品主界面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，同時(shí)，對數(shù)據(jù)查看界面也進(jìn)行了細(xì)致入微的調(diào)整，并加入了精致的開機(jī)動(dòng)畫，這些改變讓美觀與實(shí)用得到完美統(tǒng)一。

提供多種平臺(tái)服務(wù)，打造專業(yè)健康服務(wù)，睡眠解讀更專業(yè)，數(shù)據(jù)查看更自如，數(shù)據(jù)監(jiān)測完成后，智能分析系統(tǒng)會(huì)對用戶的睡眠數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)翔實(shí)的分析解讀，給出相應(yīng)的改善建議，并以圖文并茂的方式呈現(xiàn)給用戶，讓用戶知其然更知其所以然。輕松方便的進(jìn)行睡眠數(shù)據(jù)查看一直是iSleep所追求的。現(xiàn)在，用戶可通過iSleep本體、手機(jī)APP、微信、Web平臺(tái)（大客戶使用）等多種方式來查看睡眠數(shù)據(jù)，見圖6。

圖6 iSleep手機(jī)端APP和微信界面

4 結(jié)論

從接觸式的多導(dǎo)睡眠監(jiān)測系統(tǒng)到非接觸的iSleep睡眠監(jiān)測儀，對人體的生命體征信號的監(jiān)測越來越得到人們的重視，隨著科技的進(jìn)步，睡眠監(jiān)測設(shè)備向著小型化、非接觸、便攜式的方向發(fā)展。但是，由于技術(shù)的限制，非接觸測量所得到的人體的生理信號受到很大限制，比如血氧飽和度、腦電這些人體重要的生理信號非接觸設(shè)備還不能監(jiān)測，因此，在以后的研發(fā)過程中，研發(fā)人員不僅要在設(shè)備的外形、結(jié)構(gòu)上深入研究，還要在算法上進(jìn)行專研，提高算法的精度，使得設(shè)備監(jiān)測的信號更加精準(zhǔn)；提出新的算法，使得設(shè)備監(jiān)測更多的信號。

iSleep的使用過程中，對與睡眠結(jié)構(gòu)的解讀也成為睡眠管理和睡眠解析的重要組成部分。如圖7所示，依據(jù)iSleep的監(jiān)測結(jié)果，熙康阿爾卑斯總結(jié)出幾種典型的睡眠結(jié)構(gòu)，并對不同的睡眠結(jié)構(gòu)做出了相應(yīng)的解讀。

圖7 iSleep監(jiān)測到的幾種睡眠結(jié)構(gòu)模式

致謝

該項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61374015“基于彈性管非線性模型盲辨識的中心動(dòng)脈波無創(chuàng)動(dòng)態(tài)重建研究”和61202258“面向智能視頻監(jiān)控的多目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)研究”）；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（201102067）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20110042120037）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（N110219001，N130404016）的支持。

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Application of Radio Frequency Micro-Power Radar in Intelligent Sleep Management

DOU Yuan-zhu1, XU Xiao-jun2, BO Hong-rui2, XU Li-sheng2
1. XIKANG ALPS Technology Co. Ltd, Shenyang Liaoning 110179, China; 2. Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School of Northeastern University, Liaoning Shenyang 110169, China

With the improvement of people’s living standard and life quality, people have paid more attention to their health. Furthermore, the sleep problems caused by the accelerated rhythm of life have troubled many people. It is reported that the lack of sleep will increase the risk of a variety of diseases. Polysomnography is a traditional monitoring instrument for sleep. However, as the more physiological signal for people should be detected, it may be a burden to the physical and mental health of people. To some extent, it will affect the sleep quality of people. This paper describes a non-contact sleep monitoring system, iSleep, which is based on 2.45 GHz microwave technology. The proposed system collects physiological signals using RF motion sensor. By using the correlation algorithm, the motion, respiration and heartbeat signals are separated from the collected RF signals. The related parameters are extracted to realize the sleep staging, the intelligent management on sleep and the sleep monitoring with a low physiological load.

microwave technique; sleep staging; non-contact sleep monitoring

TP211.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.08.004

1674-1633(2016)08-0016-05

2016-07-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61374015“基于彈性管非線性模型盲辨識的中心動(dòng)脈波無創(chuàng)動(dòng)態(tài)重建研究”和61202258“面向智能視頻監(jiān)控的多目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)研究”）；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（201102067）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20110042120037）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（N110219001，N130404016）。

徐禮勝，博士生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：xuls@bmie.neu.edu.cn