新型多參數(shù)睡眠監(jiān)測(cè)頭帶的研制

嚴(yán)博文，吳寶明＊，高丹丹，陸彥邑，吳若愚

新型多參數(shù)睡眠監(jiān)測(cè)頭帶的研制

嚴(yán)博文，吳寶明＊，高丹丹，陸彥邑，吳若愚

（第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所，重慶，400042）

目的：研制一款新型的多參數(shù)睡眠監(jiān)測(cè)頭帶。方法：基于體表腦電﹑反射式血氧飽和度﹑紅外體溫﹑三維加速度等感知技術(shù)和藍(lán)牙通訊技術(shù)，結(jié)合微型﹑低功耗設(shè)計(jì)，研制多參數(shù)睡眠監(jiān)測(cè)頭帶。結(jié)果：研制出了一款能同步監(jiān)測(cè)人體腦電﹑血氧飽和度﹑體溫和活動(dòng)及姿態(tài)的新型多參數(shù)睡眠監(jiān)測(cè)頭帶。結(jié)論：該頭帶集多種參數(shù)采集于一體，使用方便，佩戴舒適，可用于家庭環(huán)境睡眠監(jiān)測(cè)和構(gòu)建遠(yuǎn)程睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，也可用于旅游﹑科研﹑體育﹑健康管理和戰(zhàn)時(shí)傷員救護(hù)等領(lǐng)域。

可穿戴式；睡眠監(jiān)測(cè)；腦電；血氧飽和度

引言

睡眠障礙性疾病是嚴(yán)重危害人類健康的高發(fā)疾病，它不僅影響人的工作﹑學(xué)習(xí)，長(zhǎng)時(shí)間以后將引起人體器官的障礙，導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)﹑記憶力減退﹑抑郁焦慮和高血壓﹑中風(fēng)﹑糖尿病﹑老年癡呆等疾病的發(fā)生[1]。

多導(dǎo)睡眠圖（PSG）是睡眠障礙疾病診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，它能準(zhǔn)確的區(qū)分各類睡眠障礙疾病，但該技術(shù)存在諸多問題，只有大型醫(yī)院才能開展，導(dǎo)致我國(guó)睡眠障礙疾病的知曉率﹑檢出率低。因此，迫切需要研究開發(fā)適合家庭的睡眠監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備。近年來國(guó)內(nèi)外已研究開發(fā)出一些便攜﹑小型的睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備[2-5]，但在兼具專業(yè)性﹑準(zhǔn)確性﹑使用方便性和舒適性等方面仍存在諸多問題。為此，最近我們?cè)谥貞c市科技攻關(guān)項(xiàng)目和第三軍醫(yī)大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化基金課題支持下，結(jié)合穿戴式設(shè)計(jì)﹑智能手機(jī)﹑無線通信﹑云平臺(tái)等技術(shù)，研究開發(fā)出了一套無線遠(yuǎn)程睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]。本文重點(diǎn)介紹其中的新型多參數(shù)睡眠監(jiān)測(cè)頭帶的研制情況。

1 方法

1.1 總體設(shè)計(jì)

針對(duì)目前的睡眠檢測(cè)類產(chǎn)品的問題，我們提出研制一種新的穿戴式睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備，基于體表腦電﹑反射式血氧飽和度﹑紅外體溫﹑三維加速度等感知技術(shù)，結(jié)合微型﹑低功耗設(shè)計(jì)，以頭帶方式，在額部同步監(jiān)測(cè)腦電﹑血氧飽和度﹑活動(dòng)和體溫多個(gè)參數(shù)。我們選擇上述4個(gè)參數(shù)主要基于：首先，腦電是反映睡眠狀態(tài)最重要的指標(biāo)，已廣泛應(yīng)用于睡眠分期質(zhì)量評(píng)估；其次，血氧飽和度與血液中氧含量直接相關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)呼吸暫停事件時(shí)人體缺氧，血氧飽和度將明顯下降，已被用于判斷呼吸暫停綜合癥的指標(biāo)。同時(shí)檢測(cè)腦電和血氧飽和度，可以實(shí)現(xiàn)睡眠分期和呼吸暫停事件的同時(shí)辨識(shí)。最后，活動(dòng)和體溫參數(shù)可以輔助判斷睡眠時(shí)的深淺狀況。此外，為了滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)要求，在設(shè)備中增加無線通信模塊，利用藍(lán)牙將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)處理，或進(jìn)一步發(fā)送到遠(yuǎn)程睡眠監(jiān)測(cè)中心請(qǐng)求專家分析。整個(gè)設(shè)備的示意圖如下1所示。

圖1 多參數(shù)睡眠監(jiān)測(cè)頭帶示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-parameter sleep monitoring headband

1.2 電路設(shè)計(jì)

整個(gè)睡眠監(jiān)測(cè)頭帶電路主要由腦電﹑脈搏波﹑活動(dòng)﹑體溫監(jiān)測(cè)電路和主控芯片﹑藍(lán)牙傳輸模塊﹑供電電路等組成，如圖2所示。在滿足功能要求的前提下，我們緊緊圍繞微型﹑低功耗﹑低負(fù)荷要求開展設(shè)計(jì)。盡量選用高集成度﹑表貼﹑微功耗傳感器和芯片，PCB采用多層布板，元器件緊湊布局，努力縮小體積和功耗，整體電路板尺寸只有3*3(cm)，整體功耗低至3mW,配合180mah的鋰電池可以運(yùn)行2天。下面重點(diǎn)介紹腦電﹑血氧﹑體溫﹑姿態(tài)監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)。

1.2.1 腦電監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

腦電是評(píng)價(jià)睡眠狀態(tài)的金標(biāo)準(zhǔn)，也是專業(yè)睡眠PSG監(jiān)測(cè)設(shè)備中最重要的參數(shù)。近年來隨著穿戴式監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)步，已有學(xué)者研究出了基于少通道﹑單通道腦電監(jiān)測(cè)分析睡眠狀態(tài)的方法[7-8]。我們?cè)谇邦~FP1和FP2記錄腦電信號(hào)，使用前端集成生物電采集芯片BMD101（如下圖3所示）進(jìn)行腦電信號(hào)的調(diào)理以及數(shù)字化。BMD101是神念公司的一款專業(yè)芯片，用于腦電﹑心電等生物電的放大﹑調(diào)理﹑采集，具有放大﹑調(diào)理﹑采集一體化，尺寸小﹑功耗低，直接輸出數(shù)字信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)。

圖2 頭帶電路示意圖Fig2 Schematic diagram of headband circuit

圖3 腦電采集電路原理圖Fig3. Diagram of EEG acquiring circuit

1.2.2 血氧監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

血氧飽和度是表征阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥出現(xiàn)的重要指標(biāo)，當(dāng)出現(xiàn)呼吸暫停的時(shí)候，人體的血氧飽和度會(huì)快速的下降，通過監(jiān)測(cè)血氧飽和度可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)呼吸暫停，以采取有效的措施。我們采用反射式血氧飽和度檢測(cè)原理，在額部監(jiān)測(cè)血氧飽和度[9]。其中，采用光頻轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光強(qiáng)采集。與傳統(tǒng)脈搏波檢測(cè)所使用的模擬放大濾波﹑AD轉(zhuǎn)換方式不同，光頻轉(zhuǎn)換芯片，將兩路PPG信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM波，頻率代表光強(qiáng)。這樣既可增加PPG信號(hào)的采樣率，同時(shí)減少對(duì)單片機(jī)數(shù)字輸入口資源的占用，也有助于減少設(shè)備體積，增強(qiáng)抗干擾能力。進(jìn)一步我們專門設(shè)計(jì)了雙向交替發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路（如下圖4所示）。當(dāng)Q1﹑Q4導(dǎo)通時(shí)，紅光LED導(dǎo)通，發(fā)出紅光，當(dāng)Q2﹑Q3導(dǎo)通時(shí)，紅外LED導(dǎo)通，發(fā)出紅外光。

1.2.3 體溫監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

體溫與人體的狀態(tài)密切相關(guān)，當(dāng)睡眠狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)體溫也會(huì)隨之變化，監(jiān)測(cè)人體的體溫有助于睡眠狀態(tài)的辨別[10]。為此，我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了體溫監(jiān)測(cè)電路，選用高靈敏度﹑微型紅外線測(cè)溫傳感器MLX90615感應(yīng)額部溫度。與傳統(tǒng)接觸式體溫傳感器相比，使用紅外傳感測(cè)溫不需要接觸皮膚，使用更簡(jiǎn)便，也有利于設(shè)備的小型化。體溫監(jiān)測(cè)電路原

理圖如下圖5所示。

圖4 雙向交替LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig4 Diagram of alternative LED driving circuit

圖5 體溫監(jiān)電路原理圖Fig5 Diagram of temperature monitoring circuit

1.2.4 姿態(tài)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

人體活動(dòng)﹑姿態(tài)對(duì)于了解睡眠狀況和睡姿習(xí)慣，特別是對(duì)體動(dòng)﹑起夜頻度等具有重要價(jià)值。為此，我們進(jìn)一步增加了姿態(tài)監(jiān)測(cè)電路，選用Freescale公司MMA7660FC三維加速度傳感器，通過對(duì)重力加速度g在X,Y,Z三軸方向上的分布和運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)特征進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)人體的活動(dòng)和姿態(tài)。其中，活動(dòng)強(qiáng)度取X,Y,Z三軸方向加速度信號(hào)的平方根。如圖6所示，當(dāng)人體站立時(shí)，g分布在X軸負(fù)方向；仰臥時(shí)，g分布在Z軸正方向；俯臥時(shí)，g分布在Z負(fù)方向；左側(cè)臥時(shí)，g分布在Y軸負(fù)方向；右側(cè)臥時(shí)，g分布在Y軸正方向。

圖6 加速度監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng)和電路原理圖Fig6 Acceleration monitoring coordinate system and circuit

1.3 軟件設(shè)計(jì)

睡眠監(jiān)測(cè)頭帶中腦電﹑脈搏﹑體溫﹑活動(dòng)姿態(tài)信號(hào)的采集與傳輸由微處理器統(tǒng)一控制。我們選用飛思卡爾公司的Kinetis L15微控制器。該微處理器是一種新型的高性能﹑低功耗芯片，并且具有超低的功耗和最小5x5mm 32 QFN的封裝，非常適合作為智能穿戴設(shè)備的主控芯片。整個(gè)多參數(shù)監(jiān)測(cè)程序的流程如下圖7所示。

圖7 微處理器程序流程圖Fig7 Flow chart of multi-parameter monitoring program

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們重點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)的腦電﹑PPG和姿態(tài)采集電路進(jìn)行了功能性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 腦電實(shí)驗(yàn)

腦電實(shí)驗(yàn)測(cè)試者佩戴頭帶，分別采集睜眼和閉眼時(shí)的腦電波形，記錄時(shí)長(zhǎng)8秒鐘。采集的腦電信號(hào)經(jīng)放大﹑濾波后進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如下圖8所示。其中，a是睜眼時(shí)的腦電，b是對(duì)其進(jìn)行頻譜分析的結(jié)果，c是閉眼時(shí)的腦電，d是對(duì)其進(jìn)行頻譜分析的結(jié)果?？梢钥闯?，在閉眼以后，α波（8-13Hz）的密度明顯增加，這是由于閉眼放松后潛意識(shí)開始激發(fā)，所以α波開始增多。

圖8 睜眼和閉眼的腦電對(duì)比圖Fig8 EEG comparison of open and closed eyes

2.2 PPG實(shí)驗(yàn)

PPG實(shí)驗(yàn)測(cè)試者佩戴頭帶，交替采集紅光和紅外光照射時(shí)的PPG波形，獲得波形如下圖9所示。然后根據(jù)光子擴(kuò)散方程以及朗伯比爾定律，推導(dǎo)計(jì)算血氧飽和度：

其中，別表示波長(zhǎng)λ的光強(qiáng)交流分量及直流分量， As﹑Bs為血氧定標(biāo)系數(shù)。

圖9 紅光和紅外光PPG信號(hào)Fig9 PPG signal of red and infrared light

2.3 姿態(tài)實(shí)驗(yàn)

姿態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試者佩戴頭帶，依次做出站立﹑俯臥﹑左側(cè)臥﹑仰臥﹑右側(cè)臥五個(gè)狀態(tài)，每個(gè)動(dòng)作持續(xù)10s，采集加速度值。獲得的XYZ軸的加速度波形如下圖10所示。可以很清楚的辨別人體所處的姿態(tài)。

圖10 不同姿態(tài)下XYZ軸加速度波形Fig10 Acceleration waveforms of XYZ axes under different postures

3 結(jié)論與討論

睡眠與人體健康狀態(tài)和許多疾病的發(fā)生密切相關(guān)，日常睡眠監(jiān)測(cè)對(duì)于睡眠障礙疾病的早期發(fā)現(xiàn)與及時(shí)治療具有重要的意義。針對(duì)現(xiàn)有穿戴式睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備存在的不足，本文研制出了一種新型的多參數(shù)睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備，在一根頭帶上就實(shí)現(xiàn)了腦電﹑血氧﹑體溫和姿態(tài)多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而有望很好解決現(xiàn)有設(shè)備無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)睡眠分期和呼吸暫停事件的辨識(shí)。此外，新研制的設(shè)備還具有使用方便﹑佩戴舒適，支持無線通訊的特點(diǎn)。下一步我們將在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展睡眠狀態(tài)分期﹑睡眠事件智能分析算法方面的研究。

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Development of A Novel Multi-parameter Sleep Monitoring Headband

Yan Bowen, Wu Baoming*, Gao Dandan, Lu YanYi, Wu Ruoyu
((Daping Hospital and Research Institute of Surgery, The Third Military Medical University, Chongqing 400042)

Objective: To develop a novel multi-parameter sleep monitoring headband.Methods: Based on surface EEG, reflective oximetry, infrared body temperature, three-dimensional acceleration sensing technology and Bluetooth communication technology and combined with miniature and low-power design to develop a multi-parameter sleep monitoring headband.Results: A new type of multi-parameter sleep monitoring headband for simultaneous monitoring of EEG, oxygen saturation, body temperature, activity and posture was developed.Conclusion: This new designed headband can be used for sleep monitoring in home environment and remote sleep monitoring system.It can also be used in tourism, scientific research, sports, health management and wartime ambulance.

wearable; sleep monitor; EEG; PSG

TH789 [Document Code] A

10.11967/2017150208

TH789

A DOI： 10.11967/2017150208

重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目（CSTC2011AC5114）和第三軍醫(yī)大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化基金項(xiàng)目 (編號(hào)：2013XZH08)

嚴(yán)博文（1986—），實(shí)習(xí)研究員，現(xiàn)就職于第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所，主要從事穿戴式醫(yī)學(xué)儀器﹑遠(yuǎn)程醫(yī)療睡眠監(jiān)測(cè)方面的研究。

吳寶明（1962—）,研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)處理﹑醫(yī)學(xué)儀器﹑野戰(zhàn)救護(hù)器材裝備和遠(yuǎn)程醫(yī)療方面的研究。

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