一種便攜式睡眠信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 競，王琳琳，王 磊，王 妍，張雪松，沙 洪

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津300192）

0 引言

睡眠是人生命中必不可少的活動，睡眠質(zhì)量不佳會導(dǎo)致白天精神不振，增加發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。睡眠問題在老年人身上尤為嚴(yán)峻，老年人睡眠缺失和不規(guī)律睡眠與重大疾病緊密相關(guān)，例如心血管疾病、糖尿病、高血壓、抑郁癥等[1]。睡眠呼吸暫停綜合征也大大地困擾著廣大肥胖者以及心血管疾病患者，這種睡眠呼吸障礙會在睡眠中反復(fù)中斷呼吸，極易引發(fā)心腦血管并發(fā)癥[2-3]。隨著生活節(jié)奏的加快，年輕人的睡眠問題也不容忽視，據(jù)《2020喜臨門中國睡眠指數(shù)報(bào)告》報(bào)道，年輕人普遍晚睡，平均睡眠時(shí)長僅6.92 h，深度睡眠比例不到1/3，有52.5%的年輕人習(xí)慣主動熬夜，經(jīng)常失眠占比36.1%。同時(shí)報(bào)告指出，許多人反映自己的睡眠存在多夢、覺醒，并有強(qiáng)烈的不安感等問題。長期的睡眠不足和睡眠不規(guī)律還會引發(fā)一系列健康問題，如免疫力下降、壓力大、肥胖、焦慮、認(rèn)知障礙以及健忘[1，4-5]。

本研究為了開發(fā)一款家用便攜式睡眠信息監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了用于記錄脈搏波、心率、血氧飽和度、呼吸異常次數(shù)、睡姿等信息的頭戴式硬件設(shè)備，同時(shí)設(shè)計(jì)了用于對硬件設(shè)備的啟停操作以及接收報(bào)告等操作的手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)患者在家中對自身睡眠質(zhì)量、效率以及呼吸紊亂問題的發(fā)生情況的客觀評估，其記錄的睡眠過程的體征數(shù)據(jù)可供醫(yī)生參考，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)地診斷患者的病情。

1 設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

睡眠信息監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分由三大模塊組成，分別是數(shù)據(jù)檢測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電源模塊，這3個(gè)模塊通過主控電路聯(lián)系在一起實(shí)現(xiàn)整體功能。系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 睡眠信息監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成框圖

數(shù)據(jù)檢測模塊的核心部件為天津驚帆科技有限公司開發(fā)的用于檢測脈搏波信號及血氧飽和度等指標(biāo)的脈搏波檢測芯片，型號為JFC1010。其脈搏波信號采集原理為光電容積描記（photoplethysmographic，PPG）技術(shù)，這是當(dāng)今開發(fā)便攜式設(shè)備的常用技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)；血氧飽和度是利用血液組織成分對同步發(fā)射的2路不同波長光的吸收率的差異，通過比爾拉姆波特定律[10]求得，是評估睡眠質(zhì)量以及判斷呼吸異常的關(guān)鍵指標(biāo)。三軸加速度計(jì)選用型號為ADXL345的三軸數(shù)字式加速度傳感器，用于記錄頭部的運(yùn)動情況，進(jìn)而推算睡眠臥位。

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用藍(lán)牙4.1低功耗芯片，型號為DA14580，用于和終端（手機(jī)）相連并傳輸數(shù)據(jù)。

電源模塊包括用于給整個(gè)硬件系統(tǒng)供電的電池以及實(shí)現(xiàn)充放電功能的電源管理電路，其中，供電電池由2塊額定容量110 mAh、型號為501225的聚合物充放電鋰電池組成，可滿足睡眠監(jiān)測時(shí)長的基本要求。

為了佩戴舒適，開發(fā)了頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備的模具，實(shí)物圖如圖2所示。檢測時(shí)要求患者緊貼額頭佩戴，文字朝向頭顱外部的方向，以無漏光且舒適為宜。

圖2 頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備實(shí)物圖

1.2 軟件App設(shè)計(jì)

軟件App在Android Studio開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)，用于操控頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備啟停和獲取報(bào)告。App的主界面和其他菜單界面如圖3所示。主界面用于檢測模式選擇、開始采集操作、停止采集操作以及采集過程中的波形和生理參數(shù)顯示，左上角顯示采集硬件的電量，60%以上的電量可保證整晚的睡眠監(jiān)測。其他菜單界面主要包括賬戶管理、藍(lán)牙連接、顯示設(shè)定以及歷史數(shù)據(jù)，其中賬戶管理用于賬戶信息的顯示及修改、賬戶的注銷；藍(lán)牙連接用于藍(lán)牙設(shè)備的搜索、連接以及斷開操作；用戶可在顯示設(shè)定中自定義報(bào)告的顯示內(nèi)容；歷史數(shù)據(jù)用于查看用戶生理指標(biāo)的歷史趨勢以及歷史報(bào)告。

2.隨著人均可支配收入水平的提高，居民更多追求高端的非基本公共服務(wù)消費(fèi)需求。通過實(shí)證可以看出人均可支配收入對三者的影響系數(shù)分別為0.453、0.245、0.638，且在1%的水平上顯著，說明人均可支配收入對公共服務(wù)均等化指數(shù)具有正向影響，使得均等化程度降低。

圖3 手機(jī)App界面

患者在使用本系統(tǒng)進(jìn)行睡眠監(jiān)測時(shí)，需通過手機(jī)App向頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備發(fā)送“開始檢測”指令，頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備接收到指令后，開始采集人體信號，并通過藍(lán)牙將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)端，并寫入本地文件。用戶通過App發(fā)出“停止采集”指令后，頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備停止采集并進(jìn)入休眠狀態(tài)，App通過網(wǎng)絡(luò)將保存在本地的數(shù)據(jù)文件傳輸至云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，解析后的結(jié)果傳回至手機(jī)，手機(jī)App以檢測報(bào)告的形式將睡眠監(jiān)測的結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。檢測過程中手機(jī)App與頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備及云端服務(wù)器的關(guān)系如圖4所示。

圖4 手機(jī)App與頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備及云端服務(wù)器的通信及數(shù)據(jù)傳輸

1.3 算法

1.3.1 心率及心率變異性計(jì)算

脈搏波檢測芯片所采用的PPG技術(shù)通過向人體組織發(fā)射紅光或紅外光，并檢測反射到接收板上的光信號的強(qiáng)度來記錄脈搏波信號。由于骨骼、脂肪對光的傳播的影響不變，測得信號的變化主要來自血液容積的變化，而血液容積的變化與心臟的收縮、舒張同步，因此測出的信號呈現(xiàn)與心跳同步的周期性脈動。額頭具有平滑、皮下脂肪少且血管相對豐富的特點(diǎn)，其脈搏波波形呈現(xiàn)明顯的脈動節(jié)律，可從中提取心率。

研究表明，用PPG信號測得的心率與心電圖測得的心率信號具有較好的一致性，基于PPG獲得的心率變異性和同步測量心電信號獲得的心率變異性高度相關(guān)[11]。本研究通過提取脈搏波信號各個(gè)波形周期的特征點(diǎn)來獲取心率并進(jìn)一步計(jì)算心率變異性。首先從脈搏波波形中定位出脈搏波波谷點(diǎn)，通過相鄰周期脈搏波波谷點(diǎn)的時(shí)間差可計(jì)算得到脈搏間期（pulse to pulse interval，PPI），通過計(jì)算1 min內(nèi)以該P(yáng)PI為周期的脈搏波搏動的次數(shù)求得瞬時(shí)心率，得到心率序列。利用心率序列進(jìn)一步計(jì)算心率變異性的時(shí)域、頻域以及非線性指標(biāo)，包括脈搏間期標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation of NN intervals，SDNN）、相鄰脈搏間期差值的均方根（root mean of successive square differences，RMSSD）、變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）、橢圓長軸SD1、橢圓短軸SD2及長短軸之比SDRatio等，各指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線能夠在一定程度上反映患者的睡眠情況。在睡眠報(bào)告中，以PPI（i）為橫坐標(biāo)，PPI（i+1）為縱坐標(biāo)繪制Poincare心率散點(diǎn)圖（其中i為某個(gè)PPI在整個(gè)序列中的位置），該散點(diǎn)圖橢圓的長軸、短軸、面積以及形狀的不同均顯示了心率變異性的大小不同。

1.3.2 呼吸異常識別算法

睡眠呼吸暫停綜合征是一種睡眠呼吸疾病，臨床表現(xiàn)為夜間呼吸暫停以及白天嗜睡，具有高患病率的特點(diǎn)，是導(dǎo)致心腦血管、神經(jīng)、精神疾病甚至夜間猝死等一系列并發(fā)癥的常見原因。臨床上判定呼吸暫停的指標(biāo)為呼吸暫停低通氣指數(shù)（apnea hypopnea index，AHI），該指數(shù)反映了平均每小時(shí)持續(xù)時(shí)長大于10 s的呼吸暫停以及低通氣發(fā)生次數(shù)[12]，AHI小于5則正常，5～15為輕度睡眠呼吸暫停，16～30為中度睡眠呼吸暫停，30以上為重度睡眠呼吸暫停。由于AHI受多種不可控因素影響，單純用AHI來診斷睡眠呼吸暫停疾病存在風(fēng)險(xiǎn)，臨床上常以血氧飽和度低于90%的持續(xù)時(shí)長以及最低血氧飽和度作為輔助測量手段[7]，研究者們也相繼研究出更加便捷的設(shè)備及算法[13-17]。

基于前人對便攜式睡眠呼吸暫停監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，本研究設(shè)計(jì)了睡眠呼吸暫停模擬實(shí)驗(yàn)以觀察在呼吸暫停時(shí)生理指標(biāo)的變化模式，通過觀察被試在模擬實(shí)驗(yàn)過程中的心率變化以及血氧飽和度變化曲線（如圖5所示），發(fā)現(xiàn)在呼吸氣流受阻時(shí)，存在心率先急劇上升、后下降又回升，在數(shù)秒后血氧飽和度大幅度下降后回升的模式。本系統(tǒng)通過識別心率和血氧飽和度的變化模式來定位呼吸異常事件，算法步驟如下：

圖5 睡眠呼吸暫停模擬實(shí)驗(yàn)過程中心率和血氧飽和度的變化曲線

第一步：對心率信號和血氧飽和度信號做平滑處理；

第二步：檢測心率連續(xù)上升且持續(xù)時(shí)長大于10 s、幅度超過幅度閾值的片段；

第三步：在檢測到第二步的片段后，即心率開始上升后的50 s范圍內(nèi)檢測最低血氧飽和度，當(dāng)檢測到最低血氧飽和度低于一定閾值時(shí)，記一次呼吸異常事件，繼續(xù)第二步直至全部序列檢測完畢。

最后，統(tǒng)計(jì)呼吸暫停每小時(shí)發(fā)生的次數(shù)，5次及以上則可初篩為睡眠呼吸暫停綜合征。

1.3.3 睡眠臥位的獲取

在許多情況下，一些睡眠障礙患者應(yīng)該保持或避免特定的睡眠臥位。例如，對于阻塞性睡眠呼吸暫停的患者應(yīng)避免仰臥睡覺[1]。研究表明，不同睡眠姿勢下的睡眠風(fēng)險(xiǎn)是有差異的[18]，檢測睡眠過程中的睡眠姿勢（仰臥位、左側(cè)臥、右側(cè)臥）對于不同程度的睡眠呼吸暫停患者具有重要意義。本研究開發(fā)的睡眠信息監(jiān)測設(shè)備的佩戴部位是額頭，檢測到的三軸運(yùn)動信號能夠直接反映頭部的姿態(tài)，而頭部是最能反映呼吸道的阻塞程度的部位。通過檢測頭部三軸運(yùn)動信息，能夠進(jìn)一步檢測出睡眠臥位，并記錄睡眠過程中的翻身、起夜次數(shù)及發(fā)生時(shí)刻。翻身次數(shù)及發(fā)生時(shí)刻反映了睡眠覺醒狀況，無睡眠障礙的人睡眠過程中每小時(shí)翻身次數(shù)一般不超過3次。翻身和起夜次數(shù)共同反映了睡眠的安穩(wěn)程度，這對于評估患者睡眠質(zhì)量具有重要意義。

三軸加速度信息與6種體位的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示，當(dāng)檢測到Z軸的正向程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出Y軸和X軸的正、負(fù)向程度，則判定為仰臥位；當(dāng)Y軸的正向程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出X軸和Z軸的正、負(fù)向程度時(shí)，判定為左側(cè)臥位，Y軸負(fù)向程度占主導(dǎo)時(shí)判定為右側(cè)臥位；X軸的正向程度占主導(dǎo)時(shí)判定為站立姿勢，此時(shí)可根據(jù)歷史臥位狀態(tài)及持續(xù)時(shí)間進(jìn)一步判定是否為起夜活動。

圖6 三軸加速度信息與體位的對應(yīng)關(guān)系

2 性能測試

2.1 生理參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過對本系統(tǒng)采集的睡眠障礙患者的心率、血氧飽和度以及心率變異性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將睡眠過程中的心率分布情況、血氧飽和度分布情況、每5 min心率變異性時(shí)域指標(biāo)隨時(shí)間變化曲線以及Poincare心率散點(diǎn)圖以每小時(shí)為時(shí)間節(jié)點(diǎn)繪制出來，以觀察各生理參數(shù)的分布情況等能否真正反映睡眠情況?；颊呷胨蟮?小時(shí)的各生理參數(shù)的情況如圖7所示。

圖7 入睡后第1小時(shí)的參數(shù)

圖7中顯示，該患者這1 h的心率集中在50～60次/min，分布呈正偏態(tài)，少量的心率在65～80次/min，這是患者在覺醒和微覺醒狀態(tài)時(shí)的心率水平；血氧飽和度多集中在98%～99%，最低96%，說明這1 h內(nèi)該患者未出現(xiàn)明顯低氧的情況；每5 min心率變異性時(shí)域指標(biāo)隨時(shí)間變化曲線中SDNN、RMSSD、CV、SD1、SD2以及SDRatio均呈現(xiàn)先下降后趨于平緩的趨勢，在第15分鐘左右達(dá)到穩(wěn)定，說明患者前15 min處于覺醒或微覺醒狀態(tài)，后逐漸進(jìn)入睡眠狀態(tài)；Poincare心率散點(diǎn)圖整體呈現(xiàn)窄而長的橢圓狀，說明在這1 h中患者的心率水平有一定的跨度，橢圓大小頭連續(xù)無間斷，說明心率由高水平到較低水平的變化是平緩的，無早搏、心律失常等癥狀。

2.2 呼吸異常識別驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)利用心率和血氧飽和度序列識別呼吸異常的算法對識別呼吸暫停患者的有效性，將PhysioNet[19]數(shù)據(jù)庫中的呼吸暫停心電數(shù)據(jù)庫（ApneaECG Database）作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，使用其中伴有血氧飽和度信號的8條記錄（a01～a04、b01和c01～c03）來驗(yàn)證呼吸異常檢測算法的可行性。以專家的注釋為基準(zhǔn)，該算法的敏感度為90.5531%、特異度為89.0026%、精確度為84.9563%。

2.3 睡眠臥位判斷結(jié)果

通過將原始三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)和睡眠臥位判斷結(jié)果繪制在同一坐標(biāo)系下，展示本系統(tǒng)對睡眠臥位以及翻身的識別情況。

將通過三軸加速度信息計(jì)算的睡眠臥位判定結(jié)果設(shè)定為右側(cè)臥位=0、仰臥位=1、俯臥位=2、站立位=3、倒立位=4、左側(cè)臥位=5，并將其與三軸加速度計(jì)信號繪制在同一坐標(biāo)系上，如圖8所示。在坐標(biāo)系顯示的時(shí)間跨度內(nèi)，該患者存在4次明顯的翻身動作，分別是從仰臥變?yōu)樽髠?cè)臥、左側(cè)臥變?yōu)檠雠P、仰臥變?yōu)樽髠?cè)臥、左側(cè)臥變?yōu)橛覀?cè)臥。

圖8 三軸加速度數(shù)據(jù)及睡眠臥位判斷結(jié)果

2.4 App睡眠報(bào)告呈現(xiàn)效果

患者在使用本系統(tǒng)完成睡眠監(jiān)測后，通過App中呈現(xiàn)的報(bào)告獲取檢測結(jié)果。報(bào)告顯示的內(nèi)容包括每小時(shí)及睡眠全程的平均和基準(zhǔn)心率、最低和基準(zhǔn)血氧飽和度水平、呼吸暫停次數(shù)、各睡眠臥位占比、翻身和起夜情況以及每小時(shí)的心率散點(diǎn)圖。圖9展示了某測試用戶在睡眠第1小時(shí)和總睡眠時(shí)長的報(bào)告截圖，用戶可參考該報(bào)告了解自己的睡眠狀況，通過參考睡眠過程中的異常呼吸事件決定是否需要就醫(yī)。

圖9 用戶睡眠監(jiān)測后的報(bào)告截圖

2.5 對睡眠呼吸暫?；颊邊^(qū)分情況

為了評估本系統(tǒng)對存在不同程度睡眠問題的患者的區(qū)分情況，使用頭戴式睡眠信息監(jiān)測設(shè)備分別檢測了1名睡眠呼吸暫停綜合征患者（48歲，男）和1名非呼吸暫?；颊撸?4歲，男）的睡眠信息。其中，睡眠呼吸暫停綜合征患者多導(dǎo)睡眠圖睡眠監(jiān)測診斷結(jié)果為中度睡眠呼吸暫停綜合征，打鼾，高血壓；非呼吸暫?；颊咦允鰺o各種形式睡眠障礙，血壓正常，無其他不良癥狀。采集的數(shù)據(jù)均為夜間睡眠過程中的數(shù)據(jù)。非呼吸暫?；颊吆退吆粑鼤和＞C合征患者的睡眠監(jiān)測結(jié)果對比見表1。表1中顯示，睡眠呼吸暫停綜合征患者的呼吸異常次數(shù)最多的1 h檢測到24次，超過了5次，達(dá)到本系統(tǒng)設(shè)定的睡眠呼吸暫停綜合征初篩條件，而非呼吸暫?；颊叩拿啃r(shí)呼吸異常次數(shù)為0次；另外，睡眠呼吸暫停綜合征患者最低血氧飽和度為79%，低于80%，處于嚴(yán)重缺氧水平，基準(zhǔn)心率也較非呼吸暫?；颊吒吆芏唷６叩男穆首儺愋砸灿休^大區(qū)別，非呼吸暫?；颊咚哌^程中的心率在小范圍內(nèi)波動，而睡眠呼吸暫停綜合征患者在病發(fā)的過程中心率是大幅度震蕩的模式，這在Poincare心率散點(diǎn)圖（如圖10所示）上表現(xiàn)為非呼吸暫?；颊叩纳Ⅻc(diǎn)圖為常見的彗星狀，而睡眠呼吸暫停綜合征患者散點(diǎn)圖的橢圓長軸偏短、短軸偏寬、面積較大，整體呈大圓點(diǎn)狀。睡眠呼吸暫停綜合征患者每小時(shí)翻身6次，睡姿變化更頻繁，而非呼吸暫?；颊呙啃r(shí)翻身0～3次，表明睡眠呼吸暫停綜合征患者由于睡眠過程中氣流阻塞導(dǎo)致驚醒次數(shù)增多。對比結(jié)果說明本系統(tǒng)可以有效區(qū)分無明顯睡眠障礙的人與存在睡眠障礙的患者，對只睡眠中才體現(xiàn)的疾病癥狀具有篩查價(jià)值。

表1 非呼吸暫?；颊吲c睡眠呼吸暫停綜合征患者睡眠監(jiān)測結(jié)果對比

圖10 非呼吸暫?；颊吆退吆粑鼤和＞C合征患者1 h的Poincare心率散點(diǎn)圖分布

3 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一款家用便攜式睡眠信息監(jiān)測系統(tǒng)，參考本系統(tǒng)的睡眠監(jiān)測報(bào)告，患者可以直觀認(rèn)識到自己的睡眠質(zhì)量、睡眠效率以及呼吸異常狀況等。測試數(shù)據(jù)對比顯示，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對睡眠呼吸暫?；颊吲c非呼吸暫?；颊叩挠行^(qū)分。一方面，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)患者在家即可隨時(shí)監(jiān)測睡眠狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)就醫(yī)；另一方面，患者長時(shí)間監(jiān)測的身體數(shù)據(jù)可為醫(yī)生診斷提供參考價(jià)值，使醫(yī)生更有針對性地尋找病因，提高診斷效率。相比需要貼大量電極片、佩戴多種傳感器件的多導(dǎo)睡眠儀器，本系統(tǒng)佩戴舒適、對睡眠活動造成的干擾小、成本更低，更適合睡眠障礙患者在家睡眠時(shí)佩戴，這對于節(jié)約醫(yī)療資源有重要意義。

但本系統(tǒng)的頭戴式硬件設(shè)備仍存在舒適性不足及佩戴過程中脫落的問題，針對用戶自行佩戴時(shí)無法掌握佩戴松緊度的問題，如佩戴過緊導(dǎo)致長時(shí)間佩戴出現(xiàn)局部壓力，佩戴過松導(dǎo)致信號質(zhì)量無法保證等，下一步將進(jìn)一步優(yōu)化App交互設(shè)計(jì)，用于協(xié)助用戶調(diào)整佩戴松緊度，進(jìn)一步開發(fā)異常數(shù)據(jù)檢測算法，以期解決采集過程中數(shù)據(jù)無效的問題。另外，將進(jìn)一步展開睡眠呼吸暫?；颊咴诓煌P位下的生理參數(shù)對比研究，通過比較睡眠呼吸暫停患者在不同臥位下的呼吸異常事件的異同，為其提出合理的睡姿建議，從而進(jìn)一步完善睡眠信息監(jiān)測系統(tǒng)的功能。