睡眠心率、呼吸监测系统

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睡眠心率、呼吸监测系统 \n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种睡眠心率、呼吸监测系统。 \n背景技术\n[0002] 睡眠障碍是许多疾病形成和发展的重要因素，不仅可能引起人体各种生理功能的低下，而且还会导致一系列周身性病变，疾患可引起严重的低血氧症及睡眠紊乱，与高血压、心率失常、心脑血管疾病及呼吸衰竭等疾病的发生密切相关，少数患者可夜间猝死。因此睡眠障碍日益受到国内外医学界的广泛重视。 \n[0003] 新生儿呼吸暂停的定义是呼吸道气流停止大于等于20s伴或不伴心率减慢，或小于15s伴有心率减慢，新生儿及婴儿的睡眠呼吸暂停之所以引起人们的极大兴趣，因为它可能是引起猝死的重要原因。新生儿及婴儿的生理特点不同于成年人，睡眠呼吸暂停对其健康的危害比成人更大，新生儿及婴儿全身各个系统特别是神经系统功能发育尚不完善，呼吸中枢的反馈调节功能也不稳定，特别是早产儿，在睡眠时更易发生睡眠呼吸暂停，睡眠呼吸暂停可能是新生儿猝死的原因之一，睡眠呼吸暂停对患儿心血管系统的影响尤其明显，睡眠呼吸暂停发生后5-10秒，即可见患儿的心率快速下降，20秒后即可出现口唇、指端青紫，有些患儿由于延误诊治，一入院即表现为心功能不全，病情危重，伴有生命危险。然而目前还没有可以方便地对新生儿或有睡眠障碍的患者进行呼吸和心率进行监测的方法或设备。 \n实用新型内容\n[0004] 为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种睡眠心率、呼吸监测系统，该监测系统使用方便，设计巧妙，可靠性高，不影响被监测对象的睡眠。 \n[0005] 为了实现上述目的，本实用新型提供的主要技术方案是： \n[0006] 一种睡眠心率、呼吸监测系统，包括用于采集睡眠状态下的人体背部或腹部的含有心跳信息和/或呼吸信息的体表运动信号和/或体表对外界的施力变化信号的一个或多个传感器、用于将所述运动和/或施力变化信号预处理成适于传输的包含心跳信号和/或呼吸信号的原始数字信号的预处理电路、通过无线传输方式传递所述原始数字信号的无线传输模块、用于分析处理所述原始数字信号以得出心率和/或呼吸率数据的数据分析处理模块，所述传感器为下列任意一种：\n[0007] （1）所述传感器为用于测量睡眠状态下人体对外施加压力的压力传感器、压电传感器或压电电缆，所述压电电缆优选为“S”型；\n[0008] （2）所述传感器为用于采集人体腹部体表运动状态的加速度传感器或陀螺仪。\n[0009] 所述睡眠心率、呼吸监测系统还可以包括用于固定所述传感器的载体，所述传感器与所述预处理电路采用集成或分立方式设置，对于不同的传感器，所述传感器及其对应的安装方式以及采用该种安装方式所用的载体间的组合关系为： \n[0010] （1）当所述传感器为压力传感器、压电传感器或压电电缆时，所述载体为用于在其内铺设所述传感器的床垫，所述传感器铺设于所述床垫中，优选铺设于床垫上与人体胸腹部对应的位置，所述压电电缆优选按“S”型铺设在所述床垫内；\n[0011] （2）当所述传感器为加速度传感器或陀螺仪时，所述载体为用于将所述传感器贴附在人体腹部的粘结剂或用于将所述传感器固定于人体腹部的绑带或粘结胶带，所述绑带为带松紧性的绑带。\n[0012] 所述预处理电路还可以包括依次连接的信号放大、滤波电路，A/D转换电路和单片机。\n[0013] 当所述传感器及其对应的安装方式以及采用该种安装方式所用的载体间为组合关系（1）时，所述预处理电路和传感器一同设在所述床垫内；当所述传感器及其对应的安装方式以及采用该种安装方式所用的载体间为组合关系（2）时，所述预处理电路与所述加速度传感器或陀螺仪集成在同一个壳体内，且所述加速度传感器的加速度信号输出端连接所述预处理电路的信号输入端，或所述陀螺仪的位移信号输出端连接所述预处理电路的信号输入端。\n[0014] 所述陀螺仪优选为微机械式陀螺仪。\n[0015] 所述数据分析处理模块可以为监控主机，所述监控主机包括用于分析、处理所述原始数字信号以及协调与控制所述监控主机中其他功能子模块工作的处理器、用于外部信息和外部控制指令输入的按键和用于输出监测结果的显示屏。\n[0016] 所述监控主机还可以设有用于当检测到人体呼吸暂停时刺激人体的脚心、使人体的神经系统兴奋呼吸正常的刺激模块，所述刺激模块连接所述处理器。\n[0017] 所述监控主机还可以设有用于检测到人体呼吸暂停时进行报警的报警模块，所述报警模块连接所述处理器。\n[0018] 本实用新型的有益效果是：由于信号采集端（通过传感器获得原始数字信号的一端）与监控端（对原始数字信号进行数据分析处理的一端）之间采用无线连接方法进行通信，可有效避免有线连接可能对被监测人体（特别是被监测人体是婴儿时）造成的一切潜在危险，例如可以防止有线电路缠住婴儿的脖子的危险发生。该系统不仅可以监测睡眠状态下的人体的心跳和呼吸情况，可以用于评估睡眠的质量，而且能够为某些疾病提供有力的诊断方法和工具。 \n[0019] 采用高灵敏度压力传感器内置于床垫中的信号采集方式监测睡眠心率、呼吸，构思巧妙，实现了无接触测量，对用户的正常睡眠完全没有影响，因此提高了监测的可信度和可靠性。 \n[0020] 采集端采用纽扣电池供电以及供电部分的低功耗设计，显著延长了电池的工作时间，提高了信号采集端的安全性和工作可靠性。 \n[0021] 采用的加速度传感器、微机械陀螺仪，不仅灵敏度好，而且体积小，可以很方便地固定在人体的腹部，能够准确监测到使用者的呼吸过程，而且不会对使用者造成影响； [0022] 通过在监控主机上设置专用分析软件和算法可以方便地提取出被监护者睡眠时的呼吸信号和心跳信号，并通过监控端清晰地显示出呼吸和心跳波形，以便供进一步自动识别心率与呼吸率使用，或供医生进行分析与诊断被监护者的生命特征是否正常，以便及时采取必要的治疗措施，从而保证被监护者的健康状况；\n[0023] 针对新生儿设计的报警、刺激模块，可以在检测到新生儿呼吸暂停时刺激新生儿的脚心，促使新生儿的神经系统兴奋，恢复正常的呼吸。\n附图说明\n[0024] 图1为本实用新型的睡眠心率、呼吸监测系统的原理框图； \n[0025] 图2为与本实用新型采集端的一种实施例的结构示意图；\n[0026] 图3为本实用新型的采集端的原理框图；\n[0027] 图4为本实用新型的监控端的原理框图；\n[0028] 图5为本实用新型的体动检测的流程图；\n[0029] 图6为本实用新型检测睡眠心率和呼吸的总体流程图；\n[0030] 图7为本实用新型利用加速度传感器监测呼吸的一种采集端实施例的设计框图；\n[0031] 图8为利用加速度传感器监测呼吸时的加速度曲线图；\n[0032] 图9为本实用新型利用陀螺仪监测呼吸的一种采集端实施例的设计框图；\n[0033] 图10为利用陀螺仪监测呼吸时的位移曲线图。\n具体实施方式\n[0034] 如图1所示，本实用新型还提供了一种睡眠心率、呼吸监测系统，包括用于采集睡眠状态下的人体的含有心跳信息和/或呼吸信息的体表运动信号和/或体表对外界的施力变化信号（由于人体呼吸和心脏跳动都会使人体对接触人体体表的外界事物施加微小的、随呼吸和心跳变化的压力，所述体表对外界的施力信号即指上述微小的、随呼吸和心跳变化的压力信号）的一个或多个传感器、用于将所述运动和/或施力变化信号预处理成适于传输的包含心跳信号和/或呼吸信号的原始数字信号的预处理电路、通过无线传输方式传递所述原始数字信号的无线传输模块、可用于分析处理所述原始数字信号以得出心率和/或呼吸率数据的数据分析处理模块和用于固定所述传感器的载体，所述传感器与所述预处理电路采用集成或分立方式设置，所述传感器、预处理电路和载体所在的一端可称为采集端，所述数据分析处理模块所在的一端可称为监控端。采集端与监控端之间以无线方式进行通信，以获得心率和/或呼吸率数据等与心跳、呼吸相关的生理信息数据。 \n[0035] 所述一个或多个传感器及其对应的安装方式以及采用该种安装方式所用的载体可以是下列任意一种组合： \n[0036] （1）所述一个或多个传感器可以为压力传感器、压电传感器或压电电缆，当为多个传感器时，可以采用相串联的形式，所述载体为用于在其内铺设所述传感器的床垫（指所有可垫在人体下方且不影响人的正常睡眠的垫状物），所述传感器铺设于所述床垫中，优选铺设于床垫上与人体胸腹部对应的位置。这种组合方式用于检测心跳信号和/或呼吸信号；\n[0037] 如图2为采用压电电缆作为传感器的床垫示意图，压电电缆是另一种形式的压电薄膜传感器，其采用同轴设计，层与层之间采用绝缘材料，当压电电缆被压缩或拉伸时，发生压电效应，从而产生正比于压力的电荷或者电压信号，而且压电电缆的高灵敏度使低电平振动信号容易检测，所述压电电缆铺设在床垫上与人体背部（也可以说是人体胸腹部）对应的位置，并优选按“S”型铺设。当人躺在所述床垫上时，床垫里面的高灵敏度压力传感器可以检测到人呼吸和心跳时人体对床垫的微小压力变化，并将这种微小的压力变化转变为电信号输出，通过一定的电路后采集到该信号，然后通过相应的算法计算心率、呼吸和对体动进行判断等，还可将监测结果显示出来。所述床垫的供电部分采用3V电池供电，并且对该部分电路进行了低功耗设计，延长了电池工作时间。\n[0038] （2）所述一个或多个传感器（优选采用一个传感器）可以为加速度传感器或陀螺仪，所述载体为用于将所述传感器贴附在人体腹部的粘结剂或用于将所述传感器固定于人体腹部的绑带或粘结胶带，优选为有松紧性的绑带，这种组合方式主要用于检测呼吸信号。 [0039] 所述加速度传感器或陀螺仪可以为单轴或多轴传感器，本申请以上下为轴的单轴传感器为例介绍了该系统的使用原理，所有多轴传感器也在本发明的保护范围之内。 [0040] 所述采集睡眠状态下的人体的含有心跳信息和/或呼吸信息的体表运动信号和/或体表对外界的施力信号的方式可以为下列任意一种采集方式： \n[0041] （一）将压力传感器内置于床垫中，优选置于床垫上与人体胸腹部对应的位置，利用所述压力传感器感测呼吸和心跳时人体对床垫的微小压力变化，获取所述施力信号；该种采集方式可同时采集到体表运动信号和体表对外界的施力信号，因此既可用于睡眠心率和呼吸的同时监测，也可用于睡眠心率和睡眠呼吸中其中任何一种的监测。\n[0042] （二）将加速度传感器或陀螺仪直接贴附在腹部或用绑带固定在腹部，利用所述加速度传感器感测呼吸时腹部运动过程中加速度的变化，或利用所述陀螺仪感测呼吸时腹部运动过程中位移的变化，获取所述运动信号。该种采集方式采集的是体表运动信号，用于睡眠呼吸的监测。 \n[0043] 对于所述采集方式（一），所述数据分析处理模块进行数据分析处理的方法为： [0044] （1）检测和识别体动信号：申请人通过大量的试验，对大量的来自于床垫的原始数字信号分析得到，体动（一般可分为大体动和小体动两种，大体动包括上床、翻身和起床等，小体动包括上下肢体的小幅度晃动和咳嗽等）信号要远远大于呼吸信号和心跳信号，对心率、呼吸监测来说属于相当大的干扰信号，通过分段计算所述原始数字信号的标准差和检测波形的幅值，当所得标准差与幅值均大于相应阈值（分别为根据体动特点预先设定的标准差和幅值的上限值，当实际值超过相应阈值时，表示相应段的数据为体动发生时对应的原始数字信号）时，则标记相应段的原始数据信号为体动信号，并设置体动标志。其目的是剔除该段信号，即不对标记为体动信号的原始数字信号进行后续的处理，从而通过减少低价值的数据分析和处理的量提高监测效率，体动检测的流程如图5所示。\n[0045] 必要情况下可以通过计算体动时间和对比标准差大小进一步识别体动为大体动还是小体动（其理论依据是：大体动一般持续时间都在5s以上，标准差稍大，而小体动持续时间一般在5s以下，标准差略小），优选地以仅仅累加体动时间的简单方法进行区分，具体为：当体动标志指示为体动时，记录和累加体动时间，当累加得到的体动时间大于等于5s时，标识为大体动，当累加得到的体动时间小于5s时，标识为小体动。当然，该方法中的阈值（“5s”）也可以根据实际情况改用其他具体数值。 \n[0046] 实践中，当体动特别频繁时，忽略掉相邻两次体动之间的心跳信号和/或呼吸信号也是一种提高监测效率的有效手段，具体方法是：当相邻的两个体动之间的相隔时间小于或等于一个预设的特定值时，则把中间的非体动状态也归为体动状态，即将所述间隔时间所对应的原始数字信号标记为体动信号。这个预设的特定值优选为2s。 \n[0047] 体动状态时，为了避免呼吸和心率的错误计算，只对分离提取出的心跳信号和/或呼吸信号进行波形显示，而不进一步对其进行检测和计算。当没发生体动时，除了显示心跳信号和/或呼吸信号波形外，还继续对心跳信号和/或呼吸信号进行后续处理，最后检测并计算出实时的心率值和/或呼吸率。 \n[0048] （2）提取心跳信号和/或呼吸信号：利用小波分解对信号具有多分辨的特点和心跳信号、呼吸信号及干扰信号的主要集中频带的不同，对非体动信号的所述原始数字信号（即没有设置体动标志的段所对应的原始数字信号）进行连续小波变换多层分解，使干扰信号与心跳信号和/或呼吸信号分别集中在不同尺度分量上，从而得到心跳信号和/或呼吸信号，优选以三次样条小波为基函数进行多层分解，三次样条小波的分解系数优选为：0、\n0.0625、0.25、0.375、0.25、0.0625、0和0；重构系数优选为：-0.0008、-0.01643、-0.10872、-0.59261、0.59261、0.10872、0.01643和0.0008，以这两组系数为变换分解的基函数表达，进行多尺度的分解，得到各尺度小波分量，其中所述心跳信号和呼吸信号分别主要集中在小波分解后的第5、9尺度分量上，也就是说可以分别将小波分解后的第5、9尺度分量作为所述心跳信号和呼吸信号，达到信号提取的目的。 \n[0049] 以此实现从原始数字信号中提取心跳信号和/或呼吸信号的目的。在心跳信号和呼吸信号成功提取的基础上进行心率和呼吸率的检测，可以分析被监护患者的生命特征和呼吸是否正常，是否有心率异常、呼吸暂停或停止。 \n[0050] 为了使所述心跳信号的每个心搏更加清晰，便于自动识别与医生诊断，优选对小波变换后得到的心跳信号进行峰值变换，并以峰值变换后的心跳信号作为心率计算的基础。 \n[0051] 峰值变换的公式如下： \n[0052] \n[0053] 其中 为峰值变换前的信号， 为峰值变换后的信号， 为进行峰值变换的步长。\n[0054] 在峰值变换后得到的心跳信号用于给医生进行诊断或进一步自动分析心率，通过自适应的幅度阈值结合斜率分析准确的识别心搏，用以进一步的实时检测心率，以达到实时远程监护患者的心率是否正常的目的。 \n[0055] （3）计算心率和/或呼吸率：根据提取的所述心跳信号，结合其幅值和斜率识别出心搏信号，计算出每分钟内心搏信号的个数从而得到所述心率；根据提取的呼吸信号，计算出其在每分钟内呼吸周期的个数从而得到所述呼吸率。 \n[0056] 对于所述采集方式（二），所述数据分析处理模块进行数据分析处理的方法为：所述数据分析处理模块将原始数字信号由正向或反向最大变为反向或正向最大，再由反向或正向最大变为正向或反向最大视作一个呼吸周期，然后计算出每分钟内呼吸周期的个数，从而得到呼吸率。 \n[0057] 所述采集方式（二）中，利用所述陀螺仪检测的是腹部的被检测点的位移，当人体吸气时，人体腹部由最低点向上运动，呼气时，人体腹部由最高点向下运动。利用加速度传感器检测的是腹部的被检测点的运动加速度，人体吸气时，人体腹部由最低点向上运动，前半段为加速度向上且逐渐减小到0的加速运动，后半段为加速度向下的减速运动，当向上运动的速度减为0时，向上运动的位移最大，吸气过程完成；人体呼气时，人体腹部由最高点向下运动，前半段为加速度向下且逐渐减小到0的加速运动，后半段为加速度向上的减速运动，当向下的速度减小为0时，向下运动的位移最大，呼气过程结束。 \n[0058] 本实施例的加速度曲线和位移曲线分别如图8和图10所示，由于正常情况下呼吸具有周期性，因此相应的位移曲线和加速度曲线也呈现为周期性变化曲线，因此可以认为曲线上由正向或反向最大变为反向或正向最大，再由反向或正向最大变为正向或反向最大为一个呼吸周期。 \n[0059] 如图3所示，所述预处理电路可以包括依次连接的信号放大、滤波电路，A/D转换电路和单片机。由于所述预处理电路体积小、功耗低，当所述一个或多个传感器及其对应的安装方式以及采用该种安装方式所用的载体为组合（1）时，所述预处理电路优选和所述传感器一同设在所述床垫内，以节省安装空间，以便减小设备整体的体积。 \n[0060] 同理，当所述一个或多个传感器及其对应的安装方式以及采用该种安装方式所用的载体为组合（2）时，所述预处理电路与所述加速度传感器或陀螺仪集成在同一个壳体内，且所述加速度传感器的加速度信号输出端连接所述预处理电路的信号输入端，或所述陀螺仪的位移信号输出端连接所述预处理电路的信号输入端，以便信号的采集。 [0061] 所述数据分析处理模块为监控主机，如图4所示，所述监控主机包括用于分析、处理所述原始数字信号以及协调与控制所述监控主机中其他功能子模块工作的处理器、用于外部信息和外部控制指令输入的按键和用于输出监测结果的显示屏。所述预处理电路与数据分析处理模块之间通过配套的无线通信模块进行无线通信。 \n[0062] 图7所示为采用加速度传感器实现呼吸监测的一个实施例中的采集端的组成框图，所述加速度传感器依次连接信号放大、滤波电路，A/D转换电路，单片机（与所述信号放大、滤波电路和A/D转换电路组成所述预处理电路）以及无线传输模块。所述加速度传感器输出的原始模拟信号经过信号放大、滤波电路的处理后输入A/D转换电路进行模数转换，然后经所述单片机通过无线传输模块将获得的原始数字信号上传到监控端的所述数据分析处理模块，经过一定的处理后得到呼吸时的波形，同时计算出呼吸率。为了使用时更加方便（能够固定在腹部并对使用者不会产生任何影响），并尽可能减小产品的体积，采用纽扣电池进行供电；为了延长电池的使用时间，在电源管理方面进行低功耗设计，而且采用无线传输使用户使用起来更加方便。利用加速度传感器可以精确地检测到微小的加速度变化，输出呼吸波形好，能够准确测量出呼吸的过程。 \n[0063] 图9所示为采用陀螺仪实现呼吸监测的一个实施例中的采集端的组成框图，包括依次连接的陀螺仪、单片机、无线传输模块，利用所述陀螺仪可以精确地检测到微小的位移或方位的变化，把位移或方位变化波形看作呼吸波形，就能够准确测量出呼吸的过程。本实用新型所使用的陀螺仪内部具有AD采样和温度补偿等功能，兼具位移或方位传感器、预处理电路和A/D转换电路的全部功能，能够采用SPI接口将数据送入单片机，简化了外部电路的设计，使产品可以做得更小。 \n[0064] 所述陀螺仪优选采用微机械陀螺仪，其体积小，重量轻，易于数字化，智能化，可以数字输出，有温度补偿、零位校正等，可方便地固定在使用者腹部，并对使用者没有影响。该采集端还设有电源模块，并采用纽扣电池进行供电，可以减小产品的体积，为了延长电池的使用时间，在电源管理方面进行低功耗设计。采用了无线传输数据的方式，使用户使用起来更加方便。 \n[0065] 所述监控主机用于接收床垫内采集的数据，并对数据进行处理，显示心率、呼吸等，对用户的生理信息进行监控，同时该监控主机还可以进行数据的存储，为某些疾病的诊断提供有效的帮助。 \n[0066] 所述处理器设有用于检测和识别体动信号的体动分析模块、用于提取心跳信号和/或呼吸信号的待测信号提取模块以及用于心率和/或呼吸率分析计算的分析计算模块。\n其工作过程如图6所示：所述处理器采集到的原始数据首先通过所述体动分析模块和待测信号提取模块，进行体动检测同时分离提取出呼吸信号和心跳信号，然后对提取得到的心跳信号和呼吸信号分别通过分析计算模块，得到实时的心率和呼吸率；当非体动状态时更新心率和呼吸率，而体动状态时为了避免心率和呼吸率的计算错误，保持上一次检测计算到的结果。 \n[0067] 所述无线传输模块和/或预处理电路优选采用纽扣电池供电和低功耗的电源管理方式。 \n[0068] 所述监控主机还设有用于当检测到人体（特别是新生儿）呼吸暂停时刺激人体的脚心、使人体的神经系统兴奋呼吸正常的刺激模块和用于检测到人体呼吸暂停时进行报警的报警模块，所述刺激模块和报警模块的信号输入端连接所述处理器。当所述睡眠心率、呼吸监测系统检测到人体呼吸暂停时，所述报警模块可发出报警信号，同时利用所述刺激模块刺激被监测人体的脚心，使人体的神经系统兴奋，恢复正常呼吸。