基于體震信號的睡眠檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

【摘要】 設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于體震信號的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)。肢體動作、胸腔擴張收縮、心臟泵血都會引起人體和與人體接觸物體的震動，采集這些震動，經(jīng)過壓電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大模塊等信號處理電路，再傳輸?shù)胶笈_進行預(yù)處理，利用一種基于動作幅度、心率、呼吸而建立的睡眠檢測算法得到睡眠質(zhì)量。同步使用專業(yè)睡眠監(jiān)測儀來監(jiān)測睡眠，并檢驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】 體震信號；壓電傳感器；心沖擊描記圖

Abstract： the design and implementation of a sleep monitoring system based on body vibration signal.Movements of the limbs， chest expansion contraction， the heart pumps blood will cause the body and the object in contact with the human body shake， the collection of thesevibration piezoelectric sensor， converted into electrical signal by the amplifier module， signal processing circuit，and then transfer to the background of pretreatment，based on an action range， heart rate， respiratory and the establishment of the sleep sleep quality detectionalgorithm. Simultaneous use of professional sleep monitorto monitor the sleep， and test the accuracy of the system♂

Keywords： body vibration signal； piezoelectric sensor；ballistocardiogram

Abstract： the design and implementation of a sleep monitoring system based on body vibration signal.Movements of the limbs， chest expansion contraction， the heart pumps blood will cause the body and the object in contact with the human body shake， the collection of thesevibration piezoelectric sensor， converted into electrical signal by the amplifier module， signal processing circuit，and then transfer to the background of pretreatment，based on an action range， heart rate， respiratory and the establishment of the sleep sleep quality detectionalgorithm. Simultaneous use of professional sleep monitorto monitor the sleep， and test the accuracy of the system.

一、引言

睡眠對評估人們的工作壓力、疲勞度和精神狀況等日常生活狀況有著重要意義。醫(yī)學(xué)上對睡眠的結(jié)構(gòu)和進程的了解，是利用多導(dǎo)睡眠儀來完成的。但是這些設(shè)備主要集中于醫(yī)院和研究所，其上百萬的價格制約了其普及性。近些年來，隨著移動應(yīng)用方式的推廣，小型化的檢測儀的研制水平不斷提高[1]。追蹤睡眠質(zhì)量也成了許多當(dāng)前流行的可穿戴產(chǎn)品所關(guān)注的功能。

二、系統(tǒng)工作原理與構(gòu)成

在目前的生物醫(yī)學(xué)工程研究當(dāng)中，我們對人體的各種生理信號進行采集與處理，傳統(tǒng)測量心率和呼吸的方式，是利用電極或傳感器直接接觸人體，對人體產(chǎn)生一定約束，從而使受試者產(chǎn)生一定的心理負(fù)擔(dān)[2]。本系統(tǒng)使用了基于體震信號的無感覺測量技術(shù)，系統(tǒng)示意圖如圖1系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖所示，檢測設(shè)備壓在床腳下，測試時用戶按照平時習(xí)慣在床睡覺即可。其原理是：當(dāng)心臟向外泵血時，身體會產(chǎn)生與促使血液流動的力相反的作用力，該作用力引起了與心跳同步的身體震動，產(chǎn)生體震信號，該信號的規(guī)律與心率相關(guān)。同時人體每一次呼吸伴隨著胸腔的擴張和收縮，這種變化也會引起緩慢變化的體震信號，這些信號通過人體傳遞給了固體，再通過固體被壓電傳感器采集到。雖然微弱，壓電傳感器的靈敏度足以測量到，經(jīng)過一系列的信號傳輸，通過算法處理模塊分離出心跳、呼吸和人在床上的體動。鑒于此，本系統(tǒng)安裝后，無聲無息地檢測使用者所有睡眠習(xí)慣，無須接觸用戶，心率、呼吸、活動等情況均在檢測范圍內(nèi)，作為睡眠診斷的依據(jù)[3]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

如圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖所示，主傳感器采用壓電傳感器，振動信號經(jīng)濾波及兩級放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)MCU處理后通過通信接口將數(shù)字信號傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器對其進行分析，分析結(jié)果可通過信息終端（智能手機、PAD、PC等）訪問。

三、信號處理過程

壓電傳感器采集到的振動信號中混合了人體心跳、呼吸、動作以及環(huán)境噪聲。因此，利用matlab中的fdatool工具設(shè)計了幾個FIR濾波器來分理出這些生理信號。

呼吸波的正常頻率范圍是0.1-1Hz，故而設(shè)計截止頻率為1Hz的FIR低通濾波器，可提取出呼吸波。由心臟向外泵血而產(chǎn)生的體震信號稱為心沖擊信號，描述心沖擊的信號的圖表稱為心沖擊圖（Ballistocardiogram，簡稱BCG）。BCG信號能量通常集中在5-25Hz，設(shè)計2-35Hz的FIR帶通濾波器可提取BCG，每一次心搏活動出現(xiàn)總是伴隨著一個心沖擊。取一段數(shù)據(jù)進行分析，如圖3所示，從上而下，分別是混雜了各種信息的原始波形、經(jīng)過帶通濾波的BCG波形，以及經(jīng)過低通濾波的呼吸波，可以看到壓電傳感器采集到的信息經(jīng)處理后是可以提取出心率和呼吸的。

四、睡眠檢測算法

上述獲取到的心跳、呼吸、體動等信號，為睡眠質(zhì)量的評估提供了依據(jù)。

睡眠質(zhì)量的評價其實就是對睡眠結(jié)構(gòu)組成的分析。睡眠結(jié)構(gòu)將睡眠狀態(tài)劃分為Wake（覺醒期）、REM（快速眼動期）、NREM （非快速眼動期），其中NREM 又分為Light（淺睡期）和Deep（深睡期）。其中，真正讓大腦和軀干得到休息和放松的時期是Deep期。Deep期在睡眠周期中占15%左右，第二天才不會覺得疲憊。REM期、Light期、Deep期的總和，就是我們通常所說的睡眠時間[4]。睡眠效率，一般定義為，睡眠效率=Deep期/（Wake期+ REM期+NREM期）×100%。

由此，算法以體動為首要判斷依據(jù)，增加心率，呼吸等變量參考，根據(jù)上述睡眠周期原理構(gòu)建馬可夫鏈，提高睡眠結(jié)構(gòu)判斷的準(zhǔn)確性。算法判斷準(zhǔn)則如下：

首先，體動幅度和頻率較大，判斷為Wake期；體動較短促，幅度小，發(fā)生頻率低，判斷為REM 期或Light期；人體保持平靜、無明顯體動，判斷為Deep期；

具體算法說明：以10分鐘為一個窗口進行移動，每次前進5分鐘，用波形幅度的方差分布來作為衡量體動的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)波形幅度的均方差/最小值和均方差/平均值同時下降，則有可能是睡眠周期的狀態(tài)切換，如果分別跌至3和0.2以下，則可預(yù)估為Deep期，但是如果這期間有大小動作，則降至Light期，如果前一個狀態(tài)為Wake，也降至Light期；反之，當(dāng)波形幅度的均方差/最小值和均方差/平均值同時上升至25和2以上，則可預(yù)估為Wake期；以此類推。此外，如果有大小動作出現(xiàn)，且持續(xù)時間超過5秒，判為Wake期。

預(yù)判之后再做調(diào)整，Wake期不會直接切換到Deep期，中間必然有個Light期過渡。然后再結(jié)合心率和呼吸來判定，整晚心率總體趨勢減慢，前半夜的睡眠周期持續(xù)時間較長，后半夜較短。不同REM期的心率變異性隨著睡眠時間的增加而增大。REM 期呼吸急促并且非常不平穩(wěn)，Deep期呼吸最為平穩(wěn)。

五、實驗結(jié)果與分析

設(shè)計測試環(huán)境，測試人員在佩戴了ZOE睡眠監(jiān)測儀的同時，躺在床腳已安裝檢測設(shè)備的床上，同步測試。所得的數(shù)據(jù)如圖4所示，上方是ZOE睡眠監(jiān)測儀給出的數(shù)據(jù)，23：00-6：00時間段中每一小段睡眠狀態(tài)的判斷，下方是本系統(tǒng)在同一時段的判斷結(jié)果。數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，正確率95%以上。

六、小結(jié)

本文介紹了一種基于體震信號的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)。體震信號經(jīng)過壓電傳感器轉(zhuǎn)為電信號，通過信號處理，提取出呼吸心率，利用一套基于動作幅度、心率、呼吸而建立的睡眠檢測算法對睡眠質(zhì)量進行評估。測試結(jié)果表明具有較高的準(zhǔn)確性，該方法對使用者的正常生活無影響，對無接觸式的睡眠檢測具有重要意義。

6 參考文獻

1 Michael L.Perlis. Cognitive Behavioral Treatment of Insomnia. Springer Science + Business Media，Inc.2005： 35-36

2張勇.基于嵌入式系統(tǒng)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.

3 Trefny Z， Trojan S， Toman V， etal. New trends in ballistocardiography [J]. Measure Science Review， 2003， 3（2）：45-48.

4張秀華.睡眠障礙診療手冊人民衛(wèi)生出版社 2012年9月第1版： 4-6

基金項目：智慧社區(qū)服務(wù)管理創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范，2012BAJ05B05.（國家科技支撐項目）

上海軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，13DZ0510500

作者簡介：陸美珠、1982、女、碩士、主要研究方向：嵌入式軟件與系統(tǒng)， 物聯(lián)網(wǎng)終端。

基金項目：智慧社區(qū)服務(wù)管理創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范，2012BAJ05B05.（國家科技支撐項目

呼吸波的正常頻率范圍是0.1-1Hz，故而設(shè)計截止頻率為1Hz的FIR低通濾波器，可提取出呼吸波。由心臟向外泵血而產(chǎn)生的體震信號稱為心沖擊信號，描述心沖擊的信號的圖表稱為心沖擊圖（Ballistocardiogram，簡稱BCG）。BCG信號能量通常集中在5-25Hz，設(shè)計2-35Hz的FIR帶通濾波器可提取BCG，每一次心搏活動出現(xiàn)總是伴隨著一個心沖擊。取一段數(shù)據(jù)進行分析，如圖3所示，從上而下，分別是混雜了各種信息的原始波形、經(jīng)過帶通濾波的BCG波形，以及經(jīng)過低通濾波的呼吸波，可以看到壓電傳感器采集到的信息經(jīng)處理后是可以提取出心率和呼吸的。

四、睡眠檢測算法

上述獲取到的心跳、呼吸、體動等信號，為睡眠質(zhì)量的評估提供了依據(jù)。

睡眠質(zhì)量的評價其實就是對睡眠結(jié)構(gòu)組成的分析。睡眠結(jié)構(gòu)將睡眠狀態(tài)劃分為Wake（覺醒期）、REM（快速眼動期）、NREM （非快速眼動期），其中NREM 又分為Light（淺睡期）和Deep（深睡期）。其中，真正讓大腦和軀干得到休息和放松的時期是Deep期。Deep期在睡眠周期中占15%左右，第二天才不會覺得疲憊。REM期、Light期、Deep期的總和，就是我們通常所說的睡眠時間[4]。睡眠效率，一般定義為，睡眠效率=Deep期/（Wake期+ REM期+NREM期）×100%。

由此，算法以體動為首要判斷依據(jù)，增加心率，呼吸等變量參考，根據(jù)上述睡眠周期原理構(gòu)建馬可夫鏈，提高睡眠結(jié)構(gòu)判斷的準(zhǔn)確性。算法判斷準(zhǔn)則如下：

首先，體動幅度和頻率較大，判斷為Wake期；體動較短促，幅度小，發(fā)生頻率低，判斷為REM 期或Light期；人體保持平靜、無明顯體動，判斷為Deep期；

具體算法說明：以10分鐘為一個窗口進行移動，每次前進5分鐘，用波形幅度的方差分布來作為衡量體動的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)波形幅度的均方差/最小值和均方差/平均值同時下降，則有可能是睡眠周期的狀態(tài)切換，如果分別跌至3和0.2以下，則可預(yù)估為Deep期，但是如果這期間有大小動作，則降至Light期，如果前一個狀態(tài)為Wake，也降至Light期；反之，當(dāng)波形幅度的均方差/最小值和均方差/平均值同時上升至25和2以上，則可預(yù)估為Wake期；以此類推。此外，如果有大小動作出現(xiàn)，且持續(xù)時間超過5秒，判為Wake期。

預(yù)判之后再做調(diào)整，Wake期不會直接切換到Deep期，中間必然有個Light期過渡。然后再結(jié)合心率和呼吸來判定，整晚心率總體趨勢減慢，前半夜的睡眠周期持續(xù)時間較長，后半夜較短。不同REM期的心率變異性隨著睡眠時間的增加而增大。REM 期呼吸急促并且非常不平穩(wěn)，Deep期呼吸最為平穩(wěn)。

五、實驗結(jié)果與分析

設(shè)計測試環(huán)境，測試人員在佩戴了ZOE睡眠監(jiān)測儀的同時，躺在床腳已安裝檢測設(shè)備的床上，同步測試。所得的數(shù)據(jù)如圖4所示，上方是ZOE睡眠監(jiān)測儀給出的數(shù)據(jù)，23：00-6：00時間段中每一小段睡眠狀態(tài)的判斷，下方是本系統(tǒng)在同一時段的判斷結(jié)果。數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，正確率95%以上。

六、小結(jié)

本文介紹了一種基于體震信號的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)。體震信號經(jīng)過壓電傳感器轉(zhuǎn)為電信號，通過信號處理，提取出呼吸心率，利用一套基于動作幅度、心率、呼吸而建立的睡眠檢測算法對睡眠質(zhì)量進行評估。測試結(jié)果表明具有較高的準(zhǔn)確性，該方法對使用者的正常生活無影響，對無接觸式的睡眠檢測具有重要意義。

6 參考文獻

1 Michael L.Perlis. Cognitive Behavioral Treatment of Insomnia. Springer Science + Business Media，Inc.2005： 35-36

2張勇.基于嵌入式系統(tǒng)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.

3 Trefny Z， Trojan S， Toman V， etal. New trends in ballistocardiography [J]. Measure Science Review， 2003， 3（2）：45-48.

4張秀華.睡眠障礙診療手冊人民衛(wèi)生出版社 2012年9月第1版： 4-6

基金項目：智慧社區(qū)服務(wù)管理創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范，2012BAJ05B05.（國家科技支撐項目）

上海軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，13DZ0510500

作者簡介：陸美珠、1982、女、碩士、主要研究方向：嵌入式軟件與系統(tǒng)， 物聯(lián)網(wǎng)終端。

基金項目：智慧社區(qū)服務(wù)管理創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范，2012BAJ05B05.（國家科技支撐項目

呼吸波的正常頻率范圍是0.1-1Hz，故而設(shè)計截止頻率為1Hz的FIR低通濾波器，可提取出呼吸波。由心臟向外泵血而產(chǎn)生的體震信號稱為心沖擊信號，描述心沖擊的信號的圖表稱為心沖擊圖（Ballistocardiogram，簡稱BCG）。BCG信號能量通常集中在5-25Hz，設(shè)計2-35Hz的FIR帶通濾波器可提取BCG，每一次心搏活動出現(xiàn)總是伴隨著一個心沖擊。取一段數(shù)據(jù)進行分析，如圖3所示，從上而下，分別是混雜了各種信息的原始波形、經(jīng)過帶通濾波的BCG波形，以及經(jīng)過低通濾波的呼吸波，可以看到壓電傳感器采集到的信息經(jīng)處理后是可以提取出心率和呼吸的。

四、睡眠檢測算法

上述獲取到的心跳、呼吸、體動等信號，為睡眠質(zhì)量的評估提供了依據(jù)。

睡眠質(zhì)量的評價其實就是對睡眠結(jié)構(gòu)組成的分析。睡眠結(jié)構(gòu)將睡眠狀態(tài)劃分為Wake（覺醒期）、REM（快速眼動期）、NREM （非快速眼動期），其中NREM 又分為Light（淺睡期）和Deep（深睡期）。其中，真正讓大腦和軀干得到休息和放松的時期是Deep期。Deep期在睡眠周期中占15%左右，第二天才不會覺得疲憊。REM期、Light期、Deep期的總和，就是我們通常所說的睡眠時間[4]。睡眠效率，一般定義為，睡眠效率=Deep期/（Wake期+ REM期+NREM期）×100%。

由此，算法以體動為首要判斷依據(jù)，增加心率，呼吸等變量參考，根據(jù)上述睡眠周期原理構(gòu)建馬可夫鏈，提高睡眠結(jié)構(gòu)判斷的準(zhǔn)確性。算法判斷準(zhǔn)則如下：

首先，體動幅度和頻率較大，判斷為Wake期；體動較短促，幅度小，發(fā)生頻率低，判斷為REM 期或Light期；人體保持平靜、無明顯體動，判斷為Deep期；

具體算法說明：以10分鐘為一個窗口進行移動，每次前進5分鐘，用波形幅度的方差分布來作為衡量體動的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)波形幅度的均方差/最小值和均方差/平均值同時下降，則有可能是睡眠周期的狀態(tài)切換，如果分別跌至3和0.2以下，則可預(yù)估為Deep期，但是如果這期間有大小動作，則降至Light期，如果前一個狀態(tài)為Wake，也降至Light期；反之，當(dāng)波形幅度的均方差/最小值和均方差/平均值同時上升至25和2以上，則可預(yù)估為Wake期；以此類推。此外，如果有大小動作出現(xiàn)，且持續(xù)時間超過5秒，判為Wake期。

預(yù)判之后再做調(diào)整，Wake期不會直接切換到Deep期，中間必然有個Light期過渡。然后再結(jié)合心率和呼吸來判定，整晚心率總體趨勢減慢，前半夜的睡眠周期持續(xù)時間較長，后半夜較短。不同REM期的心率變異性隨著睡眠時間的增加而增大。REM 期呼吸急促并且非常不平穩(wěn)，Deep期呼吸最為平穩(wěn)。

五、實驗結(jié)果與分析

設(shè)計測試環(huán)境，測試人員在佩戴了ZOE睡眠監(jiān)測儀的同時，躺在床腳已安裝檢測設(shè)備的床上，同步測試。所得的數(shù)據(jù)如圖4所示，上方是ZOE睡眠監(jiān)測儀給出的數(shù)據(jù)，23：00-6：00時間段中每一小段睡眠狀態(tài)的判斷，下方是本系統(tǒng)在同一時段的判斷結(jié)果。數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，正確率95%以上。

六、小結(jié)

本文介紹了一種基于體震信號的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)。體震信號經(jīng)過壓電傳感器轉(zhuǎn)為電信號，通過信號處理，提取出呼吸心率，利用一套基于動作幅度、心率、呼吸而建立的睡眠檢測算法對睡眠質(zhì)量進行評估。測試結(jié)果表明具有較高的準(zhǔn)確性，該方法對使用者的正常生活無影響，對無接觸式的睡眠檢測具有重要意義。

6 參考文獻

1 Michael L.Perlis. Cognitive Behavioral Treatment of Insomnia. Springer Science + Business Media，Inc.2005： 35-36

2張勇.基于嵌入式系統(tǒng)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.

3 Trefny Z， Trojan S， Toman V， etal. New trends in ballistocardiography [J]. Measure Science Review， 2003， 3（2）：45-48.

4張秀華.睡眠障礙診療手冊人民衛(wèi)生出版社 2012年9月第1版： 4-6

基金項目：智慧社區(qū)服務(wù)管理創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范，2012BAJ05B05.（國家科技支撐項目）

上海軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，13DZ0510500

作者簡介：陸美珠、1982、女、碩士、主要研究方向：嵌入式軟件與系統(tǒng)， 物聯(lián)網(wǎng)終端。

基金項目：智慧社區(qū)服務(wù)管理創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范，2012BAJ05B05.（國家科技支撐項目