本發(fā)明屬于智能健康感知領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前社會(huì)正處在人口結(jié)構(gòu)快速老化的趨勢(shì)中，老年人的身心健康逐漸減弱，這將給他們的日常生活帶來(lái)障礙，嚴(yán)重情況下甚至?xí)适钭岳砟芰?，老年人?duì)日常生活輔助需求的擴(kuò)大已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

有研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增長(zhǎng)，老年人睡眠質(zhì)量下降，可誘發(fā)各種慢性疾病，而人的三分之一時(shí)間是在睡眠中度過(guò)的，在這種自然狀態(tài)下以持續(xù)、非干擾的方式感知人體生理狀態(tài)，對(duì)于提前發(fā)現(xiàn)、預(yù)測(cè)相關(guān)心腦血管疾病有著重要意義。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，心電感知器件從表體獲取多種形式的電位變化得到心電圖，從而實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確獲得心率呼吸等信息，但需要患者粘附多個(gè)電極，影響其正?；顒?dòng)，醫(yī)護(hù)人員操作起來(lái)十分復(fù)雜，患者需要承受的檢測(cè)費(fèi)用昂貴，患者的生理、心理負(fù)荷較大；在智能家居領(lǐng)域，現(xiàn)有的許多監(jiān)測(cè)裝置需要布置多種傳感器，分別獲取各種睡眠生理信號(hào)，成本較高，操作復(fù)雜，影響睡眠，并且大多數(shù)裝置為離線監(jiān)測(cè)方式，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可視化的監(jiān)測(cè)。因此，實(shí)現(xiàn)一種低成本、低負(fù)荷、高準(zhǔn)確率的，可以實(shí)時(shí)地、可視化地監(jiān)測(cè)用戶睡眠信息，并對(duì)用戶提供健康輔助服務(wù)的裝置和方法，是業(yè)內(nèi)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上缺陷，本發(fā)明提供一種可以實(shí)時(shí)地、可視化地監(jiān)測(cè)用戶睡眠信息，并對(duì)用戶提供健康輔助服務(wù)的裝置和方法。

本發(fā)明提供一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)裝置，包括用連接線依次連接的睡眠信號(hào)采集裝置、數(shù)據(jù)接口、信號(hào)處理裝置、微控制器、終端設(shè)備，其特征在于：所述睡眠信號(hào)采集裝置包括本體，所述本體內(nèi)有空間，用于放置壓電陶瓷傳感器，所述壓電陶瓷傳感器通過(guò)傳輸導(dǎo)線與數(shù)據(jù)接口連接；所述數(shù)據(jù)傳輸裝置上通過(guò)設(shè)置有USB接口與終端設(shè)備相連接。

進(jìn)一步地，一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)裝置中所述壓電陶瓷傳感器包括壓電陶瓷傳感器殼體、壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷傳感器殼體內(nèi)部設(shè)有空間，所述壓電陶瓷片 設(shè)置于壓電陶瓷傳感器殼體的內(nèi)部空間內(nèi)，所述壓電陶瓷片上下面與所述壓電陶瓷傳感器殼體緊密接觸。

進(jìn)一步地，一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)裝置中所述傳輸導(dǎo)線包括正負(fù)兩根傳輸導(dǎo)線，所述壓電陶瓷片并聯(lián)在傳輸導(dǎo)線上。

進(jìn)一步地，一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)裝置中所述壓電陶瓷傳感器設(shè)置在本體內(nèi)部空間中的中心位置。

進(jìn)一步地，一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)裝置中所述的信號(hào)處理裝置包括濾波器、信號(hào)放大器；微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步地，一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)裝置中所述的壓電陶瓷片的數(shù)量為至少2個(gè)，均勻分布在壓電陶瓷傳感器殼體內(nèi)。

優(yōu)選地，一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)裝置中所述的本體為枕頭。

本發(fā)明還提供一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)方法，技術(shù)方案為：一種睡眠監(jiān)測(cè)方法，包括壓電陶瓷傳感器、信號(hào)處理模塊、微控制器模塊、終端設(shè)備；包括以下步驟：

S1：通過(guò)所述壓電陶瓷傳感器集睡眠生理信號(hào)；

S2：通過(guò)所述信號(hào)處理模塊對(duì)睡眠生理信號(hào)進(jìn)行噪聲過(guò)濾處理、放大處理；

S3：通過(guò)所述微控制器模塊將處理后的睡眠生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送給終端設(shè)備；

S4：通過(guò)終端設(shè)備對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)的分離，將分離后的生理信息實(shí)時(shí)顯示出來(lái)；

S5：通過(guò)終端設(shè)備與服務(wù)器互聯(lián)，并通過(guò)服務(wù)器對(duì)睡眠數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，提供疾病預(yù)測(cè)、睡眠分期、睡眠質(zhì)量評(píng)估等健康輔助服務(wù)。

進(jìn)一步地，一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)方法中所述的S4中分離的生理信號(hào)為心率、呼吸、體動(dòng)；所述顯示的生理信息為心率波形和數(shù)值、呼吸率波形和數(shù)值、體動(dòng)次數(shù)。

進(jìn)一步地，一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)方法中所述的S4中的終端設(shè)備對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，包括體動(dòng)信號(hào)分離算法，采用滑動(dòng)窗口閾值檢測(cè)法；心率信號(hào)提取算法，采用小波變換分析法；呼吸信號(hào)提取算法，采用基于最小均方誤差的有限沖激響應(yīng)濾波器法。

本發(fā)明所涉及的睡眠監(jiān)測(cè)裝置和睡眠監(jiān)測(cè)方法，可以感知人在自然睡眠狀態(tài)下的細(xì)微壓力變化，并通過(guò)信號(hào)處理將處理后的信號(hào)傳輸?shù)浇K端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)人在睡眠時(shí)的心率、呼吸、體動(dòng)等生理狀態(tài)的實(shí)時(shí)地、可視化地監(jiān)測(cè)，成本低、負(fù)荷 低、監(jiān)測(cè)效果好、準(zhǔn)確率高，并能夠通過(guò)睡眠數(shù)據(jù)分析為用戶提供健康輔助服務(wù)，適合一般家庭長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)護(hù)理使用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一種實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)裝置的另一實(shí)施例俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一種實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)方法的步驟流程示意圖；

圖5是本發(fā)明一種實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)裝置的硬件框圖；

圖6是本發(fā)明一種實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)裝置采集的睡眠生理原始信號(hào)圖；

圖7是本發(fā)明一種實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)裝置處理后的心率波形圖和數(shù)值；

圖8是本發(fā)明一種實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)裝置處理后的呼吸率波形圖和數(shù)值；

其中1本體、2壓電陶瓷傳感器、3信號(hào)處理裝置、4微控制器、5USB接口、6壓電陶瓷片、7壓電陶瓷傳感器殼體、8傳輸導(dǎo)線、9數(shù)據(jù)接口。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖說(shuō)明及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的具體說(shuō)明。

下面結(jié)合圖1、圖2、圖3具體來(lái)描述本發(fā)明提供的一種睡眠監(jiān)測(cè)裝置。

實(shí)施例1：

參考圖1、圖2，一種睡眠監(jiān)測(cè)裝置，包括用連接線依次連接的睡眠信號(hào)采集裝置、數(shù)據(jù)接口9、信號(hào)處理裝置3、微控制器4、終端設(shè)備，所述睡眠信號(hào)采集裝置包括本體1，所述本體1內(nèi)有空間，用于放置壓電陶瓷傳感器2，所述壓電陶瓷傳感器2通過(guò)傳輸導(dǎo)線8與數(shù)據(jù)接口9連接；所述數(shù)據(jù)傳輸裝置4上通過(guò)設(shè)置有USB接口5與終端設(shè)備相連接。所述壓電陶瓷傳感器2包括壓電陶瓷傳感器殼體7、壓電陶瓷片6，所述壓電陶瓷傳感器殼體7內(nèi)部設(shè)有空間，所述壓電陶瓷片6設(shè)置于壓電陶瓷傳感器殼體7的內(nèi)部空間內(nèi)，所述壓電陶瓷片7上下面與所述壓電陶瓷傳感器殼體7緊密接觸。所述傳輸導(dǎo)線8包括正負(fù)兩根傳輸導(dǎo)線，所述壓電陶瓷片6并聯(lián)在傳輸導(dǎo)線8上。所述的信號(hào)處理裝置(3)包括濾波器、信號(hào)放大器。

其中所述濾波器由低通濾波器和帶通濾波器組成，用來(lái)濾除系統(tǒng)中的各種噪聲；信號(hào)放大器模塊將壓電陶瓷片產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)放大；模數(shù)轉(zhuǎn)換器以一定頻率對(duì)放大后的電壓信號(hào)采樣，并將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

當(dāng)采集睡眠生理信號(hào)時(shí)，人在睡眠時(shí)細(xì)微壓力變化從本體1上方傳遞到壓電陶瓷傳感器殼體7，再傳遞到內(nèi)部的壓電陶瓷片6，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)，然后進(jìn)一步處理并顯示在終端設(shè)備。

為便于壓電陶瓷傳感器2均勻的感知來(lái)自于壓電陶瓷傳感器殼體7外部的壓力，本裝置的壓電陶瓷傳感器殼體7設(shè)計(jì)為扁平狀；所述壓電陶瓷傳感器2設(shè)置在本體1內(nèi)部空間中的中心位置；本裝置中的壓電陶瓷傳感器殼體7的材質(zhì)可以為塑料、塑膠海綿、人造棉、慢回彈棉、蕎麥皮等材質(zhì)。

容易想到的，本裝置的本體1為枕頭，采集人睡眠時(shí)頭部產(chǎn)生的細(xì)微壓力變化。

實(shí)施例2：

參考圖1、圖1，本實(shí)施例的技術(shù)方案大致與實(shí)施例1原理類似，對(duì)于較厚、體積較大的本體1，為增大受力面積和傳感器感知靈敏度，在壓電陶瓷傳感器2中設(shè)置多個(gè)壓電陶瓷片6，圖3顯示為4個(gè)壓電陶瓷片6；

為了全方位采集睡眠信號(hào)，本裝置將多個(gè)壓電陶瓷片6均勻分布在壓電陶瓷傳感器2的壓電陶瓷傳感器殼體7的內(nèi)部中空夾層之中，所述傳輸導(dǎo)線8包括正負(fù)兩根，多個(gè)壓電陶瓷片6并聯(lián)在傳輸導(dǎo)線8之上。

下面結(jié)合圖4-圖8來(lái)具體描述本發(fā)明一種基于壓電陶瓷傳感器的睡眠監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

S1：通過(guò)壓電陶瓷傳感器集睡眠生理信號(hào)；

當(dāng)某個(gè)使用者采用正常的睡眠姿勢(shì)時(shí)，頭部會(huì)對(duì)枕頭產(chǎn)生一定壓力，此時(shí)嵌入在睡眠感知枕頭中的壓電陶瓷傳感器會(huì)采集到睡眠時(shí)產(chǎn)生的壓力信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成微弱電壓信號(hào)(<100mV)傳輸?shù)叫盘?hào)處理模塊。

S2：通過(guò)信號(hào)處理模塊對(duì)睡眠生理信號(hào)進(jìn)行噪聲過(guò)濾處理、放大處理；

信號(hào)處理模塊接收到上述微弱電壓信號(hào)后，通過(guò)帶通濾波器將人體生理信號(hào)頻帶(0.1-2Hz)以外的噪聲過(guò)濾除掉，然后通過(guò)信號(hào)放大器將睡眠生理信號(hào)放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣范圍之內(nèi)(2V左右)，并傳輸?shù)轿⒖刂破髂K。

本實(shí)施例中所述帶通濾波器采用基于OP07集成運(yùn)放的有源帶通濾波器，信號(hào)放大器模塊由基于OP07的同相比例放大器和電壓跟隨器組成。

S3：通過(guò)微控制器模塊將處理后的睡眠生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送給終端設(shè)備；微控制器模塊在接收到放大后的電壓信號(hào)后，單片機(jī)通過(guò)指令控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并控制通信模塊通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給終端設(shè)備。本實(shí)施例中所述 單片機(jī)采用STM32F103ZET6，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用單片機(jī)內(nèi)部的12位轉(zhuǎn)換器，輸出信號(hào)為12位數(shù)字信號(hào)；所述通信模塊由PL2303芯片將單片機(jī)的TTL串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)傳輸給終端設(shè)備。

S4：通過(guò)終端設(shè)備對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)的分離，將分離后的生理信息實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。圖5為睡眠原始生理信號(hào)，本實(shí)施例中將生理信號(hào)分離為心率、呼吸、體動(dòng)，相應(yīng)的顯示的生理信息為心率波形和數(shù)值、呼吸率波形和數(shù)值、體動(dòng)次數(shù)。

S5：通過(guò)終端設(shè)備與服務(wù)器互聯(lián)，并通過(guò)服務(wù)器對(duì)睡眠數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，提供健康輔助服務(wù)；

終端設(shè)備將采集的睡眠生理信息數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器結(jié)合醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和醫(yī)療級(jí)別的算法對(duì)睡眠生理信息進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)針對(duì)用戶的疾病預(yù)測(cè)、睡眠分期、睡眠質(zhì)量評(píng)估等健康輔助工作，并在終端設(shè)備的應(yīng)用程序進(jìn)行同步，用戶可以在終端設(shè)備上直觀地查看其所關(guān)心的健康輔助分析結(jié)果。

本發(fā)明中微控制器模塊的發(fā)送方式包括但不限制為串口、USB、藍(lán)牙、WIFI等有線或無(wú)線通信方式；本發(fā)明中的終端設(shè)備包括但不限制為PC機(jī)、智能手機(jī)等具有數(shù)據(jù)處理功能的硬件設(shè)備，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序、APP，可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示。

本實(shí)施例中所述體動(dòng)信號(hào)分離算法采用滑動(dòng)窗口閾值檢測(cè)法，具體為：

1)首先將原始信號(hào)進(jìn)行分幀，幀長(zhǎng)設(shè)置為10秒，相鄰幀交疊5秒，令分得的幀數(shù)為N；

2)然后計(jì)算每幀原始信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差，記為std_window(i)，其中i＝1,2,…,N,得到長(zhǎng)度為N的標(biāo)準(zhǔn)差序列；

3)計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)差序列的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，記為Mean_W和Std_W；

4)設(shè)定閾值進(jìn)行判別：其中閾值為T(mén)hreshold＝Mean_W+0.2*Std_W；

5)最后判斷：如果std_window(i)<＝Threshold，將該幀對(duì)應(yīng)區(qū)域的體動(dòng)信號(hào)標(biāo)記為0，表示無(wú)體動(dòng)發(fā)生；剩余幀的對(duì)應(yīng)區(qū)域的體動(dòng)信號(hào)標(biāo)記為1，表示有體動(dòng)發(fā)生。并對(duì)體動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)，然后實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。

本實(shí)施例中所述心率信號(hào)提取算法采用小波變換分析法，具體為：

1)首先提取初始心率波的帶通濾波器的參數(shù)如下：通帶截止頻率為0.8-12HZ，阻帶截止頻率為0.7-12.5Hz，階數(shù)為300；對(duì)初始心率波做小波分析，小波基選擇db6，進(jìn)行6尺度分解，并取最終心率波為第2層細(xì)節(jié)信號(hào)到第5層細(xì)節(jié)信號(hào)之和，即d5+d4+d3+d2。

2)分離出心率波后，利用心跳間隔計(jì)算心率。對(duì)信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)窗口均值平滑，窗口長(zhǎng)度為0.1*fs，fs為信號(hào)的采樣頻率；

3)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀，幀長(zhǎng)為10秒；

4)求每幀的極大值，并設(shè)定初選峰點(diǎn)閾值為極大值的均值；大于該閾值的極大值點(diǎn)為初選峰點(diǎn)，若初選峰點(diǎn)少于15個(gè)，則閾值降低50％：

5)若峰點(diǎn)間隔小于心跳最小間隔，則去掉幅值小的峰點(diǎn)；

6)若峰點(diǎn)幅度小于該段內(nèi)9個(gè)最大峰點(diǎn)幅度均值的50％，則去掉該峰點(diǎn)；若峰點(diǎn)個(gè)數(shù)小于9，則取該段峰點(diǎn)的均值的50％；

7)去掉絕對(duì)振幅較小的點(diǎn)：本算法定義峰點(diǎn)振幅為峰前谷點(diǎn)到峰點(diǎn)之間的幅度與峰后谷點(diǎn)到峰點(diǎn)的幅度的平均值。定義振幅閾值為該段9個(gè)最大峰點(diǎn)振幅的均值的50％，小于該閾值的峰點(diǎn)去掉；若峰點(diǎn)個(gè)數(shù)小于9，則取該段峰點(diǎn)的均值的50％；

8)去掉斜率較小的峰點(diǎn)：峰點(diǎn)斜率定義為上升斜率和下降斜率的均值。斜率閾值為9個(gè)最大斜率的均值的50％，斜率小于該閾值的峰點(diǎn)去掉，若斜率個(gè)數(shù)小于9個(gè)，則閾值為斜率均值的50％；

9)峰點(diǎn)間隔小于剩余峰點(diǎn)內(nèi)9個(gè)最大峰點(diǎn)間隔的均值的60％，則去掉幅度小的峰點(diǎn)；

10)對(duì)經(jīng)過(guò)上述步驟處理后的心跳間隔序列，進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，獲得心率，并將心率波形和數(shù)值實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，見(jiàn)圖7。

本實(shí)施例中所述呼吸信號(hào)提取算法采用基于最小均方誤差的有限沖激響應(yīng)濾波器法，提取呼吸波的帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置如下：通帶截止頻率設(shè)置為0.1-0.5Hz，阻帶截止頻率為0.08-0.7Hz，階數(shù)為300。分離出呼吸波后，利用呼吸周期計(jì)算呼吸率，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)計(jì)算呼吸波所有極大值及其位置，分別存入firstMax和firstMaxPosition；

2)若極大值之間的間隔小于2秒，則去掉幅度較小的極值點(diǎn)，結(jié)果存入secondMax和seeondMaxPosition中；

3)求剩余極值點(diǎn)的左右斜率，并記該極值的斜率為左右斜率的平均值，結(jié)果存入slope中；

4)若slope中的斜率值小于前后6個(gè)斜率均值的50％，則去掉該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)，結(jié)果存入threeMax和threeMaxPosition中；

5)求峰點(diǎn)間隔，若間隔大于前后20個(gè)間隔的平均值的20％，則去掉該點(diǎn)；

6)對(duì)經(jīng)過(guò)上述步驟處理后的呼吸間隔值，進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，獲得呼吸率，并將呼吸率波形和數(shù)值實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，見(jiàn)圖8。

本發(fā)明所涉及的睡眠監(jiān)測(cè)裝置及方法，通過(guò)壓電陶瓷傳感器感知人在自然睡眠狀態(tài)下的細(xì)微壓力變化，并通過(guò)所述信號(hào)處理與數(shù)據(jù)傳輸裝置將處理后的信號(hào)傳輸?shù)浇K端設(shè)備進(jìn) 行實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)人在睡眠時(shí)的心率、呼吸、體動(dòng)等生理狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效果好、準(zhǔn)確率高，低成本、低負(fù)荷，操作簡(jiǎn)單，并能夠通過(guò)睡眠數(shù)據(jù)分析為用戶提供健康輔助服務(wù)，適合一般家庭長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)護(hù)理使用。

本文中所述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所述的具體實(shí)施例做各種方式的修改、補(bǔ)充或采用類似替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。