本發(fā)明涉及柔性電子器件技術(shù)，具體涉及一種基于超薄柔性應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

人的一生有三分之一的時(shí)間是在睡眠中度過(guò)的，睡眠對(duì)人的重要性已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視，睡眠質(zhì)量的影響，以及睡眠疾病的危害也日益清晰。呼吸暫停綜合癥是一種睡眠時(shí)呼吸停止的睡眠障礙。最常見(jiàn)的原因是上呼吸道阻塞，經(jīng)常以大聲打鼾、身體抽動(dòng)或手臂甩動(dòng)結(jié)束。高達(dá)98％的睡眠呼吸中止癥患者會(huì)打鼾，通常還合并有高血壓、心肌梗塞、心肌缺氧、中風(fēng)等并發(fā)癥。即使睡足了時(shí)間還是很累，潛藏著嚴(yán)重的健康問(wèn)題。調(diào)查研究表明，國(guó)外睡眠呼吸暫停綜合征的發(fā)病率是2％～4％，根據(jù)臨床統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的發(fā)病率應(yīng)該在9％，伴隨著我國(guó)生活水平的提高，肥胖癥的增加，近二十年來(lái)呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)?；加泻粑鼤和＞C合征時(shí)，由于反復(fù)發(fā)作的低血氧、高碳酸血癥，可致神經(jīng)功能失調(diào)，兒茶酚胺、內(nèi)皮素及腎素-血管緊張素系統(tǒng)失調(diào)，內(nèi)分泌功能紊亂及血液動(dòng)力學(xué)改變，造成全身多器官多系統(tǒng)損害，嚴(yán)重影響人體健康，容易并發(fā)心律失常、高血壓甚至呼吸衰竭、猝死。對(duì)于睡眠和呼吸情況的監(jiān)測(cè)，可以有效判斷和評(píng)估睡眠質(zhì)量以及呼吸暫停綜合征的患病風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)在醫(yī)院中大多使用多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行睡眠障礙疾病的診斷，通過(guò)多種傳感器監(jiān)測(cè)記錄睡眠時(shí)的各種生理參數(shù)，記錄分析腦電圖EEG、心電圖ECG、眼電圖EOG、肌電圖EMG、胸腹式呼吸運(yùn)動(dòng)、鼾聲、脈搏、血氧飽和度、脈搏波、呼吸頻率、體位等睡眠呼吸參數(shù)進(jìn)行分析診斷。但是，為了得到相應(yīng)的信號(hào)，多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀需要在人體各個(gè)位置例如口、鼻、下頜、胸前、腿、手指處布置許多引線，這樣就會(huì)對(duì)被監(jiān)測(cè)患者的睡眠造成極大的不舒適感，導(dǎo)致被試者睡眠質(zhì)量下降甚至無(wú)法入睡；同時(shí)，多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀體積較大，只適合在醫(yī)院使用，無(wú)法針對(duì)病患在不同睡眠環(huán)境下的睡眠狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

小米公司的小米手環(huán)通過(guò)加速度計(jì)測(cè)量使用者睡眠時(shí)身體和上肢運(yùn)動(dòng)的情況，以肢體靜止的時(shí)間作為睡眠時(shí)間，從而進(jìn)一步分析睡眠質(zhì)量和狀態(tài)。小米手環(huán)雖然設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、采集方式對(duì)睡眠的影響小，但是只能區(qū)分睡眠狀態(tài)和清醒狀態(tài)，不能分析呼吸暫停的情況。

Sleepace公司的reston智能睡眠監(jiān)測(cè)器通過(guò)將監(jiān)測(cè)器鋪于睡眠者身下，通過(guò)檢測(cè)心跳、呼吸、翻身、離床等數(shù)據(jù)判斷睡眠狀況。雖然這種智能睡眠監(jiān)測(cè)器不需要與人體直接接觸，降低了對(duì)睡眠狀況的影響，但是屬于被動(dòng)式測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)單一，不能判斷呼吸暫停的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于超薄柔性應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于超薄柔性的應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。

本發(fā)明的基于超薄柔性的應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)包括：應(yīng)變傳感器、心電傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路、微處理器、無(wú)線傳輸單元和移動(dòng)終端；其中，應(yīng)變傳感器和心電傳感器均為超薄柔性的傳感器，應(yīng)變傳感器貼附在前胸的表面，心電傳感器的兩個(gè)心電電極分別貼附在左胸下方的表面；應(yīng)變傳感器與三個(gè)阻值不變的電阻組成惠斯通電橋，惠斯通電橋的兩個(gè)輸出端電學(xué)連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；心電傳感器電學(xué)連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路和微處理器依次電學(xué)連接構(gòu)成信號(hào)采集處理單元；信號(hào)采集處理單元和無(wú)線傳輸單元電學(xué)連接，并集成在一塊電路板上；移動(dòng)終端位于人體外；胸腔的起伏導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的阻值發(fā)生改變，引起惠斯通電橋不平衡，從而產(chǎn)生電流，作為呼吸信號(hào)輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并通過(guò)惠斯通電橋的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔门懦w溫和周?chē)h(huán)境溫度變化對(duì)應(yīng)變傳感器測(cè)量胸腔起伏帶來(lái)的影響；心臟的跳動(dòng)引起心電傳感器的兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差，作為心電信號(hào)傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬的呼吸信號(hào)和心電信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；呼吸信號(hào)直接經(jīng)過(guò)濾波電路由微處理器記錄；心電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路，進(jìn)行過(guò)濾去除噪聲信號(hào)和高頻信號(hào)；微處理器將心電信號(hào)合成為心電圖信號(hào)，并記錄心電圖信號(hào)；呼吸信號(hào)和心電圖信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸單元傳輸至移動(dòng)終端；微處理器應(yīng)用心肺耦合算法計(jì)算心電圖信號(hào)與呼吸信號(hào)的互功率譜與相干度，判斷得到睡眠狀態(tài)，并將結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸單元以無(wú)線的方式傳輸至移動(dòng)終端，進(jìn)行記錄并顯示。

應(yīng)變傳感器采用箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)，包括粘接層、柔性基底、聚合物保護(hù)層、器件層和封裝薄膜；其中，柔性基底和封裝薄膜采用生物兼容薄膜；粘接層直接接觸并粘接在皮膚上，采用高粘度的生物膠，能夠有效和皮膚粘接的同時(shí)不會(huì)引起皮膚的過(guò)敏反應(yīng)；在粘接層上形成柔性基底，以承載上面的器件；在柔性基底上形成剛性的聚合物保護(hù)層，承受由柔性基底傳遞來(lái)的變形，減低對(duì)器件層的損壞，起到保護(hù)器件層的作用；在聚合物保護(hù)層上形成器件層，器件層為具有圖案的金屬薄膜，具有可延展性，根據(jù)不同的功能設(shè)計(jì)成不同的圖案形狀，通過(guò)設(shè)計(jì)成為可延展的分形結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)可延展性；在器件層上形成封裝薄膜，將器件整體包裹起來(lái)，保護(hù)電子元件不受外界因素的影響，防水防塵；胸腔的起伏通過(guò)柔性基底傳遞至保護(hù)層，引起保護(hù)層的變形，從而對(duì)器件層形成拉伸或壓縮，使得器件層的電阻發(fā)生改變，引起應(yīng)變傳感器與三個(gè)定值的電阻組成的惠斯通電橋不平衡，通過(guò)惠斯通電橋的兩個(gè)輸出端輸出電流，作為呼吸信號(hào)，通過(guò)惠斯通電橋的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔门懦w溫和周?chē)h(huán)境溫度變化對(duì)應(yīng)變傳感器測(cè)量胸腔起伏帶來(lái)的影響，通過(guò)輸出的電流得到呼吸的頻率和幅度。利用生物兼容性膜的透氣防水性、低致敏性為整體器件提供生物兼容性，使得應(yīng)變傳感器能夠在人體表面工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)以上；封裝薄膜同樣使用生物兼容薄膜，以保護(hù)功能器件的結(jié)構(gòu)完整，不被外部液體破壞電路功能和生物兼容性。

心電傳感器包括兩個(gè)心電電極、蛇形引出導(dǎo)線和連接端；其中，兩個(gè)心電電極之間具有距離；兩個(gè)心電電極分別通過(guò)可延展的蛇形引出導(dǎo)線連接至連接端；連接端連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端；每一個(gè)心電電極采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，組成網(wǎng)格的線條為彎曲的蛇形線，使得心電電極具有可延展性，貼附在人體表面時(shí)不會(huì)因皮膚變形而損壞；心臟的跳動(dòng)引起電位變化，兩個(gè)具有一定距離的心電電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差，作為心電信號(hào)，通過(guò)心電信號(hào)得到心電圖，表明心臟的活動(dòng)特征。

無(wú)線傳輸單元采用藍(lán)牙通信，將所得信號(hào)無(wú)線傳輸給與之配對(duì)的移動(dòng)終端進(jìn)行記錄和顯示。

睡眠狀態(tài)包括淺睡、深睡和清醒；通過(guò)互功率譜讀出耦合功率，根據(jù)耦合功率所處的頻帶，判斷得到睡眠狀態(tài)；低頻帶的功率過(guò)大與睡眠呼吸障礙器件的周期性呼吸相關(guān)，而高頻帶過(guò)大的功率與生理性呼吸竇性心律失常和深度睡眠有關(guān)。如果耦合功率處于超低頻帶，則為清醒或深睡，超低頻帶為0.001～0.01Hz；如果耦合功率處于低頻帶，則為淺睡，低頻帶為0.01-0.1Hz。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于超薄柔性的應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)方法。

應(yīng)變傳感器貼附在前胸的表面，心電傳感器的兩個(gè)心電電極分別貼附在左胸下方的表面；應(yīng)變傳感器與三個(gè)阻值不變的電阻組成惠斯通電橋，惠斯通電橋的兩個(gè)輸出端電學(xué)連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；心電傳感器電學(xué)連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路和微處理器依次電學(xué)連接構(gòu)成信號(hào)采集處理單元；信號(hào)采集處理單元和無(wú)線傳輸單元電學(xué)連接，并集成在一塊電路板上；移動(dòng)終端位于人體外。

本發(fā)明的基于超薄柔性的應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)方法，包括以下步驟：

1)胸腔的起伏導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的阻值發(fā)生改變，從而引起惠斯通電橋不平衡，從而產(chǎn)生電流，作為呼吸信號(hào)輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并通過(guò)惠斯通電橋的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔门懦w溫和周?chē)h(huán)境溫度變化對(duì)應(yīng)變傳感器測(cè)量胸腔起伏帶來(lái)的影響；

2)心臟的跳動(dòng)引起心電傳感器的兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差，作為心電信號(hào)傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；

3)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬的呼吸信號(hào)和心電信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；

4)呼吸信號(hào)直接經(jīng)過(guò)濾波電路由微處理器記錄；

5)心電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路，進(jìn)行過(guò)濾去除噪聲信號(hào)和高頻信號(hào)；微處理器將心電信號(hào)合成為心電圖信號(hào)，并記錄心電圖信號(hào)；呼吸信號(hào)和心電圖信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸單元傳輸至移動(dòng)終端；

6)微處理器應(yīng)用心肺耦合算法計(jì)算心電圖信號(hào)與呼吸信號(hào)的互功率譜與相干度，從互功率譜上讀出耦合功率，判斷睡眠的狀態(tài)，從而判斷得到睡眠狀態(tài)，并將結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸單元傳輸至移動(dòng)終端，進(jìn)行記錄并顯示。

其中，在步驟6)中，心肺耦合算法計(jì)算心肺耦合指數(shù)，包括以下步驟：首先對(duì)心電圖進(jìn)行QRS波群的識(shí)別，探測(cè)到R峰發(fā)生的時(shí)刻和幅值，對(duì)R-R間期信號(hào)進(jìn)行處理，得到正常心跳的間期(N-N interval)，對(duì)其與通過(guò)柔性應(yīng)變傳感器測(cè)量得到的呼吸信號(hào)進(jìn)行差值重采樣，調(diào)整采樣頻率后計(jì)算N-N間期以及呼吸信號(hào)的互功率譜以及相干度，從而得到心肺耦合(CPC)功率圖譜。

在步驟6)中，通過(guò)心肺耦合指數(shù)，判斷得到睡眠狀態(tài)；睡眠狀態(tài)包括淺睡、深睡和清醒；通過(guò)互功率譜讀出耦合功率，根據(jù)耦合功率所處的頻帶，判斷得到睡眠狀態(tài)；如果耦合功率處于超低頻帶，則為清醒或深睡，超低頻帶為0.001～0.01Hz；如果耦合功率處于低頻帶，則為淺睡，低頻帶為0.01～0.1Hz。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用超薄柔性的傳感器，可以輕易地貼附在睡眠者的體表，不會(huì)使其產(chǎn)生任何的不適或者約束感，測(cè)量時(shí)基本感受不到傳感器的存在，最大限度降低對(duì)睡眠者的影響，真實(shí)地反映睡眠者睡眠過(guò)程中的狀態(tài)；通過(guò)使用超薄柔性傳感器對(duì)呼吸和心電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，然后使用心肺耦合算法對(duì)呼吸和心電信號(hào)綜合分析，得到患者睡眠質(zhì)量的量化指標(biāo)參數(shù)和呼吸暫停綜合征的呼吸暫停特征時(shí)刻，信號(hào)通過(guò)無(wú)線的方式傳輸給移動(dòng)終端，整體系統(tǒng)的體積很小，可以方便地在不同的睡眠場(chǎng)合使用；本發(fā)明簡(jiǎn)單易行，準(zhǔn)確率高，使用方便，體感舒適。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于超薄柔性應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的基于超薄柔性應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變傳感器的爆炸圖；

圖3為本發(fā)明的基于超薄柔性應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的心電傳感器的示意圖；

圖4為本發(fā)明的基于超薄柔性應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變傳感器的器件層的俯視圖；

圖5為本發(fā)明的基于超薄柔性應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于睡眠檢測(cè)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的基于超薄柔性的應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)包括：應(yīng)變傳感器、心電傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路、微處理器、無(wú)線傳輸單元和移動(dòng)終端；其中，應(yīng)變傳感器和心電傳感器均為超薄柔性的傳感器，應(yīng)變傳感器與三個(gè)阻值不變的電阻組成惠斯通電橋，惠斯通電橋的兩個(gè)輸出端電學(xué)連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；心電傳感器電學(xué)連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路和微處理器依次電學(xué)連接構(gòu)成信號(hào)采集處理單元。

如圖2所示，應(yīng)變傳感器1包括粘接層、柔性基底11、聚合物保護(hù)層12、器件層13和封裝薄膜14；其中，在粘接層上形成柔性基底11；在柔性基底11上形成剛性的聚合物保護(hù)層12；在聚合物保護(hù)層12上形成器件層13，器件層為具有圖案的金屬薄膜；在器件層13上形成封裝薄膜14。

如圖3所示，心電傳感器2包括兩個(gè)心電電極21、蛇形引出導(dǎo)線22和連接端23；其中，兩個(gè)心電電極21之間具有距離；兩個(gè)心電電極分別通過(guò)可延展的蛇形引出導(dǎo)線22連接至連接端23；連接端連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端；每一個(gè)心電電極采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，組成網(wǎng)格的線條為彎曲的蛇形線。

如圖4所示，器件層13為具有圖案的金屬薄膜。

如圖5所示，對(duì)患者睡眠質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，應(yīng)變傳感器1貼附在前胸的表面，心電傳感器2的兩個(gè)心電電極分別貼附在左胸左乳下方5cm處的表面；信號(hào)采集處理單元和無(wú)線傳輸單元電學(xué)連接，并集成在一塊電路板3上；移動(dòng)終端4位于人體外。無(wú)線傳輸單元采用藍(lán)牙傳輸。

本實(shí)施例的基于超薄柔性的應(yīng)變和心電傳感器的心肺耦合睡眠質(zhì)量檢測(cè)方法，包括以下步驟：

1)胸腔的起伏導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的阻值發(fā)生改變，從而引起惠斯通電橋不平衡，從而產(chǎn)生電流，作為呼吸信號(hào)輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并通過(guò)惠斯通電橋的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔门懦w溫和周?chē)h(huán)境溫度變化對(duì)應(yīng)變傳感器測(cè)量胸腔起伏帶來(lái)的影響；

2)心臟的跳動(dòng)引起心電傳感器的兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差，作為心電信號(hào)傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；

3)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬的呼吸信號(hào)和心電信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；

4)呼吸信號(hào)直接經(jīng)過(guò)濾波電路由微處理器記錄；

5)心電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路，進(jìn)行過(guò)濾去除噪聲信號(hào)和高頻信號(hào)；微處理器將心電信號(hào)合成為心電圖信號(hào)，并記錄心電圖信號(hào)；呼吸信號(hào)和心電圖信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸單元傳輸至移動(dòng)終端；

6)微處理器應(yīng)用心肺耦合算法計(jì)算心電圖信號(hào)與呼吸信號(hào)的互功率譜與相干度，判斷得到睡眠狀態(tài)，并將結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸單元傳輸至移動(dòng)終端，進(jìn)行記錄并顯示。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。