一、摘要

在家中睡眠期間對(duì)人體生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)及時(shí)檢測(cè)和救援至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的用于監(jiān)測(cè)人類生命體征的智能設(shè)備存在高復(fù)雜性、高成本、侵入性或低準(zhǔn)確性的缺點(diǎn)。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)化、無(wú)干擾、舒適、低成本的睡眠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在本研究中，基于低成本的壓電陶瓷傳感器開(kāi)發(fā)了一種新型智能枕頭。它是通過(guò)將智能系統(tǒng)（由傳感單元即壓電陶瓷傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和GPRS通信模塊組成）放置在形狀記憶泡沫制成的枕頭的空腔中來(lái)制造的。智能枕頭的采樣頻率設(shè)置為1000 Hz，以更準(zhǔn)確地捕捉信號(hào)，通過(guò)一系列成熟的算法推導(dǎo)出包括心率、呼吸頻率和身體運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的生命體征，并將其發(fā)送到用戶的應(yīng)用程序中。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該智能枕頭可獲得較高的心率檢測(cè)準(zhǔn)確率（即99.18%）。此外，還通過(guò)在家中檢測(cè)六名老年參與者的生命體征進(jìn)行了人體測(cè)試，結(jié)果表明，檢測(cè)到的生命體征可以很好地預(yù)測(cè)他們的健康狀況。此外，參與者沒(méi)有報(bào)告接觸不適。隨著智能枕頭有效性的進(jìn)一步研究和大規(guī)模人體試驗(yàn)，所提出的智能枕頭有望在日常睡眠監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。

二、簡(jiǎn)介

睡眠障礙癥狀很常見(jiàn)，近10億人患有失眠、睡眠呼吸暫停和不寧腿綜合征等多種睡眠障礙，年齡跨度很大。睡眠問(wèn)題已成為世界范圍內(nèi)的一個(gè)主要公共衛(wèi)生問(wèn)題。長(zhǎng)期睡眠障礙對(duì)免疫系統(tǒng)有不利影響，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體健康，導(dǎo)致內(nèi)分泌紊亂、反復(fù)心臟病發(fā)作、中風(fēng)、高血壓、糖尿病，甚至夜間猝死。據(jù)觀察，睡眠中意外死亡的發(fā)生率很高，因此，有必要實(shí)施適當(dāng)?shù)母深A(yù)措施，最大限度地減少睡眠中斷，優(yōu)化睡眠連續(xù)性。

在睡眠過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體生命體征可能有助于檢測(cè)睡眠障礙并及時(shí)治療與睡眠相關(guān)的疾病。通常，有三種類型的智能系統(tǒng)用于在睡眠期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的生命體征，包括多導(dǎo)睡眠圖（PSG）、便攜式心電圖（ECG）設(shè)備、可穿戴設(shè)備、和智能床上用品系統(tǒng)。到目前為止，多導(dǎo)睡眠儀需要醫(yī)務(wù)人員或?qū)I(yè)技術(shù)人員的參與，限制了PSG在家庭健康護(hù)理中的更廣泛應(yīng)用。便攜式心電圖設(shè)備可以在家中使用，但也有與PSG類似的缺點(diǎn)。相比之下，以小型智能腕帶、手表和智能服裝為代表的可穿戴設(shè)備被認(rèn)為是簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)方法。大多數(shù)商業(yè)腕帶和手表都是基于光學(xué)吸收方法開(kāi)發(fā)的，即光體積描記術(shù)。它利用光敏光電傳感器，可以檢測(cè)血液體積通過(guò)手腕過(guò)程中的光強(qiáng)變化，從而提供波形細(xì)節(jié)并確保時(shí)間準(zhǔn)確性。另一方面，智能服裝使用基于紡織品的壓力或應(yīng)變傳感器，通常以紗線、編織物、針織物或無(wú)紡布的形式存在。然而，這需要傳感器與身體皮膚的緊密配合，而由于身體的曲面輪廓，這有時(shí)是不可行的。此外，可穿戴設(shè)備的監(jiān)測(cè)精度通常較低，也會(huì)受到皮膚汗液、頭發(fā)、紋身和皮膚運(yùn)動(dòng)等的極大影響。此外，可佩戴設(shè)備與身體輪廓的緊密配合可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度壓力和身體不適，對(duì)睡眠質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。所有這些限制都極大地限制了可穿戴設(shè)備在監(jiān)測(cè)人類睡眠方面的應(yīng)用。迫切需要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)化、非侵入、舒適、經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測(cè)睡眠中的人類生命體征。

本研究開(kāi)發(fā)了一種嵌入壓電陶瓷（PZT）傳感器的新型智能枕頭（InPillow），用于睡眠條件下的實(shí)時(shí)生命體征監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測(cè)、高精度、低成本和非侵入性。PZT在外部壓力下發(fā)生小變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷并提供電壓，電壓的大小可用于評(píng)估壓力。21 PZT的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）它可以捕捉由微振動(dòng)引起的壓力變化，例如呼吸頻率和心跳；（2）與壓電膜和光纖傳感器等其他傳感器相比，它的價(jià)格要低得多。使用人工智能算法，將捕獲的生命信號(hào)轉(zhuǎn)換為心率、呼吸頻率和身體運(yùn)動(dòng)；然后將后者傳輸?shù)接脩舻膽?yīng)用程序或PC。當(dāng)前的研究旨在檢查InPillow的性能。首先，通過(guò)與心電圖儀（ECG）的比較來(lái)評(píng)估InPillow檢測(cè)心率的準(zhǔn)確性。其次，進(jìn)行人體試驗(yàn)來(lái)評(píng)估老年人使用InPillow的性能。

三、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

（1）智能枕頭設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)了一種用于監(jiān)測(cè)人類生命體征的新型智能枕頭（InPillow），如圖1（A）所示。InPillow是通過(guò)將智能系統(tǒng)放置在由形狀記憶泡沫和棉布覆蓋層制成的枕頭的空腔（尺寸：16cm×16cm×2.5cm）中制造的，系統(tǒng)頂部與枕頭表面之間的最短距離約為2cm。InPillow的長(zhǎng)度和寬度分別為52cm和28cm，頭部接觸區(qū)域的高度約為8cm。智能系統(tǒng)由傳感單元和數(shù)據(jù)處理單元。傳感單元包括一個(gè)壓電陶瓷傳感器和一個(gè)下面有梯形凸起的封裝蓋，凸起位于傳感器的正下方，以便在施加外部負(fù)載時(shí)對(duì)傳感器施加力。本研究中，購(gòu)買的陶瓷傳感器（KD-35B-26ENC100，廣州凱利泰克電子有限公司，中國(guó)廣州）由壓電陶瓷片和金屬片組成，傳感器直徑為35mm，厚度為0.25mm。數(shù)據(jù)處理單元包括由丙烯酸玻璃制成的上蓋和下蓋，位于兩個(gè)蓋之間的主控制板，以及通過(guò)導(dǎo)熱膠體附著在控制板上的導(dǎo)熱膠，以消散計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。主控板包括中央處理器、信號(hào)調(diào)理模塊（OP07CDR，美國(guó)德州儀器）、GPRS通信模塊（MG2260，廈門CHEERZING物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司，中國(guó)廈門）和容量為1000mA的充電鋰電池。值得注意的是，陶瓷傳感器位于上蓋下方，傳感器的信號(hào)輸出電纜與主控板的輸入電纜相連，并用壓板固定電纜。此外，在枕頭的側(cè)面創(chuàng)建了一個(gè)充電單元，可以通過(guò)充電線為數(shù)據(jù)處理單元中的電池充電。電池的充電時(shí)間為2–3小時(shí)，可用于InPillow的連續(xù)工作超過(guò)15天（約8小時(shí)/天）。

（2）生命體征檢測(cè)處理

獲取生命體征的詳細(xì)過(guò)程如圖1（b）所示。在人類睡眠過(guò)程中施加的壓力的作用下，陶瓷壓電傳感器發(fā)生輕微變形，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷，通過(guò)測(cè)量電壓可以檢測(cè)壓力的變化。電信號(hào)被傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)節(jié)模塊，該模塊依次使用截止頻率分別為0.2Hz和159Hz的高通和低通濾波器電路，以及放大倍數(shù)分別為11倍和1.21倍的兩級(jí)放大器電路來(lái)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和提升。通過(guò)箝位電路，輸出電壓被箝位在-0.7和4 V之間，這對(duì)保護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）芯片起到了重要作用。使用轉(zhuǎn)換率為1.6ksps的12位ADC芯片（ADS1013，Texas Instruments，USA）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將其發(fā)送到中央處理單元。使用單通道對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，采樣率為1000Hz，頻帶速率為115200。對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以提取包括心率、呼吸頻率和身體運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的生命體征。GPRS通信模塊（ESP826）然后將生命體征傳輸?shù)接脩舻氖謾C(jī)APP和PC等。

(3)信號(hào)預(yù)處理

對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。由于采樣的原始信號(hào)是混疊信號(hào)，混合了電路和人體運(yùn)動(dòng)造成的噪聲污染，因此預(yù)處理進(jìn)行了。首先使用頻率為50Hz的陷波電路對(duì)混疊信號(hào)進(jìn)行去噪以消除工頻噪聲，使用形態(tài)濾波進(jìn)行處理以抑制基線漂移，然后根據(jù)不同的生命體征測(cè)量結(jié)果將混疊信號(hào)存儲(chǔ)在具有特定存儲(chǔ)容量的信號(hào)緩沖空間中。

（4）心率測(cè)量

預(yù)處理后，使用頻率為40 Hz的巴特沃斯濾波器導(dǎo)出BCG信號(hào)（即心沖擊圖），然后通過(guò)限制信號(hào)幅度來(lái)去除身體運(yùn)動(dòng)信號(hào)。值得注意的是，這里采用了存儲(chǔ)時(shí)間為6 s（即6000點(diǎn)）的緩沖空間，讀取和存儲(chǔ)間隔均為1 s（1000點(diǎn)）。之后，進(jìn)行了一系列預(yù)處理步驟，以獲得所需的BCG信號(hào)：（1）使用零相位低通濾波器來(lái)識(shí)別呼吸引起的心跳信號(hào)的基線漂移，并通過(guò)從基線漂移中提取心跳信號(hào)來(lái)獲得一組沒(méi)有基線漂移的水平心跳信號(hào)；（2） 為了抑制高斯噪聲對(duì)BCG的干擾，建立了緩沖空間中心跳信號(hào)與理想BCG信號(hào)的協(xié)方差，并建立了強(qiáng)關(guān)系來(lái)抑制噪聲（圖2）；以及（3）為了消除高頻接口的接口并獲得平滑的信號(hào)，心跳包絡(luò)是使用希爾伯特變換方法推導(dǎo)的。

（5）呼吸頻率

緩沖空間到期后，使用巴特沃斯濾波器提取呼吸信號(hào)，頻率為0.1–0.5 Hz，因?yàn)樗哂凶罴哑教苟?。檢測(cè)呼吸信號(hào)的突變，并通過(guò)限制信號(hào)幅度來(lái)消除身體運(yùn)動(dòng)信號(hào)。然后，通過(guò)以下步驟獲取呼吸頻率：（1）由于呼吸信號(hào)的緩慢變化，在此建立存儲(chǔ)時(shí)間為10s的緩沖空間；（2）計(jì)算每5s呼吸信號(hào)的波動(dòng)方差和波動(dòng)幅度，并將其作為歷史波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)；（3） 每秒計(jì)算緩沖空間中第一個(gè)和第二個(gè)5s內(nèi)呼吸信號(hào)的波動(dòng)方差，記為var1和var2；（4） 計(jì)算var1和var2之間的差值，如果差值大于設(shè)置閾值，25,26進(jìn)入呼吸暫停的判斷階段，并保持var2；（5） 進(jìn)入呼吸暫停判斷階段后，如果有新數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖空間，則計(jì)算最后5 s呼吸信號(hào)的波動(dòng)方差，記錄為var2′，并計(jì)算var2與var2′之間的差值，（6）如果差值大于設(shè)定幅度（即10），則25將呼吸暫停次數(shù)加1，否則進(jìn)入正常呼吸階段，值得注意的是，當(dāng)呼吸暫停次數(shù)大于10時(shí)，記錄為真實(shí)的呼吸暫停事件；（7） 在正常呼吸階段，檢測(cè)到呼吸信號(hào)波形的過(guò)零點(diǎn)，即從負(fù)半軸到正半軸，相鄰兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間為有效呼吸間隔；（8） 呼吸頻率（RR，呼吸/分鐘）可以基于過(guò)去60秒內(nèi)的平均呼吸間隔（tres）來(lái)測(cè)量，如等式（2）所示。

（6）身體運(yùn)動(dòng)測(cè)量

將BCG信號(hào)與原始信號(hào)分離后，身體運(yùn)動(dòng)計(jì)算如下：（1）將BCG的信號(hào)長(zhǎng)度設(shè)置為15s將其切片（i=0，1，….15）；（2） 設(shè)計(jì)一個(gè)移動(dòng)時(shí)域窗口（寬度：3s；移動(dòng)步長(zhǎng)：2s），并確定每個(gè)窗口中的最大峰值；（3） 如果一個(gè)窗口中的最大峰值高于前一個(gè)窗口，則會(huì)發(fā)生身體運(yùn)動(dòng)，并記錄身體運(yùn)動(dòng)次數(shù)。圖3顯示了新型智能枕頭收集的原始生命信號(hào)和分離的BCG、呼吸和身體運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

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