一種非接觸式基于心沖擊圖的睡眠監(jiān)測裝置

陳培敏 田楊萌 王彩霞 王宏偉 郝少華 張浩

摘 要：睡眠質(zhì)量是身體健康與否的重要因素。睡眠監(jiān)測的意義在于利用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)對睡眠狀況進(jìn)行有效分析，找出影響睡眠的因素，利于疾病預(yù)測及治療。文中對睡眠質(zhì)量監(jiān)測的現(xiàn)狀進(jìn)行整理，介紹了一種新型非接觸式基于心沖擊圖的睡眠質(zhì)量監(jiān)測裝置，并分析了其應(yīng)用和前景。

關(guān)鍵詞：睡眠監(jiān)測；多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀；非接觸式；心沖擊圖

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

中國睡眠研究會發(fā)布的2017年中國睡眠現(xiàn)狀報告顯示，24.6%的居民在睡覺這件事上“不合格”，高達(dá)94.1%的人的睡眠與良好水平存在差距[1]。大量研究表明，睡眠狀況與心腦血管疾病、糖尿病、呼吸疾病、精神障礙等多種慢性病緊密相關(guān)。中國睡眠研究會還表示，約80%重大交通事故的發(fā)生與司機(jī)睡眠不足有關(guān)，長時間不睡覺駕車的肇事風(fēng)險“等同于醉酒駕車”。由此可見，睡眠質(zhì)量與身體健康狀況、人身安全息息相關(guān)，其監(jiān)測應(yīng)引起我們的重視。

1 睡眠質(zhì)量監(jiān)測儀的發(fā)展現(xiàn)狀

睡眠監(jiān)測始于20世紀(jì)80年代中期，到90年代中期，出現(xiàn)了許多一次僅能記錄一個使用者睡眠狀況的家用睡眠監(jiān)測儀，但參數(shù)簡單且比較笨重，記錄的數(shù)據(jù)需存儲在卡帶上，最長可記錄8小時的數(shù)據(jù)。而當(dāng)前階段的家庭睡眠監(jiān)測（HST）已可用于常規(guī)診斷阻塞性呼吸暫停等疾病[2]。

市場上的主流睡眠監(jiān)測產(chǎn)品主要有兩種：一種是基于多導(dǎo)睡眠的監(jiān)測儀；另一種是基于體動記錄的監(jiān)測儀。

多導(dǎo)睡眠監(jiān)測是當(dāng)今睡眠醫(yī)學(xué)中的一項重要技術(shù)，主要用于睡眠障礙疾病臨床診斷，在世界睡眠研究界被稱為 “金標(biāo)準(zhǔn)”。它可以連續(xù)、同步地描記血氧飽和度、腦電、心電、眼動、腿動、脈搏、呼吸頻率、鼾聲、頜部肌肉活動情況、呼吸氣流及胸腹部的呼吸運(yùn)動等指標(biāo)，對于診治各種睡眠障礙相關(guān)疾病、保障人們健康發(fā)揮著越來越重要的作用。

多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀由主機(jī)、顯示器、放大器、采集盒、EEG/ECG/EOG/EMG傳感器、胸腹運(yùn)動傳感器、熱敏氣流傳感器、血氧傳感器、體位傳感器、信號電纜、隔離電源組成[3]，能夠檢測所有常規(guī)睡眠參數(shù)以及脈搏、PTT血壓等。多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀如圖1 所示。

目前，雖然已有90%的三甲醫(yī)院配備了多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀，可開展睡眠監(jiān)測服務(wù)，但需要專門的設(shè)備和環(huán)境，且費用昂貴，專業(yè)的醫(yī)師技師資源相對匱乏，且陌生的環(huán)境也會影響睡眠監(jiān)測的結(jié)果。因此，去醫(yī)院測試睡眠質(zhì)量存在種種不便。

近年來，隨著基于體動記錄的睡眠監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，小型化的睡眠監(jiān)測儀水平不斷提高，睡眠質(zhì)量的監(jiān)測成為了可穿戴產(chǎn)品的一個重要關(guān)注點。目前市場上已有較多基于可穿戴設(shè)備的睡眠監(jiān)測裝置，如智能手環(huán)、智能手表等。其原理是以加速度傳感器為監(jiān)測裝置，先設(shè)定一個閾值，然后提取加速度傳感器的數(shù)據(jù)特征，將提取的特征與設(shè)定的閾值作比較，計算出活動計數(shù)，再對活動計數(shù)加權(quán)疊加算出一定時間段的估值，作為判斷用戶睡眠質(zhì)量的依據(jù)。此種方法應(yīng)用最廣泛，但最大的缺點是佩戴感不佳。除此之外，由于獲得的信號單一，識別準(zhǔn)確度不高，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)存在偏差。為了克服睡眠時佩戴不舒適的缺點，將一些睡眠監(jiān)測產(chǎn)品做成帶狀，平鋪在床上，以監(jiān)測使用者睡眠時的翻身情況。這種產(chǎn)品的最終形態(tài)是將其功能集成在床墊或床上，使用更方便。但目前成本過于高昂，且依然難以克服識別率低的困難。

因此應(yīng)提取更多能反映睡眠狀態(tài)的生理特征信號，結(jié)合更多的信號進(jìn)行分析，提高睡眠質(zhì)量監(jiān)測的準(zhǔn)確度。

2 基于加速度傳感器的心沖擊圖的睡眠監(jiān)測儀

2.1 BCG原理

本文介紹了一種由日本村田制作所2014年推出的基于加速度傳感器的心沖擊圖（Ballistocardiography，BCG）睡眠監(jiān)測儀[4]。其原理既不同于多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀，也不同于基于體動記錄的監(jiān)測儀。BCG是20世紀(jì)30年代由美國賓夕法尼亞大學(xué)心臟病學(xué)教授Isaac，Starr和Yandell Henderson發(fā)現(xiàn)的，它是一種非侵入式通過圖形界面準(zhǔn)確描述心臟每次搏動所噴射血液對人體向上運(yùn)動作用的醫(yī)療技術(shù)。其原理是當(dāng)人體心臟每次搏動并噴發(fā)血液時，會引起身體微小的機(jī)械變動，通過加速度傳感器對此微小機(jī)械量進(jìn)行測量，便能得到與心臟搏動相對應(yīng)的周期性變化力學(xué)圖像[5]。BCG圖像中的不同部分分別代表了心臟一次完整搏動的不同階段，攜帶大量人體心臟的生理信息，從而可能對人體潛藏的病患進(jìn)行分析，起到健康監(jiān)護(hù)的作用。

BCG獲取的是人體皮膚的機(jī)械振動信號，而ECG心電圖反映的是心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中生物電的變化，兩者的工作方式和原理完全不同。BCG和ECG心電圖如圖2所示。從圖2可以看出，BCG的主要波峰有H，I，J，K等，其構(gòu)成的HIJK波群與心臟射血功能關(guān)系密切[6]。而ECG的一次心動周期只包含一個P波、一個QRS波群和一個T波[7]。與心電圖相比，BCG圖像中可提取出較多生理指標(biāo)，如心率、泵血、心率變異性、呼吸率等，在預(yù)測方面比ECG更為可靠。

圖3（a）所示為一名正常男性測試者的BCG和ECG信號，圖3（b）為一名男性冠心病患者的BCG和ECG信號，同時該患者還存在室性早搏現(xiàn)象（t = 3 s 附近）。從圖3（b）中可以看出，ECG室性早搏發(fā)生后第一個BCG的波幅明顯降低，幾乎無法識別，而在之后的補(bǔ)償階段，BCG各波峰都有明顯的增高[8]。

BCG心沖擊圖通過間接接觸人體的方式測得人體心臟機(jī)能指標(biāo)，不會打亂人們的正常作息，即使在工作狀態(tài)下也可以進(jìn)行監(jiān)測。而心電圖的獲取還需要導(dǎo)聯(lián)在患者身上，對患者生活造成了較大影響。

2.2 兩款BCG睡眠監(jiān)測產(chǎn)品

村田制作所推出的BCG睡眠監(jiān)測儀集成了超低噪和噪音帶的3D MEMS加速度傳感器SCA61T，MCU和模數(shù)轉(zhuǎn)換等器件，同時在MCU內(nèi)搭載了解調(diào)算法，從檢測到的多項生理指標(biāo)中分析睡眠相關(guān)項，實現(xiàn)睡眠監(jiān)測[9]。同時，該BCG睡眠監(jiān)測儀還可根據(jù)要求輸出特定的數(shù)據(jù)，如需心率的數(shù)據(jù)可直接輸出。該監(jiān)測方式不必接觸人體，只需將裝置安放在穩(wěn)定的地方即可，如床、桌、椅上等。

3D MEMS（3D Micro Electro Mechanical System，3D MEMS）稱為3維微機(jī)電系統(tǒng)，創(chuàng)造性地結(jié)合相關(guān)技術(shù)，將硅材料加工成3維結(jié)構(gòu)并進(jìn)行密封，使之便于安裝和組裝，具有精度高、單位體積小、功耗低的特點。這種被裝配在微小硅材料內(nèi)部的先進(jìn)傳感器能夠?qū)ο嗷ゴ怪钡?個軸向加速度進(jìn)行測量。

村田制作所推出的睡眠監(jiān)測傳感器有兩種，即SCA10H和SCA11H。村田muRata SCA10H無線床鋪傳感器是一款搭載了傳感器和微控制器的PCB模版，主要面向醫(yī)療設(shè)施和設(shè)備供應(yīng)商，可進(jìn)行二次開發(fā)。SCA10H模塊如圖4所示。

村田muRata SCA11H是一款包含了BCG傳感器、微型控制器、WiFi一體化的無線床鋪心率測量傳感器，主要面向軟件解決方案和服務(wù)提供商、OEM系統(tǒng)集成商，可直接使用，也可根據(jù)需求進(jìn)行軟件開發(fā)。SCA11H模塊如圖5所示。

將SCA11H傳感器放置在床鋪下，可測得人體睡覺時的呼吸頻率、呼吸時間、脈沖等生物信號，從而分析睡眠狀態(tài)。SCA11H節(jié)點采用WiFi IEEE 802.11b/g/n網(wǎng)絡(luò)，由BCG傳感器、微控制器、WiFi組成，SCA10H模塊搭載傳感器和PCB模塊。SCA11H傳感器節(jié)點可在10～55 ℃的條件下工作，輸出電壓為8.5～9.5 V，靜態(tài)電流為50～60 mA，脈沖檢測率為40～120 bpm，尺寸和便攜式充電寶大致相同。

這個安裝在床上的SCA11H傳感器節(jié)點利用了BCG原理，當(dāng)患者心臟跳動時，從主動脈流向動脈的血液會使身體產(chǎn)生反作用力，通過超高靈敏度的加速度傳感器能夠捕捉到患者在床上引起床體振動的微弱信號，再通過微型控制器中編入的算法提取需監(jiān)測的信號。

2.3 BCG的其他應(yīng)用

BCG在健康監(jiān)測方面有著非常好的前景。人體BCG信號攜帶的生理信息非常豐富，通過算法提取的諸如心率、泵血、脈搏間隔、呼吸率、心率變異性等指標(biāo)，往往和人體疾病如心臟病、消化系統(tǒng)疾病、免疫系統(tǒng)等健康狀況息息相關(guān)。通過對泵血值的研究，醫(yī)學(xué)人員可判斷使用者是否有患高血壓的風(fēng)險；通過對脈博間隔的研究，醫(yī)學(xué)人員可知道使用者心臟早搏的概率；通過對呼吸率的研究，結(jié)合體溫和血壓監(jiān)測，醫(yī)學(xué)人員可對使用者進(jìn)行睡眠監(jiān)測和呼吸監(jiān)測；通過對心率變異性的研究，醫(yī)學(xué)人員可知道患者是否有傷口感染，發(fā)現(xiàn)早期糖尿病的征兆。

沃爾沃公司已在汽車上集成了BCG功能，以幫助車主遠(yuǎn)程監(jiān)測是否有竊賊進(jìn)入車內(nèi)或是否將嬰兒遺漏在車內(nèi)等。利用BCG原理，當(dāng)有竊賊進(jìn)入車內(nèi)時，加速度傳感器會捕捉到竊賊在車內(nèi)引起的機(jī)械振動，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)通知車主。

3 結(jié) 語

本文介紹了一種非接觸式基于心沖擊圖的睡眠監(jiān)測裝置，此裝置無需導(dǎo)聯(lián)，操作簡單，成本低，可在養(yǎng)老院住院部、家中臥室、病房等安靜的睡眠環(huán)境中進(jìn)行睡眠監(jiān)測。運(yùn)動健康監(jiān)測功能是催生可穿戴行業(yè)高速增長的關(guān)鍵。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，村田制作所的BCG結(jié)合無線通信技術(shù)，讓智能城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療不再遙遠(yuǎn)。在今后的養(yǎng)老院中，只需配備服務(wù)臺就可實現(xiàn)各床位人員的健康監(jiān)測。將這種基于BCG的監(jiān)測裝置安裝在輪椅上，利用無線通信技術(shù)可實時監(jiān)測輪椅上的患者或殘疾人的健康狀況。這種非接觸式的睡眠監(jiān)測產(chǎn)品無需導(dǎo)聯(lián)皮膚，在家即可方便經(jīng)濟(jì)地監(jiān)測睡眠質(zhì)量，也可用于監(jiān)測嬰兒的呼吸、翻身狀況和睡眠質(zhì)量等，受到了廣大家庭的青睞，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng).“健康睡眠 遠(yuǎn)離慢病”2017年中國睡眠日主題發(fā)布[EB/OL]. （2017-03-20）[2017-08-10] http：//health.ce.cn/news/201703/20/t20170320_4985210.shtml.

[2] WOLSKI C A，王詩誼.家庭睡眠檢測（HST）的過去、現(xiàn)在及未來[J].世界睡眠醫(yī)學(xué)雜志，2017，4（2）：90-93.

[3] 百度百科.多導(dǎo)睡眠監(jiān)測系統(tǒng)[EB/OL].[2017-08-10]https：//baike.baidu.com/item/ 多導(dǎo)睡眠監(jiān)測系統(tǒng)/8220152？fr=aladdin.

[4] 電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng).心臟的智能防護(hù)衣-村田制作所BCG心臟沖擊掃描方案[J/OL]. （2014-08-19）[2017-09-10]http：//semi.cena.com.cn/2014-08/19/content_239075.htm.

[5] 物聯(lián)網(wǎng)在線.基于加速度傳感器的心臟沖壓掃描模塊使得該健康監(jiān)測技術(shù)得以實現(xiàn)[EB/OL]. （2015-06-02）[2017-09-10]http：//www.iot-online.com/IC/sensor/2015/060226797.html.

[6] INAN O T， ETEMADI M， WIARD R M， et al. Robust ballistocardiogram acquisition for home monitoring [J].Physiological measurement，2009，30（2）：169.

[7] 董紅生.心電波形監(jiān)測與心率變異性分析方法研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.

[8] 曹欣榮，劉蕾，蔡東陽，等.心沖擊圖特征統(tǒng)計及其醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（5）：633-637.

[9] 村田制作所.村田智能BCG方案-打造主動健康監(jiān)測[EB/OL]. （2014-10-14）[2017-08-20]http：//www.dzsc.com/data/2014-10-14/107004.html.

[10] 歐瓊，高興林，鄭勤偉.便攜式睡眠監(jiān)測與多導(dǎo)睡眠監(jiān)測兩種方法的應(yīng)用比較[J].國外醫(yī)學(xué)（呼吸系統(tǒng)分冊），2005，25（8）：561-562.