睡眠呼吸暫停綜合征患者的智能監(jiān)測服飾研究

唐 茜, 潘 洋, 劉 艷, 任思曼

(湖北工業(yè)大學 工業(yè)設計學院,武漢 430000)

隨著社會的發(fā)展,人們已越來越注重于健康監(jiān)測的問題,但傳統(tǒng)醫(yī)療設施已經無法滿足人類社會對于更有效檢測人體數據的需求。與此同時,智能服裝科技在醫(yī)療健康監(jiān)護領域已實現(xiàn)重大突破,讓傳統(tǒng)服裝和電子技術相融合而產生的智能健康監(jiān)測服飾,不僅是人們對健康監(jiān)測方面的技術創(chuàng)新,更是為傳統(tǒng)服裝發(fā)展提供新的思路[1]。

睡眠呼吸暫停綜合征(SAS)是指在夜間入睡時呼吸氣流完全停止10 s以上,呼吸氣流相對一般的基礎氣流水平下降了50%以上,且常伴隨著血氧飽和度降低4%以上的情況[2]。血氧飽和度降低會造成較大的影響,主要包括心腦血管疾病、中樞神經類疾病及內分泌、消化系統(tǒng)疾病,甚至與腫瘤疾病相關[3]。部分心血管疾病患者甚至會發(fā)生在夜間猝死的情形,嚴重影響了病人的生命質量。所以,及時地發(fā)現(xiàn)與處理呼吸暫停綜合征能有效提高病人的健康狀況。目前對呼吸暫停綜合征的臨床監(jiān)測最為廣泛的設備為多導睡眠儀(PSG),但多導睡眠儀操作較為復雜[4],在PSG監(jiān)測過程中需要患者整夜躺在病床上,等待監(jiān)測結果(通過醫(yī)生對數據進行分析和研究,最終得出患者是否患有睡眠呼吸暫停綜合征),且進行監(jiān)測的價格昂貴,患者負擔較重不易于推廣,無法使眾多患者得到及時的診斷。取代PSG檢查方式的有通過動態(tài)心電圖機檢查的人體心率變化性(HRV)檢查法[5],但該種檢查方式的缺點之一就是要求病人必須長期佩帶心電電極,導致患者行動不便、睡眠舒適度不足,以及造成皮膚過敏等情況。

本文通過將電子元件融合進成衣中的方式,解決了病人無法準確掌握自己病情的問題,通過智能服飾系統(tǒng)可對人體鼾音、血氧飽和度等生理信息進行檢測[6],將數據上傳至手機APP后確定用戶是否出現(xiàn)睡眠呼吸綜合征,得到相關的健康報告,并進行后續(xù)相關預警。

1 睡眠呼吸暫停綜合征患者需求分析

睡眠呼吸暫停綜合征患者往往并不能清晰地了解自身病情,并且患者基數較大,范圍較廣。在前期調研中,分別針對50名睡眠呼吸暫停綜合征患者對智能監(jiān)控服飾的生理需求、心理需求及使用需求,采取了調查問卷、用戶訪談的研究方式,得到了患者的主要需求。通過對用戶調研結果(圖1)進行分析后,本文得出以下主要需要:1) 智能服飾的安全性,即穿著時安全,對人體無副作用;2) 穿著舒適性,即面料舒適,電子元件融合進衣物無異物感;3) 監(jiān)測的準確性,即能準確地監(jiān)測睡眠時鼾聲數據及血氧飽和度數據;4) 衣物的美觀性,即穿著樣式要美觀好看。

圖1 用戶調研結果Fig.1 User research results

2 智能監(jiān)測服飾設計

2.1 整體設計思路

智能服飾的研制不僅要充分考慮衣物的舒適性、透氣性,同時智能服飾還要實時監(jiān)控打鼾人群在睡眠時的血氧飽和度及鼾聲次數,因此需要融合信息感知交互與服裝設計等多項技術。本文設計的智能睡衣包括睡衣本體,藍牙通訊模塊,血氧監(jiān)測傳模塊和鼾聲識別模塊,電池模塊,手機App等組件。通過監(jiān)測得到的睡眠生理數據,如人體血氧飽和度、打鼾狀況,分析出人體當前睡眠狀況,來確定是否有睡眠呼吸暫停綜合征的癥狀。圖2為系統(tǒng)方案設計框架。

圖2 智能服飾系統(tǒng)設計方案Fig.2 Block diagram of intelligent clothing system design

如圖2所示,藍牙通訊模塊在智能服飾和智能終端中起到承上啟下的作用,電池模塊提供電源;血氧飽和度傳感器進行血氧的監(jiān)測,記錄人體的血氧率。鼾聲模塊會識別并監(jiān)測人體打呼頻率,能直接反映患者當前人體生理參數,并通過藍牙傳輸數據至手機App。Arduino Min Pro開發(fā)板提供與智能終端通信的藍牙接口,打包并整合已收集各種傳感器采集的人體數據信息,暫存在Arduino Mini Pro開發(fā)板的內部。當監(jiān)測收集到的數據包總量達到設置閾值時[7],傳輸多個數據包到智能終端,并顯示結果以供查看和警示。整個系統(tǒng)基于智能服飾結構合理設計的基礎上,迎合了現(xiàn)代新型醫(yī)療監(jiān)測方式,為進一步研究科學睡眠提供基礎數據。

2.2 智能監(jiān)測服飾的設計

在滿足患者基本的實用性、舒適性、美觀性等需求的前提下,智能服飾設計還需要涉及信息技術、交互技術、服裝設計、面料選擇等服裝制作領域。智能檢測服飾與傳統(tǒng)服飾設計相比,不僅要確保用戶穿著的舒適度、成衣面料材質、色彩運用、外觀造型外,還要兼顧智能服飾的面料與電子元件融合的有效性[8]。

本實驗服裝使用的是素縐緞(杭州方大絲綢有限公司)[9]。素縐緞的主要優(yōu)點之一在于緞面光滑柔軟細致,所以當患者穿著時也會更為舒適,同時光澤又更為天然溫和,當患者貼身穿著時就算出汗也不會沾身。因為素縐緞具有柔軟細致的手感,而且還有著不錯的懸垂性,所以素縐緞較適用于制作睡袍。在實驗中利用素縐緞制作的成衣與電子元件結合合適,智能服飾在設計時既能保證貼合人體部分的舒適度、易穿度,又不會影響智能服裝的監(jiān)測效果,在收集完成人體數據時,由內置的傳感器獲取信息,觸發(fā)相應的提醒裝置。

本文設計的智能服飾追求自然和諧、積極向上的生活理念,在款式上采用藍色底色、白色花紋,滿足睡眠舒適感款式應為寬松、舒適透氣,但是傳感器需要與人體手腕接觸,確保測量的準確。因此,在測量袖口處使用了黏扣設計,測量時可自主調節(jié)松緊,讓智能裝置鑲嵌在袖口軟體子母面料中,在成衣袖口內部緊貼病人手腕。衣物圖案設計元素則是提取自黃梅挑花中的丹鳳朝陽圖案[10],丹鳳朝陽圖案為中國傳統(tǒng)文化的祥瑞圖案之一,丹鳳朝陽有圓滿、祥瑞、前途光明的寓意。服飾領口設計了一款和刺繡圖標一樣大小的暗袋,暗扣封口,使聲音傳感器不易滑落,又能準確探測鼾聲。這樣的設計既美觀又體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)文化,也寄予了患者早日康復的意義,聲音傳感器不用時可以取下,便于成衣洗滌。智能服飾成衣從外形上更加美觀,在布料選用上也更加舒適,既保證了服飾在滿足患者需求的前提下,又充分考慮了工藝的連貫性和可行性,產品設計科學合理,并保證了成衣面料和電子元件的完美融合,與成衣整體美觀和諧,其質量檢測效果良好。智能服飾監(jiān)測模塊主要分為電源供電模塊、開發(fā)板處理數據模塊、鼾聲數據采集模塊,血氧飽和度采集模塊及無線傳輸模塊。智能服飾款式結構及其模塊分布如圖3所示。

圖3 智能服飾樣式設計Fig.3 Smart clothing style design

3 硬件設計

硬件設計上主要包括鼾聲數據收集模塊設計及血氧飽和度采集模塊設計,其中鼾聲數據收集模塊主要由鼾聲數據采集電路組成和主要控制芯片Arduino Mini Pro(7 mm×13 mm)構成。MAX9814(3.1 mm×3.1 mm)[11]作為鼾聲數據采集電路,是一種低成本高性能麥克風的放大集成電路,帶有自動增益控制器(AGC),電源電壓限制范圍2.7～5.5 V,并內含2 V的低噪音麥克風偏置。麥克風主要用來收集噪聲,通過輸入、輸出設備接入控制器,并利用鼾聲采集電路收集人入睡時的噪聲,然后利用嵌入式微控制器對所收集噪聲進行相應算法的處理,進而測量出鼾聲。

血氧飽和度采集模塊主要由血氧飽和度芯片和主控芯片Arduino Mini Pro組成,其中血氧飽和度采集芯片采用MAX30102(5.6 mm×3.3 mm×1.55 mm)傳感器。電壓范圍為2.5～5.5 V,MAX30102傳感器使用光電容積法進行血氧飽和度的采集,同時微控制器對采集的數據進行相應算法處理就可以得到血氧飽和度[12]。目前市面上常用的血氧飽和度測量方法主要有三類:第一類是直接從心電信號中獲得;第二類是在測量血壓時壓力傳感器所測到的波動來計算脈率;第三類是光電容積法。傳統(tǒng)的通過心電信號提取數據,或者是計算脈搏測量方法提取信號都將影響使用者的日常活動,在監(jiān)測時長期使用不僅將增加患者生理上的不適,還會增加心理上的負擔。而光電容積法脈搏測量作為監(jiān)護測量中最常用的方法之一,優(yōu)點在于使用方法簡單、攜帶方便、可監(jiān)測性高等,用于智能服飾的血氧飽和度采集十分合適。同時根據血氧飽和度的定義,其公式為:

(1)

式中:S為血氧飽和度,%;C為血紅蛋白容量,g/L。

4 軟件設計

根據項目需求分析,手機App軟件主要由“睡眠、記錄、我的”三個板塊構成。第一個板塊是睡眠板塊(圖4(a)),主要功能為連接智能服飾設備,用戶點擊開始睡眠按鍵可開始夜間的睡眠記錄功能;同時還設置有專家專欄,可讓用戶在睡前了解睡眠呼吸綜合征相關資訊。第二個板塊是記錄板塊(圖4(b)),主要功能為記錄睡眠時血氧飽和度情況,打鼾情況如圖4(c)所示,在監(jiān)測芯片檢測到血氧飽和度下降幅度超過4%時會引發(fā)報警系統(tǒng),如圖4(d)所示;App開啟振動功能,提醒用戶醒來,以免出現(xiàn)窒息危險,根據記錄情況生成睡眠報告,判斷是否有呼吸暫停綜合征風險,并給出風險評級(優(yōu)秀、正常、低風險、高風險),高風險時提醒用戶盡快就醫(yī),如圖4(e)所示。第三個板塊為我的板塊,主要功能為用戶基本信息記錄、設備連接、設備管理、遠程醫(yī)療、反饋與意見、設置等功能,如圖4(f)所示。

圖4 手機APP界面Fig.4 Mobile APP interface

5 智能監(jiān)測服飾的設計驗證與評價

5.1 智能監(jiān)測服飾的設計驗證

為驗證所設計的智能服飾監(jiān)測的準確性,本文選取了10名受試者,男性與女性各5名。首先進行智能服裝功能性測試,包括血氧飽和度實驗和鼾聲測試實驗;最后為了驗證智能服飾實際穿著時判斷的準確性,進行了夜間7 h睡眠的呼吸暫停綜合征的綜合性實驗,實驗所得出結論與PSG診斷結果進行對比。實驗結果分別應用實驗數據對比的方法和Matlab軟件建立的回歸方程進行統(tǒng)計學意義驗證。具體實驗照片如圖5所示。

圖5 實驗照片F(xiàn)ig.5 Experimental photographs

為了驗證智能服飾所測的血氧飽和度的功能性和準確性,本文使用MD300C23維德醫(yī)療家用血氧檢測儀進行同步檢測,并將得到的結果進行對比。為模擬正常睡眠姿態(tài)及睡眠姿勢對測量血氧飽和度的影響,血氧飽和度測試實驗選取了10名受試者穿著智能服飾分別保持仰臥姿勢20 s、屏息仰臥姿勢20 s、側臥姿勢20 s、屏息側臥姿勢20 s、俯臥姿勢20 s及屏息俯臥姿勢20 s,并測試10次求取平均值。測試結果如圖6所示。

圖6 血氧飽和度測試實驗結果Fig.6 Oxygen saturation test results

由圖6可知,智能服飾的檢測結果與維德醫(yī)療家用血氧檢測儀的測試結果基本一致,符合睡眠呼吸監(jiān)測產品技術審評規(guī)范(2016版)中“血氧飽和度85%～100%范圍,絕對誤差≤±2%;70%～85%范圍,絕對誤差≤±3%”的要求,由此驗證了本文智能服飾對于血氧飽和度檢測的準確性。實驗結果顯示,仰臥、側臥及俯臥差異性不大,因血氧飽和度傳感器位于手腕處,受睡姿因素影響不大,同時證明在睡姿改變后智能服飾仍能對血氧飽和度進行準確采集。

鼾聲識別測試實驗選取模擬安靜的睡眠環(huán)境,利用實際入睡環(huán)境條件,選取10段含有2 min以上鼾聲片段的錄音進行鼾聲識別測試。而有關于鼾聲次數的標定,則通過人工對錄音進行鼾聲數量記錄,可以得出最終的鼾聲識別的準確率。測試結果如圖7所示。

圖7 鼾聲識別測試結果Fig.7 Snore recognition test results

通過實驗可得,智能服飾所測量的鼾聲數據和人工標定的鼾聲數據對比得到,準確率大于95%,可以滿足正常使用需求。根據圖7中10組數據建立回歸方程,得出相關系數c1≈0.99(c1為鼾聲識別相關系數),接近于1,說明本文智能服飾系統(tǒng)硬件識別效果較好,可滿足用戶需求。

為了測試真實睡眠環(huán)境下智能服飾監(jiān)測的準確性,10名測試者中5人有夜間打鼾癥狀,基本信息和健康狀況如表1所示。

表1 受試者基本情況Tab.1 The basic situation of the subjects

對每位受試者穿著智能服飾進行7 h夜間睡眠實驗測試,對睡眠呼吸暫停綜合征疾病進行識別,測試結果如表2所示。

表2 睡眠呼吸暫停綜合征測試結果Tab.2 Sleep apnea syndrome test results

睡眠呼吸暫停綜合征測試結果表明,智能服飾監(jiān)測系統(tǒng)檢測到用戶睡眠時正在打鼾,同時血氧飽和度下降幅度超過4%,則智能服飾監(jiān)測系統(tǒng)便能夠自動識別出該打鼾者是否出現(xiàn)呼吸暫停癥狀,App端會發(fā)出預警提醒,并可提供遠程掛號醫(yī)療等服務。但對于未打鼾的用戶,在監(jiān)測到其血氧飽和度下降時,則可能是患有心血管或者高血壓等疾病,App后續(xù)會進一步提醒去醫(yī)院檢查。對于正在打鼾但血氧下降不明顯的患者,系統(tǒng)則識別為正常打鼾;血氧飽和度下降不明顯,且未打鼾者,智能服飾系統(tǒng)識別為睡眠正常,App則不做額外提醒。

為了驗證睡眠呼吸暫停綜合征識別結果的準確性,本文對序號1、2、4、6、10這5名測試者進行PSG檢測,得到對照數據如表3所示。

表3 智能服飾識別對照結果Tab.3 Intelligent clothing recognition control results

由表3可知,智能服飾識別結果和PSG監(jiān)測結果一致,但無法和PSG監(jiān)測一樣,對其嚴重程度作出判斷分級,但該智能服飾可以滿足居家使用時前期呼吸睡眠暫停綜合征的初步篩選,達到警示需求。

5.2 智能監(jiān)測服飾的實驗評價

將實驗10人受試者平均分為兩組,一組佩戴PSG監(jiān)測裝備入眠,另一組穿著智能服飾入眠,分別對比前后感受,結果如表4所示。

表4 對比結果Tab.4 Comparison results

由表4可知,從入睡舒適度、安全性、皮膚敏感度、美觀性4個方面來看,穿著智能服飾的受試者比使用傳統(tǒng)PSG的受試者在使用感受上更加舒適、安全,不易過敏且穿著美觀。

本文智能服飾通過可穿戴智能監(jiān)測設備滿足了潛在呼吸睡眠綜合征患者的監(jiān)控提醒需求,把日常睡衣作為載體,加強整體的便捷性,但缺點在于未能做出分級判斷,上傳數據后小幾率出現(xiàn)誤報情況。針對未能做出分級判斷這一問題,后期將建立用戶醫(yī)療連接平臺,上傳數據至專科醫(yī)生系統(tǒng)端,專科醫(yī)生對其進行分級判斷并反饋給用戶。而小幾率誤報來自于用戶夜間睡眠突發(fā)情況,如外界噪音和夜間驚醒等因素都會影響數據的采集和判斷。針對這一情況,后期考慮為系統(tǒng)升級增強監(jiān)測精度,減少環(huán)境對數據采集的影響,更加精準監(jiān)測用戶睡眠狀況,以達到減少誤報的目的。

6 結 語

本文旨在開發(fā)一款實時監(jiān)測血氧飽和度和鼾聲次數的智能服飾,將血氧飽和度與睡眠時的鼾聲相結合并將傳感器植入服裝中的最佳位置,設計了智能服飾的硬件和軟件。智能服飾監(jiān)測的結果可在App上顯示,用戶可以隨時查看結果。通過多人實驗對智能服飾進行了實際測試,驗證了智能服飾對呼吸睡眠暫停綜合征檢測的有效性和準確性。本設計在以下方面還需繼續(xù)完善:由于疫情實驗室進出管制嚴格,未能進行大量人群測試,最終只選取了10人作為測試對象,后期會進行多人及更長周期的穿著睡眠測試;未來本設計可連接互聯(lián)網,將數據上傳至醫(yī)療專用平臺。綜上所述,本文智能服飾的研發(fā)過程與應用,為居家人群辨別呼吸暫停綜合征的實時監(jiān)測提供了借鑒與參考依據,其舒適性、可穿戴性、準確性、美觀性及如何更好滿足客戶需求是今后研究的主要方向。

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