一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置的制造方法
【專利摘要】一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，包括柔性力敏傳感器陣列床墊，上位機和控制器，所述的柔性力敏傳感器陣列床墊由上緩沖層、下緩沖層和安裝在和上、下緩沖層之間的柔性力敏傳感器陣列組成，所述上、下緩沖層采用柔性材料制成，所述柔性力敏傳感器陣列從上到下依次包括上電極層，中間層和下電極層，上電極層和下電極層均為均布平行電極的柔性電路板，上電極層的N條平行電極與下電極層的M條平行電極空間垂直相交，所述上、下電極層的平行電極分別與控制器連接；控制器包括直流電源及數據采集裝置、數據處理裝置和數據傳輸裝置；所述上位機與控制器的數據傳輸裝置相連接。
【專利說明】
一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置
技術領域
[0001]本發明屬于醫療和家庭護理智能監測領域的床墊，具體是一種應用于檢測睡眠呼吸和心率的大面積床墊。
【背景技術】
[0002]根據流行病學統計顯示，患有睡眠呼吸暫停綜合征(Sleep Apnea Syndrome，簡稱SAS)占全世界總人口的2-4 %，其中40歲以上男性的患病率更是高達9 %。它與心血管系統有密切關聯，不但誘發心臟病，還是心力衰竭的并發癥。臨床上，檢測睡眠中的呼吸是對睡眠呼吸暫停綜合征以及相關心血管疾病進行診斷和預判斷的必要手段。但目前所使用的檢測方法不但操作復雜、費用昂貴，而且對人束縛性強，無法用于長期監測。而檢測方法中最為關鍵的技術是尋求一種對患者無束縛的檢測裝置，因此，尋求一種操作簡便、費用低廉、對人沒有束縛、適合長期監測的睡眠呼吸檢測裝置一直是醫療器械領域備受關注的前沿課題，它既能維護與改善世界上數億患者的健康，又能節省巨額醫療費用。
[0003 ] 睡眠呼吸暫停綜合征診斷最權威的方法是多導睡眠圖檢查(Po Iy somnography，簡稱PSG)。但是，多導睡眠圖檢查需要在被監測者身上粘貼測量腦電波、眼球運動、心電、腿部運動的各種電極，還需要安裝測量呼吸流量、胸腹運動、睡姿、體動、血氧濃度的各種傳感器，不僅操作復雜，費用昂貴，而且束縛性強，不宜用于居家或在醫院的長期監測，即使在醫院也常常造成被監測者由于受到束縛而無法入睡，導致診斷誤差。因此，開發一種世界上獨特的無束縛睡眠呼吸檢測裝置成為現有技術中亟待解決的關鍵問題。

【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸監測裝置。采用基于柔性力敏傳感器的呼吸檢測裝置能夠消除接觸式監測對使患者帶來的心理壓迫感和異物不適感;能夠滿足對患者睡眠呼吸狀態的精確檢測和實時數據反饋給醫生，使得患者得到更好更及時治療。并為研發醫療呼吸檢測裝置和家庭睡眠監護系統奠定了技術基礎。
[0005]本發明的技術方案是提供一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，其特征在于所述檢測裝置包括柔性力敏傳感器陣列床墊3，上位機4和控制器5，所述的柔性力敏傳感器陣列床墊由上緩沖層31、下緩沖層36和安裝在和上、下緩沖層之間的柔性力敏傳感器陣列組成，所述上、下緩沖層采用柔性材料制成，所述柔性力敏傳感器陣列從上到下依次包括上電極層32，中間層34和下電極層35，上電極層和下電極層均為印刷有均布平行電極33的柔性電路板，上電極層的N條平行電極與下電極層的M條平行電極空間垂直相交，所述上、下電極層的平行電極分別與控制器連接；
[0006]所述控制器包括直流電源65及數據采集裝置61、數據處理裝置62和數據傳輸裝置63，所述直流電源的兩極分別與上電極層的平行電極和下電極層的平行電極相連接，直流電源還與數據處理裝置和數據傳輸裝置相連接并為其供電，所述數據采集裝置分別與上電極層的平行電極和下電極層的平行電極相連接，所述數據處理模塊與數據采集模塊相連接，所述數據傳輸裝置與數據采集裝置相連接;所述上位機與控制器的數據傳輸裝置相連接。
[0007]所述的一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，其特征在于所述數據傳輸裝置包括USB模塊631與藍牙模塊632，可以將數字信號矩陣分別采用USB線或藍牙信號方式傳輸至上位機。
[0008]所述的一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，其特征在于在柔性力敏傳感器陣列床墊3中還安裝光纖光柵溫度傳感器。用于監測睡眠者體溫變化與分布。
[0009]所述的一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，其特征在于數據采集裝置用于采集上、下電極層的平行電極之間電壓變化的模擬信號，數據處理裝置將采集到的模擬信號轉化為NXM的數字信號矩陣并經過數據傳輸裝置傳輸到上位機，上位機傳輸來的數字信號矩陣并將其轉化為睡姿壓力圖像，并對睡姿壓力圖像進行處理提取睡眠呼吸信號數據，所述上位機的對數字信號矩陣的具體處理方法包括以下步驟:
[0010]I)將從控制器傳輸來的數字信號矩陣轉化為睡姿壓力圖像
[0011]2)提取睡姿壓力圖像中胸部區域睡姿壓力圖像與腹部區域睡姿壓力圖像，
[0012]2)將胸部區域睡姿壓力圖像與腹部區域睡姿壓力圖像分別轉化為胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號
[0013]3)對胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別進行小波去噪，消除信號中窄帶噪聲，
[0014]4)對經過步驟3)處理的胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別應用離散小波變換(DWT)進行處理，選擇與呼吸信號相似性高的離散小波類型，基于所有細節的相關系數重建胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號，并消除寬帶噪聲造成呼吸信號的基準漂移;
[0015]5)采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)對經過步驟4)處理的胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別進行處理，分別提取胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號的功率譜，得到胸部呼吸頻譜信號和腹部呼吸頻譜信號。
[0016]與現有技術相比，本發明有益效果在于:
[0017]I)采用了無束縛的柔性力敏傳感器作為采集呼吸變化的媒介，由上述所述柔性力敏傳感器陣列床墊并沒有突兀性，對人體不產生不適感，無需任何元器件直接與人接觸，厚度較薄，可以像床單一樣平鋪在床上進行睡眠呼吸監測，檢測過程中對睡眠呼吸者沒有任何束縛和特殊要求，睡眠呼吸監測者只需自然狀態下就可以實現數據的采集，克服了接觸式傳感器長時間檢測容易加重睡眠呼吸監測者心理負擔和不舒服性，克服了間接接觸型通過檢測振動或雷達監測呼吸精度較低和無法識別胸腹運動等缺陷。
[0018]2)呼吸率檢測精度高。多導睡眠圖檢查(Polysomnography，簡稱PSG)通過在人體的胸部和腹部綁呼吸帶傳感器，此方法可以很準確地檢測胸部和腹部呼吸狀況，但是胸腹的呼吸運動會產生較大的基準漂移影響了呼吸信號的提取，從而導致呼吸率檢測精度不高以及無法對胸腹的相位關系做出準確判斷。本發明設計采用無束縛柔性力敏傳感器不會對胸部和腹部產生較大影響，而基準漂移相應地減小，在本發明中的呼吸信號處理系統采用小波降噪和小波變化趨勢進一步消除了基準漂移，使得呼吸率的檢測精度誤差為1-2次/分鐘。
[0019]3)安裝設置簡單。可以把柔性力敏傳感器陣列床墊平鋪在床上，安裝接收裝置和數據傳送裝置通過快速接口的形式，方便了測試者的操作。上位機通過USB接口或藍牙模塊與裝置進行快速連接，不影響睡眠者的休息，且上位機可采用工控機、PC機或者手機智能終端，即可用于醫院、養老院等機構，又能用于家庭。
[0020]4)本發明提供檢測裝置的中上位機的信號處理方法為無束縛檢測睡眠呼吸者的睡眠呼吸狀況，通過對生成的睡姿壓力圖像轉化為時域信號，并經過小波去噪、離線小波變換和快速傅里葉變換。消除了原始信號中的窄帶噪聲和基準漂移，并提取了呼吸信號，得到了呼吸功率譜，實現了睡眠呼吸狀態的準確數據提取，為專業醫療診斷提供了數據支持。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置的一種實施例的整體結構示意圖。
[0022]圖2為中本發明一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置的的一種實施例的柔性力敏傳感器陣列床墊的結構示意圖；
[0023]圖3為本發明一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置的的一種實施例的控制器的結構示意圖；
[0024]圖4為采用本發明一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置的一種實施例進行睡眠檢測時得到的胸部睡姿時域信號圖；
[0025]圖5為對圖4所示胸部睡姿時域信號經過小波降噪處理后得到的信號圖；
[0026]圖6為對圖5所示信號進行應用離散小波變換(DWT)進行處理后得到的信號圖，
[0027]圖7為對圖6所示信號提取功率譜后得到胸部呼吸頻譜信號圖。
[0028]圖8為采用本發明一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置的一種實施例進行睡眠檢測時胸腹呼吸運動下胸腹呼吸相位關系圖，(a)為正常呼吸狀態下的胸腹部呼吸頻譜信號圖；(b)為呼吸暫停狀態下的胸腹部呼吸頻譜信號圖。
[0029]圖中，1、被檢測者，3、柔性力敏傳感器陣列床墊，4、上位機，5、控制器，6、床墊;31、上緩沖層，32、上電極層，33、電極，34、中間層，35、下電極層，36下緩沖層，37、導線;64、直流電源，61、數據采集裝置，62、數據處理裝置，63、數據傳輸裝置，631、USB模塊，632、藍牙模塊。
【具體實施方式】
[0030]下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0031]本發明提供的基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置(以下簡稱檢測裝置)，其特征在于所述檢測裝置包括柔性力敏傳感器陣列床墊3，上位機4和控制器5，所述的柔性力敏傳感器陣列床墊由上緩沖層31、下緩沖層36和安裝在和上、下緩沖層之間的柔性力敏傳感器陣列組成，所述上、下緩沖層采用柔性材料制成，所述柔性力敏傳感器陣列從上到下依次包括上電極層32，中間層34和下電極層35，上電極層和下電極層均為印刷有均布平行電極33的柔性電路板，上電極層的N條平行電極與下電極層的M條平行電極空間垂直相交，所述上、下電極層的平行電極分別通過導線37與控制器連接；
[0032]所述控制器包括直流電源64及數據采集裝置61、數據處理裝置62和數據傳輸裝置63，所述直流電源的兩極分別與上電極層的平行電極和下電極層的平行電極相連接，直流電源還與數據處理裝置和數據傳輸裝置相連接并為其供電，所述數據采集裝置分別與上電極層的平行電極和下電極層的平行電極相連接，所述數據處理模塊與數據采集模塊相連接，所述數據傳輸裝置與數據采集裝置相連接；
[0033]所述上位機與控制器的數據傳輸裝置相連接。
[0034]數據采集裝置用于采集上、下電極層的平行電極之間電壓變化的模擬信號，數據處理裝置將采集到的模擬信號轉化為NXM的數字信號矩陣并經過數據傳輸裝置傳輸到上位機，上位機傳輸來的數字信號矩陣并將其轉化為睡姿壓力圖像，并對睡姿壓力圖像進行處理提取睡眠呼吸信號數據。
[0035]實施例
[0036]本實施例中N= M = 64，，信號采集頻率為1Hz，在柔性力敏傳感器陣列床墊3中還安裝光纖光柵溫度傳感器，用于監測睡眠者體溫變化與分布。
[0037]所述數據傳輸裝置包括USB模塊631與藍牙模塊632，可以將數字信號矩陣分別采用USB線或藍牙信號方式傳輸至上位機。
[0038]本實施例中提供的檢測裝置的整體結構示意圖如圖1所示，柔性力敏傳感器陣列床墊的結構示意圖如圖2所示，控制器的結構示意圖如圖3所示。
[0039]所述上位機對數字信號矩陣的具體處理方法包括以下步驟
[0040]I)將從控制器傳輸來的數字信號矩陣轉化為睡姿壓力圖像
[0041]2)提取睡姿壓力圖像中胸部區域睡姿壓力圖像與腹部區域睡姿壓力圖像，
[0042]2)將胸部區域睡姿壓力圖像與腹部區域睡姿壓力圖像分別轉化為胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號
[0043]3)對胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別進行小波去噪，消除信號中窄帶噪聲，
[0044]4)對經過步驟3)處理的胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別應用離散小波變換(DWT)進行處理，選擇與呼吸信號相似性高的離散小波類型，基于所有細節的相關系數重建胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號，并消除寬帶噪聲造成呼吸信號的基準漂移;
[0045]5)采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)對經過步驟4)處理的胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別進行處理，分別提取胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號的功率譜，得到胸部呼吸頻譜信號和腹部呼吸頻譜信號。
[0046]采用本實施例中提供的檢測裝置對被檢測者I進行檢測的實驗情況如下
[0047]將檢測裝置的柔性力敏傳感器陣列床墊平鋪于市售護理床上，護理床的床體與柔性力敏傳感器陣列床墊之間放置普通床墊7，被檢測者為女性，身高155cm，體重52kg，該實驗的目的是評估在一般軟床環境下，對呼吸暫停信號提取的有效性。在實驗過程中，被檢測者被允許選擇他們的舒適姿勢，模擬呼吸暫停并保持其經常躺下的習慣。根據可見的胸腹部運動情況，整個實驗過程被錄像保存，呼吸事件在錄像中被計次和標注，以便識別。當被檢測者在仰臥姿勢下，呼吸如常，并且不做任何較大的姿勢變化時，開始記錄柔性力敏傳感器陣列產生的信號，米樣率為1Hz。
[0048]對被檢測者進行檢測得到的睡姿壓力圖像進行處理，提取睡姿壓力圖像中的腹部區域睡姿壓力圖像并將其轉化為胸部呼吸時域信號如圖4所示，從圖4可以看出，該信號模糊且成分復雜，被大量噪聲干擾，影響了對呼吸率提取的準確度，需對有用信號提取，信號中的窄帶噪聲是以60Hz(或50Hz)為中心的噪聲，對圖4所示信號進行小波去噪后得到的信號如圖5所示;對圖5所示信號應用離散小波變換(DWT)進行處理，選擇與呼吸信號相似性高的離散小波類型，基于所有細節的相關系數重建呼吸信如圖6所示，消除了由心電信號造成呼吸信號的基準漂移，使呼吸信號的波形顯得更加清晰;對圖6所示信號采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)進行信號處理，提取胸部呼吸時域信號的功率譜，得到胸部呼吸頻譜信號如圖7所示，從圖7中可以看出，實驗者的呼吸頻率出現現在0.36Hz處，并準確判斷出呼吸率約為22次/min。
[0049]被檢測者胸腹部呼吸頻譜信號如圖8所示(其中曲線O為胸部呼吸信號，曲線I為腹部呼吸信號)，可以很清楚地反映出測試者的呼吸強度和呼吸變化情況。圖8(a)為正常呼吸狀態下胸腹部呼吸頻譜信號圖，圖8(b)為進行呼吸暫停模擬時的胸腹部呼吸頻譜信號圖，從圖8中可以看出在呼吸暫停前后呼吸努力和呼吸頻率的變化非常突出，呼吸暫停前呼吸均勻、呼吸頻率較小、呼吸努力較小，而經過模擬呼吸暫停的被檢測者的呼吸頻率變快，呼吸努力增強，為后續針對呼吸暫停研究提供了數據支持。
[0050]本發明未述及之處適用于現有技術。。
【主權項】
1.一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，其特征在于所述檢測裝置包括柔性力敏傳感器陣列床墊，上位機和控制器，所述的柔性力敏傳感器陣列床墊由上緩沖層、下緩沖層和安裝在和上、下緩沖層之間的柔性力敏傳感器陣列組成，所述上、下緩沖層采用柔性材料制成，所述柔性力敏傳感器陣列從上到下依次包括上電極層，中間層和下電極層，上電極層和下電極層均為均布平行電極的柔性電路板，上電極層的N條平行電極與下電極層的M條平行電極空間垂直相交，所述上、下電極層的平行電極分別與控制器連接； 所述控制器包括直流電源及數據采集裝置、數據處理裝置和數據傳輸裝置，所述直流電源的兩極分別與上電極層的平行電極和下電極層的平行電極相連接，直流電源還與數據處理裝置和數據傳輸裝置相連接并為其供電，所述數據采集裝置分別與上電極層的平行電極和下電極層的平行電極相連接，所述數據處理模塊與數據采集模塊相連接，所述數據傳輸裝置與數據采集裝置相連接;所述上位機與控制器的數據傳輸裝置相連接。2.如權利要求1所述的一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，其特征在于所述數據傳輸裝置包括USB模塊與藍牙模塊。3.如權利要求1所述的所述的一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，其特征在于在柔性力敏傳感器陣列床墊中還安裝光纖光柵溫度傳感器，用于監測睡眠者體溫變化與分布O4.如權利要求1?4任一所述的一種基于柔性力敏傳感器的睡眠呼吸檢測裝置，其特征在于數據采集裝置用于采集上、下電極層的平行電極之間電壓變化的模擬信號，數據處理裝置將采集到的模擬信號轉化為NXM的數字信號矩陣并經過數據傳輸裝置傳輸到上位機，上位機傳輸來的數字信號矩陣并將其轉化為睡姿壓力圖像，并對睡姿壓力圖像進行處理提取睡眠呼吸信號數據，所述上位機對數字信號矩陣的具體處理方法包括以下步驟: 1)將從控制器傳輸來的數字信號矩陣轉化為睡姿壓力圖像 2)提取睡姿壓力圖像中胸部區域睡姿壓力圖像與腹部區域睡姿壓力圖像， 2)將胸部區域睡姿壓力圖像與腹部區域睡姿壓力圖像分別轉化為胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號 3)對胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別進行小波去噪，消除信號中窄帶噪聲， 4)對經過步驟3)處理的胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別應用離散小波變換(DWT)進行處理，選擇與呼吸信號相似性高的離散小波類型，基于所有細節的相關系數重建胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號，并消除寬帶噪聲造成呼吸信號的基準漂移； 5)采用快速傅里葉變換(FastFourier Transform，FFT)對經過步驟4)處理的胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號分別進行處理，分別提取胸部呼吸時域信號和腹部呼吸時域信號的功率譜，得到胸部呼吸頻譜信號和腹部呼吸頻譜信號。
【文檔編號】A61B5/08GK105997088SQ201610455050
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月19日
【發明人】郭士杰, 劉秀麗, 任志斌, 任東城, 劉佳斌, 郭志紅, 張改萍, 李洋, 劉今越
【申請人】河北工業大學