新型多參數睡眠監測頭帶的研制

嚴博文，吳寶明＊，高丹丹，陸彥邑，吳若愚

新型多參數睡眠監測頭帶的研制

嚴博文，吳寶明＊，高丹丹，陸彥邑，吳若愚

（第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所，重慶，400042）

目的：研制一款新型的多參數睡眠監測頭帶。方法：基于體表腦電﹑反射式血氧飽和度﹑紅外體溫﹑三維加速度等感知技術和藍牙通訊技術，結合微型﹑低功耗設計，研制多參數睡眠監測頭帶。結果：研制出了一款能同步監測人體腦電﹑血氧飽和度﹑體溫和活動及姿態的新型多參數睡眠監測頭帶。結論：該頭帶集多種參數采集于一體，使用方便，佩戴舒適，可用于家庭環境睡眠監測和構建遠程睡眠監護系統，也可用于旅游﹑科研﹑體育﹑健康管理和戰時傷員救護等領域。

可穿戴式；睡眠監測；腦電；血氧飽和度

引言

睡眠障礙性疾病是嚴重危害人類健康的高發疾病，它不僅影響人的工作﹑學習，長時間以后將引起人體器官的障礙，導致內分泌失調﹑記憶力減退﹑抑郁焦慮和高血壓﹑中風﹑糖尿病﹑老年癡呆等疾病的發生[1]。

多導睡眠圖（PSG）是睡眠障礙疾病診斷的金標準，它能準確的區分各類睡眠障礙疾病，但該技術存在諸多問題，只有大型醫院才能開展，導致我國睡眠障礙疾病的知曉率﹑檢出率低。因此，迫切需要研究開發適合家庭的睡眠監測技術和設備。近年來國內外已研究開發出一些便攜﹑小型的睡眠監測設備[2-5]，但在兼具專業性﹑準確性﹑使用方便性和舒適性等方面仍存在諸多問題。為此，最近我們在重慶市科技攻關項目和第三軍醫大學科技成果轉化基金課題支持下，結合穿戴式設計﹑智能手機﹑無線通信﹑云平臺等技術，研究開發出了一套無線遠程睡眠監測系統[6]。本文重點介紹其中的新型多參數睡眠監測頭帶的研制情況。

1 方法

1.1 總體設計

針對目前的睡眠檢測類產品的問題，我們提出研制一種新的穿戴式睡眠監測設備，基于體表腦電﹑反射式血氧飽和度﹑紅外體溫﹑三維加速度等感知技術，結合微型﹑低功耗設計，以頭帶方式，在額部同步監測腦電﹑血氧飽和度﹑活動和體溫多個參數。我們選擇上述4個參數主要基于：首先，腦電是反映睡眠狀態最重要的指標，已廣泛應用于睡眠分期質量評估；其次，血氧飽和度與血液中氧含量直接相關，當出現呼吸暫停事件時人體缺氧，血氧飽和度將明顯下降，已被用于判斷呼吸暫停綜合癥的指標。同時檢測腦電和血氧飽和度，可以實現睡眠分期和呼吸暫停事件的同時辨識。最后，活動和體溫參數可以輔助判斷睡眠時的深淺狀況。此外，為了滿足遠程監測要求，在設備中增加無線通信模塊，利用藍牙將監測到的數據發送到智能手機處理，或進一步發送到遠程睡眠監測中心請求專家分析。整個設備的示意圖如下1所示。

圖1 多參數睡眠監測頭帶示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-parameter sleep monitoring headband

1.2 電路設計

整個睡眠監測頭帶電路主要由腦電﹑脈搏波﹑活動﹑體溫監測電路和主控芯片﹑藍牙傳輸模塊﹑供電電路等組成，如圖2所示。在滿足功能要求的前提下，我們緊緊圍繞微型﹑低功耗﹑低負荷要求開展設計。盡量選用高集成度﹑表貼﹑微功耗傳感器和芯片，PCB采用多層布板，元器件緊湊布局，努力縮小體積和功耗，整體電路板尺寸只有3*3(cm)，整體功耗低至3mW,配合180mah的鋰電池可以運行2天。下面重點介紹腦電﹑血氧﹑體溫﹑姿態監測電路的設計。

1.2.1 腦電監測電路設計

腦電是評價睡眠狀態的金標準，也是專業睡眠PSG監測設備中最重要的參數。近年來隨著穿戴式監測技術進步，已有學者研究出了基于少通道﹑單通道腦電監測分析睡眠狀態的方法[7-8]。我們在前額FP1和FP2記錄腦電信號，使用前端集成生物電采集芯片BMD101（如下圖3所示）進行腦電信號的調理以及數字化。BMD101是神念公司的一款專業芯片，用于腦電﹑心電等生物電的放大﹑調理﹑采集，具有放大﹑調理﹑采集一體化，尺寸小﹑功耗低，直接輸出數字信號的突出優點。

圖2 頭帶電路示意圖Fig2 Schematic diagram of headband circuit

圖3 腦電采集電路原理圖Fig3. Diagram of EEG acquiring circuit

1.2.2 血氧監測電路設計

血氧飽和度是表征阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥出現的重要指標，當出現呼吸暫停的時候，人體的血氧飽和度會快速的下降，通過監測血氧飽和度可以及時發現呼吸暫停，以采取有效的措施。我們采用反射式血氧飽和度檢測原理，在額部監測血氧飽和度[9]。其中，采用光頻轉換器進行光強采集。與傳統脈搏波檢測所使用的模擬放大濾波﹑AD轉換方式不同，光頻轉換芯片，將兩路PPG信號轉換成PWM波，頻率代表光強。這樣既可增加PPG信號的采樣率，同時減少對單片機數字輸入口資源的占用，也有助于減少設備體積，增強抗干擾能力。進一步我們專門設計了雙向交替發光管驅動電路（如下圖4所示）。當Q1﹑Q4導通時，紅光LED導通，發出紅光，當Q2﹑Q3導通時，紅外LED導通，發出紅外光。

1.2.3 體溫監測電路設計

體溫與人體的狀態密切相關，當睡眠狀態發生變化時體溫也會隨之變化，監測人體的體溫有助于睡眠狀態的辨別[10]。為此，我們進一步設計了體溫監測電路，選用高靈敏度﹑微型紅外線測溫傳感器MLX90615感應額部溫度。與傳統接觸式體溫傳感器相比，使用紅外傳感測溫不需要接觸皮膚，使用更簡便，也有利于設備的小型化。體溫監測電路原

理圖如下圖5所示。

圖4 雙向交替LED驅動電路原理圖Fig4 Diagram of alternative LED driving circuit

圖5 體溫監電路原理圖Fig5 Diagram of temperature monitoring circuit

1.2.4 姿態監測電路設計

人體活動﹑姿態對于了解睡眠狀況和睡姿習慣，特別是對體動﹑起夜頻度等具有重要價值。為此，我們進一步增加了姿態監測電路，選用Freescale公司MMA7660FC三維加速度傳感器，通過對重力加速度g在X,Y,Z三軸方向上的分布和運動加速度信號特征進行分析，監測人體的活動和姿態。其中，活動強度取X,Y,Z三軸方向加速度信號的平方根。如圖6所示，當人體站立時，g分布在X軸負方向；仰臥時，g分布在Z軸正方向；俯臥時，g分布在Z負方向；左側臥時，g分布在Y軸負方向；右側臥時，g分布在Y軸正方向。

圖6 加速度監測坐標系統和電路原理圖Fig6 Acceleration monitoring coordinate system and circuit

1.3 軟件設計

睡眠監測頭帶中腦電﹑脈搏﹑體溫﹑活動姿態信號的采集與傳輸由微處理器統一控制。我們選用飛思卡爾公司的Kinetis L15微控制器。該微處理器是一種新型的高性能﹑低功耗芯片，并且具有超低的功耗和最小5x5mm 32 QFN的封裝，非常適合作為智能穿戴設備的主控芯片。整個多參數監測程序的流程如下圖7所示。

圖7 微處理器程序流程圖Fig7 Flow chart of multi-parameter monitoring program

2 實驗驗證

我們重點對設計的腦電﹑PPG和姿態采集電路進行了功能性實驗驗證。

2.1 腦電實驗

腦電實驗測試者佩戴頭帶，分別采集睜眼和閉眼時的腦電波形，記錄時長8秒鐘。采集的腦電信號經放大﹑濾波后進行頻譜分析，結果如下圖8所示。其中，a是睜眼時的腦電，b是對其進行頻譜分析的結果，c是閉眼時的腦電，d是對其進行頻譜分析的結果?？梢钥闯?，在閉眼以后，α波（8-13Hz）的密度明顯增加，這是由于閉眼放松后潛意識開始激發，所以α波開始增多。

圖8 睜眼和閉眼的腦電對比圖Fig8 EEG comparison of open and closed eyes

2.2 PPG實驗

PPG實驗測試者佩戴頭帶，交替采集紅光和紅外光照射時的PPG波形，獲得波形如下圖9所示。然后根據光子擴散方程以及朗伯比爾定律，推導計算血氧飽和度：

其中，別表示波長λ的光強交流分量及直流分量， As﹑Bs為血氧定標系數。

圖9 紅光和紅外光PPG信號Fig9 PPG signal of red and infrared light

2.3 姿態實驗

姿態實驗測試者佩戴頭帶，依次做出站立﹑俯臥﹑左側臥﹑仰臥﹑右側臥五個狀態，每個動作持續10s，采集加速度值。獲得的XYZ軸的加速度波形如下圖10所示?？梢院芮宄谋鎰e人體所處的姿態。

圖10 不同姿態下XYZ軸加速度波形Fig10 Acceleration waveforms of XYZ axes under different postures

3 結論與討論

睡眠與人體健康狀態和許多疾病的發生密切相關，日常睡眠監測對于睡眠障礙疾病的早期發現與及時治療具有重要的意義。針對現有穿戴式睡眠監測設備存在的不足，本文研制出了一種新型的多參數睡眠監測設備，在一根頭帶上就實現了腦電﹑血氧﹑體溫和姿態多個參數的監測，進而有望很好解決現有設備無法同時實現睡眠分期和呼吸暫停事件的辨識。此外，新研制的設備還具有使用方便﹑佩戴舒適，支持無線通訊的特點。下一步我們將在現有工作基礎上，重點開展睡眠狀態分期﹑睡眠事件智能分析算法方面的研究。

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[4] 吳鋒, 周玉彬, 成奇明, 等.便攜式睡眠監測系統的研制[J].醫療衛生裝備, 2008, 29(11): 20-22.

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[6] 高丹丹,吳寶明. 一種新型遠程無線睡眠監測治療系統的設計與研發[J].野戰外科通迅.2015,40(3):3-6.

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[10] Houdas Y, Ring E F J.Human body temperature: its measurement and regulation[M].Springer Science & Business Media, 2013.

Development of A Novel Multi-parameter Sleep Monitoring Headband

Yan Bowen, Wu Baoming*, Gao Dandan, Lu YanYi, Wu Ruoyu
((Daping Hospital and Research Institute of Surgery, The Third Military Medical University, Chongqing 400042)

Objective: To develop a novel multi-parameter sleep monitoring headband.Methods: Based on surface EEG, reflective oximetry, infrared body temperature, three-dimensional acceleration sensing technology and Bluetooth communication technology and combined with miniature and low-power design to develop a multi-parameter sleep monitoring headband.Results: A new type of multi-parameter sleep monitoring headband for simultaneous monitoring of EEG, oxygen saturation, body temperature, activity and posture was developed.Conclusion: This new designed headband can be used for sleep monitoring in home environment and remote sleep monitoring system.It can also be used in tourism, scientific research, sports, health management and wartime ambulance.

wearable; sleep monitor; EEG; PSG

TH789 [Document Code] A

10.11967/2017150208

TH789

A DOI： 10.11967/2017150208

重慶市科技攻關項目（CSTC2011AC5114）和第三軍醫大學科技成果轉化基金項目 (編號：2013XZH08)

嚴博文（1986—），實習研究員，現就職于第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所，主要從事穿戴式醫學儀器﹑遠程醫療睡眠監測方面的研究。

吳寶明（1962—）,研究員，博士生導師，主要從事生物醫學信號檢測處理﹑醫學儀器﹑野戰救護器材裝備和遠程醫療方面的研究。

wbm@vip.163.com.