远程儿童睡眠监测设备的制作方法

1.本实用新型涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种远程儿童睡眠监测设备。


背景技术：

2.人的一生中有三分之一的时间在睡眠中度过，儿童由于处于身体的发育期而需要更长的睡眠时间，睡眠质量对学习、记忆、脑功能、免疫力有着重要的影响，睡眠不佳会导致儿童创造力、记忆力、注意力和运动能力受损并出现易怒、多动、日间嗜睡等情感和行为问题。因此，良好的睡眠是儿童健康成长的前提，然而，由于儿童的表达能力和健康意识尚不完善，睡眠问题很容易被家长忽视而无法得到及时的治疗。常见的睡眠问题包括睡眠不安、打鼾、张口呼吸、呼吸暂停等，轻者会影响儿童发育，重者会造成儿童睡眠时突然死亡。目前，多导睡眠监测(polysomnography，psg)是诊断睡眠障碍的金标准方法，psg 需在专业的睡眠监测病房中进行，医生将心电、肌电、脑电、眼电、气流、胸腹运动、腿动等多个传感器通过有线连接的方式安放在患者身体的特定位置，并进行整晚的信号采集，但psg用于儿童睡眠诊断面临着两类问题。首先是成本过高，由于医院的床位和医生资源有限，psg的收费较高，另外，儿童往往需要监护人的陪同，对于家长的时间成本也较高。其次，患者易受医院环境和复杂的psg设备的干扰而无法入睡，且一晚的psg信号所提供的信息不够全面。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本实用新型的目的在于提出一种远程儿童睡眠监测设备，该设备体积小、功耗低，可供家长或医生远程监测儿童在家睡眠情况，并自动化分析睡眠质量。
5.为达到上述目的，本实用新型提出了一种远程儿童睡眠监测设备，包括：柔性传感器条带、主机和主机底座；
6.所述柔性传感器条带固定在儿童身体的监测部位，包括多个传感器，用于采集多个监测信号；
7.所述主机与所述柔性传感器条带有线连接，用于接收所述柔性传感器条带采集的所述监测信号，并将所述监测信号和主机电量发送到所述主机底座；
8.所述主机底座与所述主机无线连接，用于对所述监测信号和所述主机电量进行异常信号判断，根据异常信号类型进行提醒。
9.本实用新型的远程儿童睡眠监测设备，柔性传感器条带可固定在儿童脚趾或脚背外侧，采集血氧饱和度、心率、体温、体动信号，主机负责控制传感器以及与主机底座间的通信。主机底座有接收、处理、上传信号至云端系统以及为主机无线充电和异常提醒的功能，云端系统可对数据进行存储、大数据分析和个性化睡眠质量评估，并将结果发送到与设备绑定的移动终端上进行显示。该设备有体积小、功耗低，结合智能化的云端系统，适合家长和医生对儿童进行长期的睡眠质量监测。
10.另外，本实用新型的远程儿童睡眠监测设备还可以具有以下附加的技术特征：
11.可选地，所述柔性传感器条带包括温度传感器、光电容积描记法传感器、运动传感器、电容传感器；
12.所述温度传感器用于采集体温；
13.所述光电容积描记法传感器用于采集心率和血氧饱和度；
14.所述运动传感器用于采集儿童监测部位的空间运动和姿态信息；
15.所述电容传感器用于采集皮肤接触信号。
16.可选地，所述主机底座还用于，根据所述监测信号判断所述主机的佩戴状态，并根据所述佩戴状态调整主机运行状态。
17.可选地，所述柔性传感器条带的电路打印在柔性电路板上。
18.可选地，所述主机上包括微控制器、模拟前端、低功耗蓝牙模块、无线充电模块和可充电电池；
19.微控制器与模拟前端和低功耗蓝牙模块进行通信，所述柔性传感器条带采集的模拟信号经由模拟前端转换为数字信号后传递给微控制器，微控制器将数字信号由低功耗蓝牙模块发送给主机底座；
20.无线充电模块用于通过所述主机底座为所可充电电池充电；
21.所述可充电电池用于为所述主机提供电能。
22.可选地，模拟前端包括led驱动模块、放大器模块、可编程增益放大器模块、模数转换器模块、外部晶振模块、诊断电路模块。
23.可选地，所述监测部位包括儿童脚趾或脚背外侧。
24.可选地，所述主机底座包括微控制器、wifi模块、蓝牙模块、存储单元、提示灯、扬声器和无线充电模块，进一步用于进行声光提醒、本地数据存储、与云端系统通信以及为主机充电。
25.可选地，还包括：云端系统；
26.云端系统与所述主机底座通过wifi模块进行无线通信，接收所述主机底座发送的历史数据与实时数据，用于对数据进行存储、大数据分析和个性化睡眠质量评估，并将结果发送到与设备绑定的移动终端上进行显示。
27.可选地，所述对所述监测信号和所述主机电量进行异常信号判断，根据异常信号类型进行提醒，包括：
28.判断体温是否高于正常范围，判断血氧饱和度是否低于正常范围，判断心率是否高于或低于正常范围、主机电量是否低于预设阈值，存在异常时，通过灯光或声音进行提醒。
29.本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
30.本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
31.图1为根据本实用新型一个实施例的远程儿童睡眠监测设备结构示意图；
32.图2为根据本实用新型一个实施例的主机和柔性传感器条带的电路示意图；
33.图3为根据本实用新型一个实施例的主机底座的电路示意图；
34.图4为根据本实用新型一个实施例的远程监测系统流程图。
35.附图标记：柔性传感器条带-1、主机-2、主机底座-3、传感器-4、提示灯和扬声器-5、主机无线充电槽-6、电源线-7。
具体实施方式
36.下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
37.下面参照附图描述根据本实用新型实施例提出的远程儿童睡眠监测设备。
38.图1为根据本实用新型一个实施例的远程儿童睡眠监测设备结构示意图。
39.如图1所示，该远程儿童睡眠监测设备10包括：柔性传感器条带1、主机2和主机底座3。
40.柔性传感器条带1固定在儿童身体的监测部位，包括多个传感器4，用于采集多个监测信号。
41.主机2与柔性传感器条带1有线连接，用于接收柔性传感器条带1采集的监测信号，并将监测信号和主机电量发送到主机底座3。
42.主机底座3与主机2无线连接，用于对监测信号和主机电量进行异常信号判断，根据异常信号类型进行提醒。
43.柔性传感器条带1上安装有温度传感器、光电容积描记法(ppg)传感器、运动传感器、电容传感器。温度传感器用于采集体温；光电容积描记法传感器用于采集心率和血氧饱和度；运动传感器用于采集儿童监测部位的空间运动和姿态信息；电容传感器用于采集皮肤接触信号。
44.其中，温度传感器选择负温度系数(ntc)热敏电阻，因为其具有体积小、稳定性好及温度系数较大。ntc热敏电阻的阻值与温度关系可由以下公式得到,其中r
t
、分别是热力学温度t、t0时的电阻，b是ntc热敏电阻的材料常数：
[0045][0046]
ppg传感器由发射器和接收器两部分组成，分别位于设备所覆盖的测量区域的两侧，传感信号由发射器发射，穿透过测量区域后由接收器接收。发射器包含一对可发射660nm红光和940nm红外光的发光二极管(led)，接收器为光电二极管，将接收到的透射光转为微弱的电流信号。根据朗伯-比尔定律，可由ppg信号计算得到血氧饱和度、心率等信息，用于儿童健康状况和睡眠质量的评估。朗伯-比尔定律可由以下公式表达，其中i0为单色光的强度，i为通过测量区域后的透射光强度，c为测量区域介质的浓度，d为测量区域厚度，k 为光被吸收的比例系数：
[0047][0048]
运动传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计，可获取儿童脚部空间运动
和姿态信息并根据信号变化的特征判断睡眠状态。
[0049]
电容传感器与皮肤接触时或不接触时有不同的电容值，根据电容值的大小辅助判断主机的佩戴状态，并根据佩戴状态调整主机运行状态以降低功耗。
[0050]
柔性传感器条带的电路打印在柔性电路板上，柔性的特点使传感器条带可与儿童的脚趾或脚背外侧紧密贴合，提高传感器采集的准确度。
[0051]
可选地，如图2所示，柔性传感器条带与主机有线连接，主机上装有微控制器(mcu)、模拟前端(afe)、低功耗蓝牙模块(ble)、无线充电模块、可充电电池。
[0052]
微控制器与模拟前端和低功耗蓝牙模块进行通信，柔性传感器条带采集的模拟信号经由模拟前端转换为数字信号后传递给微控制器，微控制器将数字信号由低功耗蓝牙模块发送给主机底座。无线充电模块用于通过主机底座为所可充电电池充电。可充电电池用于为主机提供电能。
[0053]
模拟前端包括led驱动模块、放大器模块、可编程增益放大器模块、模数转换器模块、外部晶振模块、诊断电路模块。采用afe进行信号采集和初步处理使得电路设计简单、缩小设备体积、降低功耗。
[0054]
主机2和柔性传感器条带1的外壳由无毒且对皮肤无刺激的柔性硅胶材质制成，可长时间固定在儿童的脚趾或脚背外侧而不会令儿童产生不适。主机2通过蓝牙将传感器采集的信号和主机电量等工作信息发给主机底座3。
[0055]
可选地，如图3所示，主机底座3包括微控制器、wifi模块、蓝牙模块、存储单元、提示灯、扬声器和无线充电模块，主要功能包括声光提醒、本地数据存储、与云端通信、为主机充电。
[0056]
具体地，主机底座3内的无线充电模块，可对主机2进行无线充电。主机底座3通过有线方式供电，负责声光提醒、通信、为主机充电。
[0057]
可选地，对监测信号和主机电量进行异常信号判断，根据异常信号类型进行提醒，包括：
[0058]
判断体温是否高于正常范围，判断血氧饱和度是否低于正常范围，判断心率是否高于或低于正常范围、主机电量是否低于预设阈值，存在异常时，通过灯光或声音进行提醒。
[0059]
可选地，主机底座3还用于，根据电容传感器采集的皮肤接触信号判断主机的佩戴状态，并根据佩戴状态调整主机运行状态。
[0060]
具体而言，当主机底座与蓝牙模块接收来自主机的信号后，主机底座首先对信号进行简单的判断，包括但不限于，当体温高于正常范围、血氧饱和度低于正常范围、心率高于或低于正常范围、电量低于限定值时进行灯光或声音提醒。同时，为了降低功耗，主机底座可通过信号判断主机是否佩戴在儿童身上，如电容传感器测量值、体温、心率、血氧饱和度低于某一阈值时，主机底座判断主机未佩戴在儿童身上而停止电容传感器以外的信号采集，使主机进入待机模式。
[0061]
可选地，远程儿童睡眠监测设备还包括：云端系统，云端系统与主机底座通过wifi模块进行无线通信，接收主机底座发送的历史数据与实时数据，用于对数据进行存储、大数据分析和个性化睡眠质量评估，并将结果发送到与设备绑定的移动终端上进行显示。
[0062]
主机底座有数据存储功能，可对主机发送的信号进行本地存储，防止因无网络连
接导致数据丢失。当主机底座与互联网联通时，主机底座自动通过wifi同步历史数据并上传实时数据到云端。
[0063]
云端系统包括后台和前端两部分。后台部分负责对信号进行可视化处理和自动化分析，包括但不限于基础的统计学分析以及基于人工智能算法和大数据分析的睡眠阶段划分、睡眠呼吸暂停识别、睡眠质量评估、健康风险预警等。
[0064]
前端向医生开放，医生可针对具体案例进行人工分析。综合自动分析和人工分析的结果，云端系统为使用者生产个性化睡眠质量分析报告。通过互联网，云端系统将可视化的结果以及睡眠质量报告发送到与监测设备绑定的智能终端的app上，包括但不限于智能手机、智能平板电脑。使用者可在app上查看心率、血氧饱和度、体温、体动的实时数据和历史数据，以及睡眠质量分析报告。
[0065]
下面结合附图4说明本实用新型的远程儿童睡眠监测设备的使用过程。
[0066]
用户首先要在智能终端app上注册账户并将账户与主机绑定，并将主机底座接入wifi。在使用前，用绷带或特质的袜子将柔性传感器条带固定在适合测量的位置并与皮肤紧密贴合。柔性传感器条带的固定区域可选择在脚趾或脚背外侧，并保持ppg传感器的发射器和接收器处于面对面的状态以使信号穿透过脚趾或脚背外侧。主机控制传感器实时采集体温、体动、ppg信号、主机电量信息，并通过蓝牙模块发送到主机底座。
[0067]
主机底座首先对信号进行基础处理以判断主机佩戴状态并识别异常信号。
[0068]
体动信号的处理包括：通过九轴传感器获得人体加速度向量幅值svm和微分加速度幅值的绝对平均值dsvm。其中svm通过计算加速度幅度表征人体运动的剧烈程度，dsvm通过计算svm的微分绝对值的时间平均表征人体运动状态变化的剧烈程度。
[0069]
ppg信号的处理包括：获取红光和红外光强度的交流信号，过滤脉冲值，对过滤后的信号进行快速傅里叶变化(fft)得到心率信息，提取红光和红外光信号中的直流信号进行差值计算得到血氧饱和度信息。
[0070]
体温信号的处理包括：获取adc输出的平均有效值换算成电压值，根据数据表用电压值匹配电阻表，通过电阻表匹配对应温度值。
[0071]
在判断佩戴状态时，设备会通过信号和算法自动判断传感器是否正确佩戴，当传感器未正确佩戴时主机底座会通过提示灯进行提示，并使主机处于待机状态，以降低主机功耗。
[0072]
佩戴识别的具体操作为：默认状态下设备处于待机模式，待机模式下传感器中只有电容传感器持续工作。当电容传感器测量值高于预先设定的阈值时，设备进入工作模式，开启全部传感器。在工作模式下，当电容传感器测量值低于预先设定的阈值时，判断设备为未佩戴待确认状态。将佩戴状态下心率、血氧饱和度、体温的历史平均值与未佩戴待确认状态下心率、血氧饱和度、体温的数值进行比较,当未佩戴待确认状态下获得的数值低于历史平均值时判定设备为未佩戴状态并进入待机模式，当未佩戴待确认状态下获得的数值高于历史平均值时判定设备为佩戴状态。
[0073]
当设备为佩戴状态时，主机控制传感器实时采集体温、体动、血氧饱和度、心率、主机电量信息，并通过蓝牙模块发送到主机底座。
[0074]
异常信号识别包括判断体温、血氧饱和度、心率信号是否存在异常以及主机电量是否过低，并通过提示灯和扬声器进行提醒。
[0075]
生理信号异常的判定基于群体平均值和个体平均值。群体平均值基于经验和云端系统大数据统计值得到，与儿童的年龄、性别、身高、体重等参数相关。个体平均值基于个体历史数据得到，与儿童佩戴时的时间、睡眠状态有关。
[0076]
当主机电量较低时，设备将通过主机底座的提示灯进行提醒。用户可通过主机底座上的磁吸式无线充电槽为主机充电。
[0077]
当主机底座与互联网无连接时，主机底座将主机发来的数据保存在本地。当主机底座与互联网正常连接时，主机底座通过wifi自动上传实时和历史数据到云端系统，包括主机电量和传感器采集的信号。云端系统首先对接收到的数据进行基础分析，包括数据可视化、统计分析，可获得数据的趋势图以及平均值等统计信息。另外，利用人工智能算法和大数据分析，云端系统可对数据进行自动化解读，其中人工智能算法以基于神经网络的深度学习方法为主，基于统计规则的传统机器学习方法为辅助验证。
[0078]
具体包括但不限于：
[0079]
基于心率、体动信号，利用对睡眠阶段进行划分，区分觉醒、非快动眼睡眠、快动眼睡眠阶段，计算总睡眠时间和各个阶段占总睡眠的比例。
[0080]
基于心率、血氧饱和度信号，利用人工智能算法和大数据分析识别睡眠呼吸暂停事件，判断儿童睡眠呼吸暂停严重程度。
[0081]
基于年龄、性别、身高、体重以及睡眠时间，利用大数据分析方法，评价睡眠质量。
[0082]
用户可通过智能终端app查看设备采集的实时和历史信号以及云端系统的分析结果，当用户需要人工分析时，用户将云端数据共享给指定的医生，医生可在云端系统后台查看用户数据，并提供更有针对性的意见。
[0083]
本实用新型的远程儿童睡眠监测设备，柔性传感器条带可固定在儿童脚趾或脚背外侧，采集血氧饱和度、心率、体温、体动信号，主机负责控制传感器以及与主机底座间的通信。主机底座有接收、处理、上传信号至云端系统以及为主机无线充电和异常提醒的功能，云端系统可对数据进行存储、大数据分析和个性化睡眠质量评估，并将结果发送到与设备绑定的移动终端上进行显示。该设备有体积小、功耗低，结合智能化的云端系统，适合家长和医生对儿童进行长期的睡眠质量监测。
[0084]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0085]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0086]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围
内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。