一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置的制造方法
【专利摘要】一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，包括柔性力敏传感器阵列床垫，上位机和控制器，所述的柔性力敏传感器阵列床垫由上缓冲层、下缓冲层和安装在和上、下缓冲层之间的柔性力敏传感器阵列组成，所述上、下缓冲层采用柔性材料制成，所述柔性力敏传感器阵列从上到下依次包括上电极层，中间层和下电极层，上电极层和下电极层均为均布平行电极的柔性电路板，上电极层的N条平行电极与下电极层的M条平行电极空间垂直相交，所述上、下电极层的平行电极分别与控制器连接；控制器包括直流电源及数据采集装置、数据处理装置和数据传输装置；所述上位机与控制器的数据传输装置相连接。
【专利说明】
一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置
技术领域
[0001]本发明属于医疗和家庭护理智能监测领域的床垫，具体是一种应用于检测睡眠呼吸和心率的大面积床垫。
【背景技术】
[0002]根据流行病学统计显示，患有睡眠呼吸暂停综合征(Sleep Apnea Syndrome，简称SAS)占全世界总人口的2-4 %，其中40岁以上男性的患病率更是高达9 %。它与心血管系统有密切关联，不但诱发心脏病，还是心力衰竭的并发症。临床上，检测睡眠中的呼吸是对睡眠呼吸暂停综合征以及相关心血管疾病进行诊断和预判断的必要手段。但目前所使用的检测方法不但操作复杂、费用昂贵，而且对人束缚性强，无法用于长期监测。而检测方法中最为关键的技术是寻求一种对患者无束缚的检测装置，因此，寻求一种操作简便、费用低廉、对人没有束缚、适合长期监测的睡眠呼吸检测装置一直是医疗器械领域备受关注的前沿课题，它既能维护与改善世界上数亿患者的健康，又能节省巨额医疗费用。
[0003 ] 睡眠呼吸暂停综合征诊断最权威的方法是多导睡眠图检查(Po Iy somnography，简称PSG)。但是，多导睡眠图检查需要在被监测者身上粘贴测量脑电波、眼球运动、心电、腿部运动的各种电极，还需要安装测量呼吸流量、胸腹运动、睡姿、体动、血氧浓度的各种传感器，不仅操作复杂，费用昂贵，而且束缚性强，不宜用于居家或在医院的长期监测，即使在医院也常常造成被监测者由于受到束缚而无法入睡，导致诊断误差。因此，开发一种世界上独特的无束缚睡眠呼吸检测装置成为现有技术中亟待解决的关键问题。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸监测装置。采用基于柔性力敏传感器的呼吸检测装置能够消除接触式监测对使患者带来的心理压迫感和异物不适感;能够满足对患者睡眠呼吸状态的精确检测和实时数据反馈给医生，使得患者得到更好更及时治疗。并为研发医疗呼吸检测装置和家庭睡眠监护系统奠定了技术基础。
[0005]本发明的技术方案是提供一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，其特征在于所述检测装置包括柔性力敏传感器阵列床垫3，上位机4和控制器5，所述的柔性力敏传感器阵列床垫由上缓冲层31、下缓冲层36和安装在和上、下缓冲层之间的柔性力敏传感器阵列组成，所述上、下缓冲层采用柔性材料制成，所述柔性力敏传感器阵列从上到下依次包括上电极层32，中间层34和下电极层35，上电极层和下电极层均为印刷有均布平行电极33的柔性电路板，上电极层的N条平行电极与下电极层的M条平行电极空间垂直相交，所述上、下电极层的平行电极分别与控制器连接；
[0006]所述控制器包括直流电源65及数据采集装置61、数据处理装置62和数据传输装置63，所述直流电源的两极分别与上电极层的平行电极和下电极层的平行电极相连接，直流电源还与数据处理装置和数据传输装置相连接并为其供电，所述数据采集装置分别与上电极层的平行电极和下电极层的平行电极相连接，所述数据处理模块与数据采集模块相连接，所述数据传输装置与数据采集装置相连接;所述上位机与控制器的数据传输装置相连接。
[0007]所述的一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，其特征在于所述数据传输装置包括USB模块631与蓝牙模块632，可以将数字信号矩阵分别采用USB线或蓝牙信号方式传输至上位机。
[0008]所述的一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，其特征在于在柔性力敏传感器阵列床垫3中还安装光纤光栅温度传感器。用于监测睡眠者体温变化与分布。
[0009]所述的一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，其特征在于数据采集装置用于采集上、下电极层的平行电极之间电压变化的模拟信号，数据处理装置将采集到的模拟信号转化为NXM的数字信号矩阵并经过数据传输装置传输到上位机，上位机传输来的数字信号矩阵并将其转化为睡姿压力图像，并对睡姿压力图像进行处理提取睡眠呼吸信号数据，所述上位机的对数字信号矩阵的具体处理方法包括以下步骤:
[0010]I)将从控制器传输来的数字信号矩阵转化为睡姿压力图像
[0011]2)提取睡姿压力图像中胸部区域睡姿压力图像与腹部区域睡姿压力图像，
[0012]2)将胸部区域睡姿压力图像与腹部区域睡姿压力图像分别转化为胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号
[0013]3)对胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别进行小波去噪，消除信号中窄带噪声，
[0014]4)对经过步骤3)处理的胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别应用离散小波变换(DWT)进行处理，选择与呼吸信号相似性高的离散小波类型，基于所有细节的相关系数重建胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号，并消除宽带噪声造成呼吸信号的基准漂移;
[0015]5)采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)对经过步骤4)处理的胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别进行处理，分别提取胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号的功率谱，得到胸部呼吸频谱信号和腹部呼吸频谱信号。
[0016]与现有技术相比，本发明有益效果在于:
[0017]I)采用了无束缚的柔性力敏传感器作为采集呼吸变化的媒介，由上述所述柔性力敏传感器阵列床垫并没有突兀性，对人体不产生不适感，无需任何元器件直接与人接触，厚度较薄，可以像床单一样平铺在床上进行睡眠呼吸监测，检测过程中对睡眠呼吸者没有任何束缚和特殊要求，睡眠呼吸监测者只需自然状态下就可以实现数据的采集，克服了接触式传感器长时间检测容易加重睡眠呼吸监测者心理负担和不舒服性，克服了间接接触型通过检测振动或雷达监测呼吸精度较低和无法识别胸腹运动等缺陷。
[0018]2)呼吸率检测精度高。多导睡眠图检查(Polysomnography，简称PSG)通过在人体的胸部和腹部绑呼吸带传感器，此方法可以很准确地检测胸部和腹部呼吸状况，但是胸腹的呼吸运动会产生较大的基准漂移影响了呼吸信号的提取，从而导致呼吸率检测精度不高以及无法对胸腹的相位关系做出准确判断。本发明设计采用无束缚柔性力敏传感器不会对胸部和腹部产生较大影响，而基准漂移相应地减小，在本发明中的呼吸信号处理系统采用小波降噪和小波变化趋势进一步消除了基准漂移，使得呼吸率的检测精度误差为1-2次/分钟。
[0019]3)安装设置简单。可以把柔性力敏传感器阵列床垫平铺在床上，安装接收装置和数据传送装置通过快速接口的形式，方便了测试者的操作。上位机通过USB接口或蓝牙模块与装置进行快速连接，不影响睡眠者的休息，且上位机可采用工控机、PC机或者手机智能终端，即可用于医院、养老院等机构，又能用于家庭。
[0020]4)本发明提供检测装置的中上位机的信号处理方法为无束缚检测睡眠呼吸者的睡眠呼吸状况，通过对生成的睡姿压力图像转化为时域信号，并经过小波去噪、离线小波变换和快速傅里叶变换。消除了原始信号中的窄带噪声和基准漂移，并提取了呼吸信号，得到了呼吸功率谱，实现了睡眠呼吸状态的准确数据提取，为专业医疗诊断提供了数据支持。
【附图说明】
[0021]图1为本发明一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置的一种实施例的整体结构示意图。
[0022]图2为中本发明一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置的的一种实施例的柔性力敏传感器阵列床垫的结构示意图；
[0023]图3为本发明一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置的的一种实施例的控制器的结构示意图；
[0024]图4为采用本发明一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置的一种实施例进行睡眠检测时得到的胸部睡姿时域信号图；
[0025]图5为对图4所示胸部睡姿时域信号经过小波降噪处理后得到的信号图；
[0026]图6为对图5所示信号进行应用离散小波变换(DWT)进行处理后得到的信号图，
[0027]图7为对图6所示信号提取功率谱后得到胸部呼吸频谱信号图。
[0028]图8为采用本发明一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置的一种实施例进行睡眠检测时胸腹呼吸运动下胸腹呼吸相位关系图，(a)为正常呼吸状态下的胸腹部呼吸频谱信号图；(b)为呼吸暂停状态下的胸腹部呼吸频谱信号图。
[0029]图中，1、被检测者，3、柔性力敏传感器阵列床垫，4、上位机，5、控制器，6、床垫;31、上缓冲层，32、上电极层，33、电极，34、中间层，35、下电极层，36下缓冲层，37、导线;64、直流电源，61、数据采集装置，62、数据处理装置，63、数据传输装置，631、USB模块，632、蓝牙模块。
【具体实施方式】
[0030]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]本发明提供的基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置(以下简称检测装置)，其特征在于所述检测装置包括柔性力敏传感器阵列床垫3，上位机4和控制器5，所述的柔性力敏传感器阵列床垫由上缓冲层31、下缓冲层36和安装在和上、下缓冲层之间的柔性力敏传感器阵列组成，所述上、下缓冲层采用柔性材料制成，所述柔性力敏传感器阵列从上到下依次包括上电极层32，中间层34和下电极层35，上电极层和下电极层均为印刷有均布平行电极33的柔性电路板，上电极层的N条平行电极与下电极层的M条平行电极空间垂直相交，所述上、下电极层的平行电极分别通过导线37与控制器连接；
[0032]所述控制器包括直流电源64及数据采集装置61、数据处理装置62和数据传输装置63，所述直流电源的两极分别与上电极层的平行电极和下电极层的平行电极相连接，直流电源还与数据处理装置和数据传输装置相连接并为其供电，所述数据采集装置分别与上电极层的平行电极和下电极层的平行电极相连接，所述数据处理模块与数据采集模块相连接，所述数据传输装置与数据采集装置相连接；
[0033]所述上位机与控制器的数据传输装置相连接。
[0034]数据采集装置用于采集上、下电极层的平行电极之间电压变化的模拟信号，数据处理装置将采集到的模拟信号转化为NXM的数字信号矩阵并经过数据传输装置传输到上位机，上位机传输来的数字信号矩阵并将其转化为睡姿压力图像，并对睡姿压力图像进行处理提取睡眠呼吸信号数据。
[0035]实施例
[0036]本实施例中N= M = 64，，信号采集频率为1Hz，在柔性力敏传感器阵列床垫3中还安装光纤光栅温度传感器，用于监测睡眠者体温变化与分布。
[0037]所述数据传输装置包括USB模块631与蓝牙模块632，可以将数字信号矩阵分别采用USB线或蓝牙信号方式传输至上位机。
[0038]本实施例中提供的检测装置的整体结构示意图如图1所示，柔性力敏传感器阵列床垫的结构示意图如图2所示，控制器的结构示意图如图3所示。
[0039]所述上位机对数字信号矩阵的具体处理方法包括以下步骤
[0040]I)将从控制器传输来的数字信号矩阵转化为睡姿压力图像
[0041]2)提取睡姿压力图像中胸部区域睡姿压力图像与腹部区域睡姿压力图像，
[0042]2)将胸部区域睡姿压力图像与腹部区域睡姿压力图像分别转化为胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号
[0043]3)对胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别进行小波去噪，消除信号中窄带噪声，
[0044]4)对经过步骤3)处理的胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别应用离散小波变换(DWT)进行处理，选择与呼吸信号相似性高的离散小波类型，基于所有细节的相关系数重建胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号，并消除宽带噪声造成呼吸信号的基准漂移;
[0045]5)采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)对经过步骤4)处理的胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别进行处理，分别提取胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号的功率谱，得到胸部呼吸频谱信号和腹部呼吸频谱信号。
[0046]采用本实施例中提供的检测装置对被检测者I进行检测的实验情况如下
[0047]将检测装置的柔性力敏传感器阵列床垫平铺于市售护理床上，护理床的床体与柔性力敏传感器阵列床垫之间放置普通床垫7，被检测者为女性，身高155cm，体重52kg，该实验的目的是评估在一般软床环境下，对呼吸暂停信号提取的有效性。在实验过程中，被检测者被允许选择他们的舒适姿势，模拟呼吸暂停并保持其经常躺下的习惯。根据可见的胸腹部运动情况，整个实验过程被录像保存，呼吸事件在录像中被计次和标注，以便识别。当被检测者在仰卧姿势下，呼吸如常，并且不做任何较大的姿势变化时，开始记录柔性力敏传感器阵列产生的信号，米样率为1Hz。
[0048]对被检测者进行检测得到的睡姿压力图像进行处理，提取睡姿压力图像中的腹部区域睡姿压力图像并将其转化为胸部呼吸时域信号如图4所示，从图4可以看出，该信号模糊且成分复杂，被大量噪声干扰，影响了对呼吸率提取的准确度，需对有用信号提取，信号中的窄带噪声是以60Hz(或50Hz)为中心的噪声，对图4所示信号进行小波去噪后得到的信号如图5所示;对图5所示信号应用离散小波变换(DWT)进行处理，选择与呼吸信号相似性高的离散小波类型，基于所有细节的相关系数重建呼吸信如图6所示，消除了由心电信号造成呼吸信号的基准漂移，使呼吸信号的波形显得更加清晰;对图6所示信号采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)进行信号处理，提取胸部呼吸时域信号的功率谱，得到胸部呼吸频谱信号如图7所示，从图7中可以看出，实验者的呼吸频率出现现在0.36Hz处，并准确判断出呼吸率约为22次/min。
[0049]被检测者胸腹部呼吸频谱信号如图8所示(其中曲线O为胸部呼吸信号，曲线I为腹部呼吸信号)，可以很清楚地反映出测试者的呼吸强度和呼吸变化情况。图8(a)为正常呼吸状态下胸腹部呼吸频谱信号图，图8(b)为进行呼吸暂停模拟时的胸腹部呼吸频谱信号图，从图8中可以看出在呼吸暂停前后呼吸努力和呼吸频率的变化非常突出，呼吸暂停前呼吸均匀、呼吸频率较小、呼吸努力较小，而经过模拟呼吸暂停的被检测者的呼吸频率变快，呼吸努力增强，为后续针对呼吸暂停研究提供了数据支持。
[0050]本发明未述及之处适用于现有技术。。
【主权项】
1.一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，其特征在于所述检测装置包括柔性力敏传感器阵列床垫，上位机和控制器，所述的柔性力敏传感器阵列床垫由上缓冲层、下缓冲层和安装在和上、下缓冲层之间的柔性力敏传感器阵列组成，所述上、下缓冲层采用柔性材料制成，所述柔性力敏传感器阵列从上到下依次包括上电极层，中间层和下电极层，上电极层和下电极层均为均布平行电极的柔性电路板，上电极层的N条平行电极与下电极层的M条平行电极空间垂直相交，所述上、下电极层的平行电极分别与控制器连接； 所述控制器包括直流电源及数据采集装置、数据处理装置和数据传输装置，所述直流电源的两极分别与上电极层的平行电极和下电极层的平行电极相连接，直流电源还与数据处理装置和数据传输装置相连接并为其供电，所述数据采集装置分别与上电极层的平行电极和下电极层的平行电极相连接，所述数据处理模块与数据采集模块相连接，所述数据传输装置与数据采集装置相连接;所述上位机与控制器的数据传输装置相连接。2.如权利要求1所述的一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，其特征在于所述数据传输装置包括USB模块与蓝牙模块。3.如权利要求1所述的所述的一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，其特征在于在柔性力敏传感器阵列床垫中还安装光纤光栅温度传感器，用于监测睡眠者体温变化与分布O4.如权利要求1?4任一所述的一种基于柔性力敏传感器的睡眠呼吸检测装置，其特征在于数据采集装置用于采集上、下电极层的平行电极之间电压变化的模拟信号，数据处理装置将采集到的模拟信号转化为NXM的数字信号矩阵并经过数据传输装置传输到上位机，上位机传输来的数字信号矩阵并将其转化为睡姿压力图像，并对睡姿压力图像进行处理提取睡眠呼吸信号数据，所述上位机对数字信号矩阵的具体处理方法包括以下步骤: 1)将从控制器传输来的数字信号矩阵转化为睡姿压力图像 2)提取睡姿压力图像中胸部区域睡姿压力图像与腹部区域睡姿压力图像， 2)将胸部区域睡姿压力图像与腹部区域睡姿压力图像分别转化为胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号 3)对胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别进行小波去噪，消除信号中窄带噪声， 4)对经过步骤3)处理的胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别应用离散小波变换(DWT)进行处理，选择与呼吸信号相似性高的离散小波类型，基于所有细节的相关系数重建胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号，并消除宽带噪声造成呼吸信号的基准漂移； 5)采用快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)对经过步骤4)处理的胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号分别进行处理，分别提取胸部呼吸时域信号和腹部呼吸时域信号的功率谱，得到胸部呼吸频谱信号和腹部呼吸频谱信号。
【文档编号】A61B5/08GK105997088SQ201610455050
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月19日
【发明人】郭士杰, 刘秀丽, 任志斌, 任东城, 刘佳斌, 郭志红, 张改萍, 李洋, 刘今越
【申请人】河北工业大学