睡眠及呼吸检测方法、装置制造方法

睡眠及呼吸检测方法、装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种睡眠及呼吸检测方法、装置。其中该装置将RLD电极合并到采集ECG的RA，LA电极上，将呼吸采集需要的高频的差分信号调制到RA，LA电极上，通过复用电极，用最少的电极同时获取人体呼吸和心电信号。本发明能够以较少的电极数量同时实现ECG信号和呼吸信号的采集，改善装置的易用性，提高用户使用体验。
【专利说明】睡眠及呼吸检测方法、装置【技术领域】
[0001]本发明涉及生理传感器【技术领域】，具体涉及一种睡眠及呼吸检测方法、装置。
【背景技术】
[0002]随着移动通信、体感网，传感器等高新技术的发展，移动健康这一【技术领域】越来越显示出广阔的市场前景。在移动健康应用中，用户通过可佩带的各种生理传感器自动采集如血压、血氧、心率等人体的生理信号，并通过短距离无线通信传送到用户的手机；用户手机对于接收到的人体生理信号进行分析处理，或者也可进一步把数据通过3G无线网络传输到远程的健康医疗服务商的数据中心(服务器)；实现利用手机客户端或远程健康医疗服务器进行对用户活动以及身体健康状态的判定，并将结果发送到专业医疗机构(如:医院)以及用户的亲属。
[0003]2007年，中国卫生部发布的健康信息报显示，中国大约有3亿人失眠，潜在的睡眠呼吸综合症(SAS)患者约有5千万，且就诊率不到1%。每夜7小时睡眠中呼吸暂停30次以上或每小时呼吸暂停5次以上就可认定为是睡眠呼吸综合症，并会导致或者加剧高血压、中风、阻塞性心脏衰竭；失眠多梦以及白天嗜睡，专注度、认知能力下降；情绪不稳、暴躁易怒，间接导致精神疾病。
[0004]对睡眠和呼吸情况进行监护，能有效地监测和控制疾病的发展，但是大部分人对睡眠问题的不重视；医院睡眠监测资源(床位)有限，经常一床难求；睡眠环境变化引入诸多其它干扰，这些问题都使得睡眠和呼吸障碍就诊率低。
[0005]因此，在舒适的家庭进行自我睡眠监测的需求很强，但现有睡眠设备主要集中于医院，价格昂贵且使用不便。因此，研制价格低廉，功能可靠且小型化，适用于家用的睡眠呼吸设备非常有必要。
[0006]日本百利达(TANITA)上市了垫子状的睡眠监测器“Sle印Scan”，为铺在床垫及被褥下面使用。测量的体征数据为睡眠中的呼吸、脉搏及身体动作。垫子采用紧贴着多根管子的构造，管子里充满着水。其工作原理是，管子里的水将睡眠中的呼吸和脉搏引起的微弱振动以及体动捕捉下来并传给压力传感器。将传感器传送出的呼吸、脉搏以及体动的混合信息，以信号处理电路加以分解，将信息分成呼吸、脉搏及体动三种数据输出。输出的数据保存在SD卡中，使用电脑专用软件来分析。
[0007]Actigraph公司推出的ActiSleep睡眠监控解决方案，以及FitBit、Lark等睡眠监测类健康产品，通过腕带式加速度计监测人体睡眠期间的活动信息，从而进一步分析睡眠状态。可以用来筛选潜在的睡眠障碍，以及评估治疗的价值。优点:设备简单，成本低，采集方式对睡眠的影响小，缺点:只能区分醒/睡，不能区分REM/NREM，也不能分析呼吸暂停情况。
[0008]康泰医学系统公司采用监测鼻气流和血氧的方式进行睡眠呼吸监测。根据鼻气流的幅值以及血氧浓度的变化判断是否出现呼吸暂停或低通气。优点是直接利用呼吸信号分析呼吸事件，缺点是采集过程不舒适。[0009]Zeo的睡眠监测产品利用头带等在脑部加载电极获得脑电波，能够分析深睡/浅睡/醒的睡眠基本结构，虽然准确率高，但佩戴不太方便。
[0010]Human Record的睡眠监测产品利用心率带监测深睡/浅睡/醒的睡眠基本结构，虽然能够监测ECG，但是无法同时监测呼吸信号，不能分析呼吸暂停情况。
[0011]现有技术不具备只通过2个电极就同时实现呼吸和心电数据的同步采集，大都需要用不同方式进行采集，用户需要佩戴多个导联线或者吸气管，用户体验较差，夜间易脱落，使用不方便。
[0012]现有的采用心律带式ECG采集方式虽然佩戴方便，便携，但每个人的皮肤干燥程度不同，接触阻抗不同，导致便携式睡眠检测设备采集的ECG信号大小不同，易造成误判，必须有自动增益控制。单一通过信号幅度的反馈调整增益是不准确的，睡觉时的身体活动会干扰信号幅度，造成自适应增益控制的错误，例如，在睡眠中无意识的翻身都会使采集的ECG信号有大幅 度的干扰，而这种伪迹干扰在静止之后就会消失，如果仅凭信号的大小来降低增益控制，势必会使增益控制出现错误，使正常的ECG信号过小，信号质量过差，影响分析结果。

【发明内容】

[0013]有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种睡眠及呼吸检测方法、装置，能够以较少的电极数量同时实现ECG信号和呼吸信号的采集，改善装置的易用性，提高用户使用体验。
[0014]为解决上述技术问题，本发明提供方案如下:
[0015]一种睡眠及呼吸检测方法，该方法包括:
[0016]米集获得受试者的心电ECG的模拟电信号和呼吸信号的模拟电信号；
[0017]监测受试者的姿态变化并获得受试者的运动加速度数据；
[0018]对ECG和呼吸的模拟电信号进行低噪声放大处理并转化为数字信号的ECG信号和呼吸信号；
[0019]对数字信号的ECG信号、呼吸信号以及运动加速度数据进行分析预处理和特征提取，获得并保存睡眠和呼吸数据；
[0020]其中，所述低噪声放大处理包括:
[0021]根据数字信号的ECG信号，计算信号质量指数和信号强度指数；
[0022]根据所述运动加速度数据，计算受试者的运动指数；
[0023]根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，计算用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号，并根据所述反馈信号进行所述低噪声放大处理以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
[0024]优选地，上述方法中，所述根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，计算用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号，并根据所述反馈信号进行所述低噪声放大处理以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值，具体包括:
[0025]设置增益控制的状态机初始处于等待状态，并在运动指数指示受试者处于活动状态时，控制状态机保持等待状态；[0026]在运动指数指示受试者处于静止状态时:若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数小于其最大值的(k-2)/k，则控制状态机进入增加增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长增加增益；若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数大于其最大值的(k_l)/k，则控制状态机进入降低增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长降低增益；在信号质量指数优于预设阈值T时，控制状态机进入锁定状态，指示心电呼吸采集模块保持当前增益不变；
[0027]当RSSI大于其最大值的(k-2) /k,且小于其最大值的(k-1) /k时，若SQI小于阈值T，则控制状态机进入等待状态，不再进行增益修改；
[0028]当RSSI的值大于其历史记录值，控制状态机从锁定状态中跳出，更新RSSI的最大值，然后进入初始等待状态，重新进行增益调整，直到锁定状态，
[0029]其中，k为预先设置的判决系数。
[0030]优选地，上述方法中，所述采集获得受试者的心电ECG的模拟电信号和呼吸信号的模拟电信号，包括:
[0031]将ECG采集的右腿驱动RLD电极合并到心电ECG采集的RA电极和LA电极上，以及将呼吸测量电极复用到ECG采集的RA电极和LA电极上；
[0032]获得RA电极和LA电极上采集到的受试者的ECG信号并进行低通滤波，输出ECG的模拟电信号，对RA电极和LA电极上采集到的呼吸信号进行低通滤波，输出呼吸信号的模拟电信号。 [0033]优选地,上述方法中，还包括:
[0034]通过无线方式发送获得的睡眠和呼吸数据；以及，
[0035]在满足预设条件时休眠所述无线通信模块。
[0036]本发明实施例还提供了一种睡眠及呼吸检测装置，括:
[0037]电极合并模块，用于仅通过右肢RA电极和左肢LA电极采集受试者的心电ECG信号，并将右腿驱动RLD电极合并到ECG采集的RA电极和LA电极上，以抑制RA信号和LA信号的共模干扰；
[0038]ECG处理模块，用于对RA电极和LA电极上采集到的ECG信号进行低通滤波，输出ECG的模拟电信号；
[0039]呼吸处理模块，用于将呼吸测量电极复用到ECG采集的RA电极和LA电极上，并对RA电极和LA电极上采集到的呼吸信号进行低通滤波，输出呼吸信号的模拟电信号；
[0040]心电呼吸采集模块，用于根据接收到的反馈信号，对ECG和呼吸的模拟电信号进行低噪声放大并转化为数字信号的ECG信号和呼吸信号后输出；
[0041]运动检测模块，用于监测受试者的姿态变化并输出运动加速度数据；
[0042]处理器，用于对数字信号的ECG信号、呼吸信号以及运动加速度数据进行分析预处理和特征提取，获得并保存睡眠和呼吸数据；以及，根据数字信号的ECG信号，计算信号质量指数和信号强度指数；根据所述运动加速度数据，计算受试者的运动指数；根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，计算用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号并向所述心电呼吸采集模块反馈，以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
[0043]优选地,上述装置中，还包括:[0044]无线通信模块，用于通过无线方式发送处理器获取的睡眠和呼吸数据；
[0045]电源控制模块，用于提供电源管理，在满足预设条件时休眠所述无线通信模块。
[0046]优选地，上述装置中，所述电极合并模块包括:
[0047]RLD电极、低通滤波电路、RA电极和LA电极，其中，
[0048]所述RLD电极连接至一低通滤波电路的输入端，且所述低通滤波电路的输出端通过第一电阻连接至RA电极，通过第二电阻连接至LA电极，其中第一电阻和第二电阻的阻值均为预先获得的人体体表电阻值。
[0049]优选地，上述装置中，所述呼吸处理模块包括:
[0050]两个差分信号输入端，其中，
[0051]—个差分信号输入端通过串联的第一电阻、第一电容和第二电容连接至LA电极，且另设有一第三电容，其一端连接在第一电容和第二电容之间，另一端分别连接至一稳压电路和作为输出的呼吸测量电极IN1N_RESPP ；
[0052]另一差分信号输入端通过串联的第二电阻、第四电容和第五电容连接至RA电极，且另设有一第六电容，其一端连接在第四电容和第五电容之间，另一端分别连接至另一稳压电路和作为输出的呼吸测量电极IN1N_RESPN。
[0053]优选地， 上述装置中，所述处理器包括:
[0054]信号质量计算模块，用于根据心电呼吸采集模块输出的ECG信号，计算信号质量指数；
[0055]信号强度计算模块，用于根据心电呼吸采集模块输出的ECG信号，计算信号强度指数；
[0056]运动状态分类模块，用于根据运动检测模块输出的运动加速度数据，计算受试者的运动指数；
[0057]自动增益控制模块，用于根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，向所述心电呼吸采集模块反馈用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号，以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
[0058]优选地，上述装置中，
[0059]所述自动增益控制模块，具体用于:
[0060]设置增益控制的状态机初始处于等待状态，并在运动指数指示受试者处于活动状态时，控制状态机保持等待状态；
[0061]在运动指数指示受试者处于静止状态时:若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数小于其最大值的(k-2)/k，则控制状态机进入增加增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长增加增益；若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数大于其最大值的(k_l)/k，则控制状态机进入降低增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长降低增益；在信号质量指数优于预设阈值T时，控制状态机进入锁定状态，指示心电呼吸采集模块保持当前增益不变；
[0062]当RSSI大于其最大值的(k-2) /k,且小于其最大值的(k-1) /k时，若SQI小于阈值T，则控制状态机进入等待状态，不再进行增益修改；
[0063]当RSSI的值大于其历史记录值，控制状态机从锁定状态中跳出，更新RSSI的最大值，然后进入初始等待状态，重新进行增益调整，直到锁定状态；[0064]其中，k表示预先设置的判决系数。
[0065]从 以上所述可以看出，本发明实施例提供的睡眠及呼吸检测方法、装置，能够将RLD电极合并到采集ECG的RA，LA电极上，能够将呼吸采集需要的高频的差分信号调制到RA, LA电极上，通过复用电极，用最少的电极同时获取人体呼吸和心电信号，以用于睡眠质量和呼吸暂停的分析，解决了传统采集方式需要导联线较多、使用不方便的问题，具有较好的用户体验，佩戴更舒适。并且，本发明实施例还可以基于信号质量指数和多模态分析的信号自动增益控制处理，自动通过分析信号质量指数，信号强度指数并利用加速度判断人体的活动情况，对信号进行自适应放大，适合各种用户，解决了由于用户皮肤干燥程度不同导致的信号大小不同的问题，相比单一通过信号幅度的反馈调整增益的方法，抗干扰能力强，不受睡眠过程中翻身造成的增益控制干扰，并且在判断无信号后，不再进行增益修改，避免增益控制无法锁定导致采集设备的增益不稳定的问题。
【专利附图】

【附图说明】
[0066]图1为本发明实施例提供的睡眠及呼吸检测装置的结构示意图；
[0067]图2为本发明实施例中电极合并模块的一种电路硬件结构示意图；
[0068]图3为本发明实施例中呼吸处理模块的一部分电路示意图；
[0069]图4为本发明实施例中呼吸处理模块的另一部分电路示意图；
[0070]图5为本发明实施例中处理器的一种模块示意图；
[0071]图6为本发明实施例中自动增益控制的算法状态转移图。
【具体实施方式】
[0072]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
[0073]本发明实施例提供了一种睡眠及呼吸检测装置，能够通过的两个电极同时采集ECG和呼吸信号，并具备存储、分析、无线传输能力，可以用来分析睡眠结构和呼吸暂停情况。
[0074]请参照图1所示的本发明实施例提供的该装置的模块图，具体包括:
[0075]电极合并模块，用于仅通过右肢RA电极和左肢LA电极采集受试者的心电ECG信号，并将右腿驱动RLD电极合并到ECG采集的RA电极和LA电极上，以抑制RA信号和LA信号的共模干扰。
[0076]ECG处理模块，用于对RA电极和LA电极上采集到的ECG信号进行低通滤波，输出ECG的模拟电信号。
[0077]呼吸处理模块，用于将呼吸测量电极复用到ECG采集的RA电极和LA电极上，并对RA电极和LA电极上采集到的呼吸信号进行低通滤波以减少工频和肌电噪声，输出呼吸的模拟电信号。
[0078]心电呼吸采集模块，用于根据接收到的反馈信号，对ECG和呼吸的模拟电信号进行低噪声放大并转化为数字信号的ECG信号和呼吸信号后输出。
[0079]运动检测模块，用于监测受试者的姿态变化并输出运动加速度数据。具体的，可以通过加速度传感器对受试者睡眠过程中的姿态进行监测。[0080]处理器，控制其他各个模块，用于对数字信号的ECG信号、呼吸信号以及运动加速度数据进行分析预处理和特征提取，获得并保存睡眠和呼吸数据；以及，根据数字信号的ECG信号，计算信号质量指数和信号强度指数；根据所述运动加速度数据，计算受试者的运动指数；根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，计算用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号并向所述心电呼吸采集模块反馈，以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
[0081]无线通信模块，用于通过无线方式发送处理器获取的睡眠和呼吸数据。
[0082]电源控制模块，用于提供电源管理，在满足预设条件时休眠所述无线通信模块。
[0083]图1所示的装置还可以包括按键模块，该按键模块与电源控制模块连接。
[0084]从以上结构可以看出，本发明实施例仅仅通过RA和LA两个电极即实现了呼吸信号和ECG信号的同步采集，从而可以减少采集装置所需的电极数量，方便用户佩戴，提高了装置的易用性，改善了用户的使用体验。
[0085]下面再结合附图，对主要模块作进一步的详细说明。
[0086]本发明实施例的电极合并模块具体可以包括:
[0087]RLD电极、低通滤波电路、RA电极和LA电极，其中，所述RLD电极连接至一低通滤波电路的输入端，且所述低通滤波电路的输出端通过第一电阻连接至RA电极，通过第二电阻连接至LA电极，其中第一电阻和第二电阻的阻值均为预先获得的人体体表电阻值。
[0088]图2提供了电极合并模块的一种电路硬件结构，该结构采用了独特的前端电路设计，实现了将ECG采集中必需的右腿驱动RLD (图2中的ECG_RL)电极反馈到RA和LA电极上，可减少电极数量，使佩戴更方便。其中R9和Rl采用高精度的相同阻值的电阻，并选取和人体体表电阻接近的阻值，保证RLD以相同幅度反馈到RA、LA电极(图2中的_RA和_LA)，使对RA、LA的共模抑制效果最佳，并且效果与电极直接连接到人体的效果相同，在减少RLD电极的同时，保证了信号质量和测量精度。电阻R13、R14、电容C15、C16组成一个低通滤波器，对信号中的工频噪声进行滤波，提高信号质量。图2中还标示出了各个电气元件的管脚I和管脚2，图2中电阻R4未连接。图2中还给出了电阻及电容的具体参数的示例，本发明并不局限于此。
[0089]如图3、图4所示，本发明实施例提供的呼吸处理模块的一种具体电路实现，包括:
[0090]两个差分信号输入端(图3中的RESP_M0DP和RESP_M0DN)，用于接收高频的差分信号RESP_M0DP和RESP_M0DN。其中，一个差分信号输入端(图3中的RESP_M0DP)通过串联的第一电阻R37、第一电容C42和第二电容C50连接至LA电极(图3中的ELEC_LA)，且另设有一第三电容Cl，其一端连接在第一电容C42和第二电容C50之间，另一端分别连接至一稳压电路和作为输出的呼吸测量电极IN1N_RESPP。这里，稳压电路包括连接至电源端的两个串联电阻R45和R66，第三电容Cl的另一端连接在两个串联电阻R45和R66之间。另一差分信号输入端(图3中的RESP_M0DN)通过串联的第二电阻R38、第四电容和第五电容连接至RA电极，且另设有一第六电容，其一端连接在第四电容和第五电容之间，另一端分别连接至另一稳压电路和作为输出的呼吸测量电极IN1N_RESPN。图3中还标示出了各个电气元件的管脚I和管脚2，图3中电阻R80和R81均为O欧姆。图3中还给出了电阻及电容的具体参数的示例，本发明并不局限于此。
[0091]图3、4中的电路，能够将高频的差分信号RESP_M0DP和RESP_M0DN调制到RA，LA电极(ELEC_LA、ELEC_RA)上，并通过复用RA、LA电极获取人体呼吸信号。由于人体呼吸运动时，胸壁肌肉交变弛张，胸廓也交替变形引起胸腔容积的变化，由于阻抗变化与容积的变化成正比因而导致胸阻抗变化，这种变化会通过RA、LA电极与高频差分信号RESP_MODP和RESP_MODN进行调制，然后传到呼吸测量电极IN1N_RESPP和IN1N_RESPN上，其中Cl、C50、C42、C58、C60、C59用于滤除信号中的直流分量，R45、R66、R74、R79用于将输出信号稳定在1.6V左右，以方便采集。
[0092]通过以上图示的复用ECG电极的装置，本发明实施例能够有效减少接入人体的电极的数量，符合便携式采集设备的应用需要，使佩戴和采集更方便。同时提供信号质量较好的同步的呼吸、ECG信号，使得设备可以对用户睡眠过程中呼吸暂停、心脏情况进行同步监测。
[0093]如图5所示，本发明实施例提供的处理器的一种模块图，具体包括:
[0094]信号质量计算模块，用于根据心电呼吸采集模块输出的ECG信号，计算信号质量指数；
[0095]信号强度计算模块，用于根据心电呼吸采集模块输出的ECG信号，计算信号强度指数；
[0096]运动状态分类模块，用于根据运动检测模块输出的运动加速度数据，计算受试者的运动指数；
[0097]自动增益控制模块，用于根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，向所述心电呼吸采集 模块反馈用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号，以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
[0098]图5中的自动增益控制模块，具体用于:
[0099]设置增益控制的状态机初始处于等待状态，并在运动指数指示受试者处于活动状态时，控制状态机保持等待状态；
[0100]在运动指数指示受试者处于静止状态时:若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数小于其最大值的(k-2)/k，则控制状态机进入增加增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长增加增益；若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数大于其最大值的(k_l)/k，则控制状态机进入降低增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长降低增益；在信号质量指数优于预设阈值T时，控制状态机进入锁定状态，指示心电呼吸采集模块保持当前增益不变；
[0101]当RSSI大于其最大值的(k_2)/k，且小于其最大值的(k_l)/k时，若SQI小于阈值T，则控制状态机进入等待状态，不再进行增益修改；
[0102]当RSSI的值大于其历史记录值，控制状态机从锁定状态中跳出，更新RSSI的最大值，然后进入初始等待状态，重新进行增益调整，直到锁定状态。
[0103]图5中的自动增益控制模块实现了对ECG信号的自动增益控制。处理器根据心电呼吸采集模块采集的ECG信号，分别计算出信号质量指数SQI和信号强度指数RSSI，同时通过运动检测模块采集的运动加速度信号，计算出人体活动状态的运动指数Movement，然后在自动增益控制模块中计算出需要的增益Gain的大小，反馈给心电呼吸采集模块进行增益控制。
[0104]可以看出，上述结构基于信号质量指数SQ1、信号强度RSSI和人体运动指数Movement综合控制信号增益，利用SQI来衡量信号是否放大到最佳的倍数，以使得信号质量趋于最好；利用Movement判断人体在睡眠中无意识的翻身动作，排除因动作干扰造成的信号增益控制的错误；利用RSSI衡量信号增益是否将信号强度控制在一个合理的范围内，不会因为增益过大而造成信号饱和及信号质量下降，也不会因为增益过小而造成信号幅度太小检测不到，同时信号的增益控制的阈值是根据RSSI的最大值来自适应变化的，大大提高控制算法的环境适应性。
[0105]图6进一步给出了本发明实施例的基于多模态信号的自动增益控制的算法状态转移图。增益控制过程中存在四种状态:等待状态、锁定状态、增加增益状态、降低增益状态。影响增益控制的参数主要有:
[0106]SQ1:信号质量指数，根据信号的某些特征来衡量测量信号质量的好坏的指数。例如，正常的ECG信号的频谱、四阶矩、幅度是分布在一个比较固定的范围内，如果采集到的信号的这些特征超出了正常ECG信号的范围，则可认定采集的信号达不到正常ECG信号的信号质量，SQI指数就会较低，不满足的特征越多，SQI越低，以一个普遍的标准阈值T作为衡量信号质量是否达标的阈值，以此来衡量采集信号的信号质量，并作为增益控制的一个指标。这个标准阈值T是根据对医学心电图数据库的预先采集的所有数据，计算其特征，并基于该特征进行统计判断，得到的衡量人体心电图信号质量的标准值。本发明实施例中，所有受试者的心电图都基于这一标准阈值，该阈值具有普适性。
[0107]RSS1:信号强度指数，根据采集信号的滑动窗积分估计采集信号的平均信号强度，用来作为自动增益控制的一个指标。
[0108]Movement:人体的运动指数,根据运动加速度传感器得到的人体佩戴设备时的加速度信号，计算三轴加速度数据的矢量和，并通过运动分类的算法，得到人体的运动情况，Movement=I表示人体有较大的起身和翻身活动，movement=0表示无明显的起身和翻身活动，用来作为自动增益控制的一个指标。
[0109]在数据采集的开始时刻，增益设置为默认值，控制状态机处于等待状态。在任何状态下，如果Movement=I,则状态机都将进入等待状态,不会修改增益,直到人体活动结束。处于静止状态(Movement=O)时,才开始根据相关条件进行增益控制。
[0110]静止时(Movement=。)，在任何状态下，当SQI小于阈值T，且RSSI小于其最大值的(k-2)/k，认为是由于增益过小，造成的信号质量较差，则从当前状态进入增加增益状态，增益倍数加I ;在任何状态下，当SQI小于阈值T且RSSI大于其最大值的(k-1)/k，认为是由于增益过大，造成的信号饱和，质量较差，从当前状态进入降低增益状态，增益倍数减I ;在任何状态下，当SQI大于T，认为信号质量较佳，此时状态机进入锁定状态；
[0111]其中，k表示用户预先设置的判决系数。该判决系数可以由用户根据放大的效果灵活设置，例如，在放大效果不满足预期时，通过调大或减小该系数，并判断调整系数后的放大效果是否趋于预期，如此直至放大效果达到预期时，将最终得到的k值作为最终的判决系数。
[0112]当RSSI大于其最大值的(k-2)/k，且小于其最大值的(k-1)/k时，如果此时SQI小于阈值T，则认为增益已经处于比较合理的大小，但可能是由于佩戴脱落造成的无信号，已无法通过增益控制来改善信号质量，因此状态机进入等待状态，不再进行增益修改，直到出现信号为止。这样可以避免因为一直无信号造成的增益控制无法锁定，而使采集设备的增益控制不稳定，也可以降低控制开销。
[0113]当RSSI的值大于其的历史记录值，状态机就会从锁定状态中跳出，把相应值存入最大值寄存器，然后状态机进入初始等待状态，重新进行增益调整，直到锁定状态。此外，在对增益判决门限做自适应调整之前，门限初始值、增益初始值都可由用户自行设定，使得系统可以根据需求适用于多种通信环境下。
[0114]作为一种优选实施方式，以上每次状态切换都是在连续5秒内持续满足相关条件下，才进行状态转换，以保证增益控制的稳定性，避免瞬时干扰造成增益控制错误。
[0115]基于以上装置，本发明实施例还提供了一种睡眠及呼吸检测方法，包括以下步骤:
[0116]步骤71，采集获得受试者的心电ECG的模拟电信号和呼吸信号的模拟电信号。
[0117]具体的，可以将ECG采集的右腿驱动RLD电极合并到心电ECG采集的RA电极和LA电极上，以及将呼吸测量电极复用到ECG采集的RA电极和LA电极上；然后，获得RA电极和LA电极上采集到的受试者的ECG信号并进行低通滤波，输出ECG的模拟电信号，对RA电极和LA电极上采集到的呼吸信号进行低通滤波，输出呼吸的模拟电信号
[0118]步骤72，监测受试者的姿态变化并获得受试者的运动加速度数据。
[0119]具体的，可以通过加速度传感器来获得上述运动加速度数据。
[0120]步骤73，对ECG和呼吸的模拟电信号进行低噪声放大处理并转化为数字信号的ECG信号和呼吸信号。
[0121]步骤74，对数字信号的ECG信号、呼吸信号以及运动加速度数据进行分析预处理和特征提取，获得并保存睡眠和呼吸数据。
[0122]这里，上述步骤73中的低噪声放大处理具体包括:
[0123]步骤731，根据数字信号的ECG信号，计算信号质量指数和信号强度指数；
[0124]步骤732，根据所述运动加速度数据，计算受试者的运动指数；
[0125]步骤733，根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，计算用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号，并根据所述反馈信号进行所述低噪声放大处理以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
[0126]上述方法还可以包括以下步骤:
[0127]通过无线方式发送处理器获取的睡眠和呼吸数据；以及，
[0128]在满足预设条件时休眠所述无线通信模块。
[0129]上述步骤731中，对ECG和呼吸的模拟电信号的放大进行增益控制，又具体可以包括:
[0130]设置增益控制的状态机初始处于等待状态，并在运动指数指示受试者处于活动状态时，控制状态机保持等待状态；
[0131]在运动指数指示受试者处于静止状态时:若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数小于其最大值的(k_2)/k，则控制状态机进入增加增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长增加增益 ；若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数大于其最大值的(k_l)/k，则控制状态机进入降低增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长降低增益；在信号质量指数优于预设阈值T时，控制状态机进入锁定状态，指示心电呼吸采集模块保持当前增益不变；[0132]当RSSI大于其最大值的(k-2)/k，且小于其最大值的(k-1)/k时，若SQI小于阈值T，则控制状态机进入等待状态，不再进行增益修改；
[0133]当RSSI的值大于其历史记录值，控制状态机从锁定状态中跳出，更新RSSI的最大值，然后进入初始等待状态，重新进行增益调整，直到锁定状态。
[0134]综上，本发明实施例能够解决现有市场对便携式家庭睡眠监护设备的需求较强，但现有便携式家庭睡眠监护产品具有佩戴不舒适、不能通过2个电极同时采集呼吸和心电来分析睡眠、导联线较多使用不方便的问题，能够仅通过的两个电极同时采集ECG和呼吸信号，并具备存储、分析、无线传输能力，可以用来分析睡眠结构和呼吸暂停情况。并且，本发明实施例还可以基于信号质量指数和多模态分析的信号自动增益控制方法，自动通过分析信号质量指数，并利用加速度判断人体的活动情况，对信号进行自适应放大。适合各种用户，同时抗干扰能力强。
[0135]以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种睡眠及呼吸检测方法，其特征在于，该方法包括: 采集获得受试者的心电ECG的模拟电信号和呼吸信号的模拟电信号； 监测受试者的姿态变化并获得受试者的运动加速度数据； 对ECG和呼吸的模拟电信号进行低噪声放大处理并转化为数字信号的ECG信号和呼吸信号; 对数字信号的ECG信号、呼吸信号以及运动加速度数据进行分析预处理和特征提取，获得并保存睡眠和呼吸数据； 其中，所述低噪声放大处理包括: 根据数字信号的ECG信号，计算信号质量指数和信号强度指数； 根据所述运动加速度数据，计算受试者的运动指数； 根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，计算用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号，并根据所述反馈信号进行所述低噪声放大处理以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，计算用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号，并根据所述反馈信号进行所述低噪声放大处理以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值，具体包括: 设置增益控制的状态机初始处于等待状态，并在运动指数指示受试者处于活动状态时，控制状态机保持等待状态； 在运动指数指示受试者处于静止状态时:若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数小于其最大值的(k_2)/k，则控制状态机进入增加增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长增加增益；若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数大于其最大值的(k-l)/k，则控制状态机进入降低增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长降低增益；在信号质量指数优于预设阈值T时，控制状态机进入锁定状态，指示心电呼吸采集模块保持当前增益不变； 当RSSI大于其最大值的(k-2)/k，且小于其最大值的(k-l)/k时，若SQI小于阈值T，则控制状态机进入等待状态，不再进行增益修改； 当RSSI的值大于其历史记录值，控制状态机从锁定状态中跳出，更新RSSI的最大值，然后进入初始等待状态，重新进行增益调整，直到锁定状态， 其中，k为预先设置的判决系数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集获得受试者的心电ECG的模拟电信号和呼吸信号的模拟电信号，包括: 将ECG采集的右腿驱动RLD电极合并到心电ECG采集的RA电极和LA电极上，以及将呼吸测量电极复用到ECG采集的RA电极和LA电极上； 获得RA电极和LA电极上采集到的受试者的ECG信号并进行低通滤波，输出ECG的模拟电信号，对RA电极和LA电极上采集到的呼吸信号进行低通滤波，输出呼吸信号的模拟电信号。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 通过无线方式发送获得的睡眠和呼吸数据；以及，在满足预设条件时休眠所述无线通信模块。
5.一种睡眠及呼吸检测装置，其特征在于，包括: 电极合并模块，用于仅通过右肢RA电极和左肢LA电极采集受试者的心电ECG信号，并将右腿驱动RLD电极合并到ECG采集的RA电极和LA电极上，以抑制RA信号和LA信号的共模干扰； ECG处理模块，用于对RA电极和LA电极上采集到的ECG信号进行低通滤波，输出ECG的模拟电信号； 呼吸处理模块，用于将呼吸测量电极复用到ECG采集的RA电极和LA电极上，并对RA电极和LA电极上采集到的呼吸信号进行低通滤波，输出呼吸信号的模拟电信号； 心电呼吸采集模块，用于根据接收到的反馈信号，对ECG和呼吸的模拟电信号进行低噪声放大并转化为数字信号的ECG信号和呼吸信号后输出； 运动检测模块，用于监测受试者的姿态变化并输出运动加速度数据； 处理器，用于对数字信号的ECG信号、呼吸信号以及运动加速度数据进行分析预处理和特征提取，获得并保存睡眠和呼吸数据；以及，根据数字信号的ECG信号，计算信号质量指数和信号强度指数；根据所述运动加速度数据，计算受试者的运动指数；根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，计算用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号并向所述心电呼吸采集模块反馈，以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括: 无线通信模块，用于通过无线方式发送处理器获取的睡眠和呼吸数据； 电源控制模块，用于提供电源管理，在满足预设条件时休眠所述无线通信模块。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电极合并模块包括: RLD电极、低通滤波电路、RA电极和LA电极，其中， 所述RLD电极连接至一低通滤波电路的输入端，且所述低通滤波电路的输出端通过第一电阻连接至RA电极，通过第二电阻连接至LA电极，其中第一电阻和第二电阻的阻值均为预先获得的人体体表电阻值。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述呼吸处理模块包括: 两个差分信号输入端，其中， 一个差分信号输入端通过串联的第一电阻、第一电容和第二电容连接至LA电极，且另设有一第三电容，其一端连接在第一电容和第二电容之间，另一端分别连接至一稳压电路和作为输出的呼吸测量电极IN1N_RESPP ； 另一差分信号输入端通过串联的第二电阻、第四电容和第五电容连接至RA电极，且另设有一第六电容，其一端连接在第四电容和第五电容之间，另一端分别连接至另一稳压电路和作为输出的呼吸测量电极IN1N_RESPN。
9.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理器包括: 信号质量计算模块，用于根据心电呼吸采集模块输出的ECG信号，计算信号质量指数；信号强度计算模块，用于根据心电呼吸采集模块输出的ECG信号，计算信号强度指数；运动状态分类模块，用于根据运动检测模块输出的运动加速度数据，计算受试者的运动指数；自动增益控制模块，用于根据信号质量指数、信号强度指数和受试者的运动指数，向所述心电呼吸采集模块反馈用于对ECG和呼吸的模拟电信号进行增益控制的反馈信号，以使得信号质量指数和信号强度指数趋于各自预设的最佳值。
10.如权利要求5所述的装置，其特征在于， 所述自动增益控制模块，具体用于: 设置增益控制的状态机初始处于等待状态，并在运动指数指示受试者处于活动状态时，控制状态机保持等待状态； 在运动指数指示受试者处于静止状态时:若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数小于其最大值的(k-2) /k,则控制状态机进入增加增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长增加增益；若信号质量指数优于预设阈值T，且信号强度指数大于其最大值的(k-l)/k，则控制状态机进入降低增益状态，指示心电呼吸采集模块按照预设步长降低增益；在信号质量指数优于预设阈值T时，控制状态机进入锁定状态，指示心电呼吸采集模块保持当前增益不变； 当RSSI大于其最大值的(k-2)/k，且小于其最大值的(k-l)/k时，若SQI小于阈值T，则控制状态机进入等待状态，不再进行增益修改； 当RSSI的值大于其历史记录值，控制状态机从锁定状态中跳出，更新RSSI的最大值，然后进入初始等待状态，重新进行增益 调整，直到锁定状态； 其中，k表示预先设置的判决系数。
【文档编号】A61B5/0402GK103908241SQ201210593523
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年12月31日 优先权日:2012年12月31日
【发明者】王 义, 张志鹏, 许利群, 高飞 申请人:中国移动通信集团公司