一种采集睡眠过程中心冲击信号的装置的制作方法

本实用新型涉及睡眠信号采集领域，具体涉及睡眠过程中心冲击信号采集领域。

背景技术：

睡眠医学奖睡眠分为两大类：非快速眼动期睡眠和快速眼动期睡眠，美国睡眠医学协会将非快速眼动期睡眠进一步分为三个不同阶段。对于健康成年人，一个睡眠周期，通常持续90-100分钟，以非快速眼动期的3个阶段开始，然后是快速眼动期。通过记录整体睡眠时间、入睡时间、快速眼动期潜伏期、睡眠过程中的清醒时间、睡眠效率、各睡眠阶段时间长度及占比，可以对被试的睡眠情况进行综合评分，评估其睡眠质量。

在睡眠医学中，多导睡眠仪是通常在特定睡眠实验室里进行评估睡眠阶段和其他睡眠质量的实验手段。采用的测量通常包括脑电信号、眼电信号、肌电信号，有些还用心电信号。然而多导睡眠仪在使用过程中会外加很多传感器在被试身上，会对测试结果和数据准确性产生干扰。比如对睡眠实验室环境的陌生，传感器粘贴身体的不适感都会影响才能够被试的睡眠质量。

随着睡眠时相的改变，机体内也发生着相应的生理变化，如心率、呼吸、消化液分泌、肌肉紧张度、体温等。在非快速眼动期，呼吸浅、慢而均匀，心率较慢，血压下降，全身肌肉松弛，但肌肉仍保持一定的紧张度。在快速眼动期，人体的感知功能比在非快速眼动期时进一步减退，肌肉更加松弛，呼吸稍快且不规则，体温、心率较前阶段升高，心率在下半夜较高，身体部分肌肉群可出现轻微的抽动。基于上述生理变化，除了作为金标准的多导睡眠仪外，还出现了许多基于心率、呼吸、体动这类信号的睡眠分析装置。

最常用的就是体动仪，是一种类似腕部手板的装置，用来监控采集由于动作而产生的数据。对应于家用市场领域，就是市面上的各类手环。其基本的原则就是在睡眠期间运动量减少，而清醒状态下运动会增加。然而采用这种方式得到验证的功能只是区分清醒和睡眠两个状态，在将睡眠阶段进行细分方面还缺乏实验验证。即使是宣称了可以进行深睡眠和浅睡眠的区分，也缺乏明确的理论基础。

另一种方法是利用心冲击信号(ballistocardiogram，BCG)，该方法是一种用来记录心脏活动引起的身体震动的方法。心冲击信号测量的身体震动除了由于心脏活动引起，还会受到呼吸机体动的影响。然而，在传统心冲击信号测量过程中，呼吸和体动会作为噪声的一部分进行去除；但是在睡眠医学监测领域中，呼吸和体动是需要单独提取出来作为睡眠判断的指标之一。

睡眠领域的BCG应用在初期是集成在床垫上，分别感应身体各区段的压力变化，比如公开号为：CN1875880，公开日为：2006-12-13，实用新型名称为：监测睡眠状态和呼吸障碍事件的传感装置，其中就是将床垫至少分为两个分区(胸部一个，腿部一个)，每个分区里密封流体，流体最好是硅油，用传感器感应密封腔内流体压力变化。该方案的变形是将流体特指为某些气体，而不单单为液体。这种装置体积都较大，总体价格较高昂，难以进行普及。由于做成床垫式的装置体积都较大，部署起来不方便。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种采集睡眠过程中心冲击信号的装置，目的在于解决现有心冲击信号采集过程中所存在的呼吸和体动信号被作为噪声进行去除，导致睡眠质量判断不准确，以及信号采集装置体积大、成本高、部署不方便的问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种采集睡眠过程中心冲击信号的装置包括压电采集电路和信号处理电路，所述压电采集电路用于采集压电信号，压电采集电路的压电信号输出端与信号处理电路的压电信号输入端连接，所述信号处理电路用于压电信号进行滤波和信号分离。

本实用新型的有益效果是：在睡眠时，将压电采集电路放置在床垫靠近胸部的下方，来直接测定身体的震动变化。在摆放位置上逐渐的简化，从床垫的下方的数个采集单元变为一个采集单元，从床垫下方移至枕头下方，部署更加灵活，降低了使用者的使用成本。同时，能够从振动信号中分离出常常作为噪声而去除的呼吸信号和体动信号，进一步为睡眠质量监测过程提供有利的数据参考。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述压电采集电路和信号处理电路之间连接有瞬态抑制二极管。

采用上述进一步方案的有益效果是能够防止误操作而产生的瞬间高电荷脉冲。

进一步，所述信号处理电路包括模拟输入电路和微型处理电路，所述模拟输入电路的压电信号输入端与压电采集电路的压电信号输出端连接，模拟输入电路的压电信号输出端与微型处理电路的压电信号输入端连接。

进一步，所述模拟输入电路包括电荷放大器、一级滤波电路、二级滤波电路和增益放大器，所述电荷放大器的压电信号输入端与压电采集电路的压电信号输出端连接，电荷放大器的压电信号输出端与一级滤波电路的压电信号输入端连接，一级滤波电路的压电信号输出端与二级滤波电路的压电信号输入端连接，二级滤波电路的压电信号输出端与增益放大器的压电信号输入端连接，增益放大器的压电信号输出端与微型处理电路的压电信号输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是通过一级滤波电路能够去除压电传感器导线耦合的外部干扰信号，然后再经过一个二级滤波电路再次滤除干扰杂波，提高了采集信号的质量，为后续的分析和处理过程提供了良好的保障。

进一步，所述一级滤波电路包括电阻R21、电容C35和放大器U8B，

所述放大器U8B的正相输入端连接电路电荷放大器，

电阻R21和电容C35并联后的一端与放大器U8B的反相输入端连接，

电阻R21和电容C35并联后的另一端同时与放大器U8B的输出端和二级滤波电路连接。

进一步，所述二级滤波电路包括电阻R34、电阻R35、电容C36、电容C38、电容C39和放大器U8A，

所述电阻R34的一端与放大器U8B的输出端连接，

电阻R34的另一端同时与电阻R35的一端、电容C36的一端和电容C38的一端连接，

电阻R35的另一端同时与电容C39的一端和放大器U8A的正相输入端连接，

电容C39的另一端接地，

放大器U8A的输出端同时与放大器U8A的反相输入端、电容C36的一端、电容C38的一端和增益放大器连接。

进一步，所述微型处理电路包括模数转换电路、静态随机存取存储电路、时钟电路和信号分离电路，所述模数转换电路的压电信号输入端与增益放大器的压电信号输出端连接，模数转换电路的压电信号输出端与静态随机存取存储电路的压电信号输入端连接，静态随机存取存储电路的压电信号输出端与时钟电路的压电信号输入端连接，时钟电路的压电信号输出端与信号分离电路的压电信号输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：静态随机存取存储电路用于进行系统算法运算的数据存储，其反应速度快，能够保证整体的工作效率。同时配置实时时钟电路，可以辅助系统判断何时为可能的睡眠数据，减少单纯依靠压电信号进行判断可能出现的误差。

进一步，所述装置还包括外接存储电路，所述外接存储电路的存储信号输入端与微型处理电路的存储信号输出端连接。

进一步，所述装置还包括通讯电路，所述通讯电路的通讯信号输入输出端与微型处理电路的通讯信号输出输入端连接，所述通讯电路采用RS232接口电路、WIFI电路或蓝牙电路实现。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用RS232接口与电脑实现通信，用于软件调试及程序更新，配套电脑端显示界面使用；采用WIFI电路与系统的下游联动设备通讯，发送调整指令给联动设备，再由联动设备执行；采用蓝牙与手机、平板等便携式的智能移动终端进行通讯。

进一步，所述装置还包括看门狗电路，所述看门狗电路的监控信号输入输出端与微型处理电路的监控信号输出输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：看门狗电路一方面能够实时监测程序的运行情况，在程序跑偏时将程序进行重置；另一方面能够对电压进行监控，如果出现电压供电不稳的情况，也会将程序进行重置。

进一步，所述装置还包括用户交互电路和数码管驱动电路，所述用户交互电路包括按键电路和显示电路，所述按键电路的按键信号输出端与微型处理电路的按键信号输入端连接，显示电路的显示信号输入端与微型处理电路的显示信号输出端连接，数码管驱动电路的驱动信号输入端与微型处理电路的驱动信号输出端连接，数码管驱动电路的驱动信号输出端与显示电路的驱动信号输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：用户通过按键电路输入需要显示的模式以及时间日期，该时间日期可以为显示当前实时时间日期，也可以实现定时功能，以及在某一段时间内所采集信号的信息，而显示模式包括了心率特征参数显示电路、呼吸特征显示模式以及体动特征显示模式，能够让用户清楚了解睡眠过程中的睡眠质量情况；本实用新型不通过微型处理电路对数码管进行直接控制，而是转接数码管驱动电路进行数码管驱动，从而提高了装置的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种采集睡眠过程中心冲击信号的装置的原理示意图；

图2为本实用新型所述的一级滤波电路和二级滤波电路的电路图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、压电采集电路，2、信号处理电路，3、模拟输入电路，4、微型处理电路，5、通讯电路，6、外接存储电路，7、看门狗电路，8、用户交互电路，9、电源管理电路。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的一种采集睡眠过程中心冲击信号的装置包括压电采集电路1和信号处理电路2，所述压电采集电路1用于采集压电信号，压电采集电路1的压电信号输出端与信号处理电路2的压电信号输入端连接，所述信号处理电路2用于压电信号进行滤波和信号分离。

其中压电采集电路1用来检测压力变化带来的电信号的改变，压电采集电路1包括至少一个传感器单元，所述传感器单元采用压电陶瓷、压电晶体或压电薄膜实现。

当传感器单元数量为一个时，其位于传感器底盘的中心位置，传感器底盘可以为圆形、方形或其他任意的规则形状。当传感器单元数量为多个时，其可以均匀分布在传感器底盘上，或者是以其中一个传感器单元为中心，其他剩余传感器单元以中心传感器单元为中心均匀分布。传感器底盘可以是一种材料，也可以是由两种材料拼接而成。当只有一种材料时，其力学传递性能一致。当为两种材料时，其力学传递性能存在差异，其中靠近外围的材料力学性能相对较差，可过滤传感器底盘范围外传递过来的力。

本实施例所述的传感器单元采用压电陶瓷、压电薄膜和压电晶体等压变材料，无需接触人体或衣物，可放置在枕头或床垫下方。当压电采集电路1防止在床垫下方时，如果只有一个压电采集电路1，其置于上肢靠近胸腔的位置，如果有两个压电采集电路1，可以一个放置在上肢靠近胸腔的部位，另一个放置在下肢靠近腿部的位置，如果需要还有更多的压电采集电路1，可根据实际情况进行部署。

优选的，所述压电薄膜采用PVDF薄膜实现。

PVDF薄膜，即聚偏二氟乙烯膜，是蛋白质印迹法中常用的一种固相支持物。具有机械强度高、防霉菌性、高耐磨性、抗冲击性强等优点。

优选的，压电采集电路1和信号处理电路2之间连接有瞬态抑制二极管。

瞬态抑制二极管是一种二极管形式的高效能保护器件，当瞬态抑制二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能够以10^-12秒量级的速度，将其两极件的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效的保护电子线路中的精密元器件，免收各种浪涌脉冲的损坏。

优选的，信号处理电路2包括模拟输入电路3和微型处理电路4，所述模拟输入电路3的压电信号输入端与压电采集电路1的压电信号输出端连接，模拟输入电路4的压电信号输出端与微型处理电路4的压电信号输入端连接。。

所述模拟输入电路3包括电荷放大器、一级滤波电路、二级滤波电路和增益放大器，所述电荷放大器的压电信号输入端与压电采集电路1的压电信号输出端连接，电荷放大器的压电信号输出端与一级滤波电路的压电信号输入端连接，一级滤波电路的压电信号输出端与二级滤波电路的压电信号输入端连接，二级滤波电路的压电信号输出端与增益放大器的压电信号输入端连接，增益放大器的压电信号输出端与微型处理电路4的压电信号输入端连接。

压电采集电路1发出的电信号经过模拟输入电路，首先通过电荷放大器将压电信号采集过程中生成的电荷脉冲转换为电压，经过一个一级滤波电路去除传感器导线耦合的外部干扰信号，然后再经过一个二级滤波电路再次滤除干扰杂波，最后经过增益放大器对信号进行放大。

优选的，如图2所示，

所述一级滤波电路包括电阻R21、电容C35和放大器U8B，

所述放大器U8B的正相输入端连接电荷放大器，

电阻R21和电容C35并联后的一端与放大器U8B的反相输入端连接，

电阻R21和电容C35并联后的另一端同时与放大器U8B的输出端和二级滤波电路连接。

所述二级滤波电路包括电阻R34、电阻R35、电容C36、电容C38、电容C39和放大器U8A，

所述电阻R34的一端与放大器U8B的输出端连接，

电阻R34的另一端同时与电阻R35的一端、电容C36的一端和电容C38的一端连接，

电阻R35的另一端同时与电容C39的一端和放大器U8A的正相输入端连接，

电容C39的另一端接地，

放大器U8A的输出端同时与放大器U8A的反相输入端、电容C36的一端、电容C38的一端和增益放大器连接。

优选的，所述微型处理电路4包括模数转换电路、静态随机存取存储电路、时钟电路和信号分离电路，所述模数转换电路的压电信号输入端与增益放大器的压电信号输出端连接，模数转换电路的压电信号输出端与静态随机存取存储电路的压电信号输入端连接，静态随机存取存储电路的压电信号输出端与时钟电路的压电信号输入端连接，时钟电路的压电信号输出端与信号分离电路的压电信号输入端连接。

压电采集电路1采集到的压电信号属于振动信号，微型处理电路4中的信号分离电路将采集到的振动信号分离为脉搏信号、呼吸信号及体动信号三种体征信号，也可以只提取其中的任意一种或两种，采集时间长度1的数据后，从脉搏信号中提取出心率特征参数，从呼吸信号中提取出呼吸特征参数，从体动信号中提取出体动特征参数。三种体征提取特征参数所用时间长度可以相同，也可以不同，即其中部分通过时间长度1的数据提取，部分通过时间长度2的数据提取。心率特征参数包括心率、呼吸特征参数包括呼吸率、体动特征参数包括体动次数。如果心率特征参数包括心率，在重复采集多个时间长度1后，可以绘制出心率趋势曲线。如果呼吸特征参数包括呼吸率，在重复采集多个时间长度1后，可以绘制出呼吸率趋势曲线。如果体动特征参数包括体动次数，在重复采集多个时间长度1后，可以绘制出体动频次趋势曲线。从时间处理的角度上，三体征趋势曲线中可以进一步提取出呼吸模式、心率模式和体动模式，模式的定义包括趋势曲线的基线值、变化速度的快慢、趋势变化方向(单调下降、单调上升、从下降变为上升或从上升变为下降)、一段时间长度3内的平均值、一段时间长度3内的方差、相邻数值(或间隔点数量不定)上差值大于阈值1的比例、相邻数值(或间隔点数量不定)上差值大于平均值的某个比例阈值1的比例、相邻数值差值的均方根等指标。从频率处理的角度，可以提取趋势曲线在特定频段的能量，一般可分为至少2个不同频段的能量。如果是常见的心率频段分为极低频成分(0.003～0.04hz，VLF)，低频成分(0.04～0.15hz，LF)，高频成分(0.15～0.4Hz，HF)。频率能量指标包括不同频段的能量、总能量TP以及LF/(TP-VLF)，LF/(LF+HF)、HP/(TP-VLF)，HF/(LF+HF)这些比例值。

除了趋势曲线外，特征参数还可以从体征信号中直接提取，比如极点的幅值以及极大值到极小值之间的面积(与基准线包围起来)。

优选的，所述装置还包括外接存储电路6，所述外接存储电路6的存储信号输入端与微型处理电路4的存储信号输出端连接。

外接存储电路6对系统运行后的结果数据进行存储，以便后续分析调用。

优选的，所述装置还包括通讯电路5，所述通讯电路的通讯信号输入输出端与微型处理电路4的通讯信号输出输入端连接，所述通讯电路5采用RS232接口电路、WIFI电路或蓝牙电路实现。

其中通讯电路5有三种方式实现，第一种是采用RS232接口电路与电脑连接实现通讯，用于软件调试及程序更新，配套电脑端显示界面使用；第二种是采用WIFI电路实现，用于与系统的下游联动设备通讯，发送调整指令给联动设备，再由联动设备执行；第三种是采用蓝牙电路与手机、平板等便携式智能终端进行通讯。

优选的，所述装置还包括看门狗电路7，所述看门狗电路7的监控信号输入输出端与微型处理电路4的监控信号输出输入端连接。

本实施例中，看门狗电路7有两个功能，第一是实时监测程序的运行情况，在程序跑偏时将程序进行重置；第二是电压监控功能，如果出现电压供电不稳的情况，也会将程序进行重置。

优选的，所述装置还包括用户交互电路8和数码管驱动电路，所述用户交互电路8包括按键电路和显示电路，所述按键电路的按键信号输出端与微型处理电路4的按键信号输入端连接，显示电路的显示信号输入端与微型处理电路4的显示信号输出端连接，数码管驱动电路的驱动信号输入端与微型处理电路4的驱动信号输出端连接，数码管驱动电路的驱动信号输出端与显示电路的驱动信号输入端连接。

用户通过按键电路输入需要显示的模式以及时间日期，该时间日期可以为显示当前实时时间日期，也可以实现定时功能，以及在某一段时间内所采集信号的信息，而显示模式包括了心率特征参数显示电路、呼吸特征显示模式以及体动特征显示模式，同时能够对趋势曲线的基线值、变化速度的快慢、趋势变化方向(单调下降、单调上升、从下降变为上升、从上升变为下降)、一段时间长度3内的平均值(ANN)、一段时间长度3内的方差、相邻数值(或间隔点数量不定)上差值大于阈值1的比例、相邻数值(或间隔点数量不定)上差值大于ANN的某个比例阈值1的比例、相邻数值差值的均方根的这些指标，以及心率频段分为极低频成分(0.003～0.04hz，VLF)，低频成分(0.04～0.15hz，LF)，高频成分(0.15～0.4Hz，HF)。频率能量指标包括不同频段的能量、总能量TP以及LF/(TP-VLF)，LF/(LF+HF)、HP/(TP-VLF)，HF/(LF+HF)这些比例值进行显示。能够让用户清楚了解睡眠过程中的睡眠质量情况。

优选的，所述显示电路采用8段数码管实现。

本实施例不通过微型处理电路对数码管进行直接控制，而是转接数码管驱动电路进行数码管驱动，从而提高了装置的稳定性。

优选的，所述装置还包括用于向装置内部各电路进行供电的电源管理电路9，所述电源管理电路9包括两个低压差线性稳压器，用于向增压放大器供电。

电源管理电路可以通过市电交流适配器采取外部供电的方式，也可以用内部电池供电，方式灵活，通过两个低压差线性稳压器对增益放大器进行单独供电，提高装置的稳定性。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

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。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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。

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。