CN103006225A

CN103006225A - 一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪

Info

Publication number: CN103006225A
Application number: CN2013100104063A
Authority: CN
Inventors: 韩明华; 衣晓飞; 王生水; 吴锋涛
Original assignee: HUNAN NALEI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HUNAN NALEI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-04-03

Abstract

一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，包括：睡眠监测器和移动终端；睡眠监测器包括监测器电源、雷达信号收发器和心跳呼吸显示器；雷达信号收发器输出的处理信号进入心跳呼吸显示器，在显示处理单元中进行心率信息和呼吸信息的处理产生显示波形，呼吸和心跳波形进入第一显示输出单元中进行显示，显示处理单元用来将心跳和呼吸信息通过第一无线通信单元向外发送；移动终端包括移动终端电源和睡眠分析器，移动终端通过睡眠分析器中的第二无线通信单元接收睡眠监测器发送的呼吸和心跳信号，并将呼吸和心跳信号送入睡眠分析单元进行睡眠分析，最后进入第二显示输出单元进行显示。本发明具有结构简单、成本低廉、体积小、辐射小、监测结果精度高、适用范围广等优点。

Description

一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪

技术领域

本发明主要涉及人体体征监测领域，特指一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪。

背景技术

呼吸信号和心电信号是人体最重要的生命特征。对于有睡眠呼吸暂停的病人，或者刚出生的婴儿，以及某些患有呼吸系统疾病、心脏疾病的病人，需要实时监测其在睡眠期间的呼吸和心跳状况。另外，对于某些有睡眠障碍的人，希望得知每晚的睡眠时长，用于监测自己的身体状态。

“多普勒雷达传感器”在生命体征监测上的研究与应用已经有较长的历史，雷达传感器可以在不直接接触人体的状况下，获知人体的生命体征信号，此类技术往往用于救援生命搜救探测设备，如生命探测仪、穿墙雷达。此类雷达的功率较大，探测范围大，但是对于人体的辐射较大。现有的雷达技术尺寸较大，无法直接应用到家庭或者医院内部的呼吸监测。而且对于分析呼吸频率和心率的信号处理算法一直还不太成熟，尚未有成功的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、体积小、辐射小、监测结果精度高、适用范围广的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，包括：睡眠监测器和移动终端，所述睡眠监测器包括监测器电源、雷达信号收发器和心跳呼吸显示器；

所述雷达信号收发器包括压控振荡器、发射天线、接收天线、混频器和基带芯片，所述压控振荡器用来产生脉冲信号并传送到发射天线，所述发射天线用来向监测目标发送信号；所述接收天线用来接收监测目标反射回来的回波并送入混频器，然后与压控振荡器产生的脉冲信号进行混频；所述基带芯片用来对混频之后的信号进行呼吸频率计算、心率计算以及呼吸暂停监测后输出处理信号；

所述心跳呼吸显示器包括第一无线通信单元、显示处理单元、第一显示输出单元，所述基带芯片输出的处理信号进入心跳呼吸显示器，在所述显示处理单元中进行心率信息和呼吸信息的处理产生显示波形，呼吸和心跳波形进入所述第一显示输出单元中进行显示，所述显示处理单元用来将心跳和呼吸信息通过第一无线通信单元向外发送；

所述移动终端包括移动终端电源和睡眠分析器，所述睡眠分析器包括第二无线通信单元、睡眠分析单元和第二显示输出单元，所述移动终端通过第二无线通信单元接收睡眠监测器发送的呼吸和心跳信号，并将呼吸和心跳信号送入睡眠分析单元进行睡眠分析，最后进入第二显示输出单元进行显示。

作为本发明的进一步改进：

所述第一无线通信单元和第二无线通信单元采用WIFI单元。

所述移动终端采用智能手机或PAD。

本发明还包括网络接口，通过网络接口接入互联网。

所述接收天线经依次相连的低噪放、由第二放大器和第三放大器组成的二级放大器后与混频器相连。

所述压控振荡器经第一放大器与发射天线相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，结构简单紧凑、成本低廉、体积小、辐射小、监测结果精度高、适用范围广，其采用雷达传感器监测人在睡眠时段的呼吸和心跳信息，并进行呼吸暂停分析和睡眠时段分析，对人在睡眠时的健康状态进行监测；且本发明在使用过程中与人体无直接接触，更容易被病人和婴儿所接受和使用。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明基带芯片中采用的频域率估计算法的流程示意图。

图3是本发明基带芯片中采用的时域率估计算法的流程示意图。

图4是本发明基带芯片中采用的呼吸规则性判定方法的流程示意图。

图5是本发明睡眠分析单元中采用的睡眠状态分析方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，包括睡眠监测器1和移动终端2；睡眠监测器1包括监测器电源5、雷达信号收发器3和心跳呼吸显示器4，雷达信号收发器3包括压控振荡器（VCO）6、第一放大器7、发射天线8、接收天线9、低噪放10、第二放大器11、第三放大器12、混频器13和基带芯片14。压控振荡器6用来产生5GHz脉冲信号，通过第一放大器7后传送到发射天线8，发射天线8用来向监测目标发送雷达信号，接收天线9用来接收监测目标反射回来的回波，并经过低噪放10去除噪声后由第二放大器11和第三放大器12进行两级放大，然后送入混频器13，与压控振荡器6产生的脉冲信号进行混频。混频之后的信号进入基带芯片14进行去除噪声、呼吸信号检测和心跳信号检测，并进行呼吸频率计算，心率计算以及呼吸暂停监测。

心跳呼吸显示器4包括第一无线通信单元17、显示处理单元16、第一显示输出单元15。基带芯片14输出的信号进入心跳呼吸显示器4，在显示处理单元16中进行心率信息和呼吸信息的处理产生显示波形，呼吸和心跳波形进入第一显示输出单元15进行显示。同时，显示处理单元16会把心跳和呼吸信息通过第一无线通信单元17向外发送。

移动终端2包括移动终端电源21和睡眠分析器22，移动终端电源21为睡眠分析器22供电。睡眠分析器22包括第二无线通信单元20、睡眠分析单元19和第二显示输出单元18，移动终端2通过第二无线通信单元20接收睡眠监测器1发送的呼吸和心跳信号，并将呼吸和心跳信号送入睡眠分析单元19进行睡眠分析，最后进入第二显示输出单元18进行显示。

本实施例中，第一无线通信单元17和第二无线通信单元20采用WIFI单元。

本实施例中，移动终端2采用智能手机或PAD。

本实施例中，雷达信号收发器3采用小型PCB板设计，各组成部件集成在小型PCB板上。

本实施例中，心跳呼吸显示器4采用小型显示屏，以达到体积小的效果。

进一步，本发明的睡眠仪还设置有网络接口，通过网络接口接入互联网，并将睡眠仪工作时的数据发送到专家系统所在的服务器。

本发明睡眠仪的工作流程为：1.启动睡眠仪，睡眠仪开始自动搜寻监测目标。2.锁定监测目标后，进行呼吸频率计算和心率计算，并纪录呼吸曲线和心率曲线，通过WIFI发射获取的心跳信息和呼吸信息，并通过显示输出单元18显示呼吸频率和心跳频率。3.启动移动终端2上的睡眠仪应用软件，自动通过WIFI连接睡眠监测器1，并显示心率和呼吸频率信息。4.轻按移动终端2上的睡眠分析，给出睡眠状态信息，包括入睡时刻、醒来时刻、睡眠时长、浅睡时长、深睡时长、睡眠呼吸暂停次数以及平均心率和平均呼吸频率。5.轻按移动终端2上的设置，可以设置睡眠仪参数，可以启动或者关闭睡眠仪。6.轻按移动终端2上的“上传数据到专家系统”，可以将数据通过互联网发送到专家系统所在的服务器。

本发明的睡眠仪可以用于家庭中的睡眠呼吸实时监测，包括婴儿监护、有心脏疾病或者呼吸系统疾病的病人的呼吸监测、失能老人的呼吸监测，并在严重呼吸障碍发生时进行报警；本发明也可以用于对普通人或者有睡眠障碍的人进行睡眠监测，用于监测睡眠的时长和睡眠质量；本发明还可以用于医院内的阻塞式睡眠呼吸暂停病人的睡眠呼吸监测，心脏病人的睡眠呼吸监测，以及其他需要进行呼吸监测的场合。本发明采用非接触式的方式进行呼吸监测，满足病人感觉舒适，不被束缚的人性化需求，具有很强的实用价值。

如图2所示，为本发明基带芯片14中执行的频域率估计算法，用于在频域计算呼吸频率和心率。该频域率估计算法的步骤如下：

1.取解调后数据X的M个样本（M＝2880或其他）；这M个样本包含了非呼吸运动和其他噪声和干扰信号；

2.将数据X中的所有非呼吸信号和干扰信号的所有时间间隔设为零；

3.将数据X中的每个数减去X的均值；

4.频域中的呼吸频率如下确定：

a)对于X的所有样本进行傅立叶变换（DFT），不做窗口，补零和插值算法；

b)频域率估计是X中具有最大幅值的频率。在某些实现方式中，可以是在最小呼吸频率6和最大呼吸频率48之间的一个最大幅值的频率。

如图3所示，为本发明基带芯片14中执行的呼吸频率的时域率估计算法。该时域率估计算法的步骤如下：

3.将数据X中的每个数减去X的均值；

4.时域的率估计如下确定：

a)令u_i为样本的索引，使得x［u_i］≤0 且x[u_i+1]>0 (过零点)；

b)令a_i 是［u_i，u_i+1］区间内的最大幅值；

c)令A＝max（a_i），则存在三个不同的数i，j，k，使得a_i>0.1A , a_j >0.1A, a_k>0.1A；

d)如果在步骤c）中不存在A，则无法确定呼吸频率；

e)否则记一个呼吸周期1为区间［u_i，u_i+1］，g_i＝1满足下述条件：

i.a_i>0.1A

ii.y(n)=1 对于 u_i<n<u_i+1

iii.z(n)=1对于 u_i<n<u_i+1

其中y(n)和z(n)分别是运动窗口和裁剪窗口；

f)否则，g_i＝0；

g)令λ是g_i＝1的连续呼吸的最大数目；

如果λ<2，那么无法确定呼吸频率，否则呼吸频率为(60×100×λ)/((u_i+λ-u_i)。

本发明的睡眠仪对呼吸频率的估计和心率的估计均按照图2和图3的频域率估计和时域率估计算法进行，最后显示给出的呼吸频率为频域呼吸频率估计和时域呼吸频率估计的均值；如果呼吸频率的频域估值和时域估值差值大于4，则给出报错信息；否则显示频域估值作为呼吸频率；心率的计算方式为：如果心率的频域估计和时域估计的差值大于12，则给出报错信息；否则将心率的频域估值作为心率。

如图4所示，为本发明基带芯片中执行的呼吸规则性判定方法。该呼吸规则性判定方法由下述步骤组成：

1.取M个呼吸信号，M取值为50～100；计算呼吸－呼吸间隔的均值和标准方差；

2.计算M个呼吸信号的每次呼吸的呼吸深度的均值和标准方差；

3.计算呼吸－呼吸间隔的协方差C1；并计算呼吸深度的协方差C2；

4.如果C1<阈值并且C2<阈值，则判定呼吸为规则呼吸；

5.如果条件4不成立，则判定为不规则呼吸；对呼吸－呼吸间隔和呼吸深度进行FFT变换，检查波形中是否存在周期性元素；

6.如果呼吸不存在周期性，则再增加呼吸的样本到2M个，返回步骤2进行处理；如果2M个样本检测不到周期性，则判定为呼吸无周期性，计算全范围内的平均呼吸频率，并计算呼吸暂停事件的均值；

7.如果周期是规则的，计算每周期的呼吸暂停长度，并求均值，得出每周期的平均呼吸暂停长度；

8.对计算的数据进行显示。如果呼吸规则，给出“呼吸规则－X次呼吸／分钟”的指示，如果呼吸不规则，指示“周期性－不规则”。如果存在呼吸暂停，则指示“平均呼吸暂停长度Y”；如果呼吸不规则，则指示“Z次呼吸暂停／分钟”。

如图5所示，为本发明睡眠分析单元19中的睡眠状态分析算法。睡眠状态分析算法的步骤如下所示：

1.在时间区间［t，t+delta_t]内，满足以下条件中的一个：

a)检测不到心肺运动；

b)非心肺运动信号大于心肺运动信号；

2.如果满足步骤1中的条件a)或者b)，则标记[t,t+delta_t]为清醒时段；

3.否则，在时间区间［t，t+delta_t］内，满足以下条件：

a)平均心肺运动信号大于非心肺运动信号；

b)非心肺运动信号次数大于1次；

4.如果满足步骤3中条件a)和条件b)，则标记[t,t+delta_t]为浅睡时段；

5.在时间区间［t, t+delta_t］内，满足下述条件：呼吸规则且无严重呼吸暂停；

6.如果满足步骤5中的条件，则标记[t,t+delta_t]为深睡时段；否则报警；

7.t=t+delta_t；进入步骤1；

如果连续的清醒时段超过10个，则表示一段睡眠的结束。进行睡眠结果统计，算法结束。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，其特征在于，包括：睡眠监测器（1）和移动终端（2），所述睡眠监测器（1）包括监测器电源（5）、雷达信号收发器（3）和心跳呼吸显示器（4）；

所述雷达信号收发器（3）包括压控振荡器（6）、发射天线（8）、接收天线（9）、混频器（13）和基带芯片（14），所述压控振荡器（6）用来产生脉冲信号并传送到发射天线（8），所述发射天线（8）用来向监测目标发送信号；所述接收天线（9）用来接收监测目标反射回来的回波并送入混频器（13），然后与压控振荡器（6）产生的脉冲信号进行混频；所述基带芯片（14）用来对混频之后的信号进行呼吸频率计算、心率计算以及呼吸暂停监测后输出处理信号；

所述心跳呼吸显示器（4）包括第一无线通信单元（17）、显示处理单元（16）、第一显示输出单元（15），所述基带芯片（14）输出的处理信号进入心跳呼吸显示器（4），在所述显示处理单元（16）中进行心率信息和呼吸信息的处理产生显示波形，呼吸和心跳波形进入所述第一显示输出单元（15）中进行显示，所述显示处理单元（16）用来将心跳和呼吸信息通过第一无线通信单元（17）向外发送；

所述移动终端（2）包括移动终端电源（21）和睡眠分析器（22），所述睡眠分析器（22）包括第二无线通信单元（20）、睡眠分析单元（19）和第二显示输出单元（18），所述移动终端（2）通过第二无线通信单元（20）接收睡眠监测器（1）发送的呼吸和心跳信号，并将呼吸和心跳信号送入睡眠分析单元（19）进行睡眠分析，最后进入第二显示输出单元（18）进行显示。

2.根据权利要求1所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，其特征在于，所述第一无线通信单元（17）和第二无线通信单元（20）采用WIFI单元。

3.根据权利要求1所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，其特征在于，所述移动终端（2）采用智能手机或PAD。

4.根据权利要求1所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，其特征在于，还包括网络接口，通过网络接口接入互联网。

5.根据权利要求1所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，其特征在于，所述接收天线（9）经依次相连的低噪放（10）、由第二放大器（11）和第三放大器（12）组成的二级放大器后与混频器（13）相连。

6.根据权利要求1所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪，其特征在于，所述压控振荡器（6）经第一放大器（7）与发射天线（8）相连。