新型多参数睡眠监测头带的研制

严博文，吴宝明＊，高丹丹，陆彦邑，吴若愚

新型多参数睡眠监测头带的研制

严博文，吴宝明＊，高丹丹，陆彦邑，吴若愚

（第三军医大学大坪医院野战外科研究所，重庆，400042）

目的：研制一款新型的多参数睡眠监测头带。方法：基于体表脑电﹑反射式血氧饱和度﹑红外体温﹑三维加速度等感知技术和蓝牙通讯技术，结合微型﹑低功耗设计，研制多参数睡眠监测头带。结果：研制出了一款能同步监测人体脑电﹑血氧饱和度﹑体温和活动及姿态的新型多参数睡眠监测头带。结论：该头带集多种参数采集于一体，使用方便，佩戴舒适，可用于家庭环境睡眠监测和构建远程睡眠监护系统，也可用于旅游﹑科研﹑体育﹑健康管理和战时伤员救护等领域。

可穿戴式；睡眠监测；脑电；血氧饱和度

引言

睡眠障碍性疾病是严重危害人类健康的高发疾病，它不仅影响人的工作﹑学习，长时间以后将引起人体器官的障碍，导致内分泌失调﹑记忆力减退﹑抑郁焦虑和高血压﹑中风﹑糖尿病﹑老年痴呆等疾病的发生[1]。

多导睡眠图（PSG）是睡眠障碍疾病诊断的金标准，它能准确的区分各类睡眠障碍疾病，但该技术存在诸多问题，只有大型医院才能开展，导致我国睡眠障碍疾病的知晓率﹑检出率低。因此，迫切需要研究开发适合家庭的睡眠监测技术和设备。近年来国内外已研究开发出一些便携﹑小型的睡眠监测设备[2-5]，但在兼具专业性﹑准确性﹑使用方便性和舒适性等方面仍存在诸多问题。为此，最近我们在重庆市科技攻关项目和第三军医大学科技成果转化基金课题支持下，结合穿戴式设计﹑智能手机﹑无线通信﹑云平台等技术，研究开发出了一套无线远程睡眠监测系统[6]。本文重点介绍其中的新型多参数睡眠监测头带的研制情况。

1 方法

1.1 总体设计

针对目前的睡眠检测类产品的问题，我们提出研制一种新的穿戴式睡眠监测设备，基于体表脑电﹑反射式血氧饱和度﹑红外体温﹑三维加速度等感知技术，结合微型﹑低功耗设计，以头带方式，在额部同步监测脑电﹑血氧饱和度﹑活动和体温多个参数。我们选择上述4个参数主要基于：首先，脑电是反映睡眠状态最重要的指标，已广泛应用于睡眠分期质量评估；其次，血氧饱和度与血液中氧含量直接相关，当出现呼吸暂停事件时人体缺氧，血氧饱和度将明显下降，已被用于判断呼吸暂停综合症的指标。同时检测脑电和血氧饱和度，可以实现睡眠分期和呼吸暂停事件的同时辨识。最后，活动和体温参数可以辅助判断睡眠时的深浅状况。此外，为了满足远程监测要求，在设备中增加无线通信模块，利用蓝牙将监测到的数据发送到智能手机处理，或进一步发送到远程睡眠监测中心请求专家分析。整个设备的示意图如下1所示。

图1 多参数睡眠监测头带示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-parameter sleep monitoring headband

1.2 电路设计

整个睡眠监测头带电路主要由脑电﹑脉搏波﹑活动﹑体温监测电路和主控芯片﹑蓝牙传输模块﹑供电电路等组成，如图2所示。在满足功能要求的前提下，我们紧紧围绕微型﹑低功耗﹑低负荷要求开展设计。尽量选用高集成度﹑表贴﹑微功耗传感器和芯片，PCB采用多层布板，元器件紧凑布局，努力缩小体积和功耗，整体电路板尺寸只有3*3(cm)，整体功耗低至3mW,配合180mah的锂电池可以运行2天。下面重点介绍脑电﹑血氧﹑体温﹑姿态监测电路的设计。

1.2.1 脑电监测电路设计

脑电是评价睡眠状态的金标准，也是专业睡眠PSG监测设备中最重要的参数。近年来随着穿戴式监测技术进步，已有学者研究出了基于少通道﹑单通道脑电监测分析睡眠状态的方法[7-8]。我们在前额FP1和FP2记录脑电信号，使用前端集成生物电采集芯片BMD101（如下图3所示）进行脑电信号的调理以及数字化。BMD101是神念公司的一款专业芯片，用于脑电﹑心电等生物电的放大﹑调理﹑采集，具有放大﹑调理﹑采集一体化，尺寸小﹑功耗低，直接输出数字信号的突出优点。

图2 头带电路示意图Fig2 Schematic diagram of headband circuit

图3 脑电采集电路原理图Fig3. Diagram of EEG acquiring circuit

1.2.2 血氧监测电路设计

血氧饱和度是表征阻塞性睡眠呼吸暂停综合症出现的重要指标，当出现呼吸暂停的时候，人体的血氧饱和度会快速的下降，通过监测血氧饱和度可以及时发现呼吸暂停，以采取有效的措施。我们采用反射式血氧饱和度检测原理，在额部监测血氧饱和度[9]。其中，采用光频转换器进行光强采集。与传统脉搏波检测所使用的模拟放大滤波﹑AD转换方式不同，光频转换芯片，将两路PPG信号转换成PWM波，频率代表光强。这样既可增加PPG信号的采样率，同时减少对单片机数字输入口资源的占用，也有助于减少设备体积，增强抗干扰能力。进一步我们专门设计了双向交替发光管驱动电路（如下图4所示）。当Q1﹑Q4导通时，红光LED导通，发出红光，当Q2﹑Q3导通时，红外LED导通，发出红外光。

1.2.3 体温监测电路设计

体温与人体的状态密切相关，当睡眠状态发生变化时体温也会随之变化，监测人体的体温有助于睡眠状态的辨别[10]。为此，我们进一步设计了体温监测电路，选用高灵敏度﹑微型红外线测温传感器MLX90615感应额部温度。与传统接触式体温传感器相比，使用红外传感测温不需要接触皮肤，使用更简便，也有利于设备的小型化。体温监测电路原

理图如下图5所示。

图4 双向交替LED驱动电路原理图Fig4 Diagram of alternative LED driving circuit

图5 体温监电路原理图Fig5 Diagram of temperature monitoring circuit

1.2.4 姿态监测电路设计

人体活动﹑姿态对于了解睡眠状况和睡姿习惯，特别是对体动﹑起夜频度等具有重要价值。为此，我们进一步增加了姿态监测电路，选用Freescale公司MMA7660FC三维加速度传感器，通过对重力加速度g在X,Y,Z三轴方向上的分布和运动加速度信号特征进行分析，监测人体的活动和姿态。其中，活动强度取X,Y,Z三轴方向加速度信号的平方根。如图6所示，当人体站立时，g分布在X轴负方向；仰卧时，g分布在Z轴正方向；俯卧时，g分布在Z负方向；左侧卧时，g分布在Y轴负方向；右侧卧时，g分布在Y轴正方向。

图6 加速度监测坐标系统和电路原理图Fig6 Acceleration monitoring coordinate system and circuit

1.3 软件设计

睡眠监测头带中脑电﹑脉搏﹑体温﹑活动姿态信号的采集与传输由微处理器统一控制。我们选用飞思卡尔公司的Kinetis L15微控制器。该微处理器是一种新型的高性能﹑低功耗芯片，并且具有超低的功耗和最小5x5mm 32 QFN的封装，非常适合作为智能穿戴设备的主控芯片。整个多参数监测程序的流程如下图7所示。

图7 微处理器程序流程图Fig7 Flow chart of multi-parameter monitoring program

2 实验验证

我们重点对设计的脑电﹑PPG和姿态采集电路进行了功能性实验验证。

2.1 脑电实验

脑电实验测试者佩戴头带，分别采集睁眼和闭眼时的脑电波形，记录时长8秒钟。采集的脑电信号经放大﹑滤波后进行频谱分析，结果如下图8所示。其中，a是睁眼时的脑电，b是对其进行频谱分析的结果，c是闭眼时的脑电，d是对其进行频谱分析的结果。可以看出，在闭眼以后，α波（8-13Hz）的密度明显增加，这是由于闭眼放松后潜意识开始激发，所以α波开始增多。

图8 睁眼和闭眼的脑电对比图Fig8 EEG comparison of open and closed eyes

2.2 PPG实验

PPG实验测试者佩戴头带，交替采集红光和红外光照射时的PPG波形，获得波形如下图9所示。然后根据光子扩散方程以及朗伯比尔定律，推导计算血氧饱和度：

其中，别表示波长λ的光强交流分量及直流分量， As﹑Bs为血氧定标系数。

图9 红光和红外光PPG信号Fig9 PPG signal of red and infrared light

2.3 姿态实验

姿态实验测试者佩戴头带，依次做出站立﹑俯卧﹑左侧卧﹑仰卧﹑右侧卧五个状态，每个动作持续10s，采集加速度值。获得的XYZ轴的加速度波形如下图10所示。可以很清楚的辨别人体所处的姿态。

图10 不同姿态下XYZ轴加速度波形Fig10 Acceleration waveforms of XYZ axes under different postures

3 结论与讨论

睡眠与人体健康状态和许多疾病的发生密切相关，日常睡眠监测对于睡眠障碍疾病的早期发现与及时治疗具有重要的意义。针对现有穿戴式睡眠监测设备存在的不足，本文研制出了一种新型的多参数睡眠监测设备，在一根头带上就实现了脑电﹑血氧﹑体温和姿态多个参数的监测，进而有望很好解决现有设备无法同时实现睡眠分期和呼吸暂停事件的辨识。此外，新研制的设备还具有使用方便﹑佩戴舒适，支持无线通讯的特点。下一步我们将在现有工作基础上，重点开展睡眠状态分期﹑睡眠事件智能分析算法方面的研究。

[1] 俞梦孙, 张宏金.睡眠医学监测的新模式[J].中国医疗器械信息, 2003, 9(3): 4-6

[2] 王宁宇, 张娟.便携式睡眠监测仪发展现状[J].中国医学文摘耳鼻咽喉科学, 2010, 25(6): 302-304.

[3] 吴丹, 徐效文, 王磊, 等.穿戴式动态睡眠呼吸监测系统的设计[J].传感技术学报, 2010, 23(3): 322-325.

[4] 吴锋, 周玉彬, 成奇明, 等.便携式睡眠监测系统的研制[J].医疗卫生装备, 2008, 29(11): 20-22.

[5] 朱莹莹, 杨军, 刘常春, 等.基于光电容积脉搏波特征信息的睡眠呼吸事件判别[J].中国生物医学工程学报, 2008, 27(5): 679-683.

[6] 高丹丹,吴宝明. 一种新型远程无线睡眠监测治疗系统的设计与研发[J].野战外科通迅.2015,40(3):3-6.

[7] 叶大田, 李慧, 彭诚.振幅整合脑电图在正常睡眠脑电分期中的应用[J].清华大学学报: 自然科学版, 2014 (8): 1098-1104.

[8] 林秀晶, 夏勇明, 钱松荣.基于支持向量机及特征选择的单通道脑电波睡眠分期研究[J].生物医学工程学杂志, 2015, 32(3): 503-507.

[9]龚渝顺, 吴宝明, 高丹丹, 等.一种抗干扰穿戴式血氧饱和度监测仪的研制[J].传感技术学报, 2012, 25(1): 6-10.

[10] Houdas Y, Ring E F J.Human body temperature: its measurement and regulation[M].Springer Science & Business Media, 2013.

Development of A Novel Multi-parameter Sleep Monitoring Headband

Yan Bowen, Wu Baoming*, Gao Dandan, Lu YanYi, Wu Ruoyu
((Daping Hospital and Research Institute of Surgery, The Third Military Medical University, Chongqing 400042)

Objective: To develop a novel multi-parameter sleep monitoring headband.Methods: Based on surface EEG, reflective oximetry, infrared body temperature, three-dimensional acceleration sensing technology and Bluetooth communication technology and combined with miniature and low-power design to develop a multi-parameter sleep monitoring headband.Results: A new type of multi-parameter sleep monitoring headband for simultaneous monitoring of EEG, oxygen saturation, body temperature, activity and posture was developed.Conclusion: This new designed headband can be used for sleep monitoring in home environment and remote sleep monitoring system.It can also be used in tourism, scientific research, sports, health management and wartime ambulance.

wearable; sleep monitor; EEG; PSG

TH789 [Document Code] A

10.11967/2017150208

TH789

A DOI： 10.11967/2017150208

重庆市科技攻关项目（CSTC2011AC5114）和第三军医大学科技成果转化基金项目 (编号：2013XZH08)

严博文（1986—），实习研究员，现就职于第三军医大学大坪医院野战外科研究所，主要从事穿戴式医学仪器﹑远程医疗睡眠监测方面的研究。

吴宝明（1962—）,研究员，博士生导师，主要从事生物医学信号检测处理﹑医学仪器﹑野战救护器材装备和远程医疗方面的研究。

wbm@vip.163.com.