一種非接觸式基于心沖擊圖的睡眠監測裝置

陳培敏 田楊萌 王彩霞 王宏偉 郝少華 張浩

摘 要：睡眠質量是身體健康與否的重要因素。睡眠監測的意義在于利用準確的數據對睡眠狀況進行有效分析，找出影響睡眠的因素，利于疾病預測及治療。文中對睡眠質量監測的現狀進行整理，介紹了一種新型非接觸式基于心沖擊圖的睡眠質量監測裝置，并分析了其應用和前景。

關鍵詞：睡眠監測；多導睡眠監測儀；非接觸式；心沖擊圖

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

中國睡眠研究會發布的2017年中國睡眠現狀報告顯示，24.6%的居民在睡覺這件事上“不合格”，高達94.1%的人的睡眠與良好水平存在差距[1]。大量研究表明，睡眠狀況與心腦血管疾病、糖尿病、呼吸疾病、精神障礙等多種慢性病緊密相關。中國睡眠研究會還表示，約80%重大交通事故的發生與司機睡眠不足有關，長時間不睡覺駕車的肇事風險“等同于醉酒駕車”。由此可見，睡眠質量與身體健康狀況、人身安全息息相關，其監測應引起我們的重視。

1 睡眠質量監測儀的發展現狀

睡眠監測始于20世紀80年代中期，到90年代中期，出現了許多一次僅能記錄一個使用者睡眠狀況的家用睡眠監測儀，但參數簡單且比較笨重，記錄的數據需存儲在卡帶上，最長可記錄8小時的數據。而當前階段的家庭睡眠監測（HST）已可用于常規診斷阻塞性呼吸暫停等疾病[2]。

市場上的主流睡眠監測產品主要有兩種：一種是基于多導睡眠的監測儀；另一種是基于體動記錄的監測儀。

多導睡眠監測是當今睡眠醫學中的一項重要技術，主要用于睡眠障礙疾病臨床診斷，在世界睡眠研究界被稱為 “金標準”。它可以連續、同步地描記血氧飽和度、腦電、心電、眼動、腿動、脈搏、呼吸頻率、鼾聲、頜部肌肉活動情況、呼吸氣流及胸腹部的呼吸運動等指標，對于診治各種睡眠障礙相關疾病、保障人們健康發揮著越來越重要的作用。

多導睡眠監測儀由主機、顯示器、放大器、采集盒、EEG/ECG/EOG/EMG傳感器、胸腹運動傳感器、熱敏氣流傳感器、血氧傳感器、體位傳感器、信號電纜、隔離電源組成[3]，能夠檢測所有常規睡眠參數以及脈搏、PTT血壓等。多導睡眠監測儀如圖1 所示。

目前，雖然已有90%的三甲醫院配備了多導睡眠監測儀，可開展睡眠監測服務，但需要專門的設備和環境，且費用昂貴，專業的醫師技師資源相對匱乏，且陌生的環境也會影響睡眠監測的結果。因此，去醫院測試睡眠質量存在種種不便。

近年來，隨著基于體動記錄的睡眠監測技術的快速發展，小型化的睡眠監測儀水平不斷提高，睡眠質量的監測成為了可穿戴產品的一個重要關注點。目前市場上已有較多基于可穿戴設備的睡眠監測裝置，如智能手環、智能手表等。其原理是以加速度傳感器為監測裝置，先設定一個閾值，然后提取加速度傳感器的數據特征，將提取的特征與設定的閾值作比較，計算出活動計數，再對活動計數加權疊加算出一定時間段的估值，作為判斷用戶睡眠質量的依據。此種方法應用最廣泛，但最大的缺點是佩戴感不佳。除此之外，由于獲得的信號單一，識別準確度不高，因此監測數據存在偏差。為了克服睡眠時佩戴不舒適的缺點，將一些睡眠監測產品做成帶狀，平鋪在床上，以監測使用者睡眠時的翻身情況。這種產品的最終形態是將其功能集成在床墊或床上，使用更方便。但目前成本過于高昂，且依然難以克服識別率低的困難。

因此應提取更多能反映睡眠狀態的生理特征信號，結合更多的信號進行分析，提高睡眠質量監測的準確度。

2 基于加速度傳感器的心沖擊圖的睡眠監測儀

2.1 BCG原理

本文介紹了一種由日本村田制作所2014年推出的基于加速度傳感器的心沖擊圖（Ballistocardiography，BCG）睡眠監測儀[4]。其原理既不同于多導睡眠監測儀，也不同于基于體動記錄的監測儀。BCG是20世紀30年代由美國賓夕法尼亞大學心臟病學教授Isaac，Starr和Yandell Henderson發現的，它是一種非侵入式通過圖形界面準確描述心臟每次搏動所噴射血液對人體向上運動作用的醫療技術。其原理是當人體心臟每次搏動并噴發血液時，會引起身體微小的機械變動，通過加速度傳感器對此微小機械量進行測量，便能得到與心臟搏動相對應的周期性變化力學圖像[5]。BCG圖像中的不同部分分別代表了心臟一次完整搏動的不同階段，攜帶大量人體心臟的生理信息，從而可能對人體潛藏的病患進行分析，起到健康監護的作用。

BCG獲取的是人體皮膚的機械振動信號，而ECG心電圖反映的是心臟興奮的產生、傳導和恢復過程中生物電的變化，兩者的工作方式和原理完全不同。BCG和ECG心電圖如圖2所示。從圖2可以看出，BCG的主要波峰有H，I，J，K等，其構成的HIJK波群與心臟射血功能關系密切[6]。而ECG的一次心動周期只包含一個P波、一個QRS波群和一個T波[7]。與心電圖相比，BCG圖像中可提取出較多生理指標，如心率、泵血、心率變異性、呼吸率等，在預測方面比ECG更為可靠。

圖3（a）所示為一名正常男性測試者的BCG和ECG信號，圖3（b）為一名男性冠心病患者的BCG和ECG信號，同時該患者還存在室性早搏現象（t = 3 s 附近）。從圖3（b）中可以看出，ECG室性早搏發生后第一個BCG的波幅明顯降低，幾乎無法識別，而在之后的補償階段，BCG各波峰都有明顯的增高[8]。

BCG心沖擊圖通過間接接觸人體的方式測得人體心臟機能指標，不會打亂人們的正常作息，即使在工作狀態下也可以進行監測。而心電圖的獲取還需要導聯在患者身上，對患者生活造成了較大影響。

2.2 兩款BCG睡眠監測產品

村田制作所推出的BCG睡眠監測儀集成了超低噪和噪音帶的3D MEMS加速度傳感器SCA61T，MCU和模數轉換等器件，同時在MCU內搭載了解調算法，從檢測到的多項生理指標中分析睡眠相關項，實現睡眠監測[9]。同時，該BCG睡眠監測儀還可根據要求輸出特定的數據，如需心率的數據可直接輸出。該監測方式不必接觸人體，只需將裝置安放在穩定的地方即可，如床、桌、椅上等。

3D MEMS（3D Micro Electro Mechanical System，3D MEMS）稱為3維微機電系統，創造性地結合相關技術，將硅材料加工成3維結構并進行密封，使之便于安裝和組裝，具有精度高、單位體積小、功耗低的特點。這種被裝配在微小硅材料內部的先進傳感器能夠對相互垂直的3個軸向加速度進行測量。

村田制作所推出的睡眠監測傳感器有兩種，即SCA10H和SCA11H。村田muRata SCA10H無線床鋪傳感器是一款搭載了傳感器和微控制器的PCB模版，主要面向醫療設施和設備供應商，可進行二次開發。SCA10H模塊如圖4所示。

村田muRata SCA11H是一款包含了BCG傳感器、微型控制器、WiFi一體化的無線床鋪心率測量傳感器，主要面向軟件解決方案和服務提供商、OEM系統集成商，可直接使用，也可根據需求進行軟件開發。SCA11H模塊如圖5所示。

將SCA11H傳感器放置在床鋪下，可測得人體睡覺時的呼吸頻率、呼吸時間、脈沖等生物信號，從而分析睡眠狀態。SCA11H節點采用WiFi IEEE 802.11b/g/n網絡，由BCG傳感器、微控制器、WiFi組成，SCA10H模塊搭載傳感器和PCB模塊。SCA11H傳感器節點可在10～55 ℃的條件下工作，輸出電壓為8.5～9.5 V，靜態電流為50～60 mA，脈沖檢測率為40～120 bpm，尺寸和便攜式充電寶大致相同。

這個安裝在床上的SCA11H傳感器節點利用了BCG原理，當患者心臟跳動時，從主動脈流向動脈的血液會使身體產生反作用力，通過超高靈敏度的加速度傳感器能夠捕捉到患者在床上引起床體振動的微弱信號，再通過微型控制器中編入的算法提取需監測的信號。

2.3 BCG的其他應用

BCG在健康監測方面有著非常好的前景。人體BCG信號攜帶的生理信息非常豐富，通過算法提取的諸如心率、泵血、脈搏間隔、呼吸率、心率變異性等指標，往往和人體疾病如心臟病、消化系統疾病、免疫系統等健康狀況息息相關。通過對泵血值的研究，醫學人員可判斷使用者是否有患高血壓的風險；通過對脈博間隔的研究，醫學人員可知道使用者心臟早搏的概率；通過對呼吸率的研究，結合體溫和血壓監測，醫學人員可對使用者進行睡眠監測和呼吸監測；通過對心率變異性的研究，醫學人員可知道患者是否有傷口感染，發現早期糖尿病的征兆。

沃爾沃公司已在汽車上集成了BCG功能，以幫助車主遠程監測是否有竊賊進入車內或是否將嬰兒遺漏在車內等。利用BCG原理，當有竊賊進入車內時，加速度傳感器會捕捉到竊賊在車內引起的機械振動，通過WiFi網絡通知車主。

3 結 語

本文介紹了一種非接觸式基于心沖擊圖的睡眠監測裝置，此裝置無需導聯，操作簡單，成本低，可在養老院住院部、家中臥室、病房等安靜的睡眠環境中進行睡眠監測。運動健康監測功能是催生可穿戴行業高速增長的關鍵。隨著移動互聯網的不斷發展，村田制作所的BCG結合無線通信技術，讓智能城市、遠程醫療不再遙遠。在今后的養老院中，只需配備服務臺就可實現各床位人員的健康監測。將這種基于BCG的監測裝置安裝在輪椅上，利用無線通信技術可實時監測輪椅上的患者或殘疾人的健康狀況。這種非接觸式的睡眠監測產品無需導聯皮膚，在家即可方便經濟地監測睡眠質量，也可用于監測嬰兒的呼吸、翻身狀況和睡眠質量等，受到了廣大家庭的青睞，應用前景廣闊。

參考文獻

[1] 中國經濟網.“健康睡眠 遠離慢病”2017年中國睡眠日主題發布[EB/OL]. （2017-03-20）[2017-08-10] http：//health.ce.cn/news/201703/20/t20170320_4985210.shtml.

[2] WOLSKI C A，王詩誼.家庭睡眠檢測（HST）的過去、現在及未來[J].世界睡眠醫學雜志，2017，4（2）：90-93.

[3] 百度百科.多導睡眠監測系統[EB/OL].[2017-08-10]https：//baike.baidu.com/item/ 多導睡眠監測系統/8220152？fr=aladdin.

[4] 電子信息產業網.心臟的智能防護衣-村田制作所BCG心臟沖擊掃描方案[J/OL]. （2014-08-19）[2017-09-10]http：//semi.cena.com.cn/2014-08/19/content_239075.htm.

[5] 物聯網在線.基于加速度傳感器的心臟沖壓掃描模塊使得該健康監測技術得以實現[EB/OL]. （2015-06-02）[2017-09-10]http：//www.iot-online.com/IC/sensor/2015/060226797.html.

[6] INAN O T， ETEMADI M， WIARD R M， et al. Robust ballistocardiogram acquisition for home monitoring [J].Physiological measurement，2009，30（2）：169.

[7] 董紅生.心電波形監測與心率變異性分析方法研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學，2012.

[8] 曹欣榮，劉蕾，蔡東陽，等.心沖擊圖特征統計及其醫學診斷應用[J].清華大學學報（自然科學版），2014（5）：633-637.

[9] 村田制作所.村田智能BCG方案-打造主動健康監測[EB/OL]. （2014-10-14）[2017-08-20]http：//www.dzsc.com/data/2014-10-14/107004.html.

[10] 歐瓊，高興林，鄭勤偉.便攜式睡眠監測與多導睡眠監測兩種方法的應用比較[J].國外醫學（呼吸系統分冊），2005，25（8）：561-562.