基于陶瓷壓電傳感器的睡眠檢測系統*

彭 昊， 彭 敏， 趙 林， 周清峰， 安 寧

(1.合肥工業大學 工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

呼吸頻率和翻身頻率是衡量睡眠質量的重要生理數據[1～6]，呼吸頻率反映了睡眠過程中機體供氧量的需求變化，翻身頻率反映了睡眠過程中的安定程度，二者直接反映了睡眠過程中的睡眠品質。檢測睡眠過程中的呼吸、翻身等生理參數，同時不影響睡眠的舒適度，成為現代家用和醫療養老機構的重要需求。目前呼吸信號檢測多采用接觸式或入侵式的檢測方法[7]：即將傳感器和人體相連接進行呼吸信號的采集[8]。但利用該類設備進行檢測過程繁瑣，同時會給被檢測人員帶來不便，影響睡眠過程中的舒適性和睡眠質量。

基于上述需求，本文基于分析睡眠過程中的身體動作情況，設計了一種基于陶瓷壓電傳感器的床墊式睡眠硬件檢測系統，并提出了一種呼吸—翻身檢測算法針對睡眠過程中的呼吸—翻身動作進行檢測，并對翻身過程中的呼吸次數進行補償，測量精確的呼吸翻身次數。將設計的陶瓷壓電傳感器放置于乳膠床墊下進行檢測與使用，系統具有較好的舒適性和非接觸性，結構簡單適合于家用與療養機構使用，實現了快捷方便的睡眠監測與翻身檢測功能。

1 系統硬件設計

系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

系統由壓電傳感器條，核心電路板和乳膠床墊3部分組成。其中,壓電傳感器條由2條均勻排布的陶瓷壓電傳感器的傳感器條構成，測量時，將壓電傳感器放置于乳膠床墊的下面，2條壓電傳感器交錯均勻排布在床墊的橫向方向，并放置于使用者的胸部或腹部的水平下方，使用者在睡眠時，無論是呼吸動作還是翻身動作均可由壓電傳感器感知使用者的動作狀態。

使用者在睡眠過程中的呼吸動作會對床墊下的陶瓷壓電傳感器產生一個壓力，此時，壓電傳感器會產生一個與呼吸動作變化相符的微電信號[9，10]，并輸入核心電路板中。核心電路板通過硬件濾波放大模塊，產生適合于算法處理的信號進入核心控制模塊。核心控制模塊通過算法處理得出呼吸次數與翻身次數。

1.1 核心控制模塊

核心控制模塊包括電源管理部分、采樣芯片、處理芯片。采樣芯片選用意法半導體公司的STM32L151芯片，為壓電傳感器提供了信號采樣和處理的基本環境。處理芯片為STM32F303，將采樣芯片選取的壓電傳感器信號通過設計的呼吸—翻身檢測算法進行處理。上述核心控制模塊為硬件系統運行的核心模塊，為系統運行提供了基本的環境。

1.2 壓電信號采集部分

壓電信號采集部分由壓電傳感器條和濾波放大電路組成。壓電傳感器采用陶瓷壓電傳感器，其電氣特性主要表現為對微弱壓力的變化比較敏感[11，12]，呼吸動作對壓電傳感器的動作壓力會產生一個0～300 mV的動作電位。為使傳感器的動作電位信號與采樣芯片模/數(analog-to-digital,A/D)轉換器的輸入電平范圍匹配，設計采用10倍運放電路。再經過工頻陷波電路將采樣信號輸入采樣芯片STM32L151進行模/數轉換。

1.3 實物效果

將壓電傳感器條用封裝套置于乳膠傳感器條之下，可以減小壓力動作過大而產生的截止現象，有助于呼吸動作和翻身動作等生理信號的檢測。同時采用2根壓電傳感器條放置于使用者的胸部和腹部位置，可以捕捉更大范圍的呼吸翻身的動作電平信號。現場測試圖如圖2(a)所示，系統實物圖如圖2(b)所示。

圖2 現場測試與系統實物

2 睡眠檢測算法設計

2.1 通道選擇算法

正常成年人的呼吸頻率為15～20次/min，急促呼吸狀態下的頻率可達30次/min以上，壓電傳感器在呼吸壓力較大的點會出現截止的情況，所以，在進行呼吸判別時要選用截止較少的通道作為選用的通道。在平穩呼吸的過程中壓電傳感器距離胸腔越近壓電傳感器越容易產生電平截止的現象，選擇時為了捕捉更多的信號信息，要選擇截止盡量少且波動幅度大的信號。

通道選擇算法步驟如下：接收到經過工頻濾波和運放電路后壓電傳感器的信號表示為Cha，來自每一個壓電傳感器的信號為Ch，即Cha={Ch1,Ch2,Ch3,…,ChN},其中，N為系統壓電傳感器的總數。系統采樣率為f，每幀的采樣周期為1 min，則1 min內的采樣點數為60f，通道在一幀測量周期內的截止數量T表示，即T={T1,T2,T3,…,TN}。

標準差反映了數據的波動程度，信號波動程度越大的通道越容易提取其中有效生理信息，采用標準差來判斷每幀內信號的波動程度。限定截止信號的數量L，即Ti

(1)

式中 1幀信號的數據量為60f。u為周期內電壓信號的均值。

2.2 呼吸檢測算法

呼吸動作的原始信號中混雜著諸如心率信號、體動信號等使信號具有非周期性、波動性，需要對信號進行濾波和篩選處理以獲取相對平滑的信號。呼吸檢測算法步驟如下：

1)對于通道選擇算法選取的通道Chi的原始信號，采用中值濾波，進行平滑處理選取左右的中值濾波

(2)

式中N為中值濾波的窗值。

2)由于正常人的呼吸波頻率在0.1～0.5 Hz間，為了檢測到包括極端情況在內的呼吸波，設置帶通濾波器的通帶為0.1～1 Hz。對于中值濾波后的信號采用4階巴特沃茲濾波器濾除60 Hz以上信號，可以獲取到較為平滑的濾除頻帶外信號波形。

3)對濾波后的信號，設定判定呼吸波信號的上升閾值TH1與下降閾值TH2。

4)判別呼吸動作：當濾波后的信號超過閾值TH1，再次低于閾值TH2時，記錄為1次呼吸動作BreathNum，并記錄下2次閾值TH1和TH2之間的間隔值的數目IntervalTime。

5)將60f個信號點中的呼吸動作數BreathNum作為1 min內的呼吸次數輸出，并求出第1 min內每次呼吸間隔值IntervalTime,求均值用于補償算法。

2.3 翻身判別補償算法

睡眠過程中的翻身動作會產生一個較大的壓力變化，對應于壓電傳感器的電平信號則為產生一個時間較長的截止信號，之后出現電平的下降。同時對于翻身時間內的呼吸動作，上述的呼吸動作檢測算法無法檢測，因此，采用呼吸補償算法來補償翻身動作下的呼吸次數。翻身算法及呼吸補償算法的步驟如下：

1)設定翻身判別的截止信號的閾值為TH3，記錄顯著翻身動作的截止信號點的起點閾值為Start，結束點閾值的信號為End；

2)記錄Start～End之間的信號點數SignalNum；

3)判別SignalNum的值是否大于TH3，若大于，則認為為一次翻身動作。

4)若判別為1次翻身動作，記錄Start～End之間的點數SignalNum，除以IntervalTime(之前1 min呼吸數據)對其向下取整后記錄為補償的呼吸數據。

2.4 算法流程

睡眠檢測算法的流程如圖3所示，采集的原始信號Channel經過通道選擇算法,輸出用于計算呼吸和翻身的通道信號Chi，將通道信號Chi經過通道選擇算法、呼吸檢測算法與翻身判別補償算法得到周期內測試者的呼吸數BreathNum與翻身次數TurnNum。

圖3 睡眠檢測算法流程

3 測試實驗

通過采集不同測試者在睡眠中的數據進行分析來驗證算法的正確性。其中分為平靜呼吸測試與翻身狀態下的呼吸與翻身測試，系統的采樣率為100 Hz，即每1 s每個通道采樣100只傳感器的電壓ADC數值。

3.1 平靜測試

圖4 平靜測試結果

3.2 翻身測試

測試者帶有翻身動作的原始壓電信號選擇通道6，如圖5(a)所示。通道數據經過中值濾波后的波形如圖5(b)所示。

圖5 翻身測試結果

3.3 測試結果

表1為測試者的呼吸、翻身數與實際值的比較。

表1 測試者呼吸翻身檢測結果

4 結 論

實驗結果表明，系統對呼吸判別的準確率高達96 %，翻身檢測的準確率高達95.5 %。同時，使用者在睡眠過程中壓電傳感器放置于乳膠床墊下，睡眠時，與壓電傳感器非接觸式測量，使系統具有較好的檢測舒適性。對于平靜狀態及翻身狀態下的呼吸檢測和翻身檢測都具有較高的準確度并且具有較好的工程實用性。