睡眠呼吸暫停綜合征患者的智能監(jiān)測服飾研究

唐 茜, 潘 洋, 劉 艷, 任思曼

(湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院,武漢 430000)

隨著社會(huì)的發(fā)展,人們已越來越注重于健康監(jiān)測的問題,但傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)施已經(jīng)無法滿足人類社會(huì)對(duì)于更有效檢測人體數(shù)據(jù)的需求。與此同時(shí),智能服裝科技在醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)重大突破,讓傳統(tǒng)服裝和電子技術(shù)相融合而產(chǎn)生的智能健康監(jiān)測服飾,不僅是人們對(duì)健康監(jiān)測方面的技術(shù)創(chuàng)新,更是為傳統(tǒng)服裝發(fā)展提供新的思路[1]。

睡眠呼吸暫停綜合征(SAS)是指在夜間入睡時(shí)呼吸氣流完全停止10 s以上,呼吸氣流相對(duì)一般的基礎(chǔ)氣流水平下降了50%以上,且常伴隨著血氧飽和度降低4%以上的情況[2]。血氧飽和度降低會(huì)造成較大的影響,主要包括心腦血管疾病、中樞神經(jīng)類疾病及內(nèi)分泌、消化系統(tǒng)疾病,甚至與腫瘤疾病相關(guān)[3]。部分心血管疾病患者甚至?xí)l(fā)生在夜間猝死的情形,嚴(yán)重影響了病人的生命質(zhì)量。所以,及時(shí)地發(fā)現(xiàn)與處理呼吸暫停綜合征能有效提高病人的健康狀況。目前對(duì)呼吸暫停綜合征的臨床監(jiān)測最為廣泛的設(shè)備為多導(dǎo)睡眠儀(PSG),但多導(dǎo)睡眠儀操作較為復(fù)雜[4],在PSG監(jiān)測過程中需要患者整夜躺在病床上,等待監(jiān)測結(jié)果(通過醫(yī)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究,最終得出患者是否患有睡眠呼吸暫停綜合征),且進(jìn)行監(jiān)測的價(jià)格昂貴,患者負(fù)擔(dān)較重不易于推廣,無法使眾多患者得到及時(shí)的診斷。取代PSG檢查方式的有通過動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)檢查的人體心率變化性(HRV)檢查法[5],但該種檢查方式的缺點(diǎn)之一就是要求病人必須長期佩帶心電電極,導(dǎo)致患者行動(dòng)不便、睡眠舒適度不足,以及造成皮膚過敏等情況。

本文通過將電子元件融合進(jìn)成衣中的方式,解決了病人無法準(zhǔn)確掌握自己病情的問題,通過智能服飾系統(tǒng)可對(duì)人體鼾音、血氧飽和度等生理信息進(jìn)行檢測[6],將數(shù)據(jù)上傳至手機(jī)APP后確定用戶是否出現(xiàn)睡眠呼吸綜合征,得到相關(guān)的健康報(bào)告,并進(jìn)行后續(xù)相關(guān)預(yù)警。

1 睡眠呼吸暫停綜合征患者需求分析

睡眠呼吸暫停綜合征患者往往并不能清晰地了解自身病情,并且患者基數(shù)較大,范圍較廣。在前期調(diào)研中,分別針對(duì)50名睡眠呼吸暫停綜合征患者對(duì)智能監(jiān)控服飾的生理需求、心理需求及使用需求,采取了調(diào)查問卷、用戶訪談的研究方式,得到了患者的主要需求。通過對(duì)用戶調(diào)研結(jié)果(圖1)進(jìn)行分析后,本文得出以下主要需要:1) 智能服飾的安全性,即穿著時(shí)安全,對(duì)人體無副作用;2) 穿著舒適性,即面料舒適,電子元件融合進(jìn)衣物無異物感;3) 監(jiān)測的準(zhǔn)確性,即能準(zhǔn)確地監(jiān)測睡眠時(shí)鼾聲數(shù)據(jù)及血氧飽和度數(shù)據(jù);4) 衣物的美觀性,即穿著樣式要美觀好看。

圖1 用戶調(diào)研結(jié)果Fig.1 User research results

2 智能監(jiān)測服飾設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)思路

智能服飾的研制不僅要充分考慮衣物的舒適性、透氣性,同時(shí)智能服飾還要實(shí)時(shí)監(jiān)控打鼾人群在睡眠時(shí)的血氧飽和度及鼾聲次數(shù),因此需要融合信息感知交互與服裝設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的智能睡衣包括睡衣本體,藍(lán)牙通訊模塊,血氧監(jiān)測傳模塊和鼾聲識(shí)別模塊,電池模塊,手機(jī)App等組件。通過監(jiān)測得到的睡眠生理數(shù)據(jù),如人體血氧飽和度、打鼾狀況,分析出人體當(dāng)前睡眠狀況,來確定是否有睡眠呼吸暫停綜合征的癥狀。圖2為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框架。

圖2 智能服飾系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Block diagram of intelligent clothing system design

如圖2所示,藍(lán)牙通訊模塊在智能服飾和智能終端中起到承上啟下的作用,電池模塊提供電源;血氧飽和度傳感器進(jìn)行血氧的監(jiān)測,記錄人體的血氧率。鼾聲模塊會(huì)識(shí)別并監(jiān)測人體打呼頻率,能直接反映患者當(dāng)前人體生理參數(shù),并通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)至手機(jī)App。Arduino Min Pro開發(fā)板提供與智能終端通信的藍(lán)牙接口,打包并整合已收集各種傳感器采集的人體數(shù)據(jù)信息,暫存在Arduino Mini Pro開發(fā)板的內(nèi)部。當(dāng)監(jiān)測收集到的數(shù)據(jù)包總量達(dá)到設(shè)置閾值時(shí)[7],傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)包到智能終端,并顯示結(jié)果以供查看和警示。整個(gè)系統(tǒng)基于智能服飾結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,迎合了現(xiàn)代新型醫(yī)療監(jiān)測方式,為進(jìn)一步研究科學(xué)睡眠提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 智能監(jiān)測服飾的設(shè)計(jì)

在滿足患者基本的實(shí)用性、舒適性、美觀性等需求的前提下,智能服飾設(shè)計(jì)還需要涉及信息技術(shù)、交互技術(shù)、服裝設(shè)計(jì)、面料選擇等服裝制作領(lǐng)域。智能檢測服飾與傳統(tǒng)服飾設(shè)計(jì)相比,不僅要確保用戶穿著的舒適度、成衣面料材質(zhì)、色彩運(yùn)用、外觀造型外,還要兼顧智能服飾的面料與電子元件融合的有效性[8]。

本實(shí)驗(yàn)服裝使用的是素縐緞(杭州方大絲綢有限公司)[9]。素縐緞的主要優(yōu)點(diǎn)之一在于緞面光滑柔軟細(xì)致,所以當(dāng)患者穿著時(shí)也會(huì)更為舒適,同時(shí)光澤又更為天然溫和,當(dāng)患者貼身穿著時(shí)就算出汗也不會(huì)沾身。因?yàn)樗乜U緞具有柔軟細(xì)致的手感,而且還有著不錯(cuò)的懸垂性,所以素縐緞較適用于制作睡袍。在實(shí)驗(yàn)中利用素縐緞制作的成衣與電子元件結(jié)合合適,智能服飾在設(shè)計(jì)時(shí)既能保證貼合人體部分的舒適度、易穿度,又不會(huì)影響智能服裝的監(jiān)測效果,在收集完成人體數(shù)據(jù)時(shí),由內(nèi)置的傳感器獲取信息,觸發(fā)相應(yīng)的提醒裝置。

本文設(shè)計(jì)的智能服飾追求自然和諧、積極向上的生活理念,在款式上采用藍(lán)色底色、白色花紋,滿足睡眠舒適感款式應(yīng)為寬松、舒適透氣,但是傳感器需要與人體手腕接觸,確保測量的準(zhǔn)確。因此,在測量袖口處使用了黏扣設(shè)計(jì),測量時(shí)可自主調(diào)節(jié)松緊,讓智能裝置鑲嵌在袖口軟體子母面料中,在成衣袖口內(nèi)部緊貼病人手腕。衣物圖案設(shè)計(jì)元素則是提取自黃梅挑花中的丹鳳朝陽圖案[10],丹鳳朝陽圖案為中國傳統(tǒng)文化的祥瑞圖案之一,丹鳳朝陽有圓滿、祥瑞、前途光明的寓意。服飾領(lǐng)口設(shè)計(jì)了一款和刺繡圖標(biāo)一樣大小的暗袋,暗扣封口,使聲音傳感器不易滑落,又能準(zhǔn)確探測鼾聲。這樣的設(shè)計(jì)既美觀又體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)文化,也寄予了患者早日康復(fù)的意義,聲音傳感器不用時(shí)可以取下,便于成衣洗滌。智能服飾成衣從外形上更加美觀,在布料選用上也更加舒適,既保證了服飾在滿足患者需求的前提下,又充分考慮了工藝的連貫性和可行性,產(chǎn)品設(shè)計(jì)科學(xué)合理,并保證了成衣面料和電子元件的完美融合,與成衣整體美觀和諧,其質(zhì)量檢測效果良好。智能服飾監(jiān)測模塊主要分為電源供電模塊、開發(fā)板處理數(shù)據(jù)模塊、鼾聲數(shù)據(jù)采集模塊,血氧飽和度采集模塊及無線傳輸模塊。智能服飾款式結(jié)構(gòu)及其模塊分布如圖3所示。

圖3 智能服飾樣式設(shè)計(jì)Fig.3 Smart clothing style design

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)上主要包括鼾聲數(shù)據(jù)收集模塊設(shè)計(jì)及血氧飽和度采集模塊設(shè)計(jì),其中鼾聲數(shù)據(jù)收集模塊主要由鼾聲數(shù)據(jù)采集電路組成和主要控制芯片Arduino Mini Pro(7 mm×13 mm)構(gòu)成。MAX9814(3.1 mm×3.1 mm)[11]作為鼾聲數(shù)據(jù)采集電路,是一種低成本高性能麥克風(fēng)的放大集成電路,帶有自動(dòng)增益控制器(AGC),電源電壓限制范圍2.7～5.5 V,并內(nèi)含2 V的低噪音麥克風(fēng)偏置。麥克風(fēng)主要用來收集噪聲,通過輸入、輸出設(shè)備接入控制器,并利用鼾聲采集電路收集人入睡時(shí)的噪聲,然后利用嵌入式微控制器對(duì)所收集噪聲進(jìn)行相應(yīng)算法的處理,進(jìn)而測量出鼾聲。

血氧飽和度采集模塊主要由血氧飽和度芯片和主控芯片Arduino Mini Pro組成,其中血氧飽和度采集芯片采用MAX30102(5.6 mm×3.3 mm×1.55 mm)傳感器。電壓范圍為2.5～5.5 V,MAX30102傳感器使用光電容積法進(jìn)行血氧飽和度的采集,同時(shí)微控制器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)算法處理就可以得到血氧飽和度[12]。目前市面上常用的血氧飽和度測量方法主要有三類:第一類是直接從心電信號(hào)中獲得;第二類是在測量血壓時(shí)壓力傳感器所測到的波動(dòng)來計(jì)算脈率;第三類是光電容積法。傳統(tǒng)的通過心電信號(hào)提取數(shù)據(jù),或者是計(jì)算脈搏測量方法提取信號(hào)都將影響使用者的日?；顒?dòng),在監(jiān)測時(shí)長期使用不僅將增加患者生理上的不適,還會(huì)增加心理上的負(fù)擔(dān)。而光電容積法脈搏測量作為監(jiān)護(hù)測量中最常用的方法之一,優(yōu)點(diǎn)在于使用方法簡單、攜帶方便、可監(jiān)測性高等,用于智能服飾的血氧飽和度采集十分合適。同時(shí)根據(jù)血氧飽和度的定義,其公式為:

(1)

式中:S為血氧飽和度,%;C為血紅蛋白容量,g/L。

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目需求分析,手機(jī)App軟件主要由“睡眠、記錄、我的”三個(gè)板塊構(gòu)成。第一個(gè)板塊是睡眠板塊(圖4(a)),主要功能為連接智能服飾設(shè)備,用戶點(diǎn)擊開始睡眠按鍵可開始夜間的睡眠記錄功能;同時(shí)還設(shè)置有專家專欄,可讓用戶在睡前了解睡眠呼吸綜合征相關(guān)資訊。第二個(gè)板塊是記錄板塊(圖4(b)),主要功能為記錄睡眠時(shí)血氧飽和度情況,打鼾情況如圖4(c)所示,在監(jiān)測芯片檢測到血氧飽和度下降幅度超過4%時(shí)會(huì)引發(fā)報(bào)警系統(tǒng),如圖4(d)所示;App開啟振動(dòng)功能,提醒用戶醒來,以免出現(xiàn)窒息危險(xiǎn),根據(jù)記錄情況生成睡眠報(bào)告,判斷是否有呼吸暫停綜合征風(fēng)險(xiǎn),并給出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)(優(yōu)秀、正常、低風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)),高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)提醒用戶盡快就醫(yī),如圖4(e)所示。第三個(gè)板塊為我的板塊,主要功能為用戶基本信息記錄、設(shè)備連接、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、反饋與意見、設(shè)置等功能,如圖4(f)所示。

圖4 手機(jī)APP界面Fig.4 Mobile APP interface

5 智能監(jiān)測服飾的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與評(píng)價(jià)

5.1 智能監(jiān)測服飾的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的智能服飾監(jiān)測的準(zhǔn)確性,本文選取了10名受試者,男性與女性各5名。首先進(jìn)行智能服裝功能性測試,包括血氧飽和度實(shí)驗(yàn)和鼾聲測試實(shí)驗(yàn);最后為了驗(yàn)證智能服飾實(shí)際穿著時(shí)判斷的準(zhǔn)確性,進(jìn)行了夜間7 h睡眠的呼吸暫停綜合征的綜合性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)所得出結(jié)論與PSG診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的方法和Matlab軟件建立的回歸方程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)意義驗(yàn)證。具體實(shí)驗(yàn)照片如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Experimental photographs

為了驗(yàn)證智能服飾所測的血氧飽和度的功能性和準(zhǔn)確性,本文使用MD300C23維德醫(yī)療家用血氧檢測儀進(jìn)行同步檢測,并將得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為模擬正常睡眠姿態(tài)及睡眠姿勢對(duì)測量血氧飽和度的影響,血氧飽和度測試實(shí)驗(yàn)選取了10名受試者穿著智能服飾分別保持仰臥姿勢20 s、屏息仰臥姿勢20 s、側(cè)臥姿勢20 s、屏息側(cè)臥姿勢20 s、俯臥姿勢20 s及屏息俯臥姿勢20 s,并測試10次求取平均值。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 血氧飽和度測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Oxygen saturation test results

由圖6可知,智能服飾的檢測結(jié)果與維德醫(yī)療家用血氧檢測儀的測試結(jié)果基本一致,符合睡眠呼吸監(jiān)測產(chǎn)品技術(shù)審評(píng)規(guī)范(2016版)中“血氧飽和度85%～100%范圍,絕對(duì)誤差≤±2%;70%～85%范圍,絕對(duì)誤差≤±3%”的要求,由此驗(yàn)證了本文智能服飾對(duì)于血氧飽和度檢測的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,仰臥、側(cè)臥及俯臥差異性不大,因血氧飽和度傳感器位于手腕處,受睡姿因素影響不大,同時(shí)證明在睡姿改變后智能服飾仍能對(duì)血氧飽和度進(jìn)行準(zhǔn)確采集。

鼾聲識(shí)別測試實(shí)驗(yàn)選取模擬安靜的睡眠環(huán)境,利用實(shí)際入睡環(huán)境條件,選取10段含有2 min以上鼾聲片段的錄音進(jìn)行鼾聲識(shí)別測試。而有關(guān)于鼾聲次數(shù)的標(biāo)定,則通過人工對(duì)錄音進(jìn)行鼾聲數(shù)量記錄,可以得出最終的鼾聲識(shí)別的準(zhǔn)確率。測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 鼾聲識(shí)別測試結(jié)果Fig.7 Snore recognition test results

通過實(shí)驗(yàn)可得,智能服飾所測量的鼾聲數(shù)據(jù)和人工標(biāo)定的鼾聲數(shù)據(jù)對(duì)比得到,準(zhǔn)確率大于95%,可以滿足正常使用需求。根據(jù)圖7中10組數(shù)據(jù)建立回歸方程,得出相關(guān)系數(shù)c1≈0.99(c1為鼾聲識(shí)別相關(guān)系數(shù)),接近于1,說明本文智能服飾系統(tǒng)硬件識(shí)別效果較好,可滿足用戶需求。

為了測試真實(shí)睡眠環(huán)境下智能服飾監(jiān)測的準(zhǔn)確性,10名測試者中5人有夜間打鼾癥狀,基本信息和健康狀況如表1所示。

表1 受試者基本情況Tab.1 The basic situation of the subjects

對(duì)每位受試者穿著智能服飾進(jìn)行7 h夜間睡眠實(shí)驗(yàn)測試,對(duì)睡眠呼吸暫停綜合征疾病進(jìn)行識(shí)別,測試結(jié)果如表2所示。

表2 睡眠呼吸暫停綜合征測試結(jié)果Tab.2 Sleep apnea syndrome test results

睡眠呼吸暫停綜合征測試結(jié)果表明,智能服飾監(jiān)測系統(tǒng)檢測到用戶睡眠時(shí)正在打鼾,同時(shí)血氧飽和度下降幅度超過4%,則智能服飾監(jiān)測系統(tǒng)便能夠自動(dòng)識(shí)別出該打鼾者是否出現(xiàn)呼吸暫停癥狀,App端會(huì)發(fā)出預(yù)警提醒,并可提供遠(yuǎn)程掛號(hào)醫(yī)療等服務(wù)。但對(duì)于未打鼾的用戶,在監(jiān)測到其血氧飽和度下降時(shí),則可能是患有心血管或者高血壓等疾病,App后續(xù)會(huì)進(jìn)一步提醒去醫(yī)院檢查。對(duì)于正在打鼾但血氧下降不明顯的患者,系統(tǒng)則識(shí)別為正常打鼾;血氧飽和度下降不明顯,且未打鼾者,智能服飾系統(tǒng)識(shí)別為睡眠正常,App則不做額外提醒。

為了驗(yàn)證睡眠呼吸暫停綜合征識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文對(duì)序號(hào)1、2、4、6、10這5名測試者進(jìn)行PSG檢測,得到對(duì)照數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 智能服飾識(shí)別對(duì)照結(jié)果Tab.3 Intelligent clothing recognition control results

由表3可知,智能服飾識(shí)別結(jié)果和PSG監(jiān)測結(jié)果一致,但無法和PSG監(jiān)測一樣,對(duì)其嚴(yán)重程度作出判斷分級(jí),但該智能服飾可以滿足居家使用時(shí)前期呼吸睡眠暫停綜合征的初步篩選,達(dá)到警示需求。

5.2 智能監(jiān)測服飾的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

將實(shí)驗(yàn)10人受試者平均分為兩組,一組佩戴PSG監(jiān)測裝備入眠,另一組穿著智能服飾入眠,分別對(duì)比前后感受,結(jié)果如表4所示。

表4 對(duì)比結(jié)果Tab.4 Comparison results

由表4可知,從入睡舒適度、安全性、皮膚敏感度、美觀性4個(gè)方面來看,穿著智能服飾的受試者比使用傳統(tǒng)PSG的受試者在使用感受上更加舒適、安全,不易過敏且穿著美觀。

本文智能服飾通過可穿戴智能監(jiān)測設(shè)備滿足了潛在呼吸睡眠綜合征患者的監(jiān)控提醒需求,把日常睡衣作為載體,加強(qiáng)整體的便捷性,但缺點(diǎn)在于未能做出分級(jí)判斷,上傳數(shù)據(jù)后小幾率出現(xiàn)誤報(bào)情況。針對(duì)未能做出分級(jí)判斷這一問題,后期將建立用戶醫(yī)療連接平臺(tái),上傳數(shù)據(jù)至專科醫(yī)生系統(tǒng)端,?？漆t(yī)生對(duì)其進(jìn)行分級(jí)判斷并反饋給用戶。而小幾率誤報(bào)來自于用戶夜間睡眠突發(fā)情況,如外界噪音和夜間驚醒等因素都會(huì)影響數(shù)據(jù)的采集和判斷。針對(duì)這一情況,后期考慮為系統(tǒng)升級(jí)增強(qiáng)監(jiān)測精度,減少環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響,更加精準(zhǔn)監(jiān)測用戶睡眠狀況,以達(dá)到減少誤報(bào)的目的。

6 結(jié) 語

本文旨在開發(fā)一款實(shí)時(shí)監(jiān)測血氧飽和度和鼾聲次數(shù)的智能服飾,將血氧飽和度與睡眠時(shí)的鼾聲相結(jié)合并將傳感器植入服裝中的最佳位置,設(shè)計(jì)了智能服飾的硬件和軟件。智能服飾監(jiān)測的結(jié)果可在App上顯示,用戶可以隨時(shí)查看結(jié)果。通過多人實(shí)驗(yàn)對(duì)智能服飾進(jìn)行了實(shí)際測試,驗(yàn)證了智能服飾對(duì)呼吸睡眠暫停綜合征檢測的有效性和準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)在以下方面還需繼續(xù)完善:由于疫情實(shí)驗(yàn)室進(jìn)出管制嚴(yán)格,未能進(jìn)行大量人群測試,最終只選取了10人作為測試對(duì)象,后期會(huì)進(jìn)行多人及更長周期的穿著睡眠測試;未來本設(shè)計(jì)可連接互聯(lián)網(wǎng),將數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)療專用平臺(tái)。綜上所述,本文智能服飾的研發(fā)過程與應(yīng)用,為居家人群辨別呼吸暫停綜合征的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了借鑒與參考依據(jù),其舒適性、可穿戴性、準(zhǔn)確性、美觀性及如何更好滿足客戶需求是今后研究的主要方向。

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