睡眠及呼吸檢測方法、裝置制造方法

睡眠及呼吸檢測方法、裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種睡眠及呼吸檢測方法、裝置。其中該裝置將RLD電極合并到采集ECG的RA，LA電極上，將呼吸采集需要的高頻的差分信號調制到RA，LA電極上，通過復用電極，用最少的電極同時獲取人體呼吸和心電信號。本發明能夠以較少的電極數量同時實現ECG信號和呼吸信號的采集，改善裝置的易用性，提高用戶使用體驗。
【專利說明】睡眠及呼吸檢測方法、裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及生理傳感器【技術領域】，具體涉及一種睡眠及呼吸檢測方法、裝置。
【背景技術】
[0002]隨著移動通信、體感網，傳感器等高新技術的發展，移動健康這一【技術領域】越來越顯示出廣闊的市場前景。在移動健康應用中，用戶通過可佩帶的各種生理傳感器自動采集如血壓、血氧、心率等人體的生理信號，并通過短距離無線通信傳送到用戶的手機；用戶手機對于接收到的人體生理信號進行分析處理，或者也可進一步把數據通過3G無線網絡傳輸到遠程的健康醫療服務商的數據中心(服務器)；實現利用手機客戶端或遠程健康醫療服務器進行對用戶活動以及身體健康狀態的判定，并將結果發送到專業醫療機構(如:醫院)以及用戶的親屬。
[0003]2007年，中國衛生部發布的健康信息報顯示，中國大約有3億人失眠，潛在的睡眠呼吸綜合癥(SAS)患者約有5千萬，且就診率不到1%。每夜7小時睡眠中呼吸暫停30次以上或每小時呼吸暫停5次以上就可認定為是睡眠呼吸綜合癥，并會導致或者加劇高血壓、中風、阻塞性心臟衰竭；失眠多夢以及白天嗜睡，專注度、認知能力下降；情緒不穩、暴躁易怒，間接導致精神疾病。
[0004]對睡眠和呼吸情況進行監護，能有效地監測和控制疾病的發展，但是大部分人對睡眠問題的不重視；醫院睡眠監測資源(床位)有限，經常一床難求；睡眠環境變化引入諸多其它干擾，這些問題都使得睡眠和呼吸障礙就診率低。
[0005]因此，在舒適的家庭進行自我睡眠監測的需求很強，但現有睡眠設備主要集中于醫院，價格昂貴且使用不便。因此，研制價格低廉，功能可靠且小型化，適用于家用的睡眠呼吸設備非常有必要。
[0006]日本百利達(TANITA)上市了墊子狀的睡眠監測器“Sle印Scan”，為鋪在床墊及被褥下面使用。測量的體征數據為睡眠中的呼吸、脈搏及身體動作。墊子采用緊貼著多根管子的構造，管子里充滿著水。其工作原理是，管子里的水將睡眠中的呼吸和脈搏引起的微弱振動以及體動捕捉下來并傳給壓力傳感器。將傳感器傳送出的呼吸、脈搏以及體動的混合信息，以信號處理電路加以分解，將信息分成呼吸、脈搏及體動三種數據輸出。輸出的數據保存在SD卡中，使用電腦專用軟件來分析。
[0007]Actigraph公司推出的ActiSleep睡眠監控解決方案，以及FitBit、Lark等睡眠監測類健康產品，通過腕帶式加速度計監測人體睡眠期間的活動信息，從而進一步分析睡眠狀態。可以用來篩選潛在的睡眠障礙，以及評估治療的價值。優點:設備簡單，成本低，采集方式對睡眠的影響小，缺點:只能區分醒/睡，不能區分REM/NREM，也不能分析呼吸暫停情況。
[0008]康泰醫學系統公司采用監測鼻氣流和血氧的方式進行睡眠呼吸監測。根據鼻氣流的幅值以及血氧濃度的變化判斷是否出現呼吸暫停或低通氣。優點是直接利用呼吸信號分析呼吸事件，缺點是采集過程不舒適。[0009]Zeo的睡眠監測產品利用頭帶等在腦部加載電極獲得腦電波，能夠分析深睡/淺睡/醒的睡眠基本結構，雖然準確率高，但佩戴不太方便。
[0010]Human Record的睡眠監測產品利用心率帶監測深睡/淺睡/醒的睡眠基本結構，雖然能夠監測ECG，但是無法同時監測呼吸信號，不能分析呼吸暫停情況。
[0011]現有技術不具備只通過2個電極就同時實現呼吸和心電數據的同步采集，大都需要用不同方式進行采集，用戶需要佩戴多個導聯線或者吸氣管，用戶體驗較差，夜間易脫落，使用不方便。
[0012]現有的采用心律帶式ECG采集方式雖然佩戴方便，便攜，但每個人的皮膚干燥程度不同，接觸阻抗不同，導致便攜式睡眠檢測設備采集的ECG信號大小不同，易造成誤判，必須有自動增益控制。單一通過信號幅度的反饋調整增益是不準確的，睡覺時的身體活動會干擾信號幅度，造成自適應增益控制的錯誤，例如，在睡眠中無意識的翻身都會使采集的ECG信號有大幅 度的干擾，而這種偽跡干擾在靜止之后就會消失，如果僅憑信號的大小來降低增益控制，勢必會使增益控制出現錯誤，使正常的ECG信號過小，信號質量過差，影響分析結果。

【發明內容】

[0013]有鑒于此，本發明實施例的目的是提供一種睡眠及呼吸檢測方法、裝置，能夠以較少的電極數量同時實現ECG信號和呼吸信號的采集，改善裝置的易用性，提高用戶使用體驗。
[0014]為解決上述技術問題，本發明提供方案如下:
[0015]一種睡眠及呼吸檢測方法，該方法包括:
[0016]米集獲得受試者的心電ECG的模擬電信號和呼吸信號的模擬電信號；
[0017]監測受試者的姿態變化并獲得受試者的運動加速度數據；
[0018]對ECG和呼吸的模擬電信號進行低噪聲放大處理并轉化為數字信號的ECG信號和呼吸信號；
[0019]對數字信號的ECG信號、呼吸信號以及運動加速度數據進行分析預處理和特征提取，獲得并保存睡眠和呼吸數據；
[0020]其中，所述低噪聲放大處理包括:
[0021]根據數字信號的ECG信號，計算信號質量指數和信號強度指數；
[0022]根據所述運動加速度數據，計算受試者的運動指數；
[0023]根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，計算用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號，并根據所述反饋信號進行所述低噪聲放大處理以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
[0024]優選地，上述方法中，所述根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，計算用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號，并根據所述反饋信號進行所述低噪聲放大處理以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值，具體包括:
[0025]設置增益控制的狀態機初始處于等待狀態，并在運動指數指示受試者處于活動狀態時，控制狀態機保持等待狀態；[0026]在運動指數指示受試者處于靜止狀態時:若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數小于其最大值的(k-2)/k，則控制狀態機進入增加增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長增加增益；若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數大于其最大值的(k_l)/k，則控制狀態機進入降低增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長降低增益；在信號質量指數優于預設閾值T時，控制狀態機進入鎖定狀態，指示心電呼吸采集模塊保持當前增益不變；
[0027]當RSSI大于其最大值的(k-2) /k,且小于其最大值的(k-1) /k時，若SQI小于閾值T，則控制狀態機進入等待狀態，不再進行增益修改；
[0028]當RSSI的值大于其歷史記錄值，控制狀態機從鎖定狀態中跳出，更新RSSI的最大值，然后進入初始等待狀態，重新進行增益調整，直到鎖定狀態，
[0029]其中，k為預先設置的判決系數。
[0030]優選地，上述方法中，所述采集獲得受試者的心電ECG的模擬電信號和呼吸信號的模擬電信號，包括:
[0031]將ECG采集的右腿驅動RLD電極合并到心電ECG采集的RA電極和LA電極上，以及將呼吸測量電極復用到ECG采集的RA電極和LA電極上；
[0032]獲得RA電極和LA電極上采集到的受試者的ECG信號并進行低通濾波，輸出ECG的模擬電信號，對RA電極和LA電極上采集到的呼吸信號進行低通濾波，輸出呼吸信號的模擬電信號。 [0033]優選地,上述方法中，還包括:
[0034]通過無線方式發送獲得的睡眠和呼吸數據；以及，
[0035]在滿足預設條件時休眠所述無線通信模塊。
[0036]本發明實施例還提供了一種睡眠及呼吸檢測裝置，括:
[0037]電極合并模塊，用于僅通過右肢RA電極和左肢LA電極采集受試者的心電ECG信號，并將右腿驅動RLD電極合并到ECG采集的RA電極和LA電極上，以抑制RA信號和LA信號的共模干擾；
[0038]ECG處理模塊，用于對RA電極和LA電極上采集到的ECG信號進行低通濾波，輸出ECG的模擬電信號；
[0039]呼吸處理模塊，用于將呼吸測量電極復用到ECG采集的RA電極和LA電極上，并對RA電極和LA電極上采集到的呼吸信號進行低通濾波，輸出呼吸信號的模擬電信號；
[0040]心電呼吸采集模塊，用于根據接收到的反饋信號，對ECG和呼吸的模擬電信號進行低噪聲放大并轉化為數字信號的ECG信號和呼吸信號后輸出；
[0041]運動檢測模塊，用于監測受試者的姿態變化并輸出運動加速度數據；
[0042]處理器，用于對數字信號的ECG信號、呼吸信號以及運動加速度數據進行分析預處理和特征提取，獲得并保存睡眠和呼吸數據；以及，根據數字信號的ECG信號，計算信號質量指數和信號強度指數；根據所述運動加速度數據，計算受試者的運動指數；根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，計算用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號并向所述心電呼吸采集模塊反饋，以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
[0043]優選地,上述裝置中，還包括:[0044]無線通信模塊，用于通過無線方式發送處理器獲取的睡眠和呼吸數據；
[0045]電源控制模塊，用于提供電源管理，在滿足預設條件時休眠所述無線通信模塊。
[0046]優選地，上述裝置中，所述電極合并模塊包括:
[0047]RLD電極、低通濾波電路、RA電極和LA電極，其中，
[0048]所述RLD電極連接至一低通濾波電路的輸入端，且所述低通濾波電路的輸出端通過第一電阻連接至RA電極，通過第二電阻連接至LA電極，其中第一電阻和第二電阻的阻值均為預先獲得的人體體表電阻值。
[0049]優選地，上述裝置中，所述呼吸處理模塊包括:
[0050]兩個差分信號輸入端，其中，
[0051]—個差分信號輸入端通過串聯的第一電阻、第一電容和第二電容連接至LA電極，且另設有一第三電容，其一端連接在第一電容和第二電容之間，另一端分別連接至一穩壓電路和作為輸出的呼吸測量電極IN1N_RESPP ；
[0052]另一差分信號輸入端通過串聯的第二電阻、第四電容和第五電容連接至RA電極，且另設有一第六電容，其一端連接在第四電容和第五電容之間，另一端分別連接至另一穩壓電路和作為輸出的呼吸測量電極IN1N_RESPN。
[0053]優選地， 上述裝置中，所述處理器包括:
[0054]信號質量計算模塊，用于根據心電呼吸采集模塊輸出的ECG信號，計算信號質量指數；
[0055]信號強度計算模塊，用于根據心電呼吸采集模塊輸出的ECG信號，計算信號強度指數；
[0056]運動狀態分類模塊，用于根據運動檢測模塊輸出的運動加速度數據，計算受試者的運動指數；
[0057]自動增益控制模塊，用于根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，向所述心電呼吸采集模塊反饋用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號，以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
[0058]優選地，上述裝置中，
[0059]所述自動增益控制模塊，具體用于:
[0060]設置增益控制的狀態機初始處于等待狀態，并在運動指數指示受試者處于活動狀態時，控制狀態機保持等待狀態；
[0061]在運動指數指示受試者處于靜止狀態時:若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數小于其最大值的(k-2)/k，則控制狀態機進入增加增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長增加增益；若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數大于其最大值的(k_l)/k，則控制狀態機進入降低增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長降低增益；在信號質量指數優于預設閾值T時，控制狀態機進入鎖定狀態，指示心電呼吸采集模塊保持當前增益不變；
[0062]當RSSI大于其最大值的(k-2) /k,且小于其最大值的(k-1) /k時，若SQI小于閾值T，則控制狀態機進入等待狀態，不再進行增益修改；
[0063]當RSSI的值大于其歷史記錄值，控制狀態機從鎖定狀態中跳出，更新RSSI的最大值，然后進入初始等待狀態，重新進行增益調整，直到鎖定狀態；[0064]其中，k表示預先設置的判決系數。
[0065]從 以上所述可以看出，本發明實施例提供的睡眠及呼吸檢測方法、裝置，能夠將RLD電極合并到采集ECG的RA，LA電極上，能夠將呼吸采集需要的高頻的差分信號調制到RA, LA電極上，通過復用電極，用最少的電極同時獲取人體呼吸和心電信號，以用于睡眠質量和呼吸暫停的分析，解決了傳統采集方式需要導聯線較多、使用不方便的問題，具有較好的用戶體驗，佩戴更舒適。并且，本發明實施例還可以基于信號質量指數和多模態分析的信號自動增益控制處理，自動通過分析信號質量指數，信號強度指數并利用加速度判斷人體的活動情況，對信號進行自適應放大，適合各種用戶，解決了由于用戶皮膚干燥程度不同導致的信號大小不同的問題，相比單一通過信號幅度的反饋調整增益的方法，抗干擾能力強，不受睡眠過程中翻身造成的增益控制干擾，并且在判斷無信號后，不再進行增益修改，避免增益控制無法鎖定導致采集設備的增益不穩定的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0066]圖1為本發明實施例提供的睡眠及呼吸檢測裝置的結構示意圖；
[0067]圖2為本發明實施例中電極合并模塊的一種電路硬件結構示意圖；
[0068]圖3為本發明實施例中呼吸處理模塊的一部分電路示意圖；
[0069]圖4為本發明實施例中呼吸處理模塊的另一部分電路示意圖；
[0070]圖5為本發明實施例中處理器的一種模塊示意圖；
[0071]圖6為本發明實施例中自動增益控制的算法狀態轉移圖。
【具體實施方式】
[0072]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細描述。
[0073]本發明實施例提供了一種睡眠及呼吸檢測裝置，能夠通過的兩個電極同時采集ECG和呼吸信號，并具備存儲、分析、無線傳輸能力，可以用來分析睡眠結構和呼吸暫停情況。
[0074]請參照圖1所示的本發明實施例提供的該裝置的模塊圖，具體包括:
[0075]電極合并模塊，用于僅通過右肢RA電極和左肢LA電極采集受試者的心電ECG信號，并將右腿驅動RLD電極合并到ECG采集的RA電極和LA電極上，以抑制RA信號和LA信號的共模干擾。
[0076]ECG處理模塊，用于對RA電極和LA電極上采集到的ECG信號進行低通濾波，輸出ECG的模擬電信號。
[0077]呼吸處理模塊，用于將呼吸測量電極復用到ECG采集的RA電極和LA電極上，并對RA電極和LA電極上采集到的呼吸信號進行低通濾波以減少工頻和肌電噪聲，輸出呼吸的模擬電信號。
[0078]心電呼吸采集模塊，用于根據接收到的反饋信號，對ECG和呼吸的模擬電信號進行低噪聲放大并轉化為數字信號的ECG信號和呼吸信號后輸出。
[0079]運動檢測模塊，用于監測受試者的姿態變化并輸出運動加速度數據。具體的，可以通過加速度傳感器對受試者睡眠過程中的姿態進行監測。[0080]處理器，控制其他各個模塊，用于對數字信號的ECG信號、呼吸信號以及運動加速度數據進行分析預處理和特征提取，獲得并保存睡眠和呼吸數據；以及，根據數字信號的ECG信號，計算信號質量指數和信號強度指數；根據所述運動加速度數據，計算受試者的運動指數；根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，計算用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號并向所述心電呼吸采集模塊反饋，以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
[0081]無線通信模塊，用于通過無線方式發送處理器獲取的睡眠和呼吸數據。
[0082]電源控制模塊，用于提供電源管理，在滿足預設條件時休眠所述無線通信模塊。
[0083]圖1所示的裝置還可以包括按鍵模塊，該按鍵模塊與電源控制模塊連接。
[0084]從以上結構可以看出，本發明實施例僅僅通過RA和LA兩個電極即實現了呼吸信號和ECG信號的同步采集，從而可以減少采集裝置所需的電極數量，方便用戶佩戴，提高了裝置的易用性，改善了用戶的使用體驗。
[0085]下面再結合附圖，對主要模塊作進一步的詳細說明。
[0086]本發明實施例的電極合并模塊具體可以包括:
[0087]RLD電極、低通濾波電路、RA電極和LA電極，其中，所述RLD電極連接至一低通濾波電路的輸入端，且所述低通濾波電路的輸出端通過第一電阻連接至RA電極，通過第二電阻連接至LA電極，其中第一電阻和第二電阻的阻值均為預先獲得的人體體表電阻值。
[0088]圖2提供了電極合并模塊的一種電路硬件結構，該結構采用了獨特的前端電路設計，實現了將ECG采集中必需的右腿驅動RLD (圖2中的ECG_RL)電極反饋到RA和LA電極上，可減少電極數量，使佩戴更方便。其中R9和Rl采用高精度的相同阻值的電阻，并選取和人體體表電阻接近的阻值，保證RLD以相同幅度反饋到RA、LA電極(圖2中的_RA和_LA)，使對RA、LA的共模抑制效果最佳，并且效果與電極直接連接到人體的效果相同，在減少RLD電極的同時，保證了信號質量和測量精度。電阻R13、R14、電容C15、C16組成一個低通濾波器，對信號中的工頻噪聲進行濾波，提高信號質量。圖2中還標示出了各個電氣元件的管腳I和管腳2，圖2中電阻R4未連接。圖2中還給出了電阻及電容的具體參數的示例，本發明并不局限于此。
[0089]如圖3、圖4所示，本發明實施例提供的呼吸處理模塊的一種具體電路實現，包括:
[0090]兩個差分信號輸入端(圖3中的RESP_M0DP和RESP_M0DN)，用于接收高頻的差分信號RESP_M0DP和RESP_M0DN。其中，一個差分信號輸入端(圖3中的RESP_M0DP)通過串聯的第一電阻R37、第一電容C42和第二電容C50連接至LA電極(圖3中的ELEC_LA)，且另設有一第三電容Cl，其一端連接在第一電容C42和第二電容C50之間，另一端分別連接至一穩壓電路和作為輸出的呼吸測量電極IN1N_RESPP。這里，穩壓電路包括連接至電源端的兩個串聯電阻R45和R66，第三電容Cl的另一端連接在兩個串聯電阻R45和R66之間。另一差分信號輸入端(圖3中的RESP_M0DN)通過串聯的第二電阻R38、第四電容和第五電容連接至RA電極，且另設有一第六電容，其一端連接在第四電容和第五電容之間，另一端分別連接至另一穩壓電路和作為輸出的呼吸測量電極IN1N_RESPN。圖3中還標示出了各個電氣元件的管腳I和管腳2，圖3中電阻R80和R81均為O歐姆。圖3中還給出了電阻及電容的具體參數的示例，本發明并不局限于此。
[0091]圖3、4中的電路，能夠將高頻的差分信號RESP_M0DP和RESP_M0DN調制到RA，LA電極(ELEC_LA、ELEC_RA)上，并通過復用RA、LA電極獲取人體呼吸信號。由于人體呼吸運動時，胸壁肌肉交變弛張，胸廓也交替變形引起胸腔容積的變化，由于阻抗變化與容積的變化成正比因而導致胸阻抗變化，這種變化會通過RA、LA電極與高頻差分信號RESP_MODP和RESP_MODN進行調制，然后傳到呼吸測量電極IN1N_RESPP和IN1N_RESPN上，其中Cl、C50、C42、C58、C60、C59用于濾除信號中的直流分量，R45、R66、R74、R79用于將輸出信號穩定在1.6V左右，以方便采集。
[0092]通過以上圖示的復用ECG電極的裝置，本發明實施例能夠有效減少接入人體的電極的數量，符合便攜式采集設備的應用需要，使佩戴和采集更方便。同時提供信號質量較好的同步的呼吸、ECG信號，使得設備可以對用戶睡眠過程中呼吸暫停、心臟情況進行同步監測。
[0093]如圖5所示，本發明實施例提供的處理器的一種模塊圖，具體包括:
[0094]信號質量計算模塊，用于根據心電呼吸采集模塊輸出的ECG信號，計算信號質量指數；
[0095]信號強度計算模塊，用于根據心電呼吸采集模塊輸出的ECG信號，計算信號強度指數；
[0096]運動狀態分類模塊，用于根據運動檢測模塊輸出的運動加速度數據，計算受試者的運動指數；
[0097]自動增益控制模塊，用于根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，向所述心電呼吸采集 模塊反饋用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號，以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
[0098]圖5中的自動增益控制模塊，具體用于:
[0099]設置增益控制的狀態機初始處于等待狀態，并在運動指數指示受試者處于活動狀態時，控制狀態機保持等待狀態；
[0100]在運動指數指示受試者處于靜止狀態時:若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數小于其最大值的(k-2)/k，則控制狀態機進入增加增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長增加增益；若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數大于其最大值的(k_l)/k，則控制狀態機進入降低增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長降低增益；在信號質量指數優于預設閾值T時，控制狀態機進入鎖定狀態，指示心電呼吸采集模塊保持當前增益不變；
[0101]當RSSI大于其最大值的(k_2)/k，且小于其最大值的(k_l)/k時，若SQI小于閾值T，則控制狀態機進入等待狀態，不再進行增益修改；
[0102]當RSSI的值大于其歷史記錄值，控制狀態機從鎖定狀態中跳出，更新RSSI的最大值，然后進入初始等待狀態，重新進行增益調整，直到鎖定狀態。
[0103]圖5中的自動增益控制模塊實現了對ECG信號的自動增益控制。處理器根據心電呼吸采集模塊采集的ECG信號，分別計算出信號質量指數SQI和信號強度指數RSSI，同時通過運動檢測模塊采集的運動加速度信號，計算出人體活動狀態的運動指數Movement，然后在自動增益控制模塊中計算出需要的增益Gain的大小，反饋給心電呼吸采集模塊進行增益控制。
[0104]可以看出，上述結構基于信號質量指數SQ1、信號強度RSSI和人體運動指數Movement綜合控制信號增益，利用SQI來衡量信號是否放大到最佳的倍數，以使得信號質量趨于最好；利用Movement判斷人體在睡眠中無意識的翻身動作，排除因動作干擾造成的信號增益控制的錯誤；利用RSSI衡量信號增益是否將信號強度控制在一個合理的范圍內，不會因為增益過大而造成信號飽和及信號質量下降，也不會因為增益過小而造成信號幅度太小檢測不到，同時信號的增益控制的閾值是根據RSSI的最大值來自適應變化的，大大提高控制算法的環境適應性。
[0105]圖6進一步給出了本發明實施例的基于多模態信號的自動增益控制的算法狀態轉移圖。增益控制過程中存在四種狀態:等待狀態、鎖定狀態、增加增益狀態、降低增益狀態。影響增益控制的參數主要有:
[0106]SQ1:信號質量指數，根據信號的某些特征來衡量測量信號質量的好壞的指數。例如，正常的ECG信號的頻譜、四階矩、幅度是分布在一個比較固定的范圍內，如果采集到的信號的這些特征超出了正常ECG信號的范圍，則可認定采集的信號達不到正常ECG信號的信號質量，SQI指數就會較低，不滿足的特征越多，SQI越低，以一個普遍的標準閾值T作為衡量信號質量是否達標的閾值，以此來衡量采集信號的信號質量，并作為增益控制的一個指標。這個標準閾值T是根據對醫學心電圖數據庫的預先采集的所有數據，計算其特征，并基于該特征進行統計判斷，得到的衡量人體心電圖信號質量的標準值。本發明實施例中，所有受試者的心電圖都基于這一標準閾值，該閾值具有普適性。
[0107]RSS1:信號強度指數，根據采集信號的滑動窗積分估計采集信號的平均信號強度，用來作為自動增益控制的一個指標。
[0108]Movement:人體的運動指數,根據運動加速度傳感器得到的人體佩戴設備時的加速度信號，計算三軸加速度數據的矢量和，并通過運動分類的算法，得到人體的運動情況，Movement=I表示人體有較大的起身和翻身活動，movement=0表示無明顯的起身和翻身活動，用來作為自動增益控制的一個指標。
[0109]在數據采集的開始時刻，增益設置為默認值，控制狀態機處于等待狀態。在任何狀態下，如果Movement=I,則狀態機都將進入等待狀態,不會修改增益,直到人體活動結束。處于靜止狀態(Movement=O)時,才開始根據相關條件進行增益控制。
[0110]靜止時(Movement=。)，在任何狀態下，當SQI小于閾值T，且RSSI小于其最大值的(k-2)/k，認為是由于增益過小，造成的信號質量較差，則從當前狀態進入增加增益狀態，增益倍數加I ;在任何狀態下，當SQI小于閾值T且RSSI大于其最大值的(k-1)/k，認為是由于增益過大，造成的信號飽和，質量較差，從當前狀態進入降低增益狀態，增益倍數減I ;在任何狀態下，當SQI大于T，認為信號質量較佳，此時狀態機進入鎖定狀態；
[0111]其中，k表示用戶預先設置的判決系數。該判決系數可以由用戶根據放大的效果靈活設置，例如，在放大效果不滿足預期時，通過調大或減小該系數，并判斷調整系數后的放大效果是否趨于預期，如此直至放大效果達到預期時，將最終得到的k值作為最終的判決系數。
[0112]當RSSI大于其最大值的(k-2)/k，且小于其最大值的(k-1)/k時，如果此時SQI小于閾值T，則認為增益已經處于比較合理的大小，但可能是由于佩戴脫落造成的無信號，已無法通過增益控制來改善信號質量，因此狀態機進入等待狀態，不再進行增益修改，直到出現信號為止。這樣可以避免因為一直無信號造成的增益控制無法鎖定，而使采集設備的增益控制不穩定，也可以降低控制開銷。
[0113]當RSSI的值大于其的歷史記錄值，狀態機就會從鎖定狀態中跳出，把相應值存入最大值寄存器，然后狀態機進入初始等待狀態，重新進行增益調整，直到鎖定狀態。此外，在對增益判決門限做自適應調整之前，門限初始值、增益初始值都可由用戶自行設定，使得系統可以根據需求適用于多種通信環境下。
[0114]作為一種優選實施方式，以上每次狀態切換都是在連續5秒內持續滿足相關條件下，才進行狀態轉換，以保證增益控制的穩定性，避免瞬時干擾造成增益控制錯誤。
[0115]基于以上裝置，本發明實施例還提供了一種睡眠及呼吸檢測方法，包括以下步驟:
[0116]步驟71，采集獲得受試者的心電ECG的模擬電信號和呼吸信號的模擬電信號。
[0117]具體的，可以將ECG采集的右腿驅動RLD電極合并到心電ECG采集的RA電極和LA電極上，以及將呼吸測量電極復用到ECG采集的RA電極和LA電極上；然后，獲得RA電極和LA電極上采集到的受試者的ECG信號并進行低通濾波，輸出ECG的模擬電信號，對RA電極和LA電極上采集到的呼吸信號進行低通濾波，輸出呼吸的模擬電信號
[0118]步驟72，監測受試者的姿態變化并獲得受試者的運動加速度數據。
[0119]具體的，可以通過加速度傳感器來獲得上述運動加速度數據。
[0120]步驟73，對ECG和呼吸的模擬電信號進行低噪聲放大處理并轉化為數字信號的ECG信號和呼吸信號。
[0121]步驟74，對數字信號的ECG信號、呼吸信號以及運動加速度數據進行分析預處理和特征提取，獲得并保存睡眠和呼吸數據。
[0122]這里，上述步驟73中的低噪聲放大處理具體包括:
[0123]步驟731，根據數字信號的ECG信號，計算信號質量指數和信號強度指數；
[0124]步驟732，根據所述運動加速度數據，計算受試者的運動指數；
[0125]步驟733，根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，計算用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號，并根據所述反饋信號進行所述低噪聲放大處理以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
[0126]上述方法還可以包括以下步驟:
[0127]通過無線方式發送處理器獲取的睡眠和呼吸數據；以及，
[0128]在滿足預設條件時休眠所述無線通信模塊。
[0129]上述步驟731中，對ECG和呼吸的模擬電信號的放大進行增益控制，又具體可以包括:
[0130]設置增益控制的狀態機初始處于等待狀態，并在運動指數指示受試者處于活動狀態時，控制狀態機保持等待狀態；
[0131]在運動指數指示受試者處于靜止狀態時:若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數小于其最大值的(k_2)/k，則控制狀態機進入增加增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長增加增益 ；若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數大于其最大值的(k_l)/k，則控制狀態機進入降低增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長降低增益；在信號質量指數優于預設閾值T時，控制狀態機進入鎖定狀態，指示心電呼吸采集模塊保持當前增益不變；[0132]當RSSI大于其最大值的(k-2)/k，且小于其最大值的(k-1)/k時，若SQI小于閾值T，則控制狀態機進入等待狀態，不再進行增益修改；
[0133]當RSSI的值大于其歷史記錄值，控制狀態機從鎖定狀態中跳出，更新RSSI的最大值，然后進入初始等待狀態，重新進行增益調整，直到鎖定狀態。
[0134]綜上，本發明實施例能夠解決現有市場對便攜式家庭睡眠監護設備的需求較強，但現有便攜式家庭睡眠監護產品具有佩戴不舒適、不能通過2個電極同時采集呼吸和心電來分析睡眠、導聯線較多使用不方便的問題，能夠僅通過的兩個電極同時采集ECG和呼吸信號，并具備存儲、分析、無線傳輸能力，可以用來分析睡眠結構和呼吸暫停情況。并且，本發明實施例還可以基于信號質量指數和多模態分析的信號自動增益控制方法，自動通過分析信號質量指數，并利用加速度判斷人體的活動情況，對信號進行自適應放大。適合各種用戶，同時抗干擾能力強。
[0135]以上所述僅是本發明的實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種睡眠及呼吸檢測方法，其特征在于，該方法包括: 采集獲得受試者的心電ECG的模擬電信號和呼吸信號的模擬電信號； 監測受試者的姿態變化并獲得受試者的運動加速度數據； 對ECG和呼吸的模擬電信號進行低噪聲放大處理并轉化為數字信號的ECG信號和呼吸信號; 對數字信號的ECG信號、呼吸信號以及運動加速度數據進行分析預處理和特征提取，獲得并保存睡眠和呼吸數據； 其中，所述低噪聲放大處理包括: 根據數字信號的ECG信號，計算信號質量指數和信號強度指數； 根據所述運動加速度數據，計算受試者的運動指數； 根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，計算用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號，并根據所述反饋信號進行所述低噪聲放大處理以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，計算用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號，并根據所述反饋信號進行所述低噪聲放大處理以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值，具體包括: 設置增益控制的狀態機初始處于等待狀態，并在運動指數指示受試者處于活動狀態時，控制狀態機保持等待狀態； 在運動指數指示受試者處于靜止狀態時:若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數小于其最大值的(k_2)/k，則控制狀態機進入增加增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長增加增益；若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數大于其最大值的(k-l)/k，則控制狀態機進入降低增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長降低增益；在信號質量指數優于預設閾值T時，控制狀態機進入鎖定狀態，指示心電呼吸采集模塊保持當前增益不變； 當RSSI大于其最大值的(k-2)/k，且小于其最大值的(k-l)/k時，若SQI小于閾值T，則控制狀態機進入等待狀態，不再進行增益修改； 當RSSI的值大于其歷史記錄值，控制狀態機從鎖定狀態中跳出，更新RSSI的最大值，然后進入初始等待狀態，重新進行增益調整，直到鎖定狀態， 其中，k為預先設置的判決系數。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集獲得受試者的心電ECG的模擬電信號和呼吸信號的模擬電信號，包括: 將ECG采集的右腿驅動RLD電極合并到心電ECG采集的RA電極和LA電極上，以及將呼吸測量電極復用到ECG采集的RA電極和LA電極上； 獲得RA電極和LA電極上采集到的受試者的ECG信號并進行低通濾波，輸出ECG的模擬電信號，對RA電極和LA電極上采集到的呼吸信號進行低通濾波，輸出呼吸信號的模擬電信號。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 通過無線方式發送獲得的睡眠和呼吸數據；以及，在滿足預設條件時休眠所述無線通信模塊。
5.一種睡眠及呼吸檢測裝置，其特征在于，包括: 電極合并模塊，用于僅通過右肢RA電極和左肢LA電極采集受試者的心電ECG信號，并將右腿驅動RLD電極合并到ECG采集的RA電極和LA電極上，以抑制RA信號和LA信號的共模干擾； ECG處理模塊，用于對RA電極和LA電極上采集到的ECG信號進行低通濾波，輸出ECG的模擬電信號； 呼吸處理模塊，用于將呼吸測量電極復用到ECG采集的RA電極和LA電極上，并對RA電極和LA電極上采集到的呼吸信號進行低通濾波，輸出呼吸信號的模擬電信號； 心電呼吸采集模塊，用于根據接收到的反饋信號，對ECG和呼吸的模擬電信號進行低噪聲放大并轉化為數字信號的ECG信號和呼吸信號后輸出； 運動檢測模塊，用于監測受試者的姿態變化并輸出運動加速度數據； 處理器，用于對數字信號的ECG信號、呼吸信號以及運動加速度數據進行分析預處理和特征提取，獲得并保存睡眠和呼吸數據；以及，根據數字信號的ECG信號，計算信號質量指數和信號強度指數；根據所述運動加速度數據，計算受試者的運動指數；根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，計算用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號并向所述心電呼吸采集模塊反饋，以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括: 無線通信模塊，用于通過無線方式發送處理器獲取的睡眠和呼吸數據； 電源控制模塊，用于提供電源管理，在滿足預設條件時休眠所述無線通信模塊。
7.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述電極合并模塊包括: RLD電極、低通濾波電路、RA電極和LA電極，其中， 所述RLD電極連接至一低通濾波電路的輸入端，且所述低通濾波電路的輸出端通過第一電阻連接至RA電極，通過第二電阻連接至LA電極，其中第一電阻和第二電阻的阻值均為預先獲得的人體體表電阻值。
8.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述呼吸處理模塊包括: 兩個差分信號輸入端，其中， 一個差分信號輸入端通過串聯的第一電阻、第一電容和第二電容連接至LA電極，且另設有一第三電容，其一端連接在第一電容和第二電容之間，另一端分別連接至一穩壓電路和作為輸出的呼吸測量電極IN1N_RESPP ； 另一差分信號輸入端通過串聯的第二電阻、第四電容和第五電容連接至RA電極，且另設有一第六電容，其一端連接在第四電容和第五電容之間，另一端分別連接至另一穩壓電路和作為輸出的呼吸測量電極IN1N_RESPN。
9.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述處理器包括: 信號質量計算模塊，用于根據心電呼吸采集模塊輸出的ECG信號，計算信號質量指數；信號強度計算模塊，用于根據心電呼吸采集模塊輸出的ECG信號，計算信號強度指數；運動狀態分類模塊，用于根據運動檢測模塊輸出的運動加速度數據，計算受試者的運動指數；自動增益控制模塊，用于根據信號質量指數、信號強度指數和受試者的運動指數，向所述心電呼吸采集模塊反饋用于對ECG和呼吸的模擬電信號進行增益控制的反饋信號，以使得信號質量指數和信號強度指數趨于各自預設的最佳值。
10.如權利要求5所述的裝置，其特征在于， 所述自動增益控制模塊，具體用于: 設置增益控制的狀態機初始處于等待狀態，并在運動指數指示受試者處于活動狀態時，控制狀態機保持等待狀態； 在運動指數指示受試者處于靜止狀態時:若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數小于其最大值的(k-2) /k,則控制狀態機進入增加增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長增加增益；若信號質量指數優于預設閾值T，且信號強度指數大于其最大值的(k-l)/k，則控制狀態機進入降低增益狀態，指示心電呼吸采集模塊按照預設步長降低增益；在信號質量指數優于預設閾值T時，控制狀態機進入鎖定狀態，指示心電呼吸采集模塊保持當前增益不變； 當RSSI大于其最大值的(k-2)/k，且小于其最大值的(k-l)/k時，若SQI小于閾值T，則控制狀態機進入等待狀態，不再進行增益修改； 當RSSI的值大于其歷史記錄值，控制狀態機從鎖定狀態中跳出，更新RSSI的最大值，然后進入初始等待狀態，重新進行增益 調整，直到鎖定狀態； 其中，k表示預先設置的判決系數。
【文檔編號】A61B5/0402GK103908241SQ201210593523
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年12月31日 優先權日:2012年12月31日
【發明者】王 義, 張志鵬, 許利群, 高飛 申請人:中國移動通信集團公司