一种非接触式基于心冲击图的睡眠监测装置

陈培敏 田杨萌 王彩霞 王宏伟 郝少华 张浩

摘 要：睡眠质量是身体健康与否的重要因素。睡眠监测的意义在于利用准确的数据对睡眠状况进行有效分析，找出影响睡眠的因素，利于疾病预测及治疗。文中对睡眠质量监测的现状进行整理，介绍了一种新型非接触式基于心冲击图的睡眠质量监测装置，并分析了其应用和前景。

关键词：睡眠监测；多导睡眠监测仪；非接触式；心冲击图

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

中国睡眠研究会发布的2017年中国睡眠现状报告显示，24.6%的居民在睡觉这件事上“不合格”，高达94.1%的人的睡眠与良好水平存在差距[1]。大量研究表明，睡眠状况与心脑血管疾病、糖尿病、呼吸疾病、精神障碍等多种慢性病紧密相关。中国睡眠研究会还表示，约80%重大交通事故的发生与司机睡眠不足有关，长时间不睡觉驾车的肇事风险“等同于醉酒驾车”。由此可见，睡眠质量与身体健康状况、人身安全息息相关，其监测应引起我们的重视。

1 睡眠质量监测仪的发展现状

睡眠监测始于20世纪80年代中期，到90年代中期，出现了许多一次仅能记录一个使用者睡眠状况的家用睡眠监测仪，但参数简单且比较笨重，记录的数据需存储在卡带上，最长可记录8小时的数据。而当前阶段的家庭睡眠监测（HST）已可用于常规诊断阻塞性呼吸暂停等疾病[2]。

市场上的主流睡眠监测产品主要有两种：一种是基于多导睡眠的监测仪；另一种是基于体动记录的监测仪。

多导睡眠监测是当今睡眠医学中的一项重要技术，主要用于睡眠障碍疾病临床诊断，在世界睡眠研究界被称为 “金标准”。它可以连续、同步地描记血氧饱和度、脑电、心电、眼动、腿动、脉搏、呼吸频率、鼾声、颌部肌肉活动情况、呼吸气流及胸腹部的呼吸运动等指标，对于诊治各种睡眠障碍相关疾病、保障人们健康发挥着越来越重要的作用。

多导睡眠监测仪由主机、显示器、放大器、采集盒、EEG/ECG/EOG/EMG传感器、胸腹运动传感器、热敏气流传感器、血氧传感器、体位传感器、信号电缆、隔离电源组成[3]，能够检测所有常规睡眠参数以及脉搏、PTT血压等。多导睡眠监测仪如图1 所示。

目前，虽然已有90%的三甲医院配备了多导睡眠监测仪，可开展睡眠监测服务，但需要专门的设备和环境，且费用昂贵，专业的医师技师资源相对匮乏，且陌生的环境也会影响睡眠监测的结果。因此，去医院测试睡眠质量存在种种不便。

近年来，随着基于体动记录的睡眠监测技术的快速发展，小型化的睡眠监测仪水平不断提高，睡眠质量的监测成为了可穿戴产品的一个重要关注点。目前市场上已有较多基于可穿戴设备的睡眠监测装置，如智能手环、智能手表等。其原理是以加速度传感器为监测装置，先设定一个阈值，然后提取加速度传感器的数据特征，将提取的特征与设定的阈值作比较，计算出活动计数，再对活动计数加权叠加算出一定时间段的估值，作为判断用户睡眠质量的依据。此种方法应用最广泛，但最大的缺点是佩戴感不佳。除此之外，由于获得的信号单一，识别准确度不高，因此监测数据存在偏差。为了克服睡眠时佩戴不舒适的缺点，将一些睡眠监测产品做成带状，平铺在床上，以监测使用者睡眠时的翻身情况。这种产品的最终形态是将其功能集成在床垫或床上，使用更方便。但目前成本过于高昂，且依然难以克服识别率低的困难。

因此应提取更多能反映睡眠状态的生理特征信号，结合更多的信号进行分析，提高睡眠质量监测的准确度。

2 基于加速度传感器的心冲击图的睡眠监测仪

2.1 BCG原理

本文介绍了一种由日本村田制作所2014年推出的基于加速度传感器的心冲击图（Ballistocardiography，BCG）睡眠监测仪[4]。其原理既不同于多导睡眠监测仪，也不同于基于体动记录的监测仪。BCG是20世纪30年代由美国宾夕法尼亚大学心脏病学教授Isaac，Starr和Yandell Henderson发现的，它是一种非侵入式通过图形界面准确描述心脏每次搏动所喷射血液对人体向上运动作用的医疗技术。其原理是当人体心脏每次搏动并喷发血液时，会引起身体微小的机械变动，通过加速度传感器对此微小机械量进行测量，便能得到与心脏搏动相对应的周期性变化力学图像[5]。BCG图像中的不同部分分别代表了心脏一次完整搏动的不同阶段，携带大量人体心脏的生理信息，从而可能对人体潜藏的病患进行分析，起到健康监护的作用。

BCG获取的是人体皮肤的机械振动信号，而ECG心电图反映的是心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中生物电的变化，两者的工作方式和原理完全不同。BCG和ECG心电图如图2所示。从图2可以看出，BCG的主要波峰有H，I，J，K等，其构成的HIJK波群与心脏射血功能关系密切[6]。而ECG的一次心动周期只包含一个P波、一个QRS波群和一个T波[7]。与心电图相比，BCG图像中可提取出较多生理指标，如心率、泵血、心率变异性、呼吸率等，在预测方面比ECG更为可靠。

图3（a）所示为一名正常男性测试者的BCG和ECG信号，图3（b）为一名男性冠心病患者的BCG和ECG信号，同时该患者还存在室性早搏现象（t = 3 s 附近）。从图3（b）中可以看出，ECG室性早搏发生后第一个BCG的波幅明显降低，几乎无法识别，而在之后的补偿阶段，BCG各波峰都有明显的增高[8]。

BCG心冲击图通过间接接触人体的方式测得人体心脏机能指标，不会打乱人们的正常作息，即使在工作状态下也可以进行监测。而心电图的获取还需要导联在患者身上，對患者生活造成了较大影响。

2.2 两款BCG睡眠监测产品

村田制作所推出的BCG睡眠监测仪集成了超低噪和噪音带的3D MEMS加速度传感器SCA61T，MCU和模数转换等器件，同时在MCU内搭载了解调算法，从检测到的多项生理指标中分析睡眠相关项，实现睡眠监测[9]。同时，该BCG睡眠监测仪还可根据要求输出特定的数据，如需心率的数据可直接输出。该监测方式不必接触人体，只需将装置安放在稳定的地方即可，如床、桌、椅上等。

3D MEMS（3D Micro Electro Mechanical System，3D MEMS）称为3维微机电系统，创造性地结合相关技术，将硅材料加工成3维结构并进行密封，使之便于安装和组装，具有精度高、单位体积小、功耗低的特点。这种被装配在微小硅材料内部的先进传感器能够对相互垂直的3个轴向加速度进行测量。

村田制作所推出的睡眠监测传感器有两种，即SCA10H和SCA11H。村田muRata SCA10H无线床铺传感器是一款搭载了传感器和微控制器的PCB模版，主要面向医疗设施和设备供应商，可进行二次开发。SCA10H模块如图4所示。

村田muRata SCA11H是一款包含了BCG传感器、微型控制器、WiFi一体化的无线床铺心率测量传感器，主要面向软件解决方案和服务提供商、OEM系统集成商，可直接使用，也可根据需求进行软件开发。SCA11H模块如图5所示。

将SCA11H传感器放置在床铺下，可测得人体睡觉时的呼吸频率、呼吸时间、脉冲等生物信号，从而分析睡眠状态。SCA11H节点采用WiFi IEEE 802.11b/g/n网络，由BCG传感器、微控制器、WiFi组成，SCA10H模块搭载传感器和PCB模块。SCA11H传感器节点可在10～55 ℃的条件下工作，输出电压为8.5～9.5 V，静态电流为50～60 mA，脉冲检测率为40～120 bpm，尺寸和便携式充电宝大致相同。

这个安装在床上的SCA11H传感器节点利用了BCG原理，当患者心脏跳动时，从主动脉流向动脉的血液会使身体产生反作用力，通过超高灵敏度的加速度传感器能够捕捉到患者在床上引起床体振动的微弱信号，再通过微型控制器中编入的算法提取需监测的信号。

2.3 BCG的其他应用

BCG在健康监测方面有着非常好的前景。人体BCG信号携带的生理信息非常丰富，通过算法提取的诸如心率、泵血、脉搏间隔、呼吸率、心率变异性等指标，往往和人体疾病如心脏病、消化系统疾病、免疫系统等健康状况息息相关。通过对泵血值的研究，医学人员可判断使用者是否有患高血压的风险；通过对脉博间隔的研究，医学人员可知道使用者心脏早搏的概率；通过对呼吸率的研究，结合体温和血压监测，医学人员可对使用者进行睡眠监测和呼吸监测；通过对心率变异性的研究，医学人员可知道患者是否有伤口感染，发现早期糖尿病的征兆。

沃尔沃公司已在汽车上集成了BCG功能，以帮助车主远程监测是否有窃贼进入车内或是否将婴儿遗漏在车内等。利用BCG原理，当有窃贼进入车内时，加速度传感器会捕捉到窃贼在车内引起的机械振动，通过WiFi网络通知车主。

3 结 语

本文介绍了一种非接触式基于心冲击图的睡眠监测装置，此装置无需导联，操作简单，成本低，可在养老院住院部、家中卧室、病房等安静的睡眠环境中进行睡眠监测。运动健康监测功能是催生可穿戴行业高速增长的关键。随着移动互联网的不断发展，村田制作所的BCG结合无线通信技术，让智能城市、远程医疗不再遥远。在今后的养老院中，只需配备服务台就可实现各床位人员的健康监测。将这种基于BCG的监测装置安装在轮椅上，利用无线通信技术可实时监测轮椅上的患者或残疾人的健康状况。这种非接触式的睡眠监测产品无需导联皮肤，在家即可方便经济地监测睡眠质量，也可用于监测婴儿的呼吸、翻身状况和睡眠质量等，受到了广大家庭的青睐，应用前景广阔。

参考文献

[1] 中国经济网.“健康睡眠 远离慢病”2017年中国睡眠日主题发布[EB/OL]. （2017-03-20）[2017-08-10] http：//health.ce.cn/news/201703/20/t20170320_4985210.shtml.

[2] WOLSKI C A，王诗谊.家庭睡眠检测（HST）的过去、现在及未来[J].世界睡眠医学杂志，2017，4（2）：90-93.

[3] 百度百科.多导睡眠监测系统[EB/OL].[2017-08-10]https：//baike.baidu.com/item/ 多导睡眠监测系统/8220152？fr=aladdin.

[4] 电子信息产业网.心脏的智能防护衣-村田制作所BCG心脏冲击扫描方案[J/OL]. （2014-08-19）[2017-09-10]http：//semi.cena.com.cn/2014-08/19/content_239075.htm.

[5] 物联网在线.基于加速度传感器的心脏冲压扫描模块使得该健康监测技术得以实现[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] 董红生.心电波形监测与心率变异性分析方法研究[D]. 兰州：兰州理工大学，2012.

[8] 曹欣荣，刘蕾，蔡东阳，等.心冲击图特征统计及其医学诊断应用[J].清华大学学报（自然科學版），2014（5）：633-637.

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

[10] 欧琼，高兴林，郑勤伟.便携式睡眠监测与多导睡眠监测两种方法的应用比较[J].国外医学（呼吸系统分册），2005，25（8）：561-562.