人体睡眠管理监测的智能床垫设计

葛亮 毛雪文 胡海珊 邓孟杰 祝天培

摘要：随着科技不断的进步和社会快速的发展，人们越来越关注自己的身体健康状况，普通家庭也开始对睡眠监测产品感兴趣。本文通过采用嵌入式技术，对温湿度、光强度、噪音、空气质量等睡眠环境参数、呼吸心跳以及翻身情况进行睡眠全过程状态监测，对睡眠参数信息存储和显示，实现睡眠过程监视、综合信息分析与智能预警、运行管理和辅助应用等功能，实现集中管理和一体化集成联动，同时也能对用户存在的疾病进行预警，并对用户的睡眠质量进行准确评估，为睡眠质量的提高与疾病的准确预警提供可靠的保障。

1.前言

《“十三五”国家科技创新规划》以及《“健康中国2030 ”规划纲要》等国家近期推行的科技及健康发展政策中指出，推进健康中国建设，坚持預防为主，推行健康文明的生活方式，营造绿色安全的健康环境，减少疾病发生，同时要积极支持智能设备的发展，让人们可以不去医院，就能享受智能医疗设备的相关科技发展带来的便捷与效益，满足目前人们对健康的需求现状与当下智能设备的迅速发展的现状。《健康中国行动（2019—2030年）》向全社会发出健康倡议：成年人每天应保持7到8小时睡眠，同时应规律作息，积极调适心理，有了睡眠问题及时就医。随着科技不断的进步和社会快速的发展，人们越来越关注自己的身体健康状况，普通家庭也开始对睡眠监测产品感兴趣。

目前，国内市场上存在各式各样的睡眠监测工具，以辅助于睡眠质量评估。如众所周知却尚未被广泛使用的睡眠仪，其作为睡眠监测工具，操作复杂，成本较高，且易受睡眠环境的干扰;亦或者小巧玲珑的可穿戴智能手表，相较于睡眠仪，其成本较低，但其对睡眠的监测仅局限于轻度睡眠和深度睡眠的时段记录，不能系统地记录并反映整个睡眠过程中的状态，功能性有所欠缺。国外不少研究机构对智能睡眠监控床垫的研发开始了积极的探索｡日本研制出了一款枕头式睡眠监测系统，这款产品与枕头结合有很高的应用价值。系统将压力传感器放在枕头的下方来测量使用者的心率、呼吸率以及体动等生理参数。设备的一个优点就是可以做到全天候监测睡眠情况。韩国也在无接触睡眠监测系统上有所研究，用气垫来获取人体生理信号并计算呼吸速率和心率。两套系统都实现了基本的睡眠指标的检测，如呼吸速率、心率以及体动，但功能尚不够完善，无法做到睡眠分析以及呼吸事件判定。国内航空医学研究所的俞梦孙院士在无接触睡眠监测设备研宂中做出了卓越的贡献。其领头研发的微动敏感床垫式睡眠监测系统能在使用者感受不到任何压力的情况下完成睡眠状态的监测。床垫获取的信息主要有心率、体动、呼吸速率等信息，在这些信息的基础之上得到使用者睡眠时间结构分期等信息。不过产品主要用于军事领域中，在普通家庭中没有得到广泛使用。因此，急需一种用于人体睡眠管理监测的智能床垫。

2.睡眠管理监测的智能床垫结构设计

所设计的人体睡眠管理监测的智能床垫如图1所示，其中，1-硅胶内垫，2-垫套，3-压电传感带，4-惯性传感器，5-加速度陀螺仪，6-核心控制模块，7-存储模块，8-蓝牙无线通信模块，9-空气质量检测模块，10-光强度检测模块，11-温湿度检测模块，12-声音检测模块，13-蜂鸣器，14-触摸显示屏，15-电源模块。

垫套2内顶部车缝连接有两个相互交错设置的压电传感带3;两压电传感带3端部均设有惯性传感器4;两压电传感带3交叉位置设有加速度陀螺仪5;简而言之，采用两根压电传感条3放置于使用者的胸部和腹部位置，使用者在睡眠过程中的呼吸动作会对压电传感条3产生一个压力动作，压电传感带3会产生与呼吸动作变化相符的微电信号电频信号并传输至核心控制模块6内进行分析处理得出呼吸次数与心跳次数;通过惯性传感器4和加速度陀螺仪5对睡眠过程中发生的翻转数据进行采集;硅胶内垫1内部分别设有核心控制模块6、存储模块7和蓝牙无线通信模块8;硅胶内垫1一侧分别设有空气质量检测模块9、光强度检测模块10和温湿度检测模块11;硅胶内垫1顶部两角端分别设有声音检测模块12。

3.智能床垫设计技术方案

所述垫套内顶部车缝连接有两个相互交错设置的压电传感带;两所述压电传感带端部均设有惯性传感器;两所述压电传感带交叉位置设有加速度陀螺仪;所述硅胶内垫内部分别设有核心控制模块、存储模块和蓝牙无线通信模块;所述硅胶内垫一侧分别设有空气质量检测模块、光强度检测模块和温湿度检测模块;所述硅胶内垫顶部两角端分别设有声音检测模块。

进一步地，所述硅胶内垫靠近控制质量检测模块一侧分别设有蜂鸣器和触摸显示屏。进一步地，所述硅胶内垫远离声音检测模块一端面设有电源模块。

4.结尾语

本文提供一种人体睡眠管理监测的智能床垫，通过采用嵌入式技术，对温湿度、光强度、噪音、空气质量等睡眠环境参数、呼吸心跳以及翻身情况进行睡眠全过程状态监测。

参考文献：

[1] Shin J H，Chee Y J，Jeong D U，et al. Nonconstrained Sleep Monitoring System and Algorithms Using Air-Mattress With Balancing Tube Method[J]. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine A Publication of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society，2010，14（1）：147-56。

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本项目受衢州市科技局项目2019K02资助。