一种儿童睡眠监测方法、系统及电子装置

技术领域

本发明涉及医学监测领域，尤其是涉及儿童睡眠监测方法、系统以及电子装置。

背景技术

睡眠对于生理健康和心理健康非常重要，尤其是对于生长发育期的儿童。但是目前儿童睡眠监测存在巨大的问题。由于儿童手腕纤细，可穿戴式腕表容易滑脱漏光；儿童心脏动力小，心率快，睡姿不固定，床垫式睡眠监测系统容易漏检信号，且儿童经常有大人陪睡，儿童心脏跳动信号被淹没，受到大人干扰；摄像头式\雷达睡眠监测系统同样受到睡姿影响，并且在盖厚被子时精度受限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种不受睡姿及环境影响，测量精度高的儿童睡眠监测方法。

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种不受睡姿及环境影响，测量精度高的儿童睡眠监测系统。

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之三在于提供一种不受睡姿及环境影响，测量精度高的儿童睡眠监测装置。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种儿童睡眠监测方法，包括以下步骤：

安装三轴加速度传感器：将4个三轴加速度传感器分别安装于两上臂、胸部以及腹部的衣物外部；

采集信息：每一所述三轴加速度传感器采集呼吸和心率信号：

对每一所述三轴加速度传感器的呼吸信号进行处理：对每一所述三轴加速度传感器的呼吸信号进行滤波，对滤波后的信号进行傅里叶变换，当变换后的信号存在呼吸波时，通过meyer小波变换来取得呼吸波形并进行记录，当变换后的信号不存在呼吸波时，通过总体信号的强弱及对比判断处于受压状态、处于呼吸紊乱或处于体动状态；

对每一所述三轴加速度传感器的心率信号进行处理：对每一所述三轴加速度传感器的心率进行滤波，对滤波后的信号进行傅里叶变换，当变换后的信号存在心率周期时，对周期心率进行提取，当变换后的信号不存在心率周期时，通过总体信号的强弱判断处于受压状态或通过能量密度分辨心跳计算周期性；

综合判断睡眠情况：丢弃四个所述三轴加速度传感器的受压状态的呼吸信号以及心率信号，对剩余信号进行综合分析，判断儿童处于无规则体动状态、呼吸阻塞或正常状态，并分别对无规则体动状态以及呼吸阻塞进行预警，对正常状态进行记录。

进一步的，在所述综合判断睡眠情况步骤中，判断呼吸阻塞为通过胸部以及腹部的三轴加速度传感器判断，当胸廓扩张，腹部收缩时为呼吸阻塞。

进一步的，在对每一所述三轴加速度传感器的心率信号进行处理步骤中，通过变换后的信号是否存在显著峰值判断是否存在心率周期。

进一步的，在对每一所述三轴加速度传感器的心率信号进行处理步骤中，通过能量密度分辨心跳计算周期性具体为：则通过信息熵的方式来尝试获得心率，熵的计算公式为：

进一步的，在综合判断睡眠情况步骤中，对正常状态进行记录具体为：最终呼吸信号由四个三轴加速度传感器的数据加权得到。

进一步的，在综合判断睡眠情况步骤中，对正常状态进行记录具体为：最终心率信号四个三轴加速度传感器的数据经过Kalman滤波后的加权得到。

进一步的，在综合判断睡眠情况步骤中，儿童处于呼吸阻塞状态时，当呼吸阻塞频繁但持续时间短时，提醒儿童需变换体位；当呼吸阻塞持续不缓解并且心率减弱时，进行预警。

进一步的，对每一所述三轴加速度传感器的呼吸信号进行滤波过程中，保留的信号在0.13-0.66Hz，即7.8-39.6bpm；在对每一所述三轴加速度传感器的心率信号进行滤波过程中，第一步分离4-11Hz信号，第二步保留的信号在0.8-3.5Hz，即48-210bpm。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种儿童睡眠监测系统，所述儿童睡眠监测系统用于实施上述任意一种儿童睡眠监测方法。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种儿童睡眠监测设置，包括

四个三轴加速度传感器，四个所述三轴加速度传感器分别安装于儿童两上臂、胸部以及腹部的衣物外部；

处理器；

存储器，所述存储器与所述处理器通信连接；

所述存储器存储四个所述三轴加速度传感器收集的数据以及有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行以实现上述任意一种儿童睡眠监测方法。

相比现有技术，本发明儿童睡眠监测方法通过在两个上臂、胸部以及腹部四个位置放置传感器，睡姿改变压迫一个传感器时，其他传感器能继续工作，防止假警报；通过在胸部以及腹部对应的衣物上设置传感器，能够监测由于睡眠阻塞造成的呼吸问题；对呼吸暂停、呼吸急促、呼吸阻塞有较好的分辨能力；对危及生命的事件进行预警，对一般负面事件进行提醒和记录；对睡姿有良好分辨能力(左右侧位、俯卧等)，虚假警报低(相对于雷达波等手段)；对心率及脉搏强度有较好的测量能力，可通过睡姿对测量进行自纠正；通过对体动、呼吸、心率的分析，获取睡眠质量相关数据，由于儿童体重轻，采用压力传感器的技术模式将导致信噪比过低，但加速度传感器测量不受影响。

附图说明

图1为本发明儿童睡眠监测方法的流程图；

图2为对每一三轴加速度传感器的呼吸信号进行处理的流程图；

图3为对每一所述三轴加速度传感器的心率信号进行处理的流程图；

图4为综合判断睡眠情况的流程图；

图5为本发明儿童睡眠监测方法实施的示意图；

图6为贴片的立体图；

图7为呼吸信号原始数据；

图8为呼吸信号经meyer小波变换后的呼吸波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1至图4为本发明儿童睡眠监测方法的流程图，儿童睡眠监测方法包括以下步骤：

安装三轴加速度传感器：将4个三轴加速度传感器分别安装于两上臂、胸部以及腹部的衣物外部；

采集信息：每一三轴加速度传感器采集呼吸和心率信号：

对每一三轴加速度传感器的呼吸信号进行处理：对每一所述三轴加速度传感器的呼吸信号进行滤波，对滤波后的信号进行傅里叶变换，当变换后的信号存在呼吸波时，通过meyer小波变换来取得呼吸波形并进行记录(参见附图7-8，为信号meyer小波变换前后对比图)，当变换后的信号不存在呼吸波时，通过总体信号的强弱判断处于受压状态、处于呼吸紊乱或处于体动状态；

对每一所述三轴加速度传感器的心率信号进行处理：对每一所述三轴加速度传感器的心率进行滤波，对滤波后的信号进行傅里叶变换，当变换后的信号存在心率周期时，对周期心率进行提取，当变换后的信号不存在心率周期时，通过总体信号的强弱判断处于受压状态或通过能量密度分辨心跳计算周期性；

综合判断睡眠情况：丢弃四个所述三轴加速度传感器的受压状态的呼吸信号以及心率信号，对剩余信号进行综合分析，判断儿童处于无规则体动状态、呼吸阻塞或正常状态，并分别对无规则体动状态以及呼吸阻塞进行预警，对正常状态进行记录。

安装三轴加速度传感器步骤如附图5所示，具体为：三轴加速度传感器采用贴片(如附图6所示)的方式，x轴特指表盘面垂直于手臂的方向，y轴特指贴片平行于手臂的方向，z轴特指垂直于贴片面的方向。每个贴片内含三轴加速度传感器1个，可感知贴片的方位和震动，采样率50Hz，测量范围±1g，设定为14位精度。

将4个三轴加速度传感器分别安装于两上臂、胸部以及腹部的衣物外部。本申请将4个三轴加速度传感器分别安装于两上臂、胸部以及腹部的衣物外部，相比腕部，贴片在胸口和上臂更合适。贴片如放置在腕部，如智能腕表，则呼吸数据测量变差。呼吸最优测量点为胸廓部位。之前有一些技术中把压力传感器(如PVDF，压力薄膜)放置在胸前，但是由于压力传感器需要紧贴皮肤，紧身并不舒适，影响睡眠。加速度传感器不受此限制，衣物无需紧身，传感器放置在胸部、上臂、腹部，不限制呼吸时胸廓运动。目前智能腕表、手环所用加速度传感器硬件技术上可达到很高的精度，但由于日常活动需要考虑剧烈运动场景以及数据存储量，绝大多数产品设计的测量范围高至±16g，因此最终分辨率仅为1mg-16mg，不能对心跳强度进行精细测量，在非紧贴情况下信噪比低。本发明采用贴片仅应用于睡眠，可将测量范围限制在±1g，仍以通用的14位数据采集，最低可测量0.1mg的加速度，能够减少对睡衣质地的限制，降低整个系统的成本(仅需提供贴片，无需专门的内衣材质)。

睡姿改变会压迫贴片，此时呼吸测量精度下降，因此需要在四个位置放置贴片，防止假警报。在胸部受到压迫的时候，可通过分析频谱来确定呼吸峰的显著程度，当呼吸波的幅值明显受压制的时候，跳转到上臂的传感器，上臂的数据处理方式与胸部相同。在睡眠状态中，极不可能存在胸部、腹部、两侧手臂同时被压的情况，因此本发明专利可避免睡姿导致的呼吸数据失常和虚假预警。该设计的另一个优势是，当胸部呼吸波不具备周期性的时候，其他三个贴片可用于判断当前是发生了体动还是发生了同步的呼吸不规律事件。

在腹部设置贴片，主要是用于监测睡眠阻塞造成的呼吸问题。呼吸测量金标准为口鼻气流，一般来说伴随周期性胸廓运动。但部分呼吸阻塞患者，虽努力呼吸(胸廓起伏)，但气流很小，造成血氧降低。分辨呼吸阻塞的方法之一为测量胸腹运动，如胸廓和腹部同步扩张，则为正常呼吸，如胸廓扩张，腹部收缩，则为呼吸阻塞。因腹部贴片仅为分辨是否呼吸阻塞，不需很紧的贴近皮肤，对呼吸不产生任何阻力。腹部测量还有一个优点。即腹部存在大血管，且不存在肋骨阻隔，血管搏动时，还存在垂直于腹部的震动，可与躯体传递的心脏震动相互补充，减小虚假警报。血管搏动在受到轻微压迫的时候反而幅值更大(参考上臂血压计，外部施压达到平均血压时，血管搏动幅度最大)，因此即使在俯卧的时候，也能区分是否存在心跳骤停危险，大幅降低单一胸部贴片的虚假警报率。

采集信息步骤具体为：对每个贴片的呼吸率独立进行测量，因为睡眠呼吸分量集中在0.13-0.66Hz，即7.8-39.6bpm，频段外的信号被视为噪声。每个贴片独立进行心率测量，儿童心率较成年人快，因此心率窗口设为0.8-3.5Hz，即48-210bpm，可根据用户年龄进行个体化调整，由于每次心脏搏动引起的躯体弹性震动信号在4-11Hz之间，在计算心率之前通过4-11Hz的带通滤波消除外在干扰，然后通过心率窗口(0.8-3.5Hz)进行第二次带通滤波，可有效获取稳定性强的心率信号

对每一三轴加速度传感器的呼吸信号进行处理步骤具体为：滤波过程中，保留的信号在0.13-0.66Hz，即7.8-39.6bpm；傅里叶变换的窗口为30s一个窗口。是否存在呼吸波通过是否存在显著峰值判断。总体信号的强弱通过最大振幅是否小于25mg判断。

对每一所述三轴加速度传感器的心率信号进行处理步骤具体为：滤波过程中，第一步分离4-11Hz信号，通过4-11Hz的带通滤波消除外在干扰，第二步保留的信号在0.8-3.5Hz，即48-210bpm。傅里叶变换的窗口为10s一个窗口。是否存在心率周期通过是否存在显著峰值判断。总体信号的强弱通过最大振幅是否小于2mg判断。通过能量密度分辨心跳计算周期性具体为：则通过信息熵的方式来尝试获得心率，熵的计算公式为：

通过滑窗计算固定时间内的熵值，画出熵值波动曲线，并对其周期性进行测评，如能找到明显周期性，则采用熵的方式来获得心率。

综合判断睡眠情况还包括：四贴片呼吸、心率数据整合步骤，四贴片呼吸、心率数据整合步骤具体为：每个传感器输出的心率、呼吸都存在一定的相差，且由于数据质量不同，呼吸和心率提取的误差也不同，为了最大限度地减少测量误差，采取了Kalman滤波、数据质量权重的方式进行整合。

通过与金标准对比，我们可以对数据质量进行预判，即在一定的噪声和频谱扩散情况下，单个测量的误差约有多少。误差越大，数据越不可信，权重越低。由于呼吸可以发生突变(比如骤减为0，屏息)，因此，基于时间序列的Kalman滤波不适用，呼吸最终的测量数值由四个传感器加权而来。

由于心率幅值更弱，且变化幅度有限，可增加Kalman滤波步骤。在时间序列中，每个传感器输出的心率数据都由前一个数据和变化趋势组合而来，变化趋势一般符合高斯分布，即心率不可能发生巨大突变。举例来说，假如前一个数据(t-1)异常可靠，而当前数据(t)可靠性偏弱，则可通过

HR(t-1)+k

来预测当前心率，并与HR

综合判断睡眠情况中危害性不大的睡眠呼吸暂停事件，通过手机提醒家长，通过翻身等干预措施减缓，并提供相关数据给家长，协助判断是否需要医学干预。

本申请通过智能睡眠贴片，能够低成本并且非束缚的监测儿童睡眠，不受环境干扰，使用舒适。对呼吸暂停、呼吸急促、呼吸阻塞有较好的分辨能力；对危及生命的事件进行预警，对一般负面事件进行提醒和记录；对睡姿有良好分辨能力(左右侧位、俯卧等)，虚假警报低(相对于雷达波等手段)；对心率及脉搏强度有较好的测量能力，可通过睡姿对测量进行自纠正；通过对体动、呼吸、心率的分析，获取睡眠质量相关数据。由于儿童体重轻，采用压力传感器的技术模式将导致信噪比过低，但加速度传感器测量不受影响。

本申请还涉及一种实施儿童睡眠监测方法的儿童睡眠监测系统。

本申请还涉及一种实施儿童睡眠监测方法的儿童睡眠监测装置。儿童睡眠监测装置包括四个贴片、处理器以及存储器，存储器与处理器通信连接，存储器存储有可被处理器执行的指令以及存储四个贴片采集的呼吸以及心率信息，指令被处理器执行上述儿童睡眠监测方法。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。