專利名稱：一種監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及人體體征監測領域，特指一種監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀。
背景技術：
呼吸信號和心電信號是人體最重要的生命特征。對于有睡眠呼吸暫停的病人，或者剛出生的嬰兒，以及某些患有呼吸系統疾病、心臟疾病的病人，需要實時監測其在睡眠期間的呼吸和心跳狀況。另外，對于某些有睡眠障礙的人，希望得知每晚的睡眠時長，用于監測自己的身體狀態。“多普勒雷達傳感器”在生命體征監測上的研究與應用已經有較長的歷史，雷達傳感器可以在不直接接觸人體的狀況下，獲知人體的生命體征信號，此類技術往往用于救援 生命搜救探測設備，如生命探測儀、穿墻雷達。此類雷達的功率較大，探測范圍大，但是對于人體的輻射較大。現有的雷達技術尺寸較大，無法直接應用到家庭或者醫院內部的呼吸監測。而且對于分析呼吸頻率和心率的信號處理算法一直還不太成熟，尚未有成功的應用。

發明內容
本發明要解決的技術問題就在于針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單緊湊、成本低廉、體積小、輻射小、監測結果精度高、適用范圍廣的監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀。為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案
一種監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，包括睡眠監測器和移動終端，所述睡眠監測器包括監測器電源、雷達信號收發器和心跳呼吸顯示器；
所述雷達信號收發器包括壓控振蕩器、發射天線、接收天線、混頻器和基帶芯片，所述壓控振蕩器用來產生脈沖信號并傳送到發射天線，所述發射天線用來向監測目標發送信號；所述接收天線用來接收監測目標反射回來的回波并送入混頻器，然后與壓控振蕩器產生的脈沖信號進行混頻；所述基帶芯片用來對混頻之后的信號進行呼吸頻率計算、心率計算以及呼吸暫停監測后輸出處理信號；
所述心跳呼吸顯示器包括第一無線通信單元、顯示處理單元、第一顯示輸出單元，所述基帶芯片輸出的處理信號進入心跳呼吸顯示器，在所述顯示處理單元中進行心率信息和呼吸信息的處理產生顯示波形，呼吸和心跳波形進入所述第一顯示輸出單元中進行顯示，所述顯示處理單元用來將心跳和呼吸信息通過第一無線通信單元向外發送；
所述移動終端包括移動終端電源和睡眠分析器，所述睡眠分析器包括第二無線通信單元、睡眠分析單元和第二顯示輸出單元，所述移動終端通過第二無線通信單元接收睡眠監測器發送的呼吸和心跳信號，并將呼吸和心跳信號送入睡眠分析單元進行睡眠分析，最后進入第二顯示輸出單元進行顯示。作為本發明的進一步改進
所述第一無線通信單元和第二無線通信單元采用WIFI單元。
所述移動終端采用智能手機或PAD。本發明還包括網絡接口，通過網絡接口接入互聯網。所述接收天線經依次相連的低噪放、由第二放大器和第三放大器組成的二級放大器后與混頻器相連。所述壓控振蕩器經第一放大器與發射天線相連。與現有技術相比，本發明的優點在于本發明監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，結構簡單緊湊、成本低廉、體積小、輻射小、監測結果精度高、適用范圍廣，其采用雷達傳感器監測人在睡眠時段的呼吸和心跳信息，并進行呼吸暫停分析和睡眠時段分析，對人在睡眠時的健康狀態進行監測；且本發明在使用過程中與人體無直接接觸，更容易被病人和嬰兒所接受和使用。


圖1是本發明的結構原理示意圖。圖2是本發明基帶芯片中采用的頻域率估計算法的流程示意圖。圖3是本發明基帶芯片中采用的時域率估計算法的流程示意圖。圖4是本發明基帶芯片中采用的呼吸規則性判定方法的流程示意圖。圖5是本發明睡眠分析單元中采用的睡眠狀態分析方法的流程示意圖。
具體實施例方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發明的監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，包括睡眠監測器I和移動終端2 ;睡眠監測器I包括監測器電源5、雷達信號收發器3和心跳呼吸顯示器4，雷達信號收發器3包括壓控振蕩器(VCO) 6、第一放大器7、發射天線8、接收天線9、低噪放10、第二放大器11、第三放大器12、混頻器13和基帶芯片14。壓控振蕩器6用來產生5GHz脈沖信號，通過第一放大器7后傳送到發射天線8，發射天線8用來向監測目標發送雷達信號，接收天線9用來接收監測目標反射回來的回波，并經過低噪放10去除噪聲后由第二放大器11和第三放大器12進行兩級放大，然后送入混頻器13，與壓控振蕩器6產生的脈沖信號進行混頻。混頻之后的信號進入基帶芯片14進行去除噪聲、呼吸信號檢測和心跳信號檢測，并進行呼吸頻率計算，心率計算以及呼吸暫停監測。心跳呼吸顯示器4包括第一無線通信單元17、顯示處理單元16、第一顯示輸出單元15。基帶芯片14輸出的信號進入心跳呼吸顯示器4，在顯示處理單元16中進行心率信息和呼吸信息的處理產生顯示波形，呼吸和心跳波形進入第一顯示輸出單元15進行顯示。同時，顯示處理單元16會把心跳和呼吸信息通過第一無線通信單元17向外發送。移動終端2包括移動終端電源21和睡眠分析器22，移動終端電源21為睡眠分析器22供電。睡眠分析器22包括第二無線通信單元20、睡眠分析單元19和第二顯示輸出單元18，移動終端2通過第二無線通信單元20接收睡眠監測器I發送的呼吸和心跳信號，并將呼吸和心跳信號送入睡眠分析單元19進行睡眠分析，最后進入第二顯示輸出單元18進行顯示。本實施例中，第一無線通信單元17和第二無線通信單元20采用WIFI單元。
本實施例中，移動終端2采用智能手機或PAD。本實施例中，雷達信號收發器3采用小型PCB板設計，各組成部件集成在小型PCB板上。本實施例中，心跳呼吸顯示器4采用小型顯示屏，以達到體積小的效果。進一步，本發明的睡眠儀還設置有網絡接口，通過網絡接口接入互聯網，并將睡眠儀工作時的數據發送到專家系統所在的服務器。
本發明睡眠儀的工作流程為1.啟動睡眠儀，睡眠儀開始自動搜尋監測目標。
2.鎖定監測目標后，進行呼吸頻率計算和心率計算，并紀錄呼吸曲線和心率曲線，通過WIFI發射獲取的心跳信息和呼吸信息，并通過顯示輸出單元18顯示呼吸頻率和心跳頻率。
3.啟動移動終端2上的睡眠儀應用軟件，自動通過WIFI連接睡眠監測器1，并顯示心率和呼吸頻率信息。4.輕按移動終端2上的睡眠分析，給出睡眠狀態信息，包括入睡時刻、醒來時刻、睡眠時長、淺睡時長、深睡時長、睡眠呼吸暫停次數以及平均心率和平均呼吸頻率。
5.輕按移動終端2上的設置，可以設置睡眠儀參數，可以啟動或者關閉睡眠儀。6.輕按移動終端2上的“上傳數據到專家系統”，可以將數據通過互聯網發送到專家系統所在的服務器。本發明的睡眠儀可以用于家庭中的睡眠呼吸實時監測，包括嬰兒監護、有心臟疾病或者呼吸系統疾病的病人的呼吸監測、失能老人的呼吸監測，并在嚴重呼吸障礙發生時進行報警；本發明也可以用于對普通人或者有睡眠障礙的人進行睡眠監測，用于監測睡眠的時長和睡眠質量；本發明還可以用于醫院內的阻塞式睡眠呼吸暫停病人的睡眠呼吸監測，心臟病人的睡眠呼吸監測，以及其他需要進行呼吸監測的場合。本發明采用非接觸式的方式進行呼吸監測，滿足病人感覺舒適，不被束縛的人性化需求，具有很強的實用價值。如圖2所示，為本發明基帶芯片14中執行的頻域率估計算法，用于在頻域計算呼吸頻率和心率。該頻域率估計算法的步驟如下
1.取解調后數據X的M個樣本(M= 2880或其他);這M個樣本包含了非呼吸運動和其他噪聲和干擾信號；
2.將數據X中的所有非呼吸信號和干擾信號的所有時間間隔設為零；
3.將數據X中的每個數減去X的均值；
4.頻域中的呼吸頻率如下確定
a)對于X的所有樣本進行傅立葉變換(DFT)，不做窗口，補零和插值算法；
b)頻域率估計是X中具有最大幅值的頻率。在某些實現方式中，可以是在最小呼吸頻率6和最大呼吸頻率48之間的一個最大幅值的頻率。如圖3所示，為本發明基帶芯片14中執行的呼吸頻率的時域率估計算法。該時域率估計算法的步驟如下
1.取解調后數據X的M個樣本(M= 2880或其他);這M個樣本包含了非呼吸運動和其他噪聲和干擾信號；
2.將數據X中的所有非呼吸信號和干擾信號的所有時間間隔設為零；
3.將數據X中的每個數減去X的均值；
4.時域的率估計如下確定
a)令Ui為樣本的索引，使得X [uj ^ O且x[ui+1]>0 (過零點)；b)是[Ui, ui+1]區間內的最大幅值；
c)令A = max Cai),則存在三個不同的數 i, j, k,使得 apO.1A , a」>0. 1A, ak>0.1A ；
d)如果在步驟c)中不存在A，則無法確定呼吸頻率；
e)否則記一個呼吸周期I為區間[Ui,ui+1]，gi = I滿足下述條件1.a^O.1A
i1.y (n)=l 對于 ui<n<ui+1
ii1.z(n)=l對于 ui<n<ui+1
其中y(n)和ζ (η)分別是運動窗口和裁剪窗口 ；
f)否貝U，gi= O ；
g)令λ是gi= I的連續呼吸的最大數目；
如果λ〈2，那么無法確定呼吸頻率，否則呼吸頻率為(60Χ100Χ A)/((ui+A-Ui)。本發明的睡眠儀對呼吸頻率的估計和心率的估計均按照圖2和圖3的頻域率估計和時域率估計算法進行，最后顯示給出的呼吸頻率為頻域呼吸頻率估計和時域呼吸頻率估計的均值；如果呼吸頻率的頻域估值和時域估值差值大于4，則給出報錯信息；否則顯示頻域估值作為呼吸頻率；心率的計算方式為如果心率的頻域估計和時域估計的差值大于12，則給出報錯信息；否則將心率的頻域估值作為心率。如圖4所示，為本發明基帶芯片中執行的呼吸規則性判定方法。該呼吸規則性判定方法由下述步驟組成
1.取M個呼吸信號，M取值為50 100;計算呼吸一呼吸間隔的均值和標準方差；
2.計算M個呼吸信號的每次呼吸的呼吸深度的均值和標準方差；
3.計算呼吸一呼吸間隔的協方差Cl;并計算呼吸深度的協方差C2 ；
4.如果Cl〈閾值并且C2〈閾值，則判定呼吸為規則呼吸；
5.如果條件4不成立，則判定為不規則呼吸；對呼吸一呼吸間隔和呼吸深度進行FFT變換，檢查波形中是否存在周期性元素；
6.如果呼吸不存在周期性，則再增加呼吸的樣本到2M個，返回步驟2進行處理；如果2M個樣本檢測不到周期性，則判定為呼吸無周期性·，計算全范圍內的平均呼吸頻率，并計算呼吸暫停事件的均值；
7.如果周期是規則的，計算每周期的呼吸暫停長度，并求均值，得出每周期的平均呼吸暫停長度；
8.對計算的數據進行顯示。如果呼吸規則，給出“呼吸規則一X次呼吸/分鐘”的指示，如果呼吸不規則，指示“周期性一不規則”。如果存在呼吸暫停，則指示“平均呼吸暫停長度Y” ;如果呼吸不規則，則指示“Z次呼吸暫停/分鐘”。如圖5所示，為本發明睡眠分析單元19中的睡眠狀態分析算法。睡眠狀態分析算法的步驟如下所示
1.在時間區間[t，t+delta_t]內，滿足以下條件中的一個
a)檢測不到心肺運動；
b)非心肺運動信號大于心肺運動信號；
2.如果滿足步驟I中的條件a)或者b)，則標記[t，t+delta_t]為清醒時段；
3.否則，在時間區間[t，t+delta_t]內，滿足以下條件a)平均心肺運動信號大于非心肺運動信號；
b)非心肺運動信號次數大于I次；
4.如果滿足步驟3中條件a)和條件b),則標記[t,t+delta_t]為淺睡時段；
5.在時間區間[t,t+delta_t]內，滿足下述條件呼吸規則且無嚴重呼吸暫停；
6.如果滿足步驟5中的條件，則標記[t，t+delta_t]為深睡時段；否則報警；
7.t=t+delta_t ;進入步驟 I ;
如果連續的清醒時段超過10個，則表示一段睡眠的結束。進行睡眠結果統計，算法結束。以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。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前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，其特征在于，包括睡眠監測器(I)和移動終端(2)，所述睡眠監測器(I)包括監測器電源(5)、雷達信號收發器(3)和心跳呼吸顯示器(4); 所述雷達信號收發器(3)包括壓控振蕩器(6)、發射天線(8)、接收天線(9)、混頻器(13)和基帶芯片(14)，所述壓控振蕩器(6)用來產生脈沖信號并傳送到發射天線(8)，所述發射天線(8)用來向監測目標發送信號；所述接收天線(9)用來接收監測目標反射回來的回波并送入混頻器(13)，然后與壓控振蕩器(6)產生的脈沖信號進行混頻；所述基帶芯片(14)用來對混頻之后的信號進行呼吸頻率計算、心率計算以及呼吸暫停監測后輸出處理信號; 所述心跳呼吸顯示器(4)包括第一無線通信單元(17)、顯示處理單元(16)、第一顯示輸出單元(15)，所述基帶芯片(14)輸出的處理信號進入心跳呼吸顯示器(4)，在所述顯示處理單元(16)中進行心率信息和呼吸信息的處理產生顯示波形，呼吸和心跳波形進入所述第一顯示輸出單元(15)中進行顯示，所述顯示處理單元(16)用來將心跳和呼吸信息通過第一無線通信單元(17)向外發送； 所述移動終端(2)包括移動終端電源(21)和睡眠分析器(22)，所述睡眠分析器(22)包括第二無線通信單元(20)、睡眠分析單元(19)和第二顯示輸出單元(18)，所述移動終端(2)通過第二無線通信單元(20)接收睡眠監測器(I)發送的呼吸和心跳信號，并將呼吸和心跳信號送入睡眠分析單元(19)進行睡眠分析，最后進入第二顯示輸出單元(18)進行顯/Jn ο
2.根據權利要求1所述的監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，其特征在于，所述第一無線通信單元(17)和第二無線通信單元(20)采用WIFI單元。
3.根據權利要求1所述的監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，其特征在于，所述移動終端(2)采用智能手機或PAD。
4.根據權利要求1所述的監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，其特征在于，還包括網絡接口，通過網絡接口接入互聯網。
5.根據權利要求1所述的監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，其特征在于，所述接收天線(9)經依次相連的低噪放(10)、由第二放大器(11)和第三放大器(12)組成的二級放大器后與混頻器(13)相連。
6.根據權利要求1所述的監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，其特征在于，所述壓控振蕩器(6 )經第一放大器(7 )與發射天線(8 )相連。
全文摘要
一種監測睡眠呼吸狀態的睡眠儀，包括睡眠監測器和移動終端；睡眠監測器包括監測器電源、雷達信號收發器和心跳呼吸顯示器；雷達信號收發器輸出的處理信號進入心跳呼吸顯示器，在顯示處理單元中進行心率信息和呼吸信息的處理產生顯示波形，呼吸和心跳波形進入第一顯示輸出單元中進行顯示，顯示處理單元用來將心跳和呼吸信息通過第一無線通信單元向外發送；移動終端包括移動終端電源和睡眠分析器，移動終端通過睡眠分析器中的第二無線通信單元接收睡眠監測器發送的呼吸和心跳信號，并將呼吸和心跳信號送入睡眠分析單元進行睡眠分析，最后進入第二顯示輸出單元進行顯示。本發明具有結構簡單、成本低廉、體積小、輻射小、監測結果精度高、適用范圍廣等優點。
文檔編號A61B5/0205GK103006225SQ20131001040
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者韓明華, 衣曉飛, 王生水, 吳鋒濤 申請人:湖南納雷科技有限公司