《一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪.pdf（12页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103006225 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103006225 A *CN103006225A* (21)申请号 201310010406.3 (22)申请日 2013.01.11 A61B 5/08(2006.01) A61B 5/0205(2006.01) (71)申请人 湖南纳雷科技有限公司 地址 410003 湖南省长沙市三一大道 203 号 万煦园办公楼 3 楼 (72)发明人 韩明华 衣晓飞 王生水 吴锋涛 (74)专利代理机构 湖南兆弘专利事务所 43008 代理人 周长清 (54) 发明名称 一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪 (。
2、57) 摘要 一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 包括 ： 睡 眠监测器和移动终端 ； 睡眠监测器包括监测器电 源、 雷达信号收发器和心跳呼吸显示器 ； 雷达信 号收发器输出的处理信号进入心跳呼吸显示器， 在显示处理单元中进行心率信息和呼吸信息的处 理产生显示波形， 呼吸和心跳波形进入第一显示 输出单元中进行显示， 显示处理单元用来将心跳 和呼吸信息通过第一无线通信单元向外发送 ； 移 动终端包括移动终端电源和睡眠分析器， 移动终 端通过睡眠分析器中的第二无线通信单元接收睡 眠监测器发送的呼吸和心跳信号， 并将呼吸和心 跳信号送入睡眠分析单元进行睡眠分析， 最后进 入第二显示输出单元进行显示。本发。
3、明具有结构 简单、 成本低廉、 体积小、 辐射小、 监测结果精度 高、 适用范围广等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 1/1 页 2 1. 一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 其特征在于， 包括 ： 睡眠监测器 （1） 和移动终端 （2） ， 所述睡眠监测器 （1） 包括监测器电源 （5） 、 雷达信号收发器 （3） 和心跳呼吸显示器 （4） ； 所述雷达信号收发器 （3）包括压控振荡器 （6） 、 发射天线 （8） 、 接收天线 （9） 、。
4、 混频器 （13） 和基带芯片 （14） ， 所述压控振荡器 （6） 用来产生脉冲信号并传送到发射天线 （8） ， 所述 发射天线 （8） 用来向监测目标发送信号 ； 所述接收天线 （9） 用来接收监测目标反射回来的 回波并送入混频器 （13） ， 然后与压控振荡器 （6） 产生的脉冲信号进行混频 ； 所述基带芯片 （14） 用来对混频之后的信号进行呼吸频率计算、 心率计算以及呼吸暂停监测后输出处理信 号 ； 所述心跳呼吸显示器 （4） 包括第一无线通信单元 （17） 、 显示处理单元 （16） 、 第一显示 输出单元 （15） ， 所述基带芯片 （14） 输出的处理信号进入心跳呼吸显示器 （。
5、4） ， 在所述显示 处理单元 （16） 中进行心率信息和呼吸信息的处理产生显示波形， 呼吸和心跳波形进入所述 第一显示输出单元 （15） 中进行显示， 所述显示处理单元 （16） 用来将心跳和呼吸信息通过 第一无线通信单元 （17） 向外发送 ； 所述移动终端 （2） 包括移动终端电源 （21） 和睡眠分析器 （22） ， 所述睡眠分析器 （22） 包括第二无线通信单元 （20） 、 睡眠分析单元 （19） 和第二显示输出单元 （18） ， 所述移动终端 （2） 通过第二无线通信单元 （20） 接收睡眠监测器 （1） 发送的呼吸和心跳信号， 并将呼吸和 心跳信号送入睡眠分析单元 （19） 进。
6、行睡眠分析， 最后进入第二显示输出单元 （18） 进行显 示。 2. 根据权利要求 1 所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 其特征在于， 所述第一无线通 信单元 （17） 和第二无线通信单元 （20） 采用 WIFI 单元。 3. 根据权利要求 1 所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 其特征在于， 所述移动终端 （2） 采用智能手机或 PAD。 4. 根据权利要求 1 所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 其特征在于， 还包括网络接口， 通过网络接口接入互联网。 5. 根据权利要求 1 所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 其特征在于， 所述接收天线 （9） 经依次相连的低噪放 （10） 、 由第二放大器。
7、 （11） 和第三放大器 （12） 组成的二级放大器后与 混频器 （13） 相连。 6. 根据权利要求 1 所述的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 其特征在于， 所述压控振荡器 （6） 经第一放大器 （7） 与发射天线 （8） 相连。 权 利 要 求 书 CN 103006225 A 2 1/5 页 3 一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪 技术领域 0001 本发明主要涉及人体体征监测领域， 特指一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪。 背景技术 0002 呼吸信号和心电信号是人体最重要的生命特征。对于有睡眠呼吸暂停的病人， 或 者刚出生的婴儿， 以及某些患有呼吸系统疾病、 心脏疾病的病人， 需要实时监测其在睡眠期。
8、 间的呼吸和心跳状况。另外， 对于某些有睡眠障碍的人， 希望得知每晚的睡眠时长， 用于监 测自己的身体状态。 0003 “多普勒雷达传感器” 在生命体征监测上的研究与应用已经有较长的历史， 雷达传 感器可以在不直接接触人体的状况下， 获知人体的生命体征信号， 此类技术往往用于救援 生命搜救探测设备， 如生命探测仪、 穿墙雷达。 此类雷达的功率较大， 探测范围大， 但是对于 人体的辐射较大。现有的雷达技术尺寸较大， 无法直接应用到家庭或者医院内部的呼吸监 测。而且对于分析呼吸频率和心率的信号处理算法一直还不太成熟， 尚未有成功的应用。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题就在于 ： 针对现。
9、有技术存在的技术问题， 本发明提供一 种结构简单紧凑、 成本低廉、 体积小、 辐射小、 监测结果精度高、 适用范围广的监测睡眠呼吸 状态的睡眠仪。 0005 为解决上述技术问题， 本发明采用以下技术方案 ： 一种监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 包括 ： 睡眠监测器和移动终端， 所述睡眠监测器包括 监测器电源、 雷达信号收发器和心跳呼吸显示器 ； 所述雷达信号收发器包括压控振荡器、 发射天线、 接收天线、 混频器和基带芯片， 所述 压控振荡器用来产生脉冲信号并传送到发射天线， 所述发射天线用来向监测目标发送信 号 ； 所述接收天线用来接收监测目标反射回来的回波并送入混频器， 然后与压控振荡器产 生的。
10、脉冲信号进行混频 ； 所述基带芯片用来对混频之后的信号进行呼吸频率计算、 心率计 算以及呼吸暂停监测后输出处理信号 ； 所述心跳呼吸显示器包括第一无线通信单元、 显示处理单元、 第一显示输出单元， 所述 基带芯片输出的处理信号进入心跳呼吸显示器， 在所述显示处理单元中进行心率信息和呼 吸信息的处理产生显示波形， 呼吸和心跳波形进入所述第一显示输出单元中进行显示， 所 述显示处理单元用来将心跳和呼吸信息通过第一无线通信单元向外发送 ； 所述移动终端包括移动终端电源和睡眠分析器， 所述睡眠分析器包括第二无线通信单 元、 睡眠分析单元和第二显示输出单元， 所述移动终端通过第二无线通信单元接收睡眠监 。
11、测器发送的呼吸和心跳信号， 并将呼吸和心跳信号送入睡眠分析单元进行睡眠分析， 最后 进入第二显示输出单元进行显示。 0006 作为本发明的进一步改进 ： 所述第一无线通信单元和第二无线通信单元采用 WIFI 单元。 说 明 书 CN 103006225 A 3 2/5 页 4 0007 所述移动终端采用智能手机或 PAD。 0008 本发明还包括网络接口， 通过网络接口接入互联网。 0009 所述接收天线经依次相连的低噪放、 由第二放大器和第三放大器组成的二级放大 器后与混频器相连。 0010 所述压控振荡器经第一放大器与发射天线相连。 0011 与现有技术相比， 本发明的优点在于 ： 本发明。
12、监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 结构简 单紧凑、 成本低廉、 体积小、 辐射小、 监测结果精度高、 适用范围广， 其采用雷达传感器监测 人在睡眠时段的呼吸和心跳信息， 并进行呼吸暂停分析和睡眠时段分析， 对人在睡眠时的 健康状态进行监测 ； 且本发明在使用过程中与人体无直接接触， 更容易被病人和婴儿所接 受和使用。 附图说明 0012 图 1 是本发明的结构原理示意图。 0013 图 2 是本发明基带芯片中采用的频域率估计算法的流程示意图。 0014 图 3 是本发明基带芯片中采用的时域率估计算法的流程示意图。 0015 图 4 是本发明基带芯片中采用的呼吸规则性判定方法的流程示意图。 0016 。
13、图 5 是本发明睡眠分析单元中采用的睡眠状态分析方法的流程示意图。 具体实施方式 0017 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 0018 如图1所示， 本发明的监测睡眠呼吸状态的睡眠仪， 包括睡眠监测器1和移动终端 2 ； 睡眠监测器 1 包括监测器电源 5、 雷达信号收发器 3 和心跳呼吸显示器 4， 雷达信号收发 器 3 包括压控振荡器 （VCO） 6、 第一放大器 7、 发射天线 8、 接收天线 9、 低噪放 10、 第二放大 器 11、 第三放大器 12、 混频器 13 和基带芯片 14。压控振荡器 6 用来产生 5GHz 脉冲信号， 通过第一放大器 7 后传送。
14、到发射天线 8， 发射天线 8 用来向监测目标发送雷达信号， 接收天 线 9 用来接收监测目标反射回来的回波， 并经过低噪放 10 去除噪声后由第二放大器 11 和 第三放大器 12 进行两级放大， 然后送入混频器 13， 与压控振荡器 6 产生的脉冲信号进行混 频。混频之后的信号进入基带芯片 14 进行去除噪声、 呼吸信号检测和心跳信号检测， 并进 行呼吸频率计算， 心率计算以及呼吸暂停监测。 0019 心跳呼吸显示器 4 包括第一无线通信单元 17、 显示处理单元 16、 第一显示输出单 元 15。基带芯片 14 输出的信号进入心跳呼吸显示器 4， 在显示处理单元 16 中进行心率信 息和。
15、呼吸信息的处理产生显示波形， 呼吸和心跳波形进入第一显示输出单元 15 进行显示。 同时， 显示处理单元 16 会把心跳和呼吸信息通过第一无线通信单元 17 向外发送。 0020 移动终端 2 包括移动终端电源 21 和睡眠分析器 22， 移动终端电源 21 为睡眠分析 器 22 供电。睡眠分析器 22 包括第二无线通信单元 20、 睡眠分析单元 19 和第二显示输出单 元 18， 移动终端 2 通过第二无线通信单元 20 接收睡眠监测器 1 发送的呼吸和心跳信号， 并 将呼吸和心跳信号送入睡眠分析单元 19 进行睡眠分析， 最后进入第二显示输出单元 18 进 行显示。 0021 本实施例中，。
16、 第一无线通信单元 17 和第二无线通信单元 20 采用 WIFI 单元。 说 明 书 CN 103006225 A 4 3/5 页 5 0022 本实施例中， 移动终端 2 采用智能手机或 PAD。 0023 本实施例中， 雷达信号收发器 3 采用小型 PCB 板设计， 各组成部件集成在小型 PCB 板上。 0024 本实施例中， 心跳呼吸显示器 4 采用小型显示屏， 以达到体积小的效果。 0025 进一步， 本发明的睡眠仪还设置有网络接口， 通过网络接口接入互联网， 并将睡眠 仪工作时的数据发送到专家系统所在的服务器。 0026 本发明睡眠仪的工作流程为 ： 1. 启动睡眠仪， 睡眠仪开始。
17、自动搜寻监测目标。 2. 锁定监测目标后， 进行呼吸频率计算和心率计算， 并纪录呼吸曲线和心率曲线， 通过 WIFI 发射获取的心跳信息和呼吸信息， 并通过显示输出单元 18 显示呼吸频率和心跳频率。 3. 启动移动终端 2 上的睡眠仪应用软件， 自动通过 WIFI 连接睡眠监测器 1， 并显示心率和 呼吸频率信息。4. 轻按移动终端 2 上的睡眠分析， 给出睡眠状态信息， 包括入睡时刻、 醒 来时刻、 睡眠时长、 浅睡时长、 深睡时长、 睡眠呼吸暂停次数以及平均心率和平均呼吸频率。 5. 轻按移动终端 2 上的设置， 可以设置睡眠仪参数， 可以启动或者关闭睡眠仪。6. 轻按移 动终端 2 上。
18、的 “上传数据到专家系统” ， 可以将数据通过互联网发送到专家系统所在的服务 器。 0027 本发明的睡眠仪可以用于家庭中的睡眠呼吸实时监测， 包括婴儿监护、 有心脏疾 病或者呼吸系统疾病的病人的呼吸监测、 失能老人的呼吸监测， 并在严重呼吸障碍发生时 进行报警 ； 本发明也可以用于对普通人或者有睡眠障碍的人进行睡眠监测， 用于监测睡眠 的时长和睡眠质量 ； 本发明还可以用于医院内的阻塞式睡眠呼吸暂停病人的睡眠呼吸监 测， 心脏病人的睡眠呼吸监测， 以及其他需要进行呼吸监测的场合。 本发明采用非接触式的 方式进行呼吸监测， 满足病人感觉舒适， 不被束缚的人性化需求， 具有很强的实用价值。 00。
19、28 如图 2 所示， 为本发明基带芯片 14 中执行的频域率估计算法， 用于在频域计算呼 吸频率和心率。该频域率估计算法的步骤如下 ： 1. 取解调后数据 X 的 M 个样本 （M 2880 或其他） ； 这 M 个样本包含了非呼吸运动和其 他噪声和干扰信号 ； 2. 将数据 X 中的所有非呼吸信号和干扰信号的所有时间间隔设为零 ； 3. 将数据 X 中的每个数减去 X 的均值 ； 4. 频域中的呼吸频率如下确定 ： a) 对于 X 的所有样本进行傅立叶变换 （DFT） ， 不做窗口， 补零和插值算法 ； b) 频域率估计是 X 中具有最大幅值的频率。在某些实现方式中， 可以是在最小呼吸频 。
20、率 6 和最大呼吸频率 48 之间的一个最大幅值的频率。 0029 如图 3 所示， 为本发明基带芯片 14 中执行的呼吸频率的时域率估计算法。该时域 率估计算法的步骤如下 ： 1. 取解调后数据 X 的 M 个样本 （M 2880 或其他） ； 这 M 个样本包含了非呼吸运动和其 他噪声和干扰信号 ； 2. 将数据 X 中的所有非呼吸信号和干扰信号的所有时间间隔设为零 ； 3. 将数据 X 中的每个数减去 X 的均值 ； 4. 时域的率估计如下确定 ： a) 令 ui为样本的索引， 使得 xui 0 且 xui+10 ( 过零点 ) ； 说 明 书 CN 103006225 A 5 4/5 。
21、页 6 b) 令 ai 是 ui， ui+1 区间内的最大幅值 ； c) 令 A max（ai） ， 则存在三个不同的数 i， j， k， 使得 ai0.1A , aj 0.1A, ak0.1A ； d) 如果在步骤 c） 中不存在 A， 则无法确定呼吸频率 ； e) 否则记一个呼吸周期 1 为区间 ui， ui+1 ， gi 1 满足下述条件 ： i.ai0.1A ii.y(n)=1 对于 uinui+1 iii.z(n)=1 对于 uinui+1 其中 y(n) 和 z(n) 分别是运动窗口和裁剪窗口 ； f) 否则， gi 0 ； g) 令 是 gi 1 的连续呼吸的最大数目 ； 如果 。
22、2， 那么无法确定呼吸频率， 否则呼吸频率为 (60100)/(ui+-ui)。 0030 本发明的睡眠仪对呼吸频率的估计和心率的估计均按照图 2 和图 3 的频域率估 计和时域率估计算法进行， 最后显示给出的呼吸频率为频域呼吸频率估计和时域呼吸频率 估计的均值 ； 如果呼吸频率的频域估值和时域估值差值大于 4， 则给出报错信息 ； 否则显示 频域估值作为呼吸频率 ； 心率的计算方式为 ： 如果心率的频域估计和时域估计的差值大于 12， 则给出报错信息 ； 否则将心率的频域估值作为心率。 0031 如图 4 所示， 为本发明基带芯片中执行的呼吸规则性判定方法。该呼吸规则性判 定方法由下述步骤组。
23、成 ： 1. 取 M 个呼吸信号， M 取值为 50 100 ； 计算呼吸呼吸间隔的均值和标准方差 ； 2. 计算 M 个呼吸信号的每次呼吸的呼吸深度的均值和标准方差 ； 3. 计算呼吸呼吸间隔的协方差 C1 ； 并计算呼吸深度的协方差 C2 ； 4. 如果 C1 阈值并且 C2 阈值， 则判定呼吸为规则呼吸 ； 5. 如果条件 4 不成立， 则判定为不规则呼吸 ； 对呼吸呼吸间隔和呼吸深度进行 FFT 变换， 检查波形中是否存在周期性元素 ； 6. 如果呼吸不存在周期性， 则再增加呼吸的样本到 2M 个， 返回步骤 2 进行处理 ； 如果 2M 个样本检测不到周期性， 则判定为呼吸无周期性，。
24、 计算全范围内的平均呼吸频率， 并计算 呼吸暂停事件的均值 ； 7. 如果周期是规则的， 计算每周期的呼吸暂停长度， 并求均值， 得出每周期的平均呼吸 暂停长度 ； 8. 对计算的数据进行显示。如果呼吸规则， 给出 “呼吸规则 X 次呼吸分钟” 的指 示， 如果呼吸不规则， 指示 “周期性不规则” 。如果存在呼吸暂停， 则指示 “平均呼吸暂停 长度 Y” ； 如果呼吸不规则， 则指示 “Z 次呼吸暂停分钟” 。 0032 如图 5 所示， 为本发明睡眠分析单元 19 中的睡眠状态分析算法。睡眠状态分析算 法的步骤如下所示 ： 1. 在时间区间 t， t+delta_t 内， 满足以下条件中的一。
25、个 ： a) 检测不到心肺运动 ； b) 非心肺运动信号大于心肺运动信号 ； 2. 如果满足步骤 1 中的条件 a) 或者 b)， 则标记 t,t+delta_t 为清醒时段 ； 3. 否则， 在时间区间 t， t+delta_t 内， 满足以下条件 ： 说 明 书 CN 103006225 A 6 5/5 页 7 a) 平均心肺运动信号大于非心肺运动信号 ； b) 非心肺运动信号次数大于 1 次 ； 4. 如果满足步骤 3 中条件 a) 和条件 b)， 则标记 t,t+delta_t 为浅睡时段 ； 5. 在时间区间 t, t+delta_t 内， 满足下述条件 ： 呼吸规则且无严重呼吸暂停。
26、 ； 6. 如果满足步骤 5 中的条件， 则标记 t,t+delta_t 为深睡时段 ； 否则报警 ； 7.t=t+delta_t ； 进入步骤 1 ； 如果连续的清醒时段超过 10 个， 则表示一段睡眠的结束。进行睡眠结果统计， 算法结 束。 0033 以上仅是本发明的优选实施方式， 本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出， 对于本技术领域的 普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰， 应视为本发明的保护 范围。 说 明 书 CN 103006225 A 7 1/5 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103006225 A 8 2/5 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103006225 A 9 3/5 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103006225 A 10 4/5 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103006225 A 11 5/5 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 103006225 A 12 。