1、第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 7 基金项目:国家自然科学基金资助项目(4 2 1 7 4 2 2 1)作者简介:千承辉(1 9 7 5-),女,吉林省汪清县人,正高级工程师,博士,主要从事传感器与微弱信号检测的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 8 9-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4
2、-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 1 7基于P V D F的可穿戴鼾声监测系统千承辉,王福龙(吉林大学 仪器科学与电气工程学院,吉林 长春1 3 0 0 6 1)摘 要:阻塞型睡眠呼吸暂停综合征(O S A S)是常见的睡眠类疾病,为满足居家对O S A S进行初步筛查和诊断,该文设计了基于聚偏氟乙烯(P V D F)压电薄膜的鼾声监测系统。可穿戴式的鼾声监测系统包含高灵敏度鼾声传感器、低噪声信号调理电路、嵌入式系统及上位机系统。根据鼾声段和非鼾声段能量差异大的特点,基于短时能量法进行鼾声端点检测算法设计,通过采集的鼾声信号进行算法验证。经测试,系统采集的鼾声信号信噪比高,端点检测
3、平均误差小于0.0 3 2s,准确率达9 2.6%,满足潜在O S A S患者的筛查要求以及进行康复训练的自我检查,同时可减轻患者筛查和医学多导睡眠图(P S G)检测的负担。关键词:阻塞型睡眠呼吸暂停综合征;鼾声监测;聚偏氟乙烯;短时能量;可穿戴中图分类号:T N 3 8 4;TM 2 2;T P 2 1 2.3 文献标志码:A W e a r a b l eS n o r eM o n i t o r i n gS y s t e mB a s e do nP V D FQ I A NC h e n g h u i,WA N GF u l o n g(C o l l e g eo f I
4、n s t r u m e n t a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,J i l i nU n i v e r s i t y,C h a n g c h u n1 3 0 0 6 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h eo b s t r u c t i v es l e e pa p n e a s y n d r o m e(O S A S)i s a c o mm o ns l e e pd i s o r d e r.I no r d e r t om e e t t h e i n
5、 i t i a ls c r e e n i n ga n dd i a g n o s i so fO S A Sa th o m e,as n o r i n gm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nP V D Fp i e z o e l e c t r i cf i l m w a sd e-s i g n e d i nt h i sp a p e r.T h ew e a r a b l es n o r em o n i t o r i n gs y s t e mc o n s i s t so f ah i g h-s e n
6、s i t i v i t ys n o r es e n s o r,a l o w-n o i s es i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t,a ne m b e d d e ds y s t e ma n dah o s t c o m p u t e r s y s t e m.A c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h el a r g ee n e r g yd i f f e r e n c eb e t w e e n t h e s n
7、 o r i n gs e g m e n t a n d t h en o n-s n o r i n gs e g m e n t,t h e s n o r i n ge n d p o i n t d e t e c t i o na l-g o r i t h mi sd e s i g n e db a s e do nt h es h o r t-t i m ee n e r g ym e t h o d,a n dt h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e db yt h ec o l l e c t e ds n o r i n gs o u
8、 n ds i g n a l s.T h e t e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a t t h es i g n a l-t o-n o i s er a t i oo f s n o r i n gs i g n a l sc o l l e c t e db yt h em o n i t o r i n gs y s t e mi sh i g h,t h ea v e r a g ee r r o ro f e n d p o i n t d e t e c t i o n i s l e s s t h a n0.0 3 2s,a n dt
9、h ea c c u r a c yr a t e i s9 2.6%,w h i c hm e e t s t h es c r e e n i n gr e q u i r e m e n t so fp o t e n t i a lO S A Sp a t i e n t sa n dt h es e l f-e x a m i n a t i o no fr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gf o rO S A Sp a t i e n t s,a n dc a nr e d u c e t h eb u r d e no fp a t
10、 i e n t s c r e e n i n ga n dm e d i c a lp o l y s o m n o g r a p h y(P S G)d e t e c t i o n.K e y w o r d s:o b s t r u c t i v e s l e e p a p n e a s y n d r o m e;s n o r e m o n i t o r i n g;p o l y v i n y l i d e n e f l u o r i d e;s h o r t-t i m ee n e r g y;w e a r a b l e 0 引言阻塞型睡眠
11、呼吸暂停综合征(O S A S)是一种睡眠呼吸障碍疾病,易引发高血压、高碳酸血症等临床综合症1-2。多导睡眠图(P S G)是目前诊断O S A S的“黄金标准”,但P S G诊断时间长、成本高限制了其普及程度3,导致部分O S A S患者不能得到有效诊断,因此,设计成本低、方便使用的辅助诊断设备,可以帮助O S A S患者进行病情诊断,或居家实现康复检查。鼾声是O S A S的主要特征。2 0 1 7年,韩国延世大学E r d e n e b a y a r等4将压电传感器置于患者颈部以采集鼾声信号,并使用支持向量机作为分类器来检测O S A S事件,对轻、中、重度患者诊断的准确率分别为7
12、1.5%、8 0.5%、7 1.9%。2 0 2 0年,A.T.T u n c e r等5基于麦克风设计了鼾声检测系统,通过提取鼾声信号的线性和非线性特征,识别准确率为8 8.2 2%,灵敏度为9 4.9 1%。2 0 2 1年,吉林大学辛毅等6使用聚偏氟乙烯(P V D F)压电薄膜设计了家庭睡眠呼吸暂停筛查系统,对轻/中度、中/重度O S-A S患 者 的 敏 感 性 均 达 到 了1 0 0%,特 异 性 高 于9 2.9%。由此可见,通过鼾声诊断O S A S具有可行性,但非接触采集(如麦克风等)易受噪声及采集距离影响7,接触式采集(如压电传感器等)易出现导线束缚等问题8。针对上述问题
13、,本文提出了基于P V D F压电薄膜的可穿戴鼾声监测系统。设计悬臂梁结构鼾声传感器、鼾声采集系统、低噪声信号调理电路和上位机监测平台,并基于短时能量法完成鼾声端点检测算法设计,在准确测量的基础上实现鼾声监测系统的可穿戴设计。1 系统硬件设计1.1 结构设计P V D F具有频率响应宽、动态范围大、灵敏度高及柔性强等优点9。本文提出的悬臂梁结构鼾声传感器如图1所示。将P V D F粘贴在悬臂上,末端添加质量块用于降低谐振频率,同时采用金属外壳屏蔽干扰。图1 鼾声传感器定义矩形、梯形、三角形3种结构的悬臂梁如图2所示,压电材料厚度为0.1mm。图2 3种结构悬臂梁悬臂梁压电仿真如图3、4所示。由
14、图可见,在施加相同压力和相同单位面积力的条件下,矩形具有最大的输出电势,故选择矩形结构的悬臂梁作为鼾声传感器的主体结构。图3 施加相同压力条件下的电势图4 施加相同单位面积力条件下的电势鼾声是在睡眠期间由于呼吸气流引起上气道组织振动产生,为了提高采集效果,尽量将传感器放置于喉咙部位。借鉴挂脖式蓝牙耳机的结构,采用类似项圈的设计,将电路系统和传感器内置在两端,通过环形结构将其固定在脖子上,如图5所示。图5 系统总体结构1.2 硬件电路设计压电材料的输出阻抗可达数百兆欧以上,若直接与电压放大电路相连,则会导致阻抗不匹配,信号易受噪声影响。针对这一特点,本文设计了基于场09压 电 与 声 光2 0
15、2 3年 效应管的传感器驱动电路。传感器输出的鼾声信号在几十毫伏,而A D C基准电压为3.3V,信号放大电路对鼾声信号进行放大处理。鼾声信号能量主要集中在2k H z左右1 0-1 1,因此,带通滤波器的通频带范围选择6 0H z 3k H z,可以去除5 0H z工频噪声和高频噪声。信号调理电路如图6所示。图6 信号调理电路为提高系统的集成度,采用S TM 3 2 L 0系列单片机实现A D转换、系统控制和低功耗设计,通过2 5 6S a m p l e s硬件过采样器将A D C分辨率提高到1 5 b i t。采用AT K-B L E 0 2低功耗蓝牙模块进行无线通信,实现数据传输及指令
16、配置功能。为实现系统的可穿戴设计兼顾装置的自主性、便捷性和续航能力,采用聚合物锂电池作为系统的电源,电池输出电压为3.7V。使用具有集成L D O的同步升压转换器T P S 6 1 0 9 8 1分别为嵌入式系统和信号调理电路提供3.3V、3V电压。2 软件设计2.1 鼾声端点检测算法设计由于鼾声段和非鼾声段能量差异大,故采用短时能量法进行鼾声端点检测。在鼾声已经归一化并完成分帧处理的基础上,对每帧进行短时能量分析,第i帧短时能量E(i)为E(i)=L-1n=0y2i(n)0iN(1)式中:L为帧长;N为鼾声信号分帧后的帧数。端点检测具体流程:1)矩形窗对鼾声信号进行分帧处理。2)选择静默段计算短时能量门限值,采用双门限法判断鼾声位置,分别称为上门限(TH)、下门限(TL)。先计算前导静默段的平均能量Ea v:Ea v=Ni=0E(i)N(2)设置门限值分别为TL=aEa v(3)TH=bEa v(4)式中a、b分别为下门限和上门限比例系数。3)根据短时能量进行端点检测,将计算得到的帧短时能量依次与上、下门限进行比较。2.2 上位机监测平台设计采用多线程的设计思路,每个线程执行相同类型
