Блок регистрации и передачи данных для системы мониторинга сна человека

Полезная модель относится к электронной технике и специализированным устройствам вычислительной техники и может быть использована для создания устройств, обеспечивающих контроль параметров, характеризующих сон человека. Предложенное техническое решение представляет собой специализированное устройство электронной и вычислительной техники, содержащее элементы (блоки) и связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в ограниченном пространстве с возможностью выполнения в едином корпусе.
Из данного уровня техники известны следующие технические решения.
Известна система мониторинга сна (патент CN208837915), включающая в себя чувствительное устройство, выполненное в виде пьезоэлектрического пленочного датчика, блок аналоговой обработки, обеспечивающий усиление и фильтрацию выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования усиленного и отфильтрованного аналогового сигнала в цифровой сигнал. Модуль цифровой обработки сигнала анализирует полученные данные от АЦП, включая информацию о дыхании, сердцебиении и движениях пользователя в течение сна, и осуществляет передачу данных при помощи модуля связи в модуль хранения информации. Питание аналоговых и цифровых узлов устройства осуществляется за счет модуля питания.
Известно устройство для мониторинга биофизических показателей человека в течение сна (патент CN203914900), состоящее из корпуса, выполненного из высокопрочного металла. Внутри корпуса расположен чувствительный датчик для определения частоты сердечных сокращений, в предпочтительном варианте MEMS-акселерометр, и центральный блок управления, который состоит из последовательно соединенных усилителя сигнала, аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора и блока беспроводной связи.
Беспроводной блок связи может быть выполнен с возможностью передачи данных по ZigBee, Z-Wave или Bluetooth.
Корпус также снабжен модулем питания для подачи питающего напряжения на вышеупомянутые компоненты.
Известна система мониторинга (патент CN106725339), включающая в себя пьезоэлектрический пленочный датчик, блок усиления и фильтрации сигнала, центральный блок обработки сигнала и блок связи, характеризующаяся тем, что блок усиления и фильтрации сигнала включает в себя интегральный усилительный подблок, высокочастотный фильтрующий подблоки низкочастотный фильтрующий усилительный подблок, соединенные последовательно, причем интегральный усилительный подблок связан с выходным контактом пьезоэлектрического датчика, а  низкочастотный фильтрующий усилительный подблок связан с входом на центральный блок обработки сигнала.
Известна система мониторинга сна (патент CN107595251), позволяющая определять основные жизненно важные параметры человека в течение сна.
Пьезоэлектрические пленочные датчики с модулем усиления сигнала встраиваются в подушку для обнаружения сигналов дыхания и сердцебиения пользователя, а также движения тела во время сна. Заявленные датчики с модулем усиления подключаются к контроллеру DSP через USB-кабель. В контроллере осуществляется фильтрация усиленного аналогового сигнала, полученного от пьезоэлектрического датчика, при помощи фильтрующего модуля, после чего происходит цифровая обработка полученного сигнала при помощи АЦП при реализации метода быстрого преобразования Фурье для анализа частотного спектра с целью выделения частоты и амплитуды дыхания, сердцебиения и движения тела.
Затем обработанная информация о параметрах пользователя передается беспроводным способом по Bluetooth на мобильное устройство и отображается в приложении WeChat. Для хранения информации о параметрах пользователя в течение сна дополнительно используется SD-карта.
Данные устройства позволяют регистрировать необходимые жизненно важные параметры для контроля сна человека, однако не имеют возможности определять позу человека во время сна, регистрировать количество ночных подъемов, что не позволяет проводить комплексный мониторинг показателей сна человека, а также имеют ограничения, связанные с возможностью получения данных только от одного человека, в то время как при нахождении на регистрируемой поверхности двух человек, устройство, контролирующее параметры, будет получать недостоверную информацию.
Тем не менее, техническое решение, описанное в патенте CN107595251, является наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели и может выступать в качестве прототипа.
Задачей данной полезной модели является создание компактного блока регистрации и передачи данных для системы мониторинга сна с возможностью аналоговой и цифровой обработки выходных сигналов пьезодатчика и датчика изгиба и реализации математических алгоритмов с целью определения дополнительных параметров, тем самым обеспечивающего комплексный мониторинг биофизических параметров сна человека, а также с возможностью реализации сконфигурированной системы мониторинга параметров человека во время сна для точной и достоверной регистрации данных, получаемых системой одновременно от двух пользователей в случае встраивания системы в двуспальную зону, причем блок регистрации и передачи данных выполнен с возможностью удобного закрепления непосредственно на ленте, содержащей заявленные чувствительные датчики.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей обработки выходных сигналов чувствительных датчиков за счет обеспечения мониторинга широкого спектра параметров в течение сна человека, таких как частота дыхания, сердцебиения, фаз сна и положения человека во сне и др., при повышении точности их измерений и достижения компактности предлагаемого блока.
Технический результат достигается за счет того, что блок регистрации и передачи данных для системы мониторинга сна человека содержит корпус, выполненный в виде пластмассовой литой формы с индикатором, выполненным в виде светодиода, кнопкой управления и разъемом для подключения зарядного устройства, при этом внутри корпуса расположен центральный процессор (ЦП), аналого-цифровой преобразователь, блок для взаимодействия с пьезодатчиком, обеспечивающий дополнительное усиление и фильтрацию сигнала, модуль с аккумуляторной батареей, радиомодем и модуль энергонезависимой памяти, отличающийся тем, что корпус во внутренней своей части дополнительно содержит блок для взаимодействия с датчиком изгиба, модуль конфигурации типа спальной зоны, определяющий односпальная либо двуспальная спальная зона, и модуль определения стороны двуспальной зоны.
В предпочтительном варианте исполнения блока, блок для взаимодействия с пьезодатчиком включает в себя блок предварительной обработки сигнала, блок фильтрации сигнала, блок усиления сигнала, причем указанные блоки последовательно соединены друг с другом, при этом в блоке для взаимодействия с пьезодатчиком дополнительно содержится генератор опорного напряжения, связанный с входами блока предварительной обработки и блока усиления, а также цифровой потенциометр, соединенный с центральным процессором и блоком усиления.
В другом предпочтительном варианте исполнения блока, блок для взаимодействия с датчиком изгиба включает в себя блок предварительной обработки, блок коммутации каналов датчика, выполненный в виде аналогового мультиплексора, и блок согласования, при этом указанные блоки последовательно соединены друг с другом.
В другом предпочтительном варианте исполнения блока, радиомодем, работающий на частоте 2.4 ГГц и поддерживающий технологию BluetoothLowEnergy, встроен в ЦП.
В другом предпочтительном варианте исполнения блока, аналого-цифровой преобразователь встроен в ЦП.
В другом предпочтительном варианте исполнения, в блок встроен акселерометр.
Возможность одновременной аналоговой и цифровой обработки выходных сигналов пьезодатчика и датчика изгиба с осуществлением различной конфигурации заявленного блока, связанной с варьированием количества пользователей и привязкой к спальной зоне, а также интеграция в блок программной надстройки, осуществляющей расчет дополнительных параметров человека на основе полученной информации от заявленных чувствительных датчиков, обеспечивают проведение комплексного мониторинга и анализа параметров человека во время сна, что позволяет более точно осуществлять диагностику пользователя.
Далее полезная модель будет описана по ссылкам на чертежи:
фиг.1 - аппаратная схема блока регистрации и передачи данных для системы контроля параметров сна человека, где 1 - центральный процессор (ЦП), 2 - блок с усилителем для взаимодействия с пьезодатчиком, 3 - блок для взаимодействия с датчиком изгиба, 4 - индикатор, выполненный в виде светодиода, 5 - кнопка управления, 6 - модуль конфигуратора типа спальной зоны, 7 - модуль определения стороны спальной зоны, 8 - модуль энергонезависимой памяти, 9 - кварцевый резонатор низкой частоты;
фиг. 2 - блок-схема аналоговой обработки сигнала пьезодатчика, где 10 - пьезодатчик, 11 - блок предварительной обработки, 12 - блок фильтрации, 13 - блок усиления, 14 - генератор опорного напряжения (ГОН), 15 - цифровой потенциометр;
фиг. 3 - блок-схема аналоговой обработки сигнала датчика изгиба, где 16 - датчик изгиба, 17 - блок предварительной обработки, 18 - блок коммутации каналов, 19 - блок согласования.
Рассматриваемый блок регистрации и передачи данных для системы мониторинга сна позволяет подключать такие датчики регистрации параметров как:
пьезочувствительная лента (пьезодатчик) для определения частоты пульса и частоты дыхания пользователя;
многоканальный ленточный датчик изгиба, позволяющий определять позу или положение пользователя во время сна.
В совокупности, при обработке параметров, полученных с указанных датчиков, также появляется возможность определения фазы сна пользователя, что является немаловажным при обработке полученных параметров для выявления потенциальных проблем со здоровьем и выдачи рекомендации по корректировке рациона питания, образа жизни или своевременного предупреждения человека о необходимости посещения врача. Такие меры позволяют своевременно сигнализировать о серьезных заболеваниях, таких как ночное опноэ, храп, сердечно-сосудистые заболевания, заболевания нервной системы (панические атаки, синдром «беспокойных ног»), нарушение сна и своевременно преступать к их лечению. А также, информация о положении человека во сне может на ранних стадиях выявить или предотвратить заболевания позвоночника (например, шейно-грудной остеохондроз).
Для аналоговой обработки выходных сигналов заявленных чувствительных датчиков в блоке регистрации и передачи данных расположены блоки для взаимодействия с пьезодатчиком и датчиком изгиба.
Блок с усилителем для взаимодействия с пьезодатчиком (2) обеспечивает преобразование механического воздействия, оказываемого на пьезодатчик со стороны пользователя, в электрический сигнал, усиление и фильтрацию сигнала для расширения динамического диапазона сигнала, а также передачу сигнала на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в центральный процессор (1).
Блок для взаимодействия с многоканальным датчиком изгиба (3) обеспечивает преобразование сопротивления, поступающего с нескольких выходов датчика изгиба, в электрическое напряжение, коммутацию преобразованных сигналов и их передачу на вход АЦП.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для преобразования выходного сигнала с блоков пьезодатчика и датчика изгиба в цифровой сигнал и передачи полученного сигнала в центральный процессор (1).
Центральный процессор предназначен для формирования сигнала на активацию опрашиваемых датчиков и обработки полученных сигналов, управления периферией блока регистрации (индикаторы, вибромотор), передачи данных и взаимодействия со смартфоном через радиомодем, встроенного в центральный процессор (1).
Радиомодем работает на частоте 2.4 ГГц и поддерживает технологию BluetoothLowEnergy для передачи информации о биофизических показателях пользователя и/или другой информации, измеряемой или рассчитываемой процессорным блоком на электронное устройство (например, смартфон).
Для функционирования центрального процессора в блок регистрации и передачи данных также включены:
энергонезависимая память, представляющая собой запоминающее устройство в виде цифровой микросхемы, предназначенной для хранения системной и/или пользовательской информации;
кварцевый резонатор низкой частоты (9) - электронный компонент - дополнительный источник тактирования центрального процессора, необходимый для работы часов реального времени.
Для управления блоком регистрации передачи данных корпус содержит:
индикаторный элемент, выполненный в виде набора светодиодов (4), управляемый со стороны центрального процессора и предназначенный для сигнализации различных статусов устройства;
механическая кнопка без фиксации (5), предназначенная для различных пользовательский действий (калибровка, аппаратный сброс и др.).
Для более точной обработки полученных сигналов и расширении возможностей обработки сигналов, связанных с получением данных от двух пользователей, в блок регистрациии передачи данных введены:
модуль конфигурации типа спальной зоны, определяющий односпальной или двуспальной является спальная зона. Данный модуль необходим для корректного отображения внешнего вида кровати и индикатора занятости спального места в мобильном приложении;
модуль конфигурации стороны спальной зоны, позволяющий определить с какой стороны спальной зоны находится конкретный пользователь системы мониторинга сна (в случае двуспальной зоны).
Устройство имеет возможность работы как от аккумуляторной батареи (АКБ), обеспечивающей автономную работу устройства, так и от внешнего источника, причем переключение питания устройства с АКБ на внешний источник питания и обратно (в зависимости от того подключен ли внешний источник) осуществляется за счет узла, содержащего переключатель питания. Заряд осуществляется за счет зарядного устройства.
Подача питающего низкого напряжения (5 В) для заряда встроенной АКБ обеспечивается через USB-порт блока регистрации и передачи данных.
Схемный узел делителя напряжения, выход которого подключен к центральному процессору, предназначен для детектирования наличия внешнего питания.
Также в составе рассматриваемого блока предлагается использование дополнительного датчика - акселерометра с целью реализации алгоритмов энергосбережения. Предполагается следующий подход к реализации энергосбережения: акселерометр предоставляет возможность не только измерять ускорение по трем осям декартовых координат, но и реализовывать собственную несложную логику, например, отслеживание превышения порога ускорения по одной или нескольким осям. Результатом такого отслеживания является формирование логического уровня на специальном выходе микросхемы акселерометра. Таким образом, настроив определенный порог ускорения, центральный процессор (1) может отключать наиболее энергозатратные узлы системы, такие как блоки, связанные с пьезодатчиком и датчиком изгиба (2, 3), и ожидать сигнала от акселерометра, который сработает в тот момент, когда пользователь ляжет на матрас.
Осуществление полезной модели реализуется следующим образом (фиг.1).
Блок регистрации и передачи данных закрепляется на выходных разъемах пьезодатчика и датчика изгиба. При помощи кнопки (5) на корпусе блока осуществляется его активация, загорается индикатор (4), блок переходит в режим ожидания подключения смартфона пользователя, при этом взаимодействие со смартфоном осуществляется по Bluetooth. Также кнопка (5) может служить для калибровки датчика изгиба и сброса прибора до заводских настроек.
После подключения смартфона, пользователь проводит настройку датчиков относительно спальной зоны, для этого в приложении на смартфоне выбирается тип спальной зоны, если спальная зона предназначена для одного человека, в модуле конфигурации типа спальной зоны (6) активируется режим одного пользователя, если двуспальная, то режим двух пользователей.
В случае двуспальной зоны, на каждого пользователя предусмотрен отдельный комплект заявленных чувствительных датчиков, расположенных на левой и правой спальных зонах и подключенных к самостоятельным блокам регистрации и передачи, характеризующимися конфигуратором стороны спальной зоны.
Для привязки смартфона каждого пользователя к стороне спальной зоны необходимо активировать модуль конфигурации стороны спальной зоны (7), для чего каждому их двух пользователей необходимо в соответствии с рекомендацией смартфона принять положение лежа на выбранной стороне спальной зоны, при этом данные от датчика изгиба попадают в модуль конфигурации стороны  спальной зоны (7) и происходит фиксация модулем этих данных. Во время сна аналоговый сигнал от пьезодатчика поступает через блок с усилителем (2) в центральный процессор (1) через аналого-цифровой преобразователь. Сигнал от датчика изгиба аналогично поступает в центральный процессор (1) через блок (3). Обработка параметров, характеризующих сон человека, полученных от пьезодатчика и датчика изгиба, осуществляется с учетом настройки и калибровки при помощи модуля конфигуратора типа спальной зоны (6) и модуля определения стороны спальной зоны (7).
Процесс аналоговой обработки сигнала, реализующийся в микроконтроллере, связанного с пьезодатчиком, представлен на фиг. 2.
На аппаратном уровне аналоговый сигнал проходит три стадии обработки:
согласование - преобразование заряда, генерируемого датчиком, в электрическое напряжение;
антиалайзинговая фильтрация для устранения эффекта наложения спектров;
усиление с целью повышения динамического диапазон сигнала.
Пунктирная линия обозначает логическое размещение элементов снаружи или внутри процессорного блока.
Сигнал с пьезодатчика (10) поступает на блок предварительной обработки (11) c нулевым коэффициентом усиления (повторитель на операционном усилителе). На выходе блока наблюдается неискаженный сигнал со смещением, создаваемым с помощью генератора опорного напряжения (14), реализованного на микросхеме линейного регулятора напряжения. Смещение требуется ввиду того, что в системе используется однополярное питание, а выход пьезодатчика является двуполярным. Наличие смещения позволяет сместить средний (нулевой) уровень сигнала примерно в область половины питающего напряжения и таким образом фиксировать полный размах сигнала.
С выхода блока предварительной обработки (11) сигнал поступает в блок фильтрации (12).
Блок (12) построен на базе активного фильтра второго порядка по схеме Саллена-Ки и предназначен для подавления в выходном спектре сигнала, что позволяет существенно снизить влияние на сигнал сетевых наводок и устранить эффект наложения спектров. Поскольку фильтр имеет нулевой коэффициент усиления, ему не требуется опорное напряжение.
После фильтрации сигнал поступает в блок усиления (13), предназначенный для расширения динамического диапазона полезного сигнала. Блок построен на базе схемы неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Поскольку на вход блока сигнал поступает со смещением, цепь обратной связи подключена к опорному напряжению. Коэффициент усиления может варьироваться программно с помощью цифрового потенциометра (15), представляющего собой интегральную микросхему с цифровым интерфейсом SPI и соединенного с центральным процессором (ЦП). После усиления сигнала поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в центральный процессор (ЦП). Дальнейшая обработка сигнала производится цифровыми методами.
Процесс аналоговой обработки сигнала, реализующийся в микроконтроллере, связанного с датчиком изгиба, представлен на фиг. 3.
Датчик изгиба (16) подключается к блоку предварительной обработки (17), выполняющего роль преобразования сопротивления сегментов датчика в электрическое напряжение. Схемотехнически блок реализован на основе делителей напряжения, количество которых определяется числом каналов датчика.
Из блока предварительной обработки сигналы поступают в блок коммутации каналов (18), который представляет собой аналоговый мультиплексор, коммутирующий сигнал с нескольких входов на один выход в соответствии с состоянием адресных входов, которые задаются центральным процессором (ЦП).
С выхода блока коммутации сигнал поступает в блок согласования (19), реализованный по схеме повторителя напряжения на операционном усилителе. После этого сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), встроенный в центральный процессор (ЦП).
Состав описанной архитектуры продиктован классическими методами аналоговой схемотехники.
После аналоговой обработки сигналы заявленных чувствительных датчиков проходят цифровую обработку с помощью АЦП, встроенного в центральный процессор (ЦП).
Цифровая обработка сигналов пьезодатчика и датчика изгиба осуществляется посредством реализации математических вычислительных методов в программных модулях АЦП блока регистрации и передачи.
Для выделения показателей пульса и дыхания из выходного сигнала блока, связанного с пьезодатчиком, выполняются следующие шаги:
цифровой БИХ-фильтр (фильтр с бесконечной импульсной характеристикой) нижних частот для подавления сигнала пульса и выделения сигнала дыхания;
расчет спектра дыхания методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) в окне 4096 точек и вычисление его частоты по максимуму спектральной составляющей;
цифровой БИХ-фильтр верхних частот для подавления сигнала дыхания;
декомпозиция на экспериментальные моды (по методу EEMD), в результате чего сигнал раскладывается на несколько составляющих (мод). Таким образом, удается избавиться от шумов и достаточно эффективно реализовать выделение сигнала пульса на фоне оставшегося после первого этапа сигнала дыхания;
расчет спектра сигнала пульса методом БПФ в окне 4096 точек и вычисление частоты сердцебиения.
Указанные шаги приведены в качестве примера, т.к. методы обработки сигналов могут меняться.
Практика показала, что процесс аналоговой обработки выходного сигнала пьезодатчика достаточно чувствителен к внешним возмущениям (сетевые помехи, резкие движения пользователя, характеристики спальной зоны), что приводит к высокой степени непостоянства формы сигнала как по амплитуде, так и по времени. Поэтому для решения этой проблемы используются несколько дополнительных шагов по цифровой обработке массивов частот пульса и дыхания перед тем, как пользователь увидит численные значения в мобильном приложении:
отбрасывание невалидных значений в ретроспективе из 10 измерений. Критерием отбрасывания является выход за порог, равный среднему значению в указанном окне из 10 точек. Если изменение текущего значения по модулю превышает порог на 3 единицы, то значение заменяется средним;
многоступенчатое усреднение полученной кривой с помощью скользящего окна, состоящего из трех точек: берется текущая точка, одно предыдущее и одно последующее значение. Если изменение текущего значения по модулю превышает среднее на 0.1 единицы в окне третьей точки, то оно заменяется средним.
Первый шаг реализуется в блоке регистрации и передачи данных, а второй шаг - на стороне мобильного приложения.
Указанные шаги приведены в качестве примера, т.к. методы обработки сигналов могут меняться.
Для расширения спектра анализируемых параметров сна человека блок регистрации и передачи данных включает аппаратную надстройку, реализующую математические методы и алгоритмы для более точной регистрации параметров, получаемых с чувствительных датчиков и определения дополнительных параметров на основе данных, полученных с датчиков, что повышает функциональные возможности предлагаемого блока.
Для определения фазы сна пользователя в блоке регистрации и передачи реализуется математический алгоритм на основе программной надстройки, который основывается на данных пьезодатчика и предполагает подсчет движений в единицу времени. Если сигнал пьезодатчика превысил определенный порог, что происходит только при движениях, то фиксируется движение. Интенсивность движения тем выше, чем дольше сигнал пьезоэлектрического датчика находится за пороговым значением.
Для определения положения пользователя на спальной зоне во время сна осуществляется цифровая обработка выходного сигнала блока, связанного с датчиком изгиба с применением программной составляющей, реализующей метод машинного обучения, логика которого основывается на понятии о позе человека, определяемое как устойчивое во времени горизонтальное положение тела человека на кровати.
Для этого на первом этапе производится обучение модели, в процессе чего конкретному набору измеренных значений датчика изгиба ставится в соответствии известное положения на матрасе. После этого синтезируется модель, которая в последующем самостоятельно производит классификацию поз при подаче на ее вход массива сопротивлений изгиба. Один из примеров данного процесса включает в себя следующие этапы:
сбор обучающих данных и сопоставления их с известными позами, причем известные позы можно классифицировать следующим образом:
на спине
на левом боку
на правом боку
на животе
обучение модели с применением фреймворка CreatML и алгоритма RandomForest с 3000 итераций;
применение обученной модели для классификации поз только на основе показаний датчика изгиба.
Таким образом, использование данной полезной модели позволит проводить комплексную оценку сна пользователей, повысить точность контролябиофизических параметров, характеризующих сон человека, за счёт возможности одновременной аналоговой и цифровой обработки сигналов пьезодатчика и датчика изгиба, интеграции в блок программной надстройки, обеспечивающей определение дополнительных показателей на основании информации от заявленных чувствительных датчиков, и обеспечения возможности более точной настройки обработки полученных от пьезодатчика и датчика изгиба данных, позволяющих получать данные при установке датчиков на различные типы спальных зон.