基于無創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的睡眠分期方法

郭天文

摘 要 本文提出了以STM32L1為核心的無創(chuàng)人體生理數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采集人體的脈搏和度和體動信號的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。利用樸素貝葉斯-滑動窗口算法對數(shù)據(jù)進行融合處理，得出整夜睡眠的分期情況。最后將分期情況與多導睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)果進行比較，證明了此方法能較為準確的對睡眠進行分期。

【關(guān)鍵詞】STM32 睡眠分期 脈搏 體動信號

隨著睡眠研究的深入，人們了解到睡眠對人類的重要性。本文設計了無創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過多種傳感器采集脈搏和體動信號，彌補了單一數(shù)據(jù)的缺陷。并設計了樸素貝葉斯-滑動窗口算法，對數(shù)據(jù)進行融合，最后得到了較為準確的睡眠分期。

1 無創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體機構(gòu)

系統(tǒng)硬件由核心板和外圍擴展電路構(gòu)成。核心板為主要包括STM32L1151C8T6、晶振和電源模塊。外圍擴展電路主要包括加速度傳感器、脈搏探頭。其中，加速度傳感器采用低功耗、高精度的ADXL345，脈搏探頭選擇目前醫(yī)用的Nellcor公司生產(chǎn)的DS-100A。STM32接收傳感器返回的數(shù)據(jù)，并提取出脈搏和體動信號并進行分析。

2 樸素貝葉斯-滑動窗口睡眠分期算法

對于睡眠分期，美國睡眠醫(yī)學學會的最新的標準是將其劃分為兩個部分，即快速眼動期（REM）和非快速眼動期（NREM），而NREM期可以劃分為4個階段，即NREM1，NREM2，NREM3和NREM4。人類睡眠狀況是一個周期性過程，從清醒狀態(tài)進入REM，隨著睡眠的深入進入NREM1，NREM2，NREM3，再到達NREM4；再由NREM4進入NREM3，NREM2，NREM1，最后回到REM，完成一個睡眠周期。

2.1 脈搏和體動信號睡眠分期的劃定

研究表明隨著睡眠的深入，人體各種生理活動都將發(fā)生變化，如脈搏每分鐘將減慢10-30次，絕大部分骨骼肌舒張，動作次數(shù)減少。因此，脈搏和體動信號對于睡眠分期有極好的對應關(guān)系。首先將睡眠分期進行量化處理，把Awake期，REM期，NREM1期，NREM2期，NREM3期，NREM4期量化為數(shù)值，如表1所示。

2.2 算法實現(xiàn)

樸素貝葉斯法是通過計算對象的先驗概率來判斷其后驗概率，以最大后驗概率作為該對象所屬的類。在本設計中，通過計算數(shù)據(jù)與睡眠分期之間的相關(guān)系數(shù)，并將其歸一化，分別計算出各自所占總和的比值，選取比值最大的一類數(shù)據(jù)作為本頁睡眠分期劃分的依據(jù)。

滑動窗口法是將每次的計算結(jié)果作為本次窗口的第一個數(shù)據(jù)的結(jié)果，窗口后移一位，將第一個數(shù)據(jù)移出并加入一個新的數(shù)據(jù)在末尾重新計算，提高了結(jié)果的準確度。在本設計中，所采用的窗口大小為16頁。

其具體算法如下：

（1）對全部數(shù)據(jù)進行分期判定，根據(jù)公式

求出體動數(shù)據(jù)和脈搏數(shù)據(jù)關(guān)于整夜睡眠分期的相關(guān)系數(shù)，其中：i=1、2；xi代表每一頁的各類數(shù)據(jù)，是各類數(shù)據(jù)整夜的均值，y代表各類數(shù)據(jù)每頁計算所得的睡眠分期， 代表整夜睡眠分期的均值。

（2）求出三個相關(guān)系數(shù)所占和的比例系數(shù)，對全部數(shù)據(jù)進行處理，其中為各類數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)的比例系數(shù)，x1、x2為各類數(shù)據(jù)的每一頁數(shù)據(jù)，、為各類數(shù)據(jù)的整夜均值。

（3）根據(jù)樸素貝葉斯分類法在三個相關(guān)系數(shù)中選擇最大的那類數(shù)據(jù)所對應的睡眠分期作為本次窗口第一頁數(shù)據(jù)的睡眠分期；如果存在兩類或者兩類以上數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)相同，則放棄本次數(shù)據(jù)，以上一頁數(shù)據(jù)作為本次的計算結(jié)果。

（4）窗口向后移動一頁，進行相同的計算，直到移動到數(shù)據(jù)末端。

3 結(jié)果分析

為驗證算法的可靠性，本文在采集數(shù)據(jù)的時候同時使用了多導睡眠儀與本文所設計的無創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并針對同一睡眠數(shù)據(jù)進行分期，將多導睡眠儀分期結(jié)果和本方法的分期進行了比較，驗證了本方法的有效性。

4 結(jié)論

本文設計了無創(chuàng)睡眠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過設計樸素貝葉斯-滑動窗口算法，將采集到的體動數(shù)據(jù)，脈搏數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，計算出整夜的睡眠分期，并與專業(yè)的多導睡眠儀的監(jiān)測結(jié)果進行比較，證實了本算法的準確性。此方法在便攜式家用睡眠監(jiān)測系統(tǒng)中可以得到很好的應用。

參考文獻

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作者單位

1.南京工業(yè)大學 江蘇省南京市 211800

2.西安電子科技大學 陜西省西安市 710071endprint