基于多壓電薄膜傳感器的睡姿識(shí)別方法研究

耿讀艷　董嘉冀　寧琦　趙杰　王晨旭

摘? 要： 睡眠姿勢(shì)是評(píng)估睡眠質(zhì)量的一個(gè)重要因素，對(duì)呼吸暫停和心血管疾病有著重要影響。為提高心沖擊（BCG）睡姿識(shí)別的準(zhǔn)確性，提出一種通過(guò)多路壓電薄膜傳感器采集心沖擊信號(hào)實(shí)現(xiàn)睡姿識(shí)別的方法。首先設(shè)計(jì)多壓電薄膜傳感器組成的軟墊來(lái)獲取BCG信號(hào)，然后對(duì)預(yù)處理后的BCG波形進(jìn)行時(shí)域分析，利用特征比值法優(yōu)化特征向量，最后輸入粒子群優(yōu)化支持向量機(jī)（PSO?SVM）實(shí)現(xiàn)仰臥、左側(cè)臥、右側(cè)臥、俯臥4種睡姿的準(zhǔn)確識(shí)別。結(jié)果表明，該文方法與已有睡姿識(shí)別方法相比準(zhǔn)確率提高到97.1%，克服了單路BCG波形受個(gè)體差異及環(huán)境的影響，為家庭醫(yī)療與無(wú)感睡眠監(jiān)測(cè)的研究提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵字： 睡姿識(shí)別; 睡眠監(jiān)測(cè); 床墊設(shè)計(jì); 心沖擊信號(hào)采集; 時(shí)域分析; 特征向量?jī)?yōu)化; 對(duì)比驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN304.055?34; R138? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0005?04

Research on sleeping posture recognition method based on multi?channel

piezoelectric thin?film sensor

GENG Duyan1，2， DONG Jiaji2， NING Qi2， ZHAO Jie2， WANG Chenxu2

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;

2. Hebei Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract： Sleeping posture is an important factor for sleep quality assessment and has an important impact on apnea and cardiovascular diseases. A method to realize sleeping posture recognition by collecting bsllistocardiogram （BCG） signals by means of the multi?channel piezoelectric thin?film sensor is proposed to improve the accuracy of BCG sleeping posture recognition.? A cushion with the multi?channel piezoelectric thin?film sensors is designed to acquire the BCG signal， and then the time?domain analysis of the pre?processed BCG waveform is performed. The feature vector is optimized with the feature ratio method， and inputted the particle swarm optimization and support vector machine （PSO?SVM） to realize the accurate recognition of four sleeping postures： supineness， left side lying， right side lying and prone lying. The testing results show that， in comparison with the existing sleeping posture recognition method， the accuracy rate of this method is increased to 97.1%， which overcomes the influence of individual differences and environment on the single?channel BCG waveform， and provides a basis for the research of family medicine and insensible sleep monitoring.

Keywords： sleeping posture recognition; sleep monitoring; mattress design; BCG signal collection; time?domain analysis; feature vector optimization; comparison validation

0? 引? 言

睡眠姿勢(shì)與睡眠質(zhì)量有著密切的聯(lián)系，睡姿對(duì)心臟、胸腔和脊柱等部位都有著一定的影響[1]，關(guān)系著人的生理與心理健康。睡姿對(duì)于健康成年人無(wú)好壞之分，但特定的睡姿能夠起到預(yù)防相關(guān)疾病的效果。對(duì)于體弱多病的人群來(lái)說(shuō)，選擇恰當(dāng)?shù)乃咦藙?shì)對(duì)病情的發(fā)展有著潛移默化的作用，如阻塞性呼吸暫停的患者，多喜歡仰臥，但仰臥會(huì)使患者呼吸更加困難，增加患者呼吸暫停的次數(shù);心血管疾病的患者左側(cè)臥時(shí)對(duì)心臟的壓迫最為嚴(yán)重，避免左側(cè)臥睡姿能有效減少夜間心臟發(fā)病概率[2?3]。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，睡眠監(jiān)測(cè)使用多導(dǎo)睡眠儀最為普遍[4]，但接觸式的監(jiān)測(cè)方式對(duì)人的睡眠造成很大干擾，無(wú)法適用于家庭醫(yī)療監(jiān)測(cè)。為避免由束縛監(jiān)測(cè)帶來(lái)的影響，利用心沖擊信號(hào)（Ballistocardiogram，BCG）無(wú)感監(jiān)測(cè)睡眠的方法廣受國(guó)內(nèi)外關(guān)注，但研究問(wèn)題多集中于如何在不同體位和睡姿時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別生理信號(hào)，忽視了睡姿識(shí)別對(duì)睡眠監(jiān)測(cè)的重要性。任志斌等人通過(guò)壓力傳感器陣列床墊（32×32個(gè)傳感器）無(wú)接觸式采集BCG信號(hào)，但硬件工藝繁瑣，計(jì)算復(fù)雜度高[5]。張藝超等人使用單片EMFi壓電薄膜傳感器[6]，提取HIJKL波的幅值與寬度作為特征向量進(jìn)行睡姿識(shí)別，但其睡姿識(shí)別的準(zhǔn)確性對(duì)信號(hào)波形要求高， HI與KL波峰檢測(cè)定位準(zhǔn)確度受采集系統(tǒng)、信號(hào)去噪效果及周圍環(huán)境的束縛，魯棒性較差。

針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，本文提出一種基于多路壓電薄膜信號(hào)分析的睡姿識(shí)別方法。首先設(shè)計(jì)由多片PVDF壓電薄膜傳感器組成的同步采集設(shè)備，采集4種基本睡姿時(shí)的多路BCG波形，并分別進(jìn)行預(yù)處理，獲取無(wú)噪聲的BCG信號(hào);然后對(duì)去噪后的各波形進(jìn)行時(shí)域分析，提取J波峰值、方差及均值，通過(guò)特征比值法加強(qiáng)睡姿與各路特征值之間的聯(lián)系，并將提取的特征差異值作為特征向量，利用粒子群算法優(yōu)化的支持向量機(jī)（Particle Swarm Optimization and Support Vector Machine，PSO?SVM）方法實(shí)現(xiàn)仰臥、左側(cè)臥、右側(cè)臥、俯臥4種基本睡姿的識(shí)別。

1? 多路BCG信號(hào)采集

1.1? 多路傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，對(duì)于睡姿的識(shí)別，壓電傳感器采集的BCG信號(hào)均為單一波形，睡姿識(shí)別的準(zhǔn)確性受人體與傳感器接觸情況影響嚴(yán)重。為解決此問(wèn)題，本文以信號(hào)采集準(zhǔn)確、采集通道少、硬件成本低為原則，設(shè)計(jì)將三片壓電薄膜傳感器（80 cm×4.5 cm）以“H”形放置于床墊，此放置情況幾乎所有體位均能保障采集到至少2路準(zhǔn)確的BCG信號(hào)。在保障準(zhǔn)確采集心臟信號(hào)的同時(shí)更有利于實(shí)現(xiàn)睡姿的識(shí)別，本文僅對(duì)典型的4種基本睡姿進(jìn)行分析與識(shí)別。

如圖1所示，將傳感器縫合于90 cm×90 cm的軟墊內(nèi)，鋪于床墊下，①號(hào)壓電薄膜傳感器大致位于胸腔下方，②③號(hào)壓電薄膜傳感器以床橫向中心線對(duì)稱放置（相間12 cm）。

1.2? 獲取原始BCG信號(hào)

選取30名健康受試者（20名男性，10名女性，年齡20～30歲，身高160～185 cm，體重45～85 kg）參與實(shí)驗(yàn)，躺在如圖1所示鋪有軟墊的床上，分別采集安靜狀態(tài)下仰臥、左側(cè)臥、右側(cè)臥和俯臥4種睡姿，體位不做要求，但為避免受試者對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和睡姿不適應(yīng)等干擾，要求受試者平穩(wěn)躺下1 min后開(kāi)始采集，通過(guò)信號(hào)處理后傳輸至上位機(jī)進(jìn)行線下信號(hào)處理。

2? 多路BCG信號(hào)預(yù)處理

BCG圖相比于ECG信號(hào)可以在無(wú)束縛的情況下反映監(jiān)測(cè)人的心臟情況，由于壓電薄膜傳感器具有很高的靈敏度，采集的信號(hào)中含有胃腸蠕動(dòng)、呼吸與體動(dòng)等噪聲干擾[7]，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)毛刺與基線漂移等問(wèn)題，影響睡姿的識(shí)別。因此，本文采用自適應(yīng)白噪聲完備經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise，CEEMDAN）與排列熵（Permutation Entropy，PE）相結(jié)合的BCG信號(hào)去噪方法。該方法相比于小波變換法更加簡(jiǎn)便，同時(shí)在模態(tài)經(jīng)驗(yàn)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)尺度增加不同的白噪聲，解決EMD的模態(tài)混疊問(wèn)題[8?9]。

通過(guò)CEEMDAN方法，3路BCG信號(hào)分解得13個(gè)IMF分量和1個(gè)余項(xiàng)。其中IMF分量按頻率由高到低排列，不同頻率段的模態(tài)分量分別代表高頻噪聲、有效信號(hào)和基線漂移。人為設(shè)定如何選擇重構(gòu)的IMF過(guò)于主觀與絕對(duì)，因此本文采用PE算法，PE算法需要選取合適的維數(shù)M和時(shí)延τ兩個(gè)參數(shù)，M值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致重構(gòu)向量的狀態(tài)變少，過(guò)大會(huì)因維數(shù)過(guò)高而導(dǎo)致計(jì)算量大，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)。本文設(shè)定參數(shù)[10]M=3，τ=1，經(jīng)分析在閾值0.706 0≤PE≤0.812 0內(nèi)的IMF分量重構(gòu)出的無(wú)噪聲BCG信號(hào)，信噪比最低，去噪后的3路BCG波形如圖2所示。 圖中的BCG1，BCG2，BCG3分別對(duì)應(yīng)①②③號(hào)傳感器所采集的信號(hào)。

3? 多路BCG睡姿相關(guān)信號(hào)的特征提取

3.1? 時(shí)域分析

由圖2可以看出，不同睡姿時(shí)各傳感器采集的波形在時(shí)域上有明顯差異，而與頻域幾乎無(wú)關(guān)。根據(jù)已有的睡姿識(shí)別方法[11]，并結(jié)合本文多路傳感器采集的信號(hào)特點(diǎn)，采用時(shí)域分析方法，選擇J波峰值特征[HJ]、BCG方差特征S和平均幅值[H]作為睡姿特征。在心沖擊中IJK波與心電信號(hào)中QRS波有相似的生理意義和波形特征，IJK是心沖擊圖中變化最為明顯的間隔段，對(duì)應(yīng)的斜率與其他波有著很大的差異，且在波群中幅值最大，如圖3所示。因此，對(duì)于BCG信號(hào)中J波的定位，采用經(jīng)典的差分閾值檢測(cè)方法[12]，該方法利用J波峰值最為突出且上升和下降斜率最大的特點(diǎn)，主要步驟如下：

一階和二階差分形式為：

[y′（n）=y（n+1）-y（n-1）]? ? ?（1）

[y″（n）=y′（n+1）-y（n-1）]? ? ?（2）

對(duì)式（1）和式（2）做平方和運(yùn)算，相當(dāng)于對(duì)差分后的波形信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，突出J波特征：

[Y（n）=（y′（n））2+（y″（n））2]? ? ?（3）

最后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)閾值法定位J波，獲得準(zhǔn)確的[HJ]特征值。

3.2? 特征融合

每一種睡姿，心臟與三片傳感器的相對(duì)位置不同，既而波形差異能夠很好地反映睡姿，因此將每一種睡姿時(shí)的三路信號(hào)特征進(jìn)行融合作為睡姿特征，能夠更好的識(shí)別睡姿。本文提出“特征比值法”，將各傳感器提取的特征做交叉比值，公式如下：

[HJ12=HJ1HJ2] ? ? ? （4）

[HJ13=HJ1HJ3]? ? ? ? （5）

[HJ23=HJ2HJ3]? ? ? ? （6）

[S12=S1S2]? ? ? ? ? ? （7）

[S13=S1S3]? ? ? ? ? ? （8）

[S23=S2S3]? ? ? ? ? ? （9）

[H12=H1H2]? ? ? ? ? （10）

[H13=H1H3]? ? ? ? ? （11）

[H23=H2H3]? ? ? ? ? （12）

式中，[HJ1]，[HJ2]，[HJ3]，[S1]，[S2]，[S3]和[H1]，[H2]，[H3]分別為從圖1軟墊中①②③號(hào)傳感器采集的BCG信號(hào)所提取的J波峰值，方差和平均值特征。

各特征值之間無(wú)權(quán)重比，利用特征比值法分析的特征值，充分反映了各路BCG信號(hào)與睡姿的關(guān)系，構(gòu)建特征向量[P]：

[P=HJ12，HJ13，HJ23，S12，S13，S23，H12，H13，H23]

4? 多路BCG睡姿識(shí)別方法

本文利用粒子群優(yōu)化（PSO）支持向量機(jī)的方法， PSO?SVM率先由Abdulhamit Subasi等人應(yīng)用于肌電信號(hào)分類[13]，提出PSO?SVM可用于非平穩(wěn)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的分類的觀點(diǎn)。PSO?SVM方法相比于SVM方法具有分類精度高、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，針對(duì)本文所構(gòu)造的特征向量，PSO?SVM明顯優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別效率更高，更適用于本文小樣本的睡姿分類與識(shí)別。

在本文研究中，將30名受試者仰臥、左側(cè)臥、右側(cè)臥和俯臥4種基本睡姿各采集一次，提取120個(gè)特征向量作為樣本容量，并標(biāo)記標(biāo)簽。其中，仰臥特征向量[Ps1～Ps30]標(biāo)簽為0;左側(cè)臥特征向量[Pl1～Pl30]標(biāo)簽為1;右側(cè)臥特征向量[Pr1～Pr30]標(biāo)簽為2;俯臥特征向量[Pp1～Pp30]標(biāo)簽為3。將30名受試者按照男女比例隨機(jī)分為兩組，第一組21名受試者（14男，7女），第二組9名（6男，3女）。第一組受試者提取的特征向量作為訓(xùn)練集，第二組作為測(cè)試集，即訓(xùn)練識(shí)別過(guò)程中，84個(gè)為訓(xùn)練樣本，36個(gè)為測(cè)試樣本。通過(guò)PSO?SVM分類器，利用PSO方法，對(duì)訓(xùn)練集中每種睡姿的SVM模型進(jìn)行迭代尋優(yōu)，訓(xùn)練出最優(yōu)參數(shù)的睡姿識(shí)別模型，最后用于識(shí)別測(cè)試集的睡姿。

5? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文所述方法的有效性，通過(guò)對(duì)30名受試者4種睡姿的多路BCG采集，利用特征比值法建立各傳感器間的特征聯(lián)系構(gòu)造出特征向量P，用PSO?SVM方法實(shí)現(xiàn)睡姿的識(shí)別。訓(xùn)練結(jié)果如圖4所示，經(jīng)計(jì)算，仰臥、左側(cè)臥、右側(cè)臥的識(shí)別率為100%，俯臥的識(shí)別率為88.9%，各睡姿綜合識(shí)別率達(dá)到97.1%。

6? 結(jié)? 論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)多壓電薄膜傳感器床墊進(jìn)行同步采集，經(jīng)CEEMDAN?PE方法進(jìn)行去噪處理，對(duì)去噪后的3路BCG波形進(jìn)行時(shí)域分析，提出特征比值法將3路BCG特征融合并作為特征向量，利用PSO優(yōu)化SVM的方法識(shí)別4種基本睡姿，睡姿識(shí)別準(zhǔn)確率提高到97.1%，有較強(qiáng)的魯棒性，驗(yàn)證了本文方法的有效性。相比于傳統(tǒng)的睡姿檢測(cè)裝置與算法，該方法克服了傳統(tǒng)單傳感器對(duì)單一信號(hào)分析時(shí)受體位與外界環(huán)境干擾影響的問(wèn)題，為無(wú)束縛睡眠姿勢(shì)監(jiān)測(cè)提供了新方法，為相關(guān)疾病的預(yù)防、診斷與治療提供了參考依據(jù)。

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