郭天文

摘 要 本文提出了以STM32L1為核心的無(wú)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(dòng)信號(hào)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(dòng)窗口算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行比較，證明了此方法能較為準(zhǔn)確的對(duì)睡眠進(jìn)行分期。

【關(guān)鍵詞】STM32 睡眠分期 脈搏 體動(dòng)信號(hào)

隨著睡眠研究的深入，人們了解到睡眠對(duì)人類(lèi)的重要性。本文設(shè)計(jì)了無(wú)創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)多種傳感器采集脈搏和體動(dòng)信號(hào)，彌補(bǔ)了單一數(shù)據(jù)的缺陷。并設(shè)計(jì)了樸素貝葉斯-滑動(dòng)窗口算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最后得到了較為準(zhǔn)確的睡眠分期。

1 無(wú)創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體機(jī)構(gòu)

系統(tǒng)硬件由核心板和外圍擴(kuò)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(kuò)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(dòng)信號(hào)并進(jìn)行分析。

2 樸素貝葉斯-滑動(dòng)窗口睡眠分期算法

對(duì)于睡眠分期，美國(guó)睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)的最新的標(biāo)準(zhǔn)是將其劃分為兩個(gè)部分，即快速眼動(dòng)期（REM）和非快速眼動(dòng)期（NREM），而NREM期可以劃分為4個(gè)階段，即NREM1，NREM2，NREM3和NREM4。人類(lèi)睡眠狀況是一個(gè)周期性過(guò)程，從清醒狀態(tài)進(jìn)入REM，隨著睡眠的深入進(jìn)入NREM1，NREM2，NREM3，再到達(dá)NREM4；再由NREM4進(jìn)入NREM3，NREM2，NREM1，最后回到REM，完成一個(gè)睡眠周期。

2.1 脈搏和體動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(dòng)作次數(shù)減少。因此，脈搏和體動(dòng)信號(hào)對(duì)于睡眠分期有極好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。首先將睡眠分期進(jìn)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(shí)現(xiàn)

樸素貝葉斯法是通過(guò)計(jì)算對(duì)象的先驗(yàn)概率來(lái)判斷其后驗(yàn)概率，以最大后驗(yàn)概率作為該對(duì)象所屬的類(lèi)。在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)計(jì)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(jì)算出各自所占總和的比值，選取比值最大的一類(lèi)數(shù)據(jù)作為本頁(yè)睡眠分期劃分的依據(jù)。

滑動(dòng)窗口法是將每次的計(jì)算結(jié)果作為本次窗口的第一個(gè)數(shù)據(jù)的結(jié)果，窗口后移一位，將第一個(gè)數(shù)據(jù)移出并加入一個(gè)新的數(shù)據(jù)在末尾重新計(jì)算，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確度。在本設(shè)計(jì)中，所采用的窗口大小為16頁(yè)。

其具體算法如下：

（1）對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分期判定，根據(jù)公式

求出體動(dòng)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(yè)的各類(lèi)數(shù)據(jù)，是各類(lèi)數(shù)據(jù)整夜的均值，y代表各類(lèi)數(shù)據(jù)每頁(yè)計(jì)算所得的睡眠分期， 代表整夜睡眠分期的均值。

（2）求出三個(gè)相關(guān)系數(shù)所占和的比例系數(shù)，對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中為各類(lèi)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)的比例系數(shù)，x1、x2為各類(lèi)數(shù)據(jù)的每一頁(yè)數(shù)據(jù)，、為各類(lèi)數(shù)據(jù)的整夜均值。

（3）根據(jù)樸素貝葉斯分類(lèi)法在三個(gè)相關(guān)系數(shù)中選擇最大的那類(lèi)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的睡眠分期作為本次窗口第一頁(yè)數(shù)據(jù)的睡眠分期；如果存在兩類(lèi)或者兩類(lèi)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(yè)數(shù)據(jù)作為本次的計(jì)算結(jié)果。

（4）窗口向后移動(dòng)一頁(yè)，進(jìn)行相同的計(jì)算，直到移動(dòng)到數(shù)據(jù)末端。

3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證算法的可靠性，本文在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候同時(shí)使用了多導(dǎo)睡眠儀與本文所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并針對(duì)同一睡眠數(shù)據(jù)進(jìn)行分期，將多導(dǎo)睡眠儀分期結(jié)果和本方法的分期進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了本方法的有效性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了無(wú)創(chuàng)睡眠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)樸素貝葉斯-滑動(dòng)窗口算法，將采集到的體動(dòng)數(shù)據(jù)，脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，計(jì)算出整夜的睡眠分期，并與專(zhuān)業(yè)的多導(dǎo)睡眠儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，證實(shí)了本算法的準(zhǔn)確性。此方法在便攜式家用睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中可以得到很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.南京工業(yè)大學(xué) 江蘇省南京市 211800

2.西安電子科技大學(xué) 陜西省西安市 710071endprint