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基于IMU的可穿戴系统,增强睡眠中的生命体征监测
2024-07-08 22:09:59   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

本文探讨了利用一种可穿戴系统监测用户睡眠中生命体征的可行性,该系统利用了五个分别安装在腰部、手臂和腿部的惯性测量单元(IMU)。

据麦姆斯咨询报道,希腊约阿尼纳大学和PD Neurotechnology公司的研究人员近期在Sensors期刊上发表了一篇题为“An Inertial-Based Wearable System for Monitoring Vital Signs during Sleep”的文章,探讨了利用一种可穿戴系统监测用户睡眠中生命体征的可行性,该系统利用了五个分别安装在腰部、手臂和腿部的惯性测量单元(IMU)。系统旨在全面了解用户的睡眠质量,尤其是睡眠呼吸障碍(SDB)患者的睡眠质量。研究人员通过在重点目标位置安置IMU,以提高睡眠期间生命体征监测的准确性和可靠性。

在人体重点位置安放PDMonitor®传感器。腰部和腿部外侧的传感器用尼龙搭扣带和StrapFrames固定,前臂外侧的传感器则用腕带固定。

在人体重点位置安放PDMonitor®传感器。腰部和腿部外侧的传感器用尼龙搭扣带和StrapFrames固定,前臂外侧的传感器则用腕带固定。

研究背景

现有研究主要集中在分析传感器类型和定位,以提高心肺参数估算的精度。目前已开发出各种方法,通过选择最佳轴、组合轴或融合不同传感器的估算速率来提高信噪比(SNR)。在本研究中,研究人员利用布置在身体各处的多个IMU,提供了一种新方法来减少动态记录中的运动伪影,并增强了用于生命体征估算的数据融合技术。

当前研究

本研究招募了23名患有不同程度SDB的受试者。纳入标准包括正在接受睡眠研究以监测生命体征(包括呼吸频率和心率)的个体,采用多导睡眠图(PSG)为参考标准。

该可穿戴系统集成了五个IMU,分别安置在受试者的腰部、手臂和腿部。每个IMU可以收集多个轴上的数据,从而更全面地监测睡眠期间的身体运动和生命体征。

受试者利用该可穿戴系统接受了通宵睡眠监测。IMU记录了加速度和角速度的连续数据,经过处理后可估算出呼吸频率和心率。将IMU获得的数据集与PSG得出的参考生命体征进行比较,可以评估可穿戴系统的准确性和可靠性。

此外,研究人员引入了一种新的加权函数,以提高具有主导速率频谱的信噪比,从而提高生命体征估算的质量。应用信号处理技术从IMU数据中提取相关特征,从而实现多轴和传感器之间的信息融合。

研究人员利用多种指标对可穿戴系统的性能进行了评估,包括平均绝对误差(MAE)、时间覆盖率(TC)、斯皮尔曼相关系数(ρ)和布兰德-阿尔特曼分析。MAE量化了呼吸频率和心率估算的准确性,而TC则表示高质量估算的时间间隔比例。相关性分析评估了估算生命体征和参考生命体征之间的二元关联,为了解系统性能提供了依据。

研究人员进行了单样本t测试和Kruskal-Wallis非参数方差分析等统计测试,以评估不同IMU组合之间性能指标上的偏差和差异的显著性。事后分析包括带有Bonferroni校正的Wilcoxon符号秩检验,以进行分布分析,并评估腰部、手臂和腿部IMU组合的有效性。

结果与讨论

对可穿戴系统性能的评估显示,来自IMU的生命体征估算值与PSG获得的参考值之间具有很强的相关性。呼吸频率和心率估算的MAE值显示误差很小,表明系统在睡眠期间监测生命体征的准确性很高。TC指标反映了不同时间间隔内高质量估算的比例,其中呼吸频率估算值展现了显著的准确性,而在结合多个IMU的数据时,心率估算值也有所改善。

斯皮尔曼相关系数(ρ)用于量化生命体征估算值和参考生命体征之间的二元相关性,从而深入了解可穿戴系统的一致性和可靠性。布兰德-阿尔特曼分析显示了估算值和参考值之间的一致性,突出了该系统在睡眠期间有效跟踪生命体征的能力。

结合来自腰部、手臂和腿部IMU的数据,增强了心率估算的时间覆盖范围,展示了数据融合技术在提高监测能力方面的优势。研究结果凸显了IMU的布置位置以及高效数据融合算法,在睡眠期间生命体征监测优化方面的重要作用。

结论

总结来说,该研究所提出的基于IMU的可穿戴系统能有效监测睡眠时的心率和呼吸频率(重点实验了SDB患者)。新方法结合了多个IMU和数据融合技术,提高了生命体征估算的准确性和可靠性。

研究结果表明,腰部的单个IMU传感器可以提供可靠的生命体征监测,并有可能通过结合其他IMU的数据进一步改进。这项研究为探索睡眠模式和昼夜节律的生理变化开辟了新途径,最终无需PSG记录即可改善健康监测和睡眠质量评估。

论文链接:https://doi.org/10.3390/s24134139

延伸阅读:

《消费类MEMS惯性测量单元(IMU)产品对比分析-2022版》

《可穿戴技术及市场-2023版》

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