文摘

夜间多导睡眠图(PSG)是目前标准诊断阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)的过程。已经知道的监控头位置的睡眠不仅是至关重要的诊断(位置睡眠呼吸暂停),但也对阻塞性睡眠呼吸暂停综合症(位置疗法)的管理。然而,没有可用的传感器系统临床对准确头位置与PSG监测。本文基于重力感应传感系统准确的头部位置监控是开发和实现。核心CORDIC(坐标旋转数字计算机)基础倾斜传感系统中实现的算法快速、准确地将加速度计的原始数据转换成所需的头部位置倾斜角度。系统可以对诊断与PSG设备连接头位置信息集成与其他PSG-monitored信号。它已经应用于一个IRB测试在台北荣民总医院,证明它可以满足医疗需求的准确位置监控主管PSG诊断。

1。介绍

阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(群)是常见的在我们的社区和特点是重复的,短期睡眠期间上呼吸道阻塞,导致情景停止呼吸(呼吸暂停)或减少气流(呼吸浅慢),可能会导致频繁的微觉醒,扰乱睡眠结构,日间极度嗜睡,间歇性低氧血症和许多其他系统性影响。据估计,睡眠呼吸暂停发生在多达24%的中年男性和9%的中年妇女(1]。幸运的是,临床研究报道,缓解从患者呼吸暂停综合症被诊断为轻微的群。这个发现可以减轻睡眠呼吸暂停的问题。缓解的原因可能是由身体或头部位置的变化引起的。研究表明,侧着身子躺或卧位外侧位置降低窒息事件的数量比躺在背上或仰卧的睡姿2,3]。睡眠姿势与睡眠相关问题的建议。然而,没有科学证据支持这个临床观察。

目前,夜间多导睡眠图(PSG)群的标准诊断程序。一些试验研究表明,监控头的位置是至关重要的4,5)不仅对诊断(位置睡眠呼吸暂停)而且对群的管理(位置疗法)。然而,现有的测量头PSG无法缓解研究精度高的位置。事实上,研究人员必须使用现有的身体PSG的位置传感器,通常安装在树干上,传感器安装在头部的检测头位置为了找到头位置之间的相关性和群的缓解。身体位置传感器只标识的位置为0°,8段−45°、90°−−135°,−180°、225°−−270°和315°−范围。最近,一些研究提出新技术来监测睡眠体位。通过使用负载细胞放在床的支持下,个人的卧位是分类检测睡眠呼吸暂停的6,7]。此外,textile-based心电图系统测定的睡眠体位8]。八电极系统中多路复用和支持的泡沫垫,以确保良好的接触以及安慰。通过测量和分析心电图信号,心率和睡眠体位可以确定。上述技术只测量了睡眠体位但不是头的位置。头的位置之间的关系,缓解尚未被科学研究由于缺乏准确的头部位置监视工具的研究。事实上,研究人员需要一个系统,它能够测量头的位置(方向)1°~ 2°精度,为进一步的研究与PSG头位置之间的相关性和群患者的缓解。

在这项工作中,小说的头位置监控系统开发研究群的头部位置和缓解之间的相关性。系统低功耗的优点,系统成本低、重量轻,实时监控和满足临床要求,消除了干扰的对象。它可以结合当前的PSG执行实时诊断提供准确的头部和身体位置信息。在此系统中,硬件数字加速度计是用于测量头的位置。然而,头烫金角的计算的数学公式是耗时的,无法应用于在线和实时应用程序。为了缩短计算的时间成本角度,小说CORDIC——(基于坐标旋转数字计算机)低和使用更少的内存倾斜传感算法9]。事实上,CORDIC-based算法的计算时间几乎只有1/4的数学公式的计算使用的单片机。因此,嵌入式系统可以在每一个采样周期内完成所有任务包括原始数据的收集从加速计,头部的位置,计算和传输的数据从单片机到巴黎圣日耳曼。因此,该系统成功地进行在线和实时地监控头位置。最后,一个实用的临床示范显示使用该系统的实现进行研究群的头部位置和缓解之间的相关性。

2。材料和方法

2.1。头部位置监测群病人

典型的头部的运动包括倾向(点头),和旋转图所示1(一)和1 (b)。在传统的球面坐标系统中,对象的方位(旋转角度)被定义为预期的方向之间的夹角对象在地平线上和朝鲜。海拔(倾角)定义了对象的方向之间的角度和天顶。直观地说,头的位置可以用其旋转角和倾角,当我们应用前额的方向在地球球面坐标系统,如图1 (c)。在此系统中,加速度计是用于测量头的位置。倾向和倾角传感可以由重力向量及其轴上的投影。根据轴的加速度计的数量,不同的倾向或倾斜角度可以定义和计算。

2.2。基于重力感应倾斜传感

当使用硬件加速计用于倾角传感、加速度计的原始数据读取三个轴上的重力向量的预测,x,y,z( ),在直角坐标系的运动领域。理解的方向加速度计,我们可以代表重力矢量球面坐标系统,( ),重力向量的长度,也就是说,1,之间的角度吗x设在和预计的重力向量x- - - - - -y飞机,重力向量之间的夹角和吗x- - - - - -y飞机。事实上,使用加速度计来检索方向信息是执行域转换的直角坐标系的运动领域从加速度计测量原始数据到球面坐标系统在角域如图2。这两个坐标系之间的转换方程可以表达 在哪里 和 。所以,给定一个读取三维加速度计数据( ),我们就可以计算出两个角和作为

这个词的 添加到是把它转化成吗 因为原来的反正切函数只生产范围 范围, ,如果 ;否则, 。 ,如果 ;否则, 。

2.3。CORDIC-Based倾斜检测算法

这些三角函数的计算通常是复杂的;因此,长时间计算所需的低成本和低功耗单片机。因此,大多数研究工作采用离线计算(10),流媒体PC / PDA的原始数据计算(11- - - - - -13),和表查找(14]。然而,离线计算方法无法识别倾斜信息实时和系统中。即使流方法可以实时获取定位信息,它不可能执行的计算系统。因此,这两种方法不能产生在线和实时的定位信息和不能集成到现有的观测实时诊断。更糟糕的是,这些流方法可能引起了人们的担忧过度的射频信号传输。查表方法需要很大的内存空间表存储,和更高的系统成本诱导。巨大的内存空间是不可行的典型微控制器通常只有几百kb或更少的flash ROM芯片。基于现有的技术,系统不能进行早期检测,提供早期预警和,因此,是不能够提前采取行动。因此,一个聪明的和低CORDIC(坐标旋转数字计算机)倾斜角度识别算法基于2 d CORDIC (15)操作提出了储蓄的计算能力。这个可以执行的计算(2)只有基本方案和二进制换档器的旋转2 d向量通过一系列简单的初等旋转。

该算法是计算一个三维向量之间的夹角和一个三轴。带角度的识别例如,图3说明了该算法的过程。该算法是在两个阶段进行。第一阶段,图3(一个)是旋转上的投影向量x- - - - - -y飞机和它一致x设在和形式向量作为从指向的方向z设在(前视图)。旋转是由2 d CORDIC的x- - - - - -y飞机在最初的2 d向量( )和最后一个向量 。在图所示的迭代方程3(一个)和旋转角度和 应计。第二阶段,如图3 (b)是旋转向量的x- - - - - -z飞机和它一致x设在,从指向的方向y设在(右侧)。旋转是由2 d CORDIC的x- - - - - -z飞机在最初的2 d向量 它对齐x设在。在图所示的迭代方程3 (b)和旋转角度通过CORDIC操作和应计 。正如您可以看到的,倾斜的角度,,获得简单的转移和加法操作只能由这个算法。

2.4。系统设计与实现

2.4.1。头的位置角度的定义

在拟议的传感系统,一个加速度计与主题的前额上安装与3 m™微孔方向如图™医用胶带4(一),在那里x设在指向的头,y设在指向右边的身体,和z设在指向头的前面。附加加速度计和前额符合定义的取向,头部会沿着旋转x设在。因此,旋转角度和倾角可以计算(3为不同的取向与()2)。也在图表示4 (b)。 在哪里 ,如果 ;否则, 。 ,如果 ;否则, 。

2.4.2。系统实现

整个系统由前端传感子系统和后端数据转换子系统。前端子系统是加速度计传感器与单片机数据采集和倾斜角度变换在数字格式。角信息然后传递到后台子系统进行信号转换成模拟电压信号与PSG设备连接。数字信息必须被转换成模拟信号,因为倾斜信息必须与PSG集成通过辅助输入设备可用于大多数PSG的设备。取决于数据可以从前端到后端,通过该系统可以实现有线系统或无线系统。

2.4.3。有线传感系统实现

有线系统框图如图5,主要由微控制器单元(MCU;ADuC7020;模拟设备Inc .)和加速度计模块(ADXL345,模拟设备Inc .)。系统集成到PSG(爱丽丝5;飞利浦Respironics Inc .)在线和实时应用程序。固件上执行的单片机是在C语言开发的软件下uVision4 IDE。单片机核心时钟设定在10.44 MHz。加速度计模块是一种超低功耗高性能硬件数字加速度计。它有3.9毫克/ LSB的敏感性±2范围和收发器的低通滤波器去除高频噪声。加速度传感器及单片机之间的通信是通过I2C总线连接电缆。加速度计的采样率是100 Hz,因此,单片机接收矩形协调( (−1)的向量)从硬件数字加速度计每10毫秒。数据被转换为角域倾斜角度识别。四通道芯片上的数模转换器(dac)包含在单片机和在线计算角度转换成模拟电压代表倾向的信息。然后,直接转移到辅助输入的信息研究PSG缓解的患者群。这个系统已经实现了IRB测试。

2.4.4。无线传感系统实现

如果头部的倾斜信息无线传输到后端数据转换子系统和PSG连接,那么它就是无线传感系统。与前端这个实现传感子系统可以附加在主体的额头,没有任何电缆连接到巴黎圣日耳曼。在这个前端传感子系统,一个模块命名为“基本”了。基本代表BLE-enabled基于重力感应传感芯片封装,是一个融合的,B和C技术是基于重力感应的惯性传感、蓝牙低能(bie)技术,CORDIC-based倾斜角度变换算法。它是一个集成的加速度计与祝福模块CORDIC-based倾斜角度变换算法实现SoC的祝福模块。模块是能够传送倾斜信息根据配置的方向在空中无线本身。这张照片的基本模块及其框图如图6。附带这个模块的额头,将没有有线连接的感应前端的数据转换后端然后PSG设备。后端系统可以简单地从图修改5使用一个祝福从无线传感模块接收传输数据的前端子系统,例如,基本模块;然后,接收的数据填充到单片机内部的dac信号转换和连接到PSG设备。

3所示。结果

在本节中,CORDIC-based倾斜传感algorithm-converted信息的准确性进行了分析通过比较的角度用数学方程计算(3)。然后,提出了传感系统的准确性与三轴旋转平台测试,测量其实际精度在一个精确的控制环境。最后,结果显示系统应用于临床IRB测试证明系统的可用性的一个尚未被满足的医疗需求。

3.1。CORDIC-Based倾斜传感算法的精度

验证算法的准确性进行显示其精度。数量的迭代中执行CORDIC-based算法可以极大地影响精度。通常,更多的迭代执行,可以获得更好的精度。但是,代价是增加计算时间。优化找到执行迭代的数量与可接受的精度和计算时间。在此,不同数量的迭代从4到12进行了测试和比较与计算角度从离线数学计算。结果在图进行了总结7。它表示,满足医疗需求的准确性1°~ 2°,一个可接受的精度±0.8度的旋转角度和±0.49度的倾角计算8迭代计算时间为795.9毫秒。这样计算时间还快得多比从原始三角计算。

3.2。加速度计的传感系统的准确性

传感系统的准确性与实际加速度计通过测试证实了在一个可控的三轴旋转的平台上(tri-axis步进电机控制器、TL-3T Tanlian光电有限公司),如图8(一个)。加速度计的传感模块放置在测试中心的平台。在这样的测试中,这个平台的倾斜角度上使用精确的步进电机控制x设在,y设在,z每一步设在分辨率为0.0025度。此外,平台的倾斜角度控制增量和彻底。该算法的计算结果与平台的倾斜设置。精度分析在0°~ 90°范围如图8 (b)。验证结果表明,倾斜角度的最大误差转换的算法在旋转角1.08度和0.6度的倾斜角度。这种精度实际上还可以与医生的要求是1°~ 2°精度的研究。

3.3。系统应用于机构审查委员会(IRB)测试

本研究回顾和批准的机构审查委员会(IRB)台北荣民总医院的130名调查对象参加了。在测试,两个传感器提出了系统连接到主体的额头头位置监控,另一个是附加到主题的胸部体位监测如图9(一个)。图9 (b)显示了PSG屏幕捕获的头部和身体位置角信息整合。这个捕获屏幕捕获的场景,病人头部旋转角度变化之前缓解从群发生了。

如上所示,一个传感器与传感系统提出也附在身体的胸部位置监控。自从PSG系统也和其现有的机构位置传感器只能提供非常粗略的决议按45度(即分类的。,0°, −45°, −90°, −135°, −80°, −225°, −270°, and −315° ranges) into 8 sleep positions, a comparison of the body position from these two sensors is provided in Figure10,图10 ()显示的细节体位角度从两个传感器,现有的身体位置传感器(爱丽丝)和CGU-proposed传感系统(CG)在这项研究中,和图10 (b)显示了这两个的区别。在这个比较中,时代x设在两个数字的10 ()和10 (b)代表一个30秒的时间是一个标准的单位时间用于临床睡眠研究。数据从一个病人的PSG的一夜睡眠测试。在爱丽丝(本研究中使用的PSG),身体位置传感器的采样率是1赫兹,和CGU-proposed传感系统的研究可以实现采样率为100 Hz。因此,第一个数据点的每一秒提出传感系统是用于与现有的体位传感器的数据进行比较。在图所示的位置角10记录每次有呼吸暂停/发生的呼吸不足;因此,数据点在图10没有连续的。它可以观察到,在这项研究中提出的传感系统提供更高分辨率的位置角度与PSG的现有的身体位置传感器系统已被其他研究人员使用(4,5)研究主管position-related问题群病人当更高分辨率的高效率的系统还没有用于临床诊断。

表1显示统计信息的体位比较如图10。它可以观察到,体位角度差异商联现有的身体位置传感器和传感系统中描述这项研究从−29.40°到41.38°的平均绝对差异在10.50°,标准差为8.02°。即使按照减去最大误差,1.08°,旋转角度,问传感系统的部分中找到3所示。2验证与商用可控旋转平台的差异角度报道现有的身体位置传感器仍然是非常重要而实际的角度。它可以得出的结论是,使用现有的身体位置传感器头部位置不够准确的交付信息由于其低分辨率。实际上,在这项研究中提出的问传感系统可以提供更精确的位置(方向)信息所需的身体的一部分,包括头部。因此,它更适合群患者的缓解学习与头的位置。

4所示。讨论

4.1。使用基于重力感应的倾角传感头定位的局限性

也有一些限制使用基于重力感应的倾角传感头定位:(我)的准确性基于重力感应的倾角传感基础的假设合力是测量重力加速度。如果对象附加到加速度计具有显著的连续动作,然后从加速度计测量加速度向量将重力加速度的运动力量的结合。幸运的是,头部动作在睡觉通常偶尔和温柔。因此,一旦头部动作停止,准确的头部位置信息可以通过基于重力感应的倾角传感检索。(2)如果在加速度计测量重力向量是几乎一致的一个轴,如果沿轴旋转,然后旋转角加速度计不能区分。这种情况发生在当话题坐起身来,甚至站起来,这样的重力向量加速度计是一致的x设在,如图(11日)。在这种情况下,预计重力向量上y- - - - - -z飞机是0 ( )。因此,它不能计算旋转角度在(3)。然而,系统应该检测头位置的主题是睡眠时,当这种情况发生时,不能睡觉。因此,这是睡觉不感兴趣的情况下诊断。(3)当主体向前倾身,头的位置将会像图所示图11 (b)。在这种情况下,从加速度计将消极和阅读 。中描述(3),延长旋转角度覆盖整个360°范围、期限 用于调整。自 , ,所以,即使有小的变化,它导致变化的迹象。因此,计算旋转角度将跳+ 180°和180°−之间。这种现象也在我们的研究中观察到。然而,这是不感兴趣的,因为这种情况发生在当坐起身来,倾着身子。在这种情况下,这个话题不是在一个正常的睡眠模式。

4.2。该传感系统的误差成分

的精度验证提出传感系统,旋转角度和倾斜角度的错误其实是比的精度分析中所示的错误CORDIC-based倾斜传感算法。这是因为整个错误的传感系统还包括加速度计本身除了错误造成的错误的算法。尽管校准加速度计的数据,加速度计的数据仍然包含了一些噪音以及加速度计的机械结构。在系统验证,它可以观察到的3轴加速度计没有互相垂直。这将增加该传感系统的整体错误使用加速度计。

5。结论

本研究介绍了传感系统的设计和开发头位置监控。系统已经意识到并证明能够即插即用到大部分的PSG设备用于医院和临床睡眠机构群患者的诊断。CORDIC-based倾斜传感算法也在系统中实现减少所需负担的高可计算性,这样可以减少系统的成本。系统已经仔细验证了倾斜检测算法的性能分析和精度验证通过精确控制旋转平台。系统被证明满足医生的医疗需求提供准确的位置信息主管他们的研究群患者的缓解。

信息披露

赞助商的资金没有参与这项研究的设计;在收集、分析或解释数据;写的手稿;并决定发表的结果。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是支持的科技、台湾(在格兰特NSC号101 - 2325 - 075 - 007 b, NSC b 102 - 2325 - 075 - 004,大多数105 - 2221 - e - 182 - 079,大多数105 - 2627 - e - 182 - 001,和105-2745-8-182-002)和问基金BMRPC50 BMRP138。