RU201833U1 - Device for recording human biophysical parameters during sleep - Google Patents

Device for recording human biophysical parameters during sleep Download PDF

Info

Publication number
RU201833U1
RU201833U1 RU2020129094U RU2020129094U RU201833U1 RU 201833 U1 RU201833 U1 RU 201833U1 RU 2020129094 U RU2020129094 U RU 2020129094U RU 2020129094 U RU2020129094 U RU 2020129094U RU 201833 U1 RU201833 U1 RU 201833U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
user
sleep
sensors
tape
Prior art date
Application number
RU2020129094U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Сергеевич Медведев
Денис Адамович ШРЕЙБЕР
Евгений Анатольевич Ерин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СЛИПО" (ООО "СЛИПО")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СЛИПО" (ООО "СЛИПО") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СЛИПО" (ООО "СЛИПО")
Priority to RU2020129094U priority Critical patent/RU201833U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU201833U1 publication Critical patent/RU201833U1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/0205Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48Other medical applications
    • A61B5/4806Sleep evaluation
    • A61B5/4812Detecting sleep stages or cycles
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48Other medical applications
    • A61B5/4806Sleep evaluation
    • A61B5/4815Sleep quality

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к устройствам регистрации и мониторинга наиболее важных биофизических показателей человека в течение сна, а именно к устройствам с возможностью встраивания в матрасы различной конфигурации на этапе производства с целью отслеживания различных биофизических показателей человека во время сна и повышения качества сна. Устройство включает в себя блок чувствительных датчиков для преобразований движений пользователя (дыхательные движения, удары сердца, движения тела) в аналоговый электрический сигнал и процессорный блок, состоящий из пластикового корпуса, печатной платы и аккумуляторной батареи (АКБ). Блок чувствительных датчиков состоит из, по крайней мере, одного пьезоэлектрического датчика и, по край ней мере, одного датчика изгиба. Пьезоэлектрический датчик выполнен в виде пьезочувствительной ленты и предназначен для регистрации частоты пульса, частоты дыхания, движений пользователя во сне (определение фазы сна). Датчик изгиба выполнен в виде пассивного многоканального пленочного датчика и представляет собой пленку на основе полиамида, в которую встроены чувствительные элементы, изменяющие свое сопротивление по мере изменения радиуса изгиба ленты. Датчик изгиба предназначен для определения поз пользователя во время сна и количества ночных подъемов. Процессорный блок выполнен с возможностью аналоговой и цифровой обработки выходных сигналов заявленных чувствительных датчиков. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении высокой точности определения важных биофизических показателей человека при отсутствии негативного воздействия на характеристики и свойства матраса и при обеспечении компактности устройства и снижении трудоемкости его встраивания в матрасы различной конфигураций. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to devices for recording and monitoring the most important biophysical parameters of a person during sleep, namely, devices with the ability to be embedded in mattresses of various configurations at the production stage in order to track various biophysical parameters of a person during sleep and improve the quality of sleep. The device includes a block of sensitive sensors for converting the user's movements (breathing movements, heartbeats, body movements) into an analog electrical signal and a processing unit consisting of a plastic case, a printed circuit board and a storage battery (accumulator battery). The block of sensitive sensors consists of at least one piezoelectric sensor and at least one bending sensor. The piezoelectric sensor is made in the form of a piezo-sensitive tape and is designed to record the pulse rate, respiratory rate, movements of the user during sleep (determination of the sleep phase). The bend sensor is made in the form of a passive multichannel film sensor and is a polyamide-based film with built-in sensing elements that change their resistance as the tape bend radius changes. The flexion sensor is designed to detect the user's sleeping posture and the number of night lifts. The processing unit is made with the possibility of analog and digital processing of the output signals of the declared sensitive sensors. The technical result of the proposed utility model is to ensure high accuracy in determining the important biophysical parameters of a person in the absence of a negative impact on the characteristics and properties of the mattress and while ensuring the compactness of the device and reducing the complexity of its integration into mattresses of various configurations. 5 h. p. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам регистрации и мониторинга наиболее важных биофизических показателей человека в течение сна, а именно, к устройствам с возможностью встраивания в матрасы различной конфигурации на этапе производства с целью отслеживания различных биофизических показателей человека во время сна и повышения качества сна.The utility model relates to devices for recording and monitoring the most important biophysical indicators of a person during sleep, namely, devices with the ability to be embedded in mattresses of various configurations at the production stage in order to track various biophysical indicators of a person during sleep and improve the quality of sleep.

В настоящее время широко представлены интеллектуальные системы, встраиваемые в матрасы, оснащенные специальными чувствительными датчиками, позволяющие собирать первичную информацию о сне, а именно отслеживать частоту сердечного ритма, частоту дыхания, температуру тела, положение позы во сне, контролировать фазы сна, анализировать полученную информацию и предлагать рекомендации по улучшению качества сна.At present, intelligent systems built into mattresses are widely represented, equipped with special sensitive sensors that allow collecting primary information about sleep, namely, to monitor the heart rate, respiratory rate, body temperature, posture position in sleep, monitor sleep phases, analyze the information received, and offer recommendations for improving sleep quality.

Из уровня техники известны следующие технические решения.The following technical solutions are known from the prior art.

Известно устройство бесконтактной регистрации показателей жизнедеятельности пациента в непрерывном режиме в состоянии лежа (патент RU 2698441), включающее в себя корпус, выполненный в виде пластмассовой литой формы и фиксирующийся к кровати пациента, контроллер, расположенный непосредственно в корпусе, и сенсор, представленный пьезоэлектрическим датчиком семейства EmfitR-Series, размещающийся в чехле, который фиксируется к кровати под матрасом в районе лопаток пациента. Контролер включает в себя усилители сигналов (У1) и (У2) и устройство регистрации сигнала (УРС) при включении питания соединяющееся с облачным сервисом при помощи защищенного соединения SSL и на уровне прикладного протокола передачи данных в непрерывном режиме передающее в облачное приложение показатели жизнедеятельности, такие как частота пульса в минуту, частота дыхания в минуту, индекс гемодинамической активности, индекс двигательной активности, интерваллограмма. При этом сенсор соединен с усилителем (У1) коаксиальным кабелем.Known is a device for the non-contact registration of vital signs of a patient in a continuous mode in a prone state (patent RU 2698441), which includes a housing made in the form of a plastic molded form and fixed to the patient's bed, a controller located directly in the housing, and a sensor represented by a piezoelectric sensor of the family EmfitR-Series, located in a cover that is fixed to the bed under the mattress in the area of the patient's shoulder blades. The controller includes signal amplifiers (U1) and (U2) and a signal recording device (URS) when the power is turned on, which connects to the cloud service using a secure SSL connection and at the level of the application data transfer protocol in continuous mode transmitting vital signs to the cloud application, such as pulse rate per minute, breathing rate per minute, hemodynamic activity index, motor activity index, intervallogram. In this case, the sensor is connected to the amplifier (U1) by a coaxial cable.

Особенностью данного устройства является то, что оно относится к медицинской технике и прежде всего направлено на непрерывный мониторинг состояния здоровья больных людей и детей, находящихся под медицинским наблюдением. Поэтому специфика данного технического не позволяет применять данное устройство широкому кругу потребителей.A feature of this device is that it belongs to medical technology and is primarily aimed at continuous monitoring of the health status of sick people and children under medical supervision. Therefore, the specificity of this technical does not allow the use of this device to a wide range of consumers.

Известно техническое решение, представляющее собой электрическую кровать (патент RU 2722634), включающую в себя модуль отслеживания, установленный на верхней части корпуса кровати, и модуль беспроводной связи.A known technical solution is an electric bed (patent RU 2722634), which includes a tracking module mounted on the upper part of the bed body and a wireless communication module.

Модуль отслеживания выполнен с возможностью определения таких параметров, как температура тела, частота сердечных сокращений, частота дыхательных движений, интенсивность храпа, интенсивность дыхания, количество случаев ворочания и ерзания в кровати.The tracking module is configured to determine such parameters as body temperature, heart rate, respiratory rate, snoring intensity, breathing intensity, number of cases of tossing and fidgeting in bed.

С модуля отслеживания информация о показателях жизнедеятельности пользователя поступает на модуль беспроводной связи, выполненный с возможностью отсылки данных отслеживания на сервер, при этом сервер принимает установочный сигнал, посылаемый терминальным устройством (например, гаджетом), и посылает сигнал тревоги, когда данные отслеживания выходят за пределы пороговых значений, заданных в установочном сигнале, при этом модуль беспроводной связи выполнен с возможностью приема данных о состоянии электрической кровати и отсылки указанных данных на сервер.From the tracking module, information about the user's vital signs is sent to the wireless communication module configured to send tracking data to the server, while the server receives the setting signal sent by the terminal device (for example, a gadget) and sends an alarm when the tracking data goes out of range threshold values set in the setting signal, while the wireless communication module is configured to receive data on the state of the electric bed and send said data to the server.

Факт того, что техническое решение представляет собой электрическую кровать с возможностью формирования сигнала о тревожных показателях жизнедеятельности пользователя, позволяет сделать вывод, что его использование в основном предпочтительно в медицинских учреждениях и не рассчитано на широкий круг потребителей.The fact that the technical solution is an electric bed with the ability to generate a signal about alarming indicators of the user's vital activity allows us to conclude that its use is mainly preferable in medical institutions and is not designed for a wide range of consumers.

Известна система мониторинга биофизических показателей человека в течение сна (патент US 2019380653), представляющая собой «интеллектуальный» матрас, в который встроены один или несколько датчиков силы для обнаружения движений (дыхательные движения, удары сердца, движения тела) и определения поз пользователя во время сна. Дополнительно в матрас могут встраиваться датчики температуры и влажности (потоотделения) тела пользователя.There is a known system for monitoring biophysical parameters of a person during sleep (US patent 2019380653), which is an "intelligent" mattress, in which one or more force sensors are built to detect movements (breathing, heartbeats, body movements) and determine the user's posture during sleep ... Additionally, temperature and humidity (sweating) sensors of the user's body can be built into the mattress.

В случае двуспальной конфигурации матраса, датчики разделены на два набора, каждый из которых связан с соответствующей стороной матраса (левой и правой), при этом каждый набор датчиков предназначен для получения данных, связанных с одним пользователем.In the case of a double mattress configuration, the sensors are divided into two sets, each associated with the corresponding side of the mattress (left and right), with each set of sensors designed to receive data associated with one user.

В одном из альтернативных вариантов, набор датчиков силы размещается на соответствующей стороне матраса (левой и правой) следующим образом: три датчика силы в районе головы/грудной клетки пользователя, три датчика силы в районе поясницы пользователя, три датчика силы в районе ног пользователя.In one alternative embodiment, a set of force sensors is placed on the corresponding side of the mattress (left and right) as follows: three force sensors in the user's head / chest region, three force sensors in the user's lumbar region, three force sensors in the user's legs.

Набор датчиков для каждого пользователя подключается к соответствующему ему микроконтроллеру. В свою очередь, микроконтроллеры подключаются к главному процессору.A set of sensors for each user is connected to the corresponding microcontroller. In turn, microcontrollers are connected to the main processor.

Данные о биофизических показателях пользователя передаются с помощью модуля беспроводной связи, связанного с главным процессором, причем модуль связи может быть выполнен с возможностью передачи данных через беспроводной Wi-Fi, Bluetooth, 3G, 4G или Long Term Evolution (LTE).The biophysical data of the user is transmitted using a wireless communication module associated with the main processor, and the communication module can be configured to transmit data via wireless Wi-Fi, Bluetooth, 3G, 4G or Long Term Evolution (LTE).

Недостатком данного технического решения является то, что предлагаемый вариант размещения датчиков силы не обеспечивает достаточное покрытие спальной зоны, что может привести к проблеме пропадания сигнала при перемещении пользователя по матрасу в течение сна. А также применение датчиков силы для определения поз пользователя во сне обеспечивает высокую точность только при распределении большого количества датчиков силы по матрасу с целью построения карты распределения давлений, что может привести к повышенной трудоемкости и энергозатратности алгоритмов обработки сигналов и может оказать негативное влияние на свойства матраса, причинить дискомфорт пользователю.The disadvantage of this technical solution is that the proposed option for placing the force sensors does not provide sufficient coverage of the sleeping area, which can lead to the problem of signal loss when the user moves across the mattress during sleep. And also the use of force sensors to determine the user's posture in a dream provides high accuracy only when a large number of force sensors are distributed over the mattress in order to build a pressure distribution map, which can lead to increased labor intensity and energy consumption of signal processing algorithms and can have a negative impact on the properties of the mattress. cause discomfort to the user.

Известна система мониторинга биофизических показателей человека в течение сна, позволяющая определять частоту пульса и дыхания пользователя, фазу сна и регистрировать движения пользователя во сне (патент US 2016015315).Known system for monitoring biophysical parameters of a person during sleep, which allows you to determine the heart rate and respiration of the user, the phase of sleep and register the user's movements in sleep (US patent 2016015315).

Система состоит из процессорного устройства, расположенного около кровати пользователя, сенсорного блока, встроенного в кровать пользователя и блока управления.The system consists of a processing unit located near the user's bed, a sensor unit built into the user's bed and a control unit.

Сенсорный блок включает в себя электронный блок и чувствительный модуль, включающий в себя датчики для определения изменения давления, создаваемого телом пользователя (например, пьезоэлектрические и пьезорезисторные датчики) и дополнительно датчики для определения температуры тела пользователя. В приоритетном варианте исполнения, чувствительный модуль выполнен в виде «подушки», расположенной на матрасе или под ним в районе грудной клетки пользователя.The sensor unit includes an electronic unit and a sensor module including sensors for detecting changes in pressure generated by the user's body (for example, piezoelectric and piezoresistive sensors) and additionally sensors for determining the user's body temperature. In the preferred embodiment, the sensitive module is made in the form of a "pillow" located on the mattress or under it in the region of the user's chest.

Данные о пользователе с чувствительного модуля могут передаваться через электронный модуль на процессорное устройство через BlueTooth, Wi-Fi или другие подходящие беспроводные средства. В качестве альтернативы связь может быть проводной с соединением сенсорного блока с процессорным модулем с помощью провода и USB-портов. User data from the sensing module can be transmitted via the electronic module to the processing unit via BlueTooth, Wi-Fi or other suitable wireless means. Alternatively, the communication can be wired with the connection of the sensor unit to the processor module using a wire and USB ports.

Процессорное устройство может содержать следующие компоненты: микрофон для регистрации и записи звуков, окружающих пользователя, датчик света для определения уровня освещенности помещения, датчик температуры для определения температуры окружающей среды и датчик качества воздуха. Заявленные датчики подключаются к блоку управления, выполненному с возможностью обработки и хранения информации, полученных от заявленных датчиков. А также процессорное устройство включает в себя источник света и динамик для реализации световой и звуковой программы соответствующей определенной фазе сна пользователя, направленной на обеспечение качественного сна.The processing device may contain the following components: a microphone for recording and recording sounds surrounding the user, a light sensor for detecting the level of illumination in a room, a temperature sensor for detecting the ambient temperature, and an air quality sensor. The declared sensors are connected to a control unit capable of processing and storing information received from the declared sensors. And also the processing device includes a light source and a speaker for realizing a light and sound program corresponding to a certain phase of the user's sleep, aimed at ensuring quality sleep.

В альтернативном варианте, данные о пользователе с сенсорного блока могут передаваться на мобильный терминал (например, смартфон), с которого можно управлять процессорным устройством с помощью специального установленного приложения.Alternatively, data about the user from the sensor unit can be transmitted to a mobile terminal (for example, a smartphone), from which the processing device can be controlled using a specially installed application.

В случае двуспальной конфигурации кровати для каждого пользователя предусматривается свой сенсорный блок, с которого информация о показателях поступает на процессорное устройство, выполненное с возможностью получения и обработки двух наборов данных.In the case of a double bed configuration, each user is provided with their own sensor unit, from which information about the indicators is sent to a processor device capable of receiving and processing two sets of data.

Недостатком данного технического решения является то, что при эксплуатации предложенной системы мониторинга сна, процессорное устройство устанавливается около кровати, в частности на прикроватной тумбочке, что может быть несколько неудобным для пользователей, а в случае проводной связи с сенсорным блоком доставлять дискомфорт. А также в данном техническом решении не раскрыта его возможность определять положения человека во сне с помощью заявленных датчиков давления.The disadvantage of this technical solution is that during the operation of the proposed sleep monitoring system, the processor device is installed near the bed, in particular on the bedside table, which may be somewhat inconvenient for users, and in the case of a wired connection with the sensor unit, cause discomfort. Also, this technical solution does not reveal its ability to determine the position of a person in a dream using the declared pressure sensors.

Известно устройство (патент CN 110652303) для мониторинга сердцебиения, дыхания и состояния движения тела человека, состоящее из сенсорных модулей, микропроцессорного блока, блока связи и блока питания USB.Known device (patent CN 110652303) for monitoring the heartbeat, respiration and the state of movement of the human body, consisting of sensor modules, microprocessor unit, communication unit and USB power supply.

Каждый из сенсорных модулей включает в себя пьезоэлектрический керамический датчик и блок усиления и фильтрации сигналов (в предпочтительном варианте, пять сенсорных блоков в области головы, пять сенсорных блоков в области грудного отдела).Each of the sensor modules includes a piezoelectric ceramic sensor and a signal amplification and filtering unit (preferably, five sensor units in the head region, five sensor units in the thoracic region).

Сигналы от каждого пьезоэлектрического керамического датчика поступают на блок усиления и фильтрации сигналов с целью завершения усиления и фильтрации исходных сигналов жизненно важных показателей человека, затем поступают на микропроцессорный блок, где происходит обработка сигналов и завершается анализ и обработка данных по усиленным и отфильтрованным сигналам, а затем данные о показателях поступают на блок связи.The signals from each piezoelectric ceramic sensor go to the signal amplification and filtering unit in order to complete the amplification and filtering of the original signals of the vital signs of a person, then they go to the microprocessor unit, where the signals are processed and the analysis and processing of data on the amplified and filtered signals is completed, and then the data on the indicators goes to the communication unit.

Информация с блока связи передается на сервер или мобильный терминал через проводной Ethernet или беспроводной Wi-Fi, Bluetooth, 2G или 4G. Блок питания USB подает питание на каждый блок через USB-адаптер.Information from the communication unit is transmitted to a server or mobile terminal via wired Ethernet or wireless Wi-Fi, Bluetooth, 2G or 4G. A USB power supply supplies power to each unit via a USB adapter.

Недостатками данного устройства является то, что использование датчиков данного типа с предложенным вариантом их распределения по матрасу могут ухудшать характеристики и свойства матраса и причинять дискомфорт пользователю, а также устройство не позволяет регистрировать положение человека во сне.The disadvantages of this device are that the use of sensors of this type with the proposed variant of their distribution over the mattress can worsen the characteristics and properties of the mattress and cause discomfort to the user, and the device does not allow registering the position of a person in sleep.

Известен матрас для мониторинга параметров дыхания и сердцебиения человека (патент US 2003045806), включающий в себя множество пьезоэлектрических датчиков (от трех до девяти), выполненных в виде пьезоэлектрической пленки из полиамида. В альтернативном варианте осуществления данного технического решения указанные пьезоэлектрические элементы сформированы как единое целое из единого композитного листа пьезоэлектрического материала.Known is a mattress for monitoring the parameters of respiration and heartbeat of a person (US patent 2003045806), which includes a plurality of piezoelectric sensors (from three to nine), made in the form of a piezoelectric polyamide film. In an alternative embodiment of this technical solution, said piezoelectric elements are integrally formed from a single composite sheet of piezoelectric material.

Вычислительный блок, соединенный с датчиками, принимает и обрабатывает выходные сигналы для получения диагностических переменных таких как, частота дыхания, фаза дыхания, частота сердечных сокращений, движения тела человека.The computing unit, connected to the sensors, receives and processes the output signals to obtain diagnostic variables such as respiratory rate, respiratory phase, heart rate, and human body movements.

Данное техническое решение направлено прежде всего на мониторинг параметров дыхания и сердцебиения людей, страдающих респираторным синдромом, поэтому не предусматривает его использование среди широкого круга потребителей. А также встраивание в матрас множества пьезоэлектрических пленок достаточно трудоемкий процесс, а применение множества чувствительных датчиков может привести к усложнению алгоритмов обработки сигналов. К тому же с помощью пьезоэлектрических датчиков невозможно получить информацию о положении и позе человека на матрасе.This technical solution is aimed primarily at monitoring the parameters of respiration and heartbeat of people suffering from respiratory syndrome, therefore, it does not provide for its use among a wide range of consumers. Also, embedding a plurality of piezoelectric films into a mattress is a rather laborious process, and the use of a plurality of sensitive sensors can lead to complication of signal processing algorithms. In addition, using piezoelectric sensors, it is impossible to obtain information about the position and posture of a person on the mattress.

Данное техническое решение является наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели и может выступать в качестве прототипа.This technical solution is the closest analogue to the claimed utility model and can act as a prototype.

Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание устройства для комплексного мониторинга важных биофизических показателей человека в течение сна для широкого круга пользователей с возможностью его встраивания в матрасы различной конфигурации при обеспечении высокой точности определения показателей дыхания, сердцебиения, фаз сна и положения человека во сне, при этом не ухудшая характеристики и свойства матраса.The task to be solved by this utility model is to create a device for the integrated monitoring of important biophysical parameters of a person during sleep for a wide range of users with the possibility of embedding it into mattresses of various configurations while ensuring high accuracy in determining the parameters of respiration, heart rate, sleep phases and position of a person. in a dream, while not deteriorating the characteristics and properties of the mattress.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении высокой точности определения важных биофизических показателей человека во время сна при отсутствии негативного воздействия на характеристики и свойства матраса и при обеспечении компактности устройства и снижении трудоемкости его встраивания в матрасы различной конфигураций.The technical result of the proposed utility model is to ensure high accuracy in determining important biophysical parameters of a person during sleep in the absence of a negative impact on the characteristics and properties of the mattress and while ensuring the compactness of the device and reducing the complexity of its integration into mattresses of various configurations.

Технический результат достигается при использовании устройства регистрации биофизических показателей человека в течение сна, включающее в себя чувствительные датчики, подключенные к процессорному блоку, отличающегося тем, что в качестве датчиков используются пьезочувствительная лента и ленточный датчик изгиба.The technical result is achieved when using a device for recording biophysical parameters of a person during sleep, which includes sensitive sensors connected to the processor unit, characterized in that a piezo-sensitive tape and a tape bending sensor are used as sensors.

Указанные датчики используются для определения четырех биофизических показателей человека в течение сна, в частности: частоты пульса, частоты дыхания, стадии сна и положения во сне. Специалисту в данной области техники очевидно, что посредством данных датчиков можно снимать и другие показатели, такие как регулярность засыпания, определении веса, храпе и любых других характеристик известных из уровня техники.These sensors are used to determine four biophysical parameters of a person during sleep, in particular: pulse rate, respiratory rate, sleep stage and position in sleep. It will be apparent to a person skilled in the art that other indicators such as the regularity of falling asleep, weight detection, snoring and any other characteristics known from the prior art can be measured by means of these sensors.

За счет определения частоты пульса, частоты дыхания, стадии сна и положения во сне (и других показателей) анализируются характеристики сна, что позволяет корректировать различные сферы жизни с целью повышения качества сна пользователя системы и как следствие - улучшение качества жизни. Для достижения поставленной цели система с помощью устройства и встроенных датчиков собирает первичную информацию о сне и на ее основе выдает рекомендации в части рациона питания, физической активности и образа жизни в целом и прочее.By determining the pulse rate, respiratory rate, sleep stage and position in sleep (and other indicators), sleep characteristics are analyzed, which allows adjusting various areas of life in order to improve the quality of the user's sleep and, as a result, improve the quality of life. To achieve this goal, the system, using the device and built-in sensors, collects primary information about sleep and, on its basis, issues recommendations regarding diet, physical activity and lifestyle in general, etc.

В предпочтительном варианте реализации устройства, передача информации о биофизических показателях пользователя осуществляется на электронное устройство беспроводным способом с помощью радиомодема через BlueTooth, Wi-Fi или другие подходящие беспроводные средства.In a preferred embodiment of the device, the transmission of information about the biophysical parameters of the user is carried out to the electronic device wirelessly using a radio modem via BlueTooth, Wi-Fi or other suitable wireless means.

Информация о биофизических показателях пользователя может передаваться на бэкэнд любого электронного средства (мобильный телефон, планшет, неоутбук и пр.), быть встроена в систему умного дома, передаваться и храниться в виртуальном облаке.Information about the biophysical parameters of the user can be transmitted to the backend of any electronic device (mobile phone, tablet, neo-laptop, etc.), be integrated into the smart home system, transmitted and stored in the virtual cloud.

Процессорный блок включает центральный процессор, модули аналоговой обработки выходных сигналов пьезочувствительной ленты и ленточного датчика изгиба, причем модули аналоговой обработки выходных сигналов пьезочувствительной ленты и ленточного датчика изгиба связаны с центральным процессором и входом на аналогово-цифровой преобразователь.The processing unit includes a central processor, modules for analog processing of the output signals of the piezoelectric tape and the tape bend sensor, and the modules for analog processing of the output signals of the piezoelectric tape and the tape bend sensor are connected to the central processor and the input to the analog-to-digital converter.

В другом предпочтительном варианте реализации устройства, в процессорный блок встроена аккумуляторная батарея (АБК).In another preferred embodiment of the device, a rechargeable battery (ABC) is built into the processing unit.

В другом предпочтительном варианте реализации устройства, процессорный блок имеет USB-порт для подачи питающего напряжения 5 В.In another preferred embodiment of the device, the processor unit has a USB port for supplying a 5V supply voltage.

В другом предпочтительном варианте реализации устройства, в процессорный блок встроен акселерометр.In another preferred embodiment of the device, an accelerometer is built into the processing unit.

Далее полезная модель будет описана по ссылкам на чертежи:Further, the utility model will be described with reference to the drawings:

фиг. 1 - Объемная модель фрагмента двуспального матраса с установленным устройством регистрации биофизических параметров человека в течение сна, где 1 - блок чувствительных датчиков, 2 - процессорный блок;fig. 1 - Volumetric model of a fragment of a double mattress with an installed device for recording human biophysical parameters during sleep, where 1 is a block of sensitive sensors, 2 is a processing unit;

фиг. 2 - Вариант размещения блоков чувствительных датчиков на двуспальном матрасе, вид сверху, где 1 - блок чувствительных датчиков;fig. 2 - Option for placing blocks of sensitive sensors on a double mattress, top view, where 1 - block of sensitive sensors;

фиг. 3 - Классификация зон человеческого тела в соответствии с размером матраса.fig. 3 - Classification of areas of the human body according to the size of the mattress.

Устройство для регистрации биофизических показателей человека в течение сна включает в себя:A device for recording biophysical parameters of a person during sleep includes:

- блок чувствительных датчиков, включающий в себя, по крайней мере, одну пьезочувствительную ленту и, по край ней мере, один ленточный датчик изгиба;- a block of sensitive sensors, including at least one piezo-sensitive tape and at least one tape bending sensor;

- процессорный блок, включающий в себя: центральный процессор (ЦП), представляющий собой высокоинтегрированную микросхему, модули аналоговой обработки сигналов заявленных чувствительных датчиков, аккумуляторную батарею (АКБ), акселерометр, а также радиомодем.- a processor unit, which includes: a central processing unit (CPU), which is a highly integrated microcircuit, analog signal processing modules of the declared sensitive sensors, a storage battery (accumulator battery), an accelerometer, and a radio modem.

Пьезочувствительная лента предпочтительно компании-производителя TE Connectivity выполнена из ПВДФ, и используется для определения трех основных метрик устройства: частоты пульса, частоты дыхания и фазы сна (наименование продукта Sleep Monitor Strips).The piezo tape, preferably from TE Connectivity, is made of PVDF and is used to determine the three main metrics of the device: heart rate, breathing rate and sleep phase (product name Sleep Monitor Strips).

Принцип действия пьезочувствительной ленты заключается в том, что при ее размещении на поверхности или внутри матраса в случае, когда лента подвергается динамическим воздействиям (дыхательные движения, удары сердца, движения тела) со стороны пользователя, генерируется электрический заряд, пропорциональный интенсивности воздействий.The principle of operation of a piezo-sensitive tape is that when it is placed on the surface or inside the mattress, in the case when the tape is subjected to dynamic influences (breathing movements, heart beats, body movements) from the user, an electric charge is generated proportional to the intensity of the effects.

Общая толщина полосы составляет около 50 микрон, что делает ее чрезвычайно гибкий и совершенно незаметный при размещении под телом.The total thickness of the strip is about 50 microns, making it extremely flexible and completely invisible when placed under the body.

Сердцебиение и дыхание - это важнейшие физиологические процессы, параметры которых определяют состояние здоровья человека. У здорового человека частота пульса и дыхания должны находиться в определенном диапазоне, в том числе во время сна. Непрерывный контроль за этими показателями позволяют детектировать потенциальные проблемы со здоровьем и сделать рекомендации по корректировке рациона питания, образа жизни или предупредить человека о необходимости обращения к врачу. Такие меры позволяют своевременно диагностировать серьезные заболевания, такие как ночное ортопноэ, храп, сердечно-сосудистые заболевания, заболевания нервной системы (панические атаки, синдром «беспокойных ног»), нарушение сна и своевременно преступать к их лечению. А также, информация о положении человека во сне может на ранних стадиях выявить или предотвратить заболевания позвоночника (например, шейно-грудной остеохондроз).Heartbeat and breathing are the most important physiological processes, the parameters of which determine the state of human health. In a healthy person, the pulse and respiration rates should be within a certain range, including during sleep. Continuous monitoring of these indicators allows you to detect potential health problems and make recommendations for adjusting the diet, lifestyle, or warn a person about the need to see a doctor. Such measures make it possible to diagnose in a timely manner serious diseases such as nocturnal orthopnea, snoring, cardiovascular diseases, diseases of the nervous system (panic attacks, restless legs syndrome), sleep disturbances and promptly start treating them. And also, information about the position of a person in a dream can in the early stages identify or prevent diseases of the spine (for example, cervicothoracic osteochondrosis).

Датчик изгиба - пассивный, предпочтительно многоканальный, ленточный датчик изгиба компании-производителя Flexpoint (датчик Bend Sensor) и предназначен для получения информации о положении пользователя во сне. Предлагаемый датчик изгиба представляет собой ленту - пленку на основе полиамида, в которую встроены чувствительные элементы, изменяющие свое сопротивление по мере изменения радиуса изгиба ленты.The bend sensor is a passive, preferably multi-channel, Flexpoint bend sensor (Bend Sensor) and is designed to obtain information about the user's position during sleep. The proposed bend sensor is a tape - a film based on polyamide, into which sensing elements are embedded, which change their resistance as the radius of the tape bend changes.

На одном из краев ленты имеются электрические контакты для подключения к процессорному блоку.There are electrical contacts on one of the edges of the tape for connection to the processor unit.

Под положением во сне понимается устойчивое во времени горизонтальное положение тела на кровати, которое также называют позой. Существует четыре основных позы: на спине, на левом боку, на правом боку, на животе.The position in a dream is understood as a stable horizontal position of the body on the bed over time, which is also called a pose. There are four main positions: on the back, on the left side, on the right side, on the stomach.

Помимо перечисленных существует ряд второстепенных и промежуточных поз.In addition to those listed, there are a number of secondary and intermediate poses.

Использование в продукте датчика изгиба и знание о позах во сне имеет несколько практических применений:The use of a bend sensor in the product and knowledge of sleep postures has several practical applications:

- при первом подключении устройства датчик изгиба предоставляет интерактивную информацию о том, на какой стороне кровати располагается пользователь, благодаря чему производится привязка мобильного приложения к устройству;- when the device is connected for the first time, the bend sensor provides interactive information about which side of the bed the user is on, due to which the mobile application is linked to the device;

- с помощью датчика изгиба предполагается определять количество ночных подъемов, что является исходной информацией для расчета более общих метрик;- using the bend sensor, it is supposed to determine the number of night climbs, which is the initial information for calculating more general metrics;

- во врачебной практике существует мнение о том, что не всякая поза безвредна с точки зрения влияния на позвоночник и внутренние органы, поэтому знания о позах позволят рекомендовать пользователям занимать более правильное положение во сне.- in medical practice, there is an opinion that not every pose is harmless from the point of view of the effect on the spine and internal organs, therefore, knowledge of postures will allow recommending users to take a more correct position in sleep.

Выбор заявленных ленточных датчиков для использования в предлагаемом устройстве для определения показателей дыхания и сердцебиения, движений и поз пользователя в течение сна обусловлен их преимуществами по сравнению с другими датчиками, применяющихся для данных целей (например, пьезодисками, MEMS-датчиками, датчиками давления, точечными датчиками). К достоинствам можно отнести большую зону покрытия (ленточный датчик удобно протянуть через весь матрас), отсутствие дискомфорта и неудобства для пользователя (лента с датчиками практически не чувствуется), отсутствие каких-либо негативных излучений на тело пользователя, менее трудоемкие и энергозатратные алгоритмы обработки выходных сигналов.The choice of the declared tape sensors for use in the proposed device for determining respiration and heart rate, movements and postures of the user during sleep is due to their advantages over other sensors used for these purposes (for example, piezo disks, MEMS sensors, pressure sensors, point sensors ). The advantages include a large coverage area (it is convenient to stretch the tape sensor through the entire mattress), no discomfort and inconvenience for the user (the tape with sensors is practically not felt), the absence of any negative radiation on the user's body, less labor-intensive and energy-consuming algorithms for processing output signals ...

Кроме сказанного, использование ленточных датчиков изгиба позволяет наиболее точно снимать показатели о движениях и позах пользователя в течение сна.In addition to the above, the use of tape bending sensors allows the most accurate recording of indicators of the user's movements and postures during sleep.

Учитывая, что сами по себе ленточные датчики не могут функционировать без процессорного блока, в котором происходит прием и обработка сигналов от датчиков, то можно заключить о функциональном и конструктивном единстве данных узлов, а устройство, состоящее из ленточных датчиков, соединенных посредствам электрических контактов с процессорным блоком, рассматривается как единое устройство.Considering that tape sensors themselves cannot function without a processor unit, in which signals from sensors are received and processed, we can conclude about the functional and structural unity of these nodes, and a device consisting of tape sensors connected through electrical contacts to the processor block is considered as a single device.

Также предлагается использование дополнительного датчика - акселерометра с целью реализации алгоритмов энергосбережения. Предполагается следующий подход к реализации энергосбережения: акселерометр предоставляет возможность не только измерять ускорение по трем осям декартовых координат, но и реализовывать собственную несложную логику, например, отслеживание превышения порога ускорения по одной или нескольким осям. Результатом такого отслеживания является формирование логического уровня на специальном выходе микросхемы акселерометра. Таким образом, настроив определенный порог ускорения, центральный процессор (ЦП) может отключать наиболее энергозатратные узлы системы, такие как модули аналоговой обработки сигналов заявленных чувствительных датчиков и ожидать сигнала от акселерометра, который сработает в тот момент, когда пользователь ляжет на матрас.It is also proposed to use an additional sensor - an accelerometer in order to implement energy saving algorithms. The following approach to the implementation of energy saving is assumed: the accelerometer provides the ability not only to measure acceleration along three axes of Cartesian coordinates, but also to implement its own simple logic, for example, tracking the excess of the acceleration threshold along one or several axes. The result of such tracking is the formation of a logic level at a special output of the accelerometer microcircuit. Thus, by setting a certain acceleration threshold, the central processing unit (CPU) can turn off the most power-consuming components of the system, such as the analog signal processing modules of the declared sensitive sensors, and wait for a signal from the accelerometer, which will be triggered the moment the user lies on the mattress.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.The proposed device operates as follows.

Блок чувствительных датчиков для преобразований движений пользователя в аналоговый электрический сигнал состоит из пьезочувствительной ленты и ленточного датчика изгиба.The block of sensitive sensors for converting user movements into an analog electrical signal consists of a piezo-sensitive tape and a tape bend sensor.

Пьезочувствительная лента реагирует на микродвижения пользователя (дыхательные движения, удары сердца, движения тела) и формирует на выходе электрический сигнал пропорциональный интенсивности соответствующих воздействий, а затем электрический сигнал поступает в процессорный блок, где проходят процессы согласования, фильтрации и усиления сигнала.The piezo-sensitive tape reacts to the user's micromovements (breathing movements, heartbeats, body movements) and generates an electrical signal at the output proportional to the intensity of the corresponding influences, and then the electrical signal enters the processing unit, where the processes of matching, filtering and amplifying the signal take place.

Датчик изгиба, выполненный в виде пассивного многоканального ленточного датчика с встроенными чувствительными элементами, реагирует на давление, оказываемое пользователем на матрас, и на выходах формирует сопротивление, причем сопротивление изменяется по мере изменения радиуса изгиба ленты. Затем выходные сигналы датчика изгиба поступают в процессорный блок с целью их коммутации.The bend sensor, made in the form of a passive multichannel tape sensor with built-in sensing elements, reacts to the pressure exerted by the user on the mattress, and forms resistance at the outputs, and the resistance changes as the bending radius of the tape changes. Then the output signals of the bend sensor are fed to the processor unit for the purpose of switching them.

В акселерометре происходит преобразование ускорений по трем декартовым осям в цифровой код, затем выходной код поступает в центральный процессор (ЦП) процессорного блока.The accelerometer converts accelerations along three Cartesian axes into a digital code, then the output code goes to the central processing unit (CPU) of the processor unit.

После аналоговой обработки сигналов заявленных чувствительных датчиков выходные сигналы поступают на центральный процессор (ЦП), где с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) осуществляется их цифровая обработка.After analog processing of the signals of the declared sensitive sensors, the output signals are sent to the central processing unit (CPU), where their digital processing is carried out using an analog-to-digital converter (ADC).

Затем осуществляется передача оцифрованных сигналов на электронное устройство (например, смартфон) с помощью модуля беспроводной связи, встроенного в центральный процессор (ЦП). Например, модуль беспроводной связи представляет собой радиомодем, работающий на частоте 2.4 ГГц и поддерживающий технологию Bluetooth Low Energy.Then, the digitized signals are transmitted to an electronic device (for example, a smartphone) using a wireless communication module built into the central processing unit (CPU). For example, the wireless module is a 2.4 GHz radio modem that supports Bluetooth Low Energy technology.

Взаимодействие строится по клиент-серверной методологии, где сервером выступает периферийное устройство, а клиентом - мобильное приложение. Периферийное устройство реализует так называемые сервисы - логически обособленные информационные сущности, включающие как минимум одну характеристику, через которые непосредственно производится обмен данными.Interaction is based on a client-server methodology, where the server is a peripheral device, and the client is a mobile application. The peripheral device implements the so-called services - logically separate information entities, including at least one characteristic, through which data is directly exchanged.

Процессорный блок включает в себя центральный процессор (ЦП), с которым также связаны следующие элементы:The processing unit includes a central processing unit (CPU), to which the following elements are also associated:

- энергонезависимая память, представляющая собой запоминающее устройство в виде цифровой микросхемы, предназначенной для хранения системной и/или пользовательской информации;- non-volatile memory, which is a memory device in the form of a digital microcircuit intended for storing system and / or user information;

- кварцевый резонатор низкой частоты - электронный компонент - дополнительный источник тактирования центрального процессора, необходимый для работы часов реального времени;- low frequency quartz resonator - electronic component - an additional clock source of the central processor required for the real time clock;

- элементы, определяющие конфигурацию матраса: набор из двух резисторов, монтаж одного из которых определяет тип матраса (односпальный или двуспальный), набор из двух резисторов, монтаж одного из которых определяет сторону матраса, к которой привязано устройства на заводе-изготовителе (левая или правая);- elements that determine the configuration of the mattress: a set of two resistors, the installation of one of which determines the type of mattress (single or double), a set of two resistors, the installation of one of which determines the side of the mattress to which the device is attached at the factory (left or right );

- индикаторный элемент, управляемый со стороны центрального процессора (ЦП) и предназначенный для сигнализации различных статусов устройства;- indicator element controlled by the central processing unit (CPU) and designed to signal various device statuses;

- механическая кнопка без фиксации, предназначенная для различных пользовательский действий (калибровка, аппаратный сброс и др.).- a mechanical momentary button designed for various user actions (calibration, hard reset, etc.).

Устройство имеет возможность работы как от аккумуляторной батареи (АКБ), обеспечивающей автономную работу устройства, так и от внешнего источника, причем переключение питания устройства с АКБ на внешний источник питания и обратно (в зависимости от того подключен ли внешний источник) осуществляется за счет специального узла.The device has the ability to operate both from a storage battery (AKB), which ensures the autonomous operation of the device, and from an external source, and switching the power supply of the device from the battery to an external power source and vice versa (depending on whether the external source is connected) is carried out using a special unit ...

Заряд осуществляется за счет зарядного устройства (ЗУ), к статусному выходу которого подключен индикаторный элемент, отображающий статус заряда.Charging is carried out at the expense of a charger (charger), to the status output of which an indicator element is connected, which displays the charge status.

Подача питающего низкого напряжения (5 В) для заряда встроенной АКБ обеспечивается через USB-порт.Low voltage supply (5 V) for charging the built-in battery is provided via the USB port.

Узел в виде делителя напряжения, выход которого подключен к центральному процессору (ЦП) предназначен для детектирования наличия внешнего питания.The node in the form of a voltage divider, the output of which is connected to the central processing unit (CPU), is designed to detect the presence of an external power supply.

Далее рассматривается процесс обработки электрического сигнала пьезочувствительной ленты.Next, the process of processing the electrical signal of the piezoelectric tape is considered.

На аппаратном уровне аналоговый сигнал проходит три стадии обработки:At the hardware level, an analog signal goes through three stages of processing:

- согласование - преобразование заряда, генерируемого датчиком, в электрическое напряжение;- matching - converting the charge generated by the sensor into electrical voltage;

- антиалайзинговая фильтрация для устранения эффекта наложения спектров;- anti-aliasing filtering to eliminate the aliasing effect;

- усиление с целью повышения динамического диапазон сигнала.- amplification in order to increase the dynamic range of the signal.

Сигнал с пьезочувствительной ленты поступает на блок предварительной обработки процессорного блока c нулевым коэффициентом усиления.The signal from the piezo-sensitive tape is fed to the preprocessing unit of the processor unit with zero gain.

С выхода блока предварительной обработки сигнал поступает в блок фильтрации.From the output of the preprocessing unit, the signal enters the filtering unit.

Блок фильтрации построен на базе активного фильтра второго порядка по схеме Саллена-Ки и предназначен для подавления в выходном спектре сигнала составляющих с частотами выше 15 Гц, что позволяет существенно снизить влияние на сигнал сетевых наводок и устранить эффект наложения спектров. Поскольку фильтр имеет нулевой коэффициент усиления, ему не требуется опорное напряжение.The filtering unit is built on the basis of an active second-order filter according to the Sallen-Key scheme and is designed to suppress components with frequencies above 15 Hz in the output signal spectrum, which can significantly reduce the effect on the signal from line noise and eliminate the aliasing effect. Since the filter has zero gain, it does not require a voltage reference.

После фильтрации сигнал поступает в блок усиления, предназначенный для расширения динамического диапазона полезного сигнала. Блок построен на базе схемы неинвертирующего усилителя на операционному усилителе. Поскольку на вход блока сигнал поступает со смещением, цепь обратной связи подключена к опорному напряжению.After filtering, the signal enters the amplification unit designed to expand the dynamic range of the useful signal. The block is built on the basis of a non-inverting amplifier circuit based on an operational amplifier. Since the signal arrives at the input of the block with an offset, the feedback loop is connected to the reference voltage.

После усиления сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в центральный процессор (ЦП). Дальнейшая обработка сигнала производится цифровыми методами.After amplification, the signal is fed to the input of an analog-to-digital converter (ADC) built into the central processing unit (CPU). Further processing of the signal is performed using digital methods.

Далее рассматривается процесс обработки электрического сигнала датчика изгиба.The following describes the processing of the electrical signal of the bend sensor.

Датчик изгиба подключается к блоку предварительной обработки, выполняющего роль преобразования сопротивления сегментов в электрическое напряжение. Схемотехнически блок реализован на основе делителя напряжения, количество которых определяется числом каналов датчика.The bend sensor is connected to a pre-processing unit that converts the segment resistance to voltage. The circuitry unit is implemented on the basis of a voltage divider, the number of which is determined by the number of sensor channels.

Из блока предварительной обработки сигналы поступают в блок коммутации каналов, который представляет собой аналоговый мультиплексор, коммутирующий сигнал с нескольких входов на один выход в соответствии с состоянием адресных входов, который задаются центральным процессором (ЦП).From the preprocessing unit, the signals go to the channel switching unit, which is an analog multiplexer that switches the signal from several inputs to one output in accordance with the state of the address inputs, which is set by the central processing unit (CPU).

С выхода блока коммутации сигнал поступает в блок согласования, реализованный по схеме повторителя напряжения на операционном усилителе. После этого сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), встроенный в центральный процессор (ЦП).From the output of the switching unit, the signal enters the matching unit, which is implemented according to the voltage follower circuit on the operational amplifier. The signal then goes to an analog-to-digital converter (ADC) built into the central processing unit (CPU).

После аналоговой обработки сигналы используемых чувствительных датчиков проходят цифровую обработку с помощью АЦП, встроенного в центральный процессор (ЦП).After analog processing, the signals of the sensitive sensors used undergo digital processing using an ADC built into the central processing unit (CPU).

Для вычисления показателей пульса и дыхания сигналы проходят несколько стадий:To calculate the indicators of pulse and respiration, the signals go through several stages:

- цифровой БИХ-фильтр (фильтр с бесконечной импульсной характеристикой) нижних частот для подавления сигнала пульса и выделения сигнала дыхания;- digital IIR filter (filter with infinite impulse response) of low frequencies to suppress the pulse signal and extract the breath signal;

- расчет спектра дыхания методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) в окне 4096 точек и вычисление его частоты по максимуму спектральной составляющей;- calculation of the respiration spectrum by the fast Fourier transform (FFT) method in a window of 4096 points and the calculation of its frequency from the maximum of the spectral component;

- цифровой БИХ-фильтр верхних частот для подавления сигнала дыхания;- digital IIR high-pass filter to suppress the breath signal;

- декомпозиция на экспериментальные моды (по методу EEMD), в результате чего сигнал раскладывается на несколько составляющих (мод). Таким образом удается избавиться от шумов и достаточно эффективно реализовать выделение сигнала пульса на фоне оставшегося после первого этапа сигнала дыхания;- decomposition into experimental modes (by the EEMD method), as a result of which the signal is decomposed into several components (modes). Thus, it is possible to get rid of noise and quite effectively implement the selection of the pulse signal against the background of the respiration signal remaining after the first stage;

- расчет спектра сигнала пульса методом БПФ в окне 4096 точек и вычисление частоты сердцебиения.- calculation of the spectrum of the pulse signal by the FFT method in a window of 4096 points and the calculation of the heart rate.

Описанные выше методы аналоговой обработки позволяют получить стабильно корректные расчетные значения частот пульса и дыхания только при определенных условиях:The methods of analog processing described above make it possible to obtain stably correct calculated values of the pulse and respiration rates only under certain conditions:

- отсутствие сетевых помех;- lack of network interference;

- отсутствие влияния процесса дыхания, существенных движений и положения во сне;- lack of influence of the breathing process, essential movements and position in sleep;

- отсутствие влияния матраса;- lack of influence of the mattress;

- отсутствие резких микродвижений.- lack of sharp micromovements.

Практика показала высокую степень нестационарности сигнала, то есть непостоянство формы сигнала как по амплитуде, так и по времени ввиду перечисленных выше факторов. Учитывая сказанное, в системе используются несколько дополнительных шагов по цифровой обработке массивов частот пульса и дыхания перед тем, как пользователь увидит численные значения в мобильном приложении:Practice has shown a high degree of non-stationarity of the signal, that is, the inconsistency of the signal shape both in amplitude and in time due to the factors listed above. Considering the above, the system uses several additional steps to digitally process the arrays of heart rate and respiration rates before the user sees the numerical values in the mobile application:

Отбрасывание невалидных значений в ретроспективе из 10 измерений. Критерием отбрасывания является выход за порог, равный среднему значению в указанном окне из 10 точек. Если изменение текущего значение по модулю превышает порог на 3 единицы, то значение заменяет средним.Discarding invalid values in retrospective of 10 dimensions. The rejection criterion is going beyond the threshold equal to the average value in the specified window of 10 points. If the change in the current value in absolute value exceeds the threshold by 3 units, then the value is replaced by the average.

Многоступенчатое усреднение полученной кривой с помощью скользящего окна, состоящего из трех точек: берется текущая точка, одно предыдущее и одно последующее значение. Если изменение текущего значения по модулю превышает среднее на 0.1 единицы в окне третьей точки, то оно заменяется средним.Multistage averaging of the obtained curve using a sliding window consisting of three points: the current point, one previous and one subsequent value is taken. If the change in the current value in absolute value exceeds the average by 0.1 units in the window of the third point, then it is replaced by the average.

Первый шаг реализуется в процессорном блоке предложенного устройства, а второй шаг - на стороне мобильного приложения.The first step is implemented in the processor unit of the proposed device, and the second step is implemented on the side of the mobile application.

Таким образом, пользователь имеет возможность получать информацию о показателях частоты пульса и частоты дыхания в течении сна, причем устройство выполняет функцию оповещения пользователя о критических значениях данных показателях, например, частоты пульса.Thus, the user has the opportunity to receive information about the pulse rate and respiratory rate during sleep, and the device performs the function of notifying the user about critical values of these indicators, for example, heart rate.

Алгоритм определения фаз сна основывается на данных пьезочувствительной ленты и предполагает подсчет движений в единицу времени. Если сигнал пьезочувствительной ленты превысил определенный порог, что происходит только при движениях, то фиксируется движение. Интенсивность движения тем выше, чем дольше сигнал пьезочувствительной ленты находится за пороговым значением.The algorithm for determining the phases of sleep is based on data from a piezoelectric tape and assumes counting movements per unit of time. If the signal of the piezoelectric tape exceeds a certain threshold, which occurs only during movements, then the movement is recorded. The intensity of movement is the higher, the longer the signal of the piezoelectric tape is below the threshold value.

Информацию о позах пользователя в течение сна получают на основании сигнала датчика изгиба. Процесс происходит следующим образом.Information about the user's posture during sleep is obtained based on the signal from the flexure sensor. The process is as follows.

После оцифровки сигнал из отсчетов АЦП преобразуется в сопротивление в соответствии с формулой делителя напряжения. В ходе активной сессии сна производится периодический опрос всех каналов датчика и сохранение измеренных значений в энергонезависимую память, после чего данные передаются в мобильное приложения для последующей обработки.After digitization, the signal from the ADC readings is converted into resistance in accordance with the voltage divider formula. During an active sleep session, all sensor channels are periodically polled and the measured values are stored in non-volatile memory, after which the data is transferred to the mobile application for further processing.

Предпочтительные варианты применения предлагаемого устройства осуществляются следующим образом.The preferred options for using the proposed device are as follows.

Устройство имеет возможность его встраивания в матрасы различной конфигурации, в частности односпальные, двуспальные, детские, причем возможны различные варианты размещения заявленных чувствительных датчиков и возможно их варьирование по количеству (согласование с компаниями-производителями матрасов) и модификациям (согласование с компаниями-производителями чувствительных датчиков).The device has the ability to integrate it into mattresses of various configurations, in particular single, double, children's, and various options for the placement of the declared sensitive sensors are possible and their variation in quantity (coordination with mattress manufacturers) and modifications (coordination with manufacturers of sensitive sensors ).

Для достижения технического результата используются ленточные датчики в виде тонких пленок.To achieve the technical result, tape sensors in the form of thin films are used.

Вариант осуществления интеграции предлагаемого устройства в двуспальный матрас представлен на фиг. 2, где показано, что блоки чувствительных датчиков (1) выполнены самостоятельными блоками для каждого спального места.An embodiment of the integration of the proposed device into a double mattress is shown in FIG. 2, which shows that the blocks of sensitive sensors (1) are made as independent blocks for each berth.

В таком варианте процессорных блоков может быть два на каждый блок датчиков, а может быть выполнен в одном корпусе с подключением двух блоков датчиков.In this version, there can be two processor units for each sensor unit, or it can be made in one housing with two sensor units connected.

В предпочтительном варианте выполнения предложенного устройства датчики помещаются в технический чехол и размещаются на матрасе. В другом варианте устройство встраивается в матрас при его производстве. Причем пьезочувствительная лента и ленточный датчик изгиба могут быть склеены между собой с помощью адгезивного слоя.In a preferred embodiment of the proposed device, the sensors are placed in a technical cover and placed on a mattress. Alternatively, the device is built into the mattress during production. Moreover, the piezo-sensitive tape and the tape bend sensor can be glued together using an adhesive layer.

Заявленные чувствительные датчики в виде лент подключаются к процессорному блоку, состоящему из пластикового корпуса, в котором размещены печатная плата, АКБ, радиомодем, и расположенному на боковой части матраса.The declared sensitive sensors in the form of tapes are connected to the processor unit, which consists of a plastic case, which houses the printed circuit board, battery, radio modem, and located on the side of the mattress.

Далее рассматриваются варианты компоновок размещения заявленных чувствительных датчиков.Further, the options for the placement of the declared sensitive sensors are considered.

В предпочтительном варианте, для корректного определения частоты пульса пьезочувствительная лента может располагаться в трех верхних зонах: зоне головы, груди и поясницы (фиг. 3). Наиболее отчетливый сигнал выражен в районе зон головы и груди.In a preferred embodiment, for correct determination of the pulse rate, the piezoelectric tape can be located in three upper zones: the head, chest and lower back zones (Fig. 3). The most distinct signal is expressed in the region of the head and chest zones.

Пьезочувствительная лента может располагаться на поверхности матраса, внутри или под ним. При этом, в случае расположения датчика под матрасом требуется обеспечить (подобрать) такие параметры модуля аналоговой обработки сигнала датчика, которые позволят обеспечить необходимый уровень сигнала на входе центрального процессора (ЦП).The piezoelectric tape can be located on the surface of the mattress, inside or under it. In this case, if the sensor is located under the mattress, it is necessary to provide (select) such parameters of the analog signal processing module of the sensor, which will ensure the required signal level at the input of the central processing unit (CPU).

В предпочтительном варианте, датчик изгиба размещается на матрасе в зоне груди пользователя.In a preferred embodiment, the flexure sensor is placed on the mattress in the chest area of the user.

Варианты с загибанием датчика допускаются, но не рекомендуются производителем, так как это может привести к механическому повреждению чувствительного элемента.Variants with bending of the sensor are allowed, but not recommended by the manufacturer, as this can lead to mechanical damage to the sensor.

Возможные варианты расположения датчиков:Possible sensor locations:

- поперечное расположение - когда ленточный датчик располагается поперек всего матраса или одного спального места (для двуспального матраса);- transverse arrangement - when the tape sensor is located across the entire mattress or one berth (for a double mattress);

- диагональное расположение - когда ленточный датчик располагается под угом к вертикальной оси спального места;- diagonal arrangement - when the tape sensor is located at an angle to the vertical axis of the berth;

- продольное расположение - когда ленточный датчик располагается вдоль (посередине) спального места.- longitudinal location - when the tape sensor is located along (in the middle) of the berth.

Наиболее предпочтительным вариантом является поперечное расположение датчиков, когда оба датчика располагаются поперек матраса в зоне груди, а процессорный блок устанавливается сбоку матраса (фиг. 1).The most preferred option is the transverse arrangement of the sensors, when both sensors are located across the mattress in the chest area, and the processing unit is installed on the side of the mattress (Fig. 1).

При реализации предлагаемого устройства достигается возможность мониторинга широко спектра жизненно важных биофизических показателей пользователя, высокая точность их определения без негативного влияния на характеристики и свойства матраса, снижение трудоемкости встраивания в матрасы различной категории и возможность распространения устройства среди широкого круга потребителей.When implementing the proposed device, it is possible to monitor a wide range of vital biophysical indicators of the user, high accuracy of their determination without negatively affecting the characteristics and properties of the mattress, reducing the labor intensity of embedding into mattresses of various categories and the possibility of distributing the device among a wide range of consumers.

Claims (6)

1. Устройство регистрации биофизических показателей человека в течение сна, включающее в себя чувствительные датчики, подключенные к процессорному блоку, отличающееся тем, что в качестве датчиков используются пьезочувствительная лента и многоканальный ленточный датчик изгиба.1. A device for recording biophysical parameters of a person during sleep, which includes sensitive sensors connected to the processing unit, characterized in that a piezo-sensitive tape and a multichannel tape bending sensor are used as sensors. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что процессорный блок включает центральный процессор, модули аналоговой обработки выходных сигналов пьезоэлектрического датчика и датчика изгиба, причем модули аналоговой обработки выходных сигналов пьезоэлектрического датчика и датчика изгиба связаны с центральным процессором и входом на аналогово-цифровой преобразователь.2. The device according to claim 1, characterized in that the processing unit includes a central processor, modules for analog processing of the output signals of the piezoelectric sensor and the bend sensor, and the modules for analog processing of the output signals of the piezoelectric sensor and the bend sensor are connected to the central processor and the analog-digital input converter. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит модуль связи с мобильным устройством, который выполнен в виде радиомодема.3. A device according to claim 1, characterized in that it contains a communication module with a mobile device, which is made in the form of a radio modem. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в процессорный блок встроена аккумуляторная батарея.4. The device according to claim 1, characterized in that a rechargeable battery is built into the processor unit. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что процессорный блок имеет USB-порт для подачи питающего напряжения 5 В.5. The device according to claim 1, characterized in that the processor unit has a USB port for supplying a 5 V supply voltage. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в процессорный блок встроен акселерометр.6. The device according to claim 1, characterized in that an accelerometer is built into the processor unit.
RU2020129094U 2020-09-02 2020-09-02 Device for recording human biophysical parameters during sleep RU201833U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020129094U RU201833U1 (en) 2020-09-02 2020-09-02 Device for recording human biophysical parameters during sleep

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020129094U RU201833U1 (en) 2020-09-02 2020-09-02 Device for recording human biophysical parameters during sleep

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU201833U1 true RU201833U1 (en) 2021-01-14

Family

ID=74183699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020129094U RU201833U1 (en) 2020-09-02 2020-09-02 Device for recording human biophysical parameters during sleep

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU201833U1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001078601A1 (en) * 2000-04-17 2001-10-25 Resmed Limited Detection and classification of breathing patterns
RU54278U1 (en) * 2006-02-07 2006-06-10 Владимир Анатольевич Зотов PIEZO ELECTRIC SWITCH AND KEYBOARD
WO2011094448A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Dreamwell, Ltd. Systems and methods for bedding with sleep diagnostics
US8997588B2 (en) * 2012-09-29 2015-04-07 Stryker Corporation Force detecting mat with multiple sensor types
RU2675036C2 (en) * 2013-03-14 2018-12-14 Конинклейке Филипс Н.В. Device and method for obtaining information about vital signs of subject

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001078601A1 (en) * 2000-04-17 2001-10-25 Resmed Limited Detection and classification of breathing patterns
RU54278U1 (en) * 2006-02-07 2006-06-10 Владимир Анатольевич Зотов PIEZO ELECTRIC SWITCH AND KEYBOARD
WO2011094448A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Dreamwell, Ltd. Systems and methods for bedding with sleep diagnostics
US8997588B2 (en) * 2012-09-29 2015-04-07 Stryker Corporation Force detecting mat with multiple sensor types
RU2675036C2 (en) * 2013-03-14 2018-12-14 Конинклейке Филипс Н.В. Device and method for obtaining information about vital signs of subject

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108042108B (en) Sleep quality monitoring method and system based on body vibration signals
CN104545844B (en) Multi-parameter sleep monitoring and intelligent diagnosis system based on 4G mobile communication technology and application method of multi-parameter sleep monitoring and intelligent diagnosis system
EP2200499B1 (en) Multi-sensor patient monitor to detect impending cardiac decompensation
US9017255B2 (en) System and method for saving battery power in a patient monitoring system
CN109463936B (en) Intelligent mattress
CN110780600A (en) Sleep-assisting mattress with alarm function
JP6463433B1 (en) Respiration evaluation system, analysis system, and program
CN108670220A (en) A kind of intellectual monitoring device for assisting health monitoring
CN107041730A (en) A kind of contactless sleep monitoring device and its monitoring method
US10736515B2 (en) Portable monitoring device for breath detection
EP3787498A1 (en) Device and methods for deriving a respiration rate from multiple biometric sources
WO2017117739A1 (en) Sleep monitoring system
WO2019245055A1 (en) Mat for detecting biological information, device for detecting biological information, and system for distributing biological information
CN211862809U (en) Novel wearable respiratory signal gathers waist binder
CN110477887A (en) A kind of monitoring device of non-invasive long-range apnea syndrome
US12076121B2 (en) Detecting and measuring snoring
JP3353460B2 (en) Monitoring device
Shamsir et al. Instrumentation of a pyroelectric transducer based respiration monitoring system with wireless telemetry
CN113662519A (en) Non-contact heart and lung monitor and heart and lung monitoring system
RU201833U1 (en) Device for recording human biophysical parameters during sleep
CN205758531U (en) Heart rate monitoring unit based on piezoelectric transducer
CN109350017B (en) Vital sign monitoring device and method based on multi-sensor array
CN204744130U (en) Multi -parameter sleep monitor and intelligent diagnostic system based on 4G removes communication technology
JP2001299712A (en) Long-time biological monitor
CN107374615B (en) Dream report system and method for electrocardiograph, respiration and posture monitoring