隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對睡眠的監(jiān)控也迎來了新的機遇。傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)控采用傳導(dǎo)睡眠圖，但是該方法操作復(fù)雜且需要在睡眠者頭部固定電極，對正常睡眠造成不可忽視的影響，難以準確反應(yīng)睡眠者的正常睡眠狀況。因此，本文提出了利用其他生理參數(shù)對睡眠質(zhì)量進行監(jiān)控的方法[1-2]。脈搏信號中包含豐富的生理信息，各種脈搏傳感器的出現(xiàn)使脈搏測量變得非常方便。嵌入式計算機系統(tǒng)具有體積小、功耗低、處理能力強等特點，因此非常適合于醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)。如何將計算機技術(shù)和生物醫(yī)學信號處理技術(shù)相互結(jié)合，有效地監(jiān)測人們的睡眠狀態(tài)，改善睡眠質(zhì)量，是值得人們特別重視的。

1 設(shè)計思路
    在睡眠過渡階段中,“失控的認知活動”致使人們遭受不同程度的失眠困擾。在近年的研究中,有許多跡象顯示,通過基于認知科學的心理控制,有可能使失控的認知活動中斷，那些致使人們失眠的失控的認知活動會在外界刺激下導(dǎo)致注意轉(zhuǎn)移從而被抑制[3]。在從覺醒狀態(tài)向睡眠狀態(tài)過渡時,脈搏會明顯減慢且呈現(xiàn)出不同的特征。因此可以通過傳感器采集脈搏信號，判斷睡眠者的睡眠狀態(tài)。可以通過嵌入式處理器不斷依據(jù)脈搏信號所反映的睡眠狀態(tài)提供刺激，中斷從清醒到睡著這一過渡過程中的失控思維活動，使這些有害的思維活動持續(xù)地處于被抑制狀態(tài)，直至最終失活。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計
    根據(jù)設(shè)計思路的基本認知原理，系統(tǒng)采用脈搏監(jiān)測的方式來監(jiān)控睡眠，在不影響正常睡眠的情況下，利用脈搏傳感器采集人體脈搏信號，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測使用者的睡眠狀況[4]，在睡眠質(zhì)量不佳的情況下，利用嵌入式微處理器發(fā)出合理的聲音刺激以達到提高睡眠質(zhì)量的目的。整個系統(tǒng)由脈搏采集模塊、信號調(diào)理模塊、微處理器模塊、聲音刺激模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊及數(shù)據(jù)顯示分析處理平臺等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計
3.1 脈搏信號采集模塊
    人體的脈搏信號具有幅度小、干擾強、阻抗高、頻率低等特點，采集過程中容易引入外界干擾（如工頻干擾、人體活動、高頻干擾和人體呼吸移動引起的基線漂移），常伴有嚴重的背景噪聲[5]。因此，脈搏信號測量必須經(jīng)過放大和濾波等處理，才能滿足信號采集的要求。圖2為脈搏信號調(diào)理電路。

    脈搏信號的能量頻段主要集中在2 Hz～20 Hz之間，最高頻率不超過40 Hz。脈搏傳感器采集到的電壓信號幅度值在0～20 mV之間，系統(tǒng)所采用的LPC2103片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值范圍為0～+3.3 V。為了滿足轉(zhuǎn)換要求，脈搏電壓信號需要被放大100～200倍。同時，為了更好地抗干擾，放大電路采用兩級放大。信號調(diào)理電路由一級放大電路、基線漂移抑制電路、50 Hz陷波電路、低通濾波器、二級放大電路組成。
    一級放大電路采用差分輸入的方式,有效地抑制共模信號。差分放大器采用AD620，其具有極高的共模抑制比,可有效抑制工頻噪聲和人體靜電干擾。集成運放采用高輸入阻抗型。在電路設(shè)計中，設(shè)置一級放大電路的放大倍數(shù)A為20倍，則：
    
3.2 微處理器
      系統(tǒng)選用NXP公司推出的基于ARM7TDMI-S內(nèi)核、LQFP48封裝的LPC2103處理器作為嵌入式系統(tǒng)核心。LPC2103采用3.3 V和1.8 V雙電源供電，最高工作頻率可達70 MHz，內(nèi)部集成8 KB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器。10 bit A/D轉(zhuǎn)換器提供8路模擬輸入使得調(diào)理后的脈搏信號可直接完成A/D轉(zhuǎn)化[6]。LPC2103價格低廉、低功耗以及小封裝充分滿足了系統(tǒng)設(shè)計的要求。復(fù)位電路設(shè)計中采用專用電源監(jiān)控復(fù)位芯片CAT1025，以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
3.3 聲音刺激模塊
    根據(jù)人在睡眠和清醒時的脈搏信號的不同，利用嵌入式微處理器控制刺激器來產(chǎn)生聲音刺激，利用微處理器產(chǎn)生特定頻率的方波使得揚聲器發(fā)出聲響作為聲音刺激。只有合適響度的聲音才能抑制有害的思維活動，過弱的聲音刺激不能很好地轉(zhuǎn)移使用者的注意，而過強的聲音刺激會成為自然入睡新的干擾源。所以選取響度為使用者剛好能聽到的聲音作為刺激，通過編程來調(diào)節(jié)方波的頻率可得到需要的聲音刺激。
3.4 數(shù)據(jù)存儲模塊
    系統(tǒng)采用SD卡存儲睡眠過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。SD卡大量應(yīng)用于數(shù)碼相機、手機等大容量存儲設(shè)備，作為這些便攜式設(shè)備的存儲載體，具有功耗低、非易失性、保存數(shù)據(jù)無需消耗能量等特點，同樣適用于本系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。

4 軟件設(shè)計

    根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，軟件設(shè)計分為下位機軟件和上位機軟件。下位機軟件部分主要完成脈搏信號的采集、分析、傳輸以及發(fā)出聲音刺激，上位機軟件主要是脈搏數(shù)據(jù)的顯示和存儲。
4.1 下位機軟件設(shè)計
    下位機軟件以ADS1.2為開發(fā)環(huán)境，采用C語言編寫。ADS（ARM Developer Suite）支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強等特點。系統(tǒng)通過分析采集到的脈搏信號，根據(jù)脈搏信號變化判斷使用者的睡眠狀態(tài)，在睡眠異常時發(fā)出合理的聲音刺激。系統(tǒng)的軟件控制框圖如圖4示。

4.2 上位機軟件設(shè)計
    上位機軟件采用LabVIEW8.5為開發(fā)環(huán)境，實驗室虛擬儀器工作平臺(LabVIEW)采用圖形化的程序編程語言(即G語言)，編寫程序時，流程圖取代了以往復(fù)雜的程序代碼[7]。上位機軟件主要完成脈搏數(shù)據(jù)的采集顯示、存儲等功能，通過監(jiān)測脈搏信號的變化對睡眠狀態(tài)進行監(jiān)測，而且嵌入式系統(tǒng)可借助上位機軟件平臺監(jiān)測脈搏變化，結(jié)合使用者的反應(yīng)，反復(fù)試驗，研究睡眠狀態(tài)與脈搏變化的相互關(guān)系，協(xié)助系統(tǒng)找到合適的聲音刺激來改善睡眠質(zhì)量。
      基于上述技術(shù)建立的嵌入式系統(tǒng)，具有性能高、體積小、功耗低、價格便宜的優(yōu)點，可佩戴于手上對睡眠過渡過程進行監(jiān)測。在大量的實驗中，聲音刺激對使用者睡眠沒有造成干擾，并且能使他們較快入睡。通過采集人體脈搏信號并從中獲取睡眠信息，利用聲音刺激來干擾失眠機制，對于提高人們的睡眠質(zhì)量、保證身心健康有著深遠的意義。
參考文獻
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