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硬件之家 | 智能手环、手表是如何监测睡眠的

前言:随着科技的发展以及人们对于自身健康情况的日益关注,近年来智能手环智能手表也是越来越流行。


可能很多人会疑惑:智能手环、手表是如何监测睡眠的?下面将为大家介绍智能手环、手表运用了何种技术监测我们的睡眠的。

一、体动记录仪(acTIgraphy)

体动记录仪(acTIgraphy)最早是20世纪80年代由美国军方研制用来衡量部队性能的仪器。之后研究人员发现体动记录仪能够应用在很多领域,并逐步将其推向市场。30多年来经过改进,基于便携,无创,价格便宜等优势被广泛应用到睡眠/觉醒模式的评估,日常活动强度监测,药物检测,行为遗传学等多领域。

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目前的体动记录仪基本都具备从3个方向轴进行记录数据,三轴传感器成为标准配置,三轴传感器能够灵敏的从3个方向记录到轻微的移动。根据记录数据,分析软件通过计算可以分析出能量消耗(energy expenditure)和睡眠相关参数(sleep onset TIme , SOT) , 觉醒时间( wake after sleep onset , WASO) , 觉醒次数(awakenings ), 睡眠效率(sleep efficiency, SE) 等。

手环监测从原理上是通过感应器,感知震动,这对于单身的人还好说,床上只有一个人。基于三轴加速度计的判断,这种原理的“睡眠检测”实际只能算是一种“睡眠推测”。

二、心率传感器

很多穿戴设备都有心率传感器,可穿戴设备具有心动心率传感器,可以记录你睡眠时的心动变化。如果有红光LED和红外光LED,就还可以检测血氧含量。这些对你的睡眠监测都是有辅助的分析效果。而且可穿戴设备具有独立性,不会受睡在一起的人影响监测数据。

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心率监测的方法

常见的方法有两种:心动电流测量法和光电透射测量法。

心动电流测量法,在医院中测量心电图时经常会看到,通过测量人体不同点的电势变化,从而测量出心率变化,该方法测量精准,但必须同时监测人体的两个部位,而我们平时用手机和手表的时候都是单手接触产品,所以无法做到持续监测。

光电透射测量法,可穿戴设备上一般都采用这个,它是一种通过光反射测量的光电心率传感器以及利用人体不同部位电势测量的电极式心率传感器。特点是,准确度欠佳,但优势在于体积小。

三、心肺耦合(CPC)分析

上个世纪脑电波的发现让睡眠研究人员十分兴奋,并把脑电波定为评价睡眠的核心讯号,后来又增加了眼电、肌电、呼吸、心电、血氧等等多种生理信号的采集,形成了目前医院里使用的多导睡眠监测仪。多导睡眠仪虽有它的优点,但同时它也有很多的缺点,比如,被试者需要在身上连接各种导线,并要在医院的睡眠实验室睡一个晚上。这样的环境和条件往往无法反映被试者平时真实的睡眠;另一大问题是必须依赖有经验的技术人员花几个小时去人工识别出脑电图中的特征波形,对睡眠进行分期。
事实上,睡眠是全身整体的生理过程,大脑放松的同时,肌肉也是在放松的状态,心率会减慢、呼吸也会减慢并变得更平稳。也就是说,在睡眠中,不仅只有大脑进入特殊的状态,身体的其他系统也会表现出睡眠的特征。因此,我们哈佛医学院的睡眠专家和科学家团队,通过对睡眠机制的研究,得出通过自主神经系统可以更好的反映睡眠状态。由于自主神经系统的状态会表现在心电信号上,而心电监测技术要远比脑电简便易行,监测本身对睡眠的影响可以降到最低。更重要的是,心脏有自己的节律特性,会随着人体的各种状态发生改变。在睡眠的不同状态下,心电活动也会表现出不同的特征。
经过对大量临床数据的分析,哈佛医学院专家们发现,在睡眠的时候,心电和呼吸还存在一种奇妙的耦合关系。当人在熟睡的时候,这种耦合性会增强。而在清醒、浅睡、或者一些疾病状态下,这种耦合性也会呈现出不同的特点。基于此发现,哈佛医学院的睡眠专家团队在2005年创新性地提出了Cardiopulmonary Coupling,也就是心肺耦合的概念,简称CPC,并且发展出成熟的技术,可以准确地给出睡眠的分期。通过临床验证,这些结果与传统基于脑电波方法判断的睡眠分期结果有很好的一致性。
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