EMPATICA E4 腕带式生理信号监测仪进行睡眠监测

背景

通过多导睡眠图方法较广地研究了睡眠和睡眠障碍期间的生理变化。这些方法包括收集信号，例如用于观察大脑活动的脑电图（EEG）、心律的心电图（ECG）、眼震电图（ENG）、眼球运动的眼电图（EOG）以及肌肉活动或骨骼启动电肌电图（EMG）。越来越多的研究工作致力于对人体生理参数和活动参数进行无创监测。正在开发用于实时非侵入式健康监测的各种可穿戴传感器，这为跟踪睡眠模式和分析睡眠与测量的生理变量之间的依赖性开辟了可能性。

问题表述

通常使用多导睡眠图方法监测和分析睡眠规律和障碍。多导睡眠图通常会记录至少12个通道，需要至少22根导线连接到患者。很明显，此类程序必须由经过培训的医学专家执行，并且需要患者住院医治。显然，方法是昂贵且繁琐。

目的

为研究睡眠和睡眠障碍期间的生理变化，可以准确检测动态条件下睡眠模式的规律性，致力于对人体生理参数和活动参数进行无创监测。

方法

采用目前较较全地的原始数据获取和访问的腕戴式监测设备是EMPATICA E4腕带式生理信号监测仪。收集与皮肤电活动、心率变异性、体温和身体运动相对应的生理信号，该腕带舒适、隐蔽且无创，因此非常适合门诊设置。

实验内容

- EMPATICA E4腕带式生理信号监测仪研究架构（图1）：

1.手环有两种工作模式：

1）记录模式：手环将数据记录在内存中，较长可记录60小时。

2）流媒体模式：手环通过蓝牙连接到应用程序。

2.Empatica E4手环配备以下生理传感器：

1）EDA传感器（或GSR传感器）：测量皮肤某些电特性的波动变化。它以微西门子为单位进行测量。

2）红外线热电堆：测量皮肤温度并给出以摄氏度为单位测量的数据。

3）3轴加速度计：测量基于运动的活动，包含3轴(x、y和z)加速度计传感器的数据。它测量施加到三个空间维度(x、y和z)中每一个的连续重力(g)。规模限制为2g(默认)，可以通过自定义固件扩展到8g。我们应用中的加速度计配置为测量[2g,2g]范围内的加速度。单位用g表示，即9.81m/s。

4）PPG传感器（光电容积脉搏波传感器）：测量血容量脉搏(BVP),从中可以得出两个信号：(1)心率(HR)和心搏间隔(IBI)。血容量脉搏以纳瓦为单位测量，心率变异性RW以每分钟心跳次数(6m)为单位测量，心跳间隔以两次连续心跳之间的时间测量。

- 数据采集：

本实验由两男一女在白天和黑夜长时间不间断佩戴Empatica E4数天，以此记录入睡和醒来的确切时间。

►六种实验测量值：

1）加速度计数据(ACC)

2）血容量脉搏(BVP)

3）皮肤电活动(EDA)

4）心率(HR)(自动从BVP导出)

5）心跳间隔(IBI)（也从BVP计算）

6）温度(TEMP)

综上所述，提取了以下特征：心率(HR)的平均值、皮肤电活动(EDA)、加速度计(ACC)和BVP信号的标准偏差。

-实验结果：

（表1 分类结果：F1分数）实验测试了三个和四个特征集，显然使用线性核可以获得较佳地结果，该结果适用于有和没有HRV的两个分类。

*移动应用程式特点：移动应用程序直接通信并从EmpaticaE4设备收集数据，并通过直观的用户界面向用户提供有关其睡眠模式规律性的实时信息，并从手环E4中嵌入各种传感器收集实时数据，这些数据随后被发送到存储数据库，以便进行机器学习处理服务器端。

*用户可以通过其他控件管理应用程序模式：1）tracksleep允许启动或停止睡眠监测并控制发送到AWS服务器的数据。2）“streaming”按钮允许关闭手环并通过应用程序停止蓝牙连接，还允许重置EmpaticaSDK以准备创建新的蓝牙连接。3）启动/停止图像：启动或停止DA、BVP和HRV选项卡中的图形显示，从而节省电池和智能手机资源。

*EMPATICA E4 腕带式生理信号监测仪

E4腕带是先进的可穿戴技术，可为消费者提供极其准确的数据。该设备具有一系列功能，例如：不显眼的监控、临床质量观察、能够在任何地方查看数据、为开发人员提供原始数据输出。E4配备了采集高质量数据的传感器。它是结合了EDA（GSR）和PPG传感器的可穿戴设备，能够同时测量交感神经系统活动和心率。这款可穿戴设备可以存储 60 多个小时的数据。