睡眠呼吸胸腹耦合运动机理及无束缚监测方法研究

To improve the monitoring precision of the unconstrained sleep respiration monitoring method using pressure fluctuation induced by chest/abdomen motion during respiration, and solve the problem of obtaining the information of expansion/contraction motion of the thorax and abdomen separately, this project proposes a novel method that uses the distribution of pressure fluctuation in the human-mattress contact interface. Since it is difficult to build the relationship between thorax/abdomen motion and pressure fluctuation by the existing research results on chest-abdomen coupled motion, this project takes the chest-abdomen coupled motion as a breakthrough point to solve the moving magnitudes and phase difference of thorax and abdomen. It reveals the coupled mechanism among thorax, abdomen, chest back and abdomen back by using finite element analysis and experiment. It also investigates the relations between the coupled motion and the pressure fluctuation and studies the influence of physical features and human-mattress boundary on them. To realize real time monitoring at high precision, the project establishes a dynamic model of the chest-abdomen coupled motion and determines the model parameters, which are influenced by the factors of physical features and mattress elasticity, using rough set theory and principal component analysis. An approach is proposed which uses the intersection of the distribution maps of signal-to-noise ratio, dynamic/static pressure ratio and sensitivity of the pressure fluctuation to the chest/abdomen motion to obtain the input variables for solving the dynamic model. This project is able to establish a new method of unconstrained monitoring of thorax/abdomen motion to realize high precision screening of sleep apnea syndrome.

为了提升基于床垫压力的睡眠呼吸无束缚监测方法的监测精度，解决其不能区分胸部运动与腹部运动的问题，本项目提出一种利用分布于人与床垫接触界面上的动态压力区分胸腹运动的方法。鉴于利用已有的研究成果无法建立胸腹运动与动态压力的映射关系，拟从研究胸腹耦合运动机理入手，利用有限元解析与实验相结合的方法，揭示胸廓运动、腹部运动、胸背运动、腰背运动的内在关联，剖析各种运动与动态压力的关系，解明身体特征与床垫弹性的影响规律，以便利用动态压力求解胸廓扩张收缩运动与腹部隆起收缩运动的振幅和相位差。为了确保监测的实时性与准确性，拟建立实时求解的力学模型，用粗糙集理论结合主成分分析，确定多因素影响下的模型参数，并利用信噪比、动静压力比、动态压力对胸腹运动敏感度三者分布图的交集，确定动态压力信号的提取区域。通过上述研究，确立区分胸部运动与腹部运动的无束缚监测方法，实现睡眠呼吸暂停综合征的高精度无束缚筛查。

项目提出了一种利用仰卧睡姿下人体作用于床垫的动态压力，区分呼吸过程中胸部运动与腹部运动的方法，以便能够无束缚地获取胸廓扩张收缩运动与腹部隆起收缩运动的振幅和相位信息，从而提高睡眠呼吸的无束缚监测精度，像多导睡眠仪那样，直接判断呼吸暂停的类型。为实现此方法的实际应用，首先，通过有限元解析与实验，剖析了胸腹耦合运动的机理，结果显示：由于胸部和腹部之间存在物理连接，胸部/腹部呼吸肌的舒缩，既会引起胸部/腹部自身的膨胀收缩运动，还会通过肋骨、脊柱等骨骼和腹壁肌等身体表面软组织牵拉另一方运动。然后，研究了胸腹运动与动态压力的关系，分析了身体特征、床垫弹性等因素的影响规律，结果显示：呼吸过程中，胸背和腰背部作用于床垫的动态压力与呼吸方式（胸式呼吸，腹式呼吸）有关，不同呼吸方式在胸腹的周长变化与动态压力之间，会产生不同的相位差，但床垫弹性对动态压力的影响较小。最后，建立了胸腹耦合运动的弹簧-阻尼-质量模型，通过分析呼吸运动引起的动态压力与胸腹呼吸带信号的相关性，研究了动态压力的空间分布特点，确定了识别动态压力提取部位的方法。在上述研究的基础上，搭建了实验平台，确立了降噪方法，共对30余名健康志愿者进行了实验，验证了通过检测呼吸过程中胸腹运动所产生的动态压力，监测胸腹运动的振幅和相位差的可行性。项目实现了申请书和计划书的预定目标，研究成果对实现睡眠呼吸暂停综合征的无束缚筛查和早期预警，从而维护国民健康，具有重要的理论和实际意义。