使用Zeo睡眠个人管理器和树莓派自动提取和传输睡眠数据

摘要

本文介绍了一种使用商用脑电图（EEG）睡眠监测设备的自动化睡眠数据流系统。该代码以每30秒间隔采集设备生成的数据，并将其存储到文本文件中，在一整夜睡眠结束后发送给指定接收者。该系统设计为针对帕金森病患者的一步式解决方案，易于使用。系统设置完成后，可自动传输数据，无需用户干预。经测试验证，系统能够获取一整夜的数据。最终设计低成本且易于实施。

一、引言

利用技术监测人类健康对于观察我们人类无法察觉的细节是必要的。在诊断脑部相关疾病时，这一需求变得更加迫切。能够感知并精确测量脑电图（EEG）信号，有助于准确诊断此类疾病，并发现新的治疗方法。

已有多种方法和设备用于测量脑电图（EEG）信号[1][2]。先前的研究在睡眠期间使用单电极传感器作为头带[3]。表1显示了典型夜间睡眠中出现的不同睡眠阶段。第一阶段是从清醒到入睡的过渡期，约占睡眠时间的5%到10%。第二阶段约占45%到55%，此时可观察到θ脑波。第三阶段和第四阶段为深度睡眠，占据其余的睡眠时间。第三阶段是进入深度睡眠的过渡期，此时可观察到慢波脑电波，并获得最充分的休息[4]。快速眼动（REM）睡眠有时被称为第五阶段，包含混合频率脑波，约占睡眠的20%。

研究睡眠时出现的问题是需要通过睡眠实验室来获取数据。这对参与者来说并不方便，也可能影响睡眠研究。因此，构建一个让参与者在自己家中易于使用，同时研究人员仍能获得必要数据的系统是可取的。

本文介绍了一种方法，可自动从Zeo床边睡眠系统提取和传输脑电图夜间睡眠数据的结果至研究人员。为了使研究人员获得睡眠结果，受试者必须在通过电话接收特定说明后，遵循若干关键步骤来读取分析后的数据。这对于许多不擅长也不熟悉技术的老年受试者来说，这一过程非常繁琐、耗时且容易出错。迫切需要一种一步操作来发送分析后的夜间睡眠数据。为了实现这一智能系统，采用树莓派编程了一个新型收发器，用于自动读取睡眠设备生成的结果，并通过互联网以电子邮件形式发送给研究人员。邮件接收人在代码中指定。这可以通过将树莓派连接到互联网路由器以实现自动发送，或使用已保存睡眠数据的USB设备来完成。

II. 提议的系统

在本项目中，使用了Zeo床头监测仪[5]。该系统由四个组件构成，如图1所示。佩戴在用户头部的睡眠传感器通过无线方式将数据传输到放置在床头柜上的睡眠设备接收单元，其工作方式与平常相同。夜间睡眠的结果会显示在接收单元的屏幕上。此外，在接收单元侧面的SD卡上还保存有夜间睡眠的历史结果。通过串行端口配合USB转串行（FTDI）电缆，可直接从睡眠监测设备与树莓派进行通信。选择树莓派是因为其具备内置Wi-Fi和小巧尺寸。树莓派和Zeo睡眠监测仪通过墙上的电源插座供电。

使用Python编程，通过函数库从睡眠设备中调用数据。在用户睡眠期间，数据被持续收集。当用户将睡眠传感器放回接收单元的对接站时，Zeo睡眠监测仪会发送一个传感器已对接的信号，触发Python程序，随后将收集到的数据保存为文本文件，并通过电子邮件发送给研究人员进行进一步分析。电子邮件可以通过连接Wi-Fi路由器自动发送，也可以通过已保存数据的USB设备手动发送。该USB设备将连接到树莓派，之后可以取出，以便参与者在其自己的计算机上发送数据。如果与路由器通信出现问题，程序将等待稳定的互联网连接，一旦连接成功即发送邮件。

III. 结果

使用该系统进行了一整晚的睡眠，以测试是否达到了预期的输出效果。树莓派通过Wi-Fi连接到互联网路由器。一夜睡眠结束后，结果自动通过电子邮件发送并成功接收。绘制了图表以显示用户整夜睡眠的各个阶段，如图3所示。数据以每30秒间隔持续采集。所采集的数据分为4个阶段：清醒、快速眼动期（REM）、浅睡和深度睡眠。该图显示了典型的睡眠过程：从清醒阶段开始，随后进入深度睡眠。在整个夜间，睡眠阶段呈现出波动状态，直至接近睡眠结束时为止。

IV. 结论

本文提出了一种自动化睡眠数据流系统，该系统可自动且连续地将夜间睡眠结果发送给研究人员。所开发的系统已通过真实的夜间睡眠测试进行了验证。