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睡眠生理信号をモニターする多機能ウェアラブルデバイスの設計と実装
Design and Implementation of a Multifunction Wearable Device to Monitor Sleep Physiological Signals.
PMID: 32664268 DOI: 10.3390/mi11070672.
抄録
我々は、Adafruit Circuit Playground Express（CPE）ボード上に構築され、心拍数モニタリング用の光電センサ（PPG）と医療アプリケーション（特に睡眠生理学的信号モニタリング）用の複数の組み込みセンサを統合したウェアラブルデバイスを紹介します。当社のデバイスはポータブルで軽量です。提案するデバイスのマイクロコントローラ・ユニット（MCU）ベースのアーキテクチャにより、拡張性と柔軟性があります。したがって、異なるプラグアンドプレイのセンサを追加することで、異なる分野の多くのアプリケーションで使用することができます。本研究で導入された技術革新は、追加のセンサにより、睡眠モニタリングアルゴリズムを改善するために修正可能な中間変数があるかどうかを判断できることである。さらに、提案されたデバイスは比較的低コストであるが、食品医薬品局（FDA）によって承認されている市販のPhilips ActiWatch2ウェアラブルデバイスと比較して、大幅に改善された性能を達成している。我々のデバイスの信頼性を評価するために、我々は我々のデバイスとActiWatch2の両方を使用してボランティアから同時に記録された生理学的な睡眠信号を比較しました。私たちのデバイスからの動きと光の検出データは、ActiWatch2を使用して同時に収集されたデータと相関があり、相関係数はそれぞれ0.78と0.89であることが示されました。7日間の連続データ収集において、我々のデバイスは睡眠間隔を検出したが、ActiWatch2では検出しなかったという誤検出は1件のみであった。私たちの研究の最も重要な点は、オープンなアーキテクチャを使用していることです。ハードウェア・レベルでは、汎用入出力（GPIO）、シリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）、集積回路（IC）、ユニバーサル非同期レシーバ・トランスミッタ（UART）の規格を使用しました。ソフトウェアレベルでは、オブジェクト指向プログラミング手法を用いてシステムを開発しました。プラグアンドプレイのセンサを使用すると、システムの不安定性などの有害な結果のリスクがあるため、本研究ではオブジェクト指向プログラミングに大きく依存しています。オブジェクト指向プログラミングは、ハードウェアコンポーネントの交換やアップグレード時にシステムの安定性を向上させるため、低コストで元のシステムコンポーネントを変更することができます。そのため、本研究で提案したデバイスは容易に拡張可能であり、低コストでの実用化が可能である。提案したウェアラブルデバイスは、睡眠モニタリングや関連研究における生理信号の長期追跡を容易にすることができる。また、本研究で提案したデバイスのオープンアーキテクチャは、共同研究を容易にし、他の研究者が自分たちの研究に本デバイスを適応させることを可能にする。
We present a wearable device built on an Adafruit Circuit Playground Express (CPE) board and integrated with a photoplethysmographic (PPG) optical sensor for heart rate monitoring and multiple embedded sensors for medical applications-in particular, sleep physiological signal monitoring. Our device is portable and lightweight. Due to the microcontroller unit (MCU)-based architecture of the proposed device, it is scalable and flexible. Thus, with the addition of different plug-and-play sensors, it can be used in many applications in different fields. The innovation introduced in this study is that with additional sensors, we can determine whether there are intermediary variables that can be modified to improve our sleep monitoring algorithm. Additionally, although the proposed device has a relatively low cost, it achieves substantially improved performance compared to the commercially available Philips ActiWatch2 wearable device, which has been approved by the Food and Drug Administration (FDA). To assess the reliability of our device, we compared physiological sleep signals recorded simultaneously from volunteers using both our device and ActiWatch2. Motion and light detection data from our device were shown to be correlated to data simultaneously collected using the ActiWatch2, with correlation coefficients of 0.78 and 0.89, respectively. For 7 days of continuous data collection, there was only one instance of a false positive, in which our device detected a sleep interval, while the ActiWatch2 did not. The most important aspect of our research is the use of an open architecture. At the hardware level, general purpose input/output (GPIO), serial peripheral interface (SPI), integrated circuit (IC), and universal asynchronous receiver-transmitter (UART) standards were used. At the software level, an object-oriented programming methodology was used to develop the system. Because the use of plug-and-play sensors is associated with the risk of adverse outcomes, such as system instability, this study heavily relied on object-oriented programming. Object-oriented programming improves system stability when hardware components are replaced or upgraded, allowing us to change the original system components at a low cost. Therefore, our device is easily scalable and has low commercialization costs. The proposed wearable device can facilitate the long-term tracking of physiological signals in sleep monitoring and related research. The open architecture of our device facilitates collaboration and allows other researchers to adapt our device for use in their own research, which is the main characteristic and contribution of this study.