基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法
2023-05-30 04:20:16
專利名稱：基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法
技術領域：
本發明屬於用聲信號處理手段實現醫學生命體徵監測技術，特別是一種基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法。
背景技術：
阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合症(Obstructive Sleep Apnea-HypopneaSyndrome, OSAHS)是一種危害度極高的多發病症。呼吸暫停是指患者口鼻氣流完全停止大於10秒以上，低通氣是指口鼻氣流低於正常值的50%，且兩者都會伴有血氧濃度低於正常值的4%。OSAHS患者若長期得不到合理的診斷和治療，將會導致個人生活質量嚴重下降，極易誘發高血壓，冠心病，心力衰竭等心腦血管疾病，極端情況易出現夜間猝死。鼾聲是OSAHS患者的一個顯著的症狀，對其進行聲學信號分析手段可以提供開發一種「非侵入式」輔助診斷設備的可能。臨床中，醫生關心的是如何利用聲學信號分析手段發現待測者潛在的上氣道阻塞部位，進而為手術提供更為精確的方案(1.何權瀛，陳寶元.睡眠呼吸病學[M].北京:人民衛生出版社，2009.2.許輝傑，黃魏寧，餘力生，等.0SAHS患者不同阻塞部位鼾聲頻域特性分析[J].聽力學及言語疾病雜誌，2011, 19(1):28-32.)。傳統的整夜上氣道壓力測定法可以很好地監測待測者上氣道的變化情況，但這種方法是「侵入式」手段，易造成患者的極度不適和增加檢測的複雜程度。且設備造價相對昂貴，不易進行大範圍推廣。對基於聲學信號分析手段尋找待測者潛在的上氣道阻塞部位的首要任務是通過基於聲學信號分析手段對待測者上氣道變化情況實現監測。如何找到合適的聲學特徵來反映上氣道結構的生理和解剖學意義顯得尤為重要。目前國內外的研究表明，第一共振峰頻率(Fl)和800Hz功率比(PR800)可以很好地反映出上氣道結構情況(3.許輝傑，餘力生，黃魏寧，等.0SAHS患者與單純打鼾者鼾聲聲學特性初步研究[J].聽力學及言語疾病雜誌，2009，17(3):235—238.4.Ng K A, Koh S T, Baey E, et al.Could formant frequenciesof snore signals be an alternative means for the diagnosis of obstructive sleepapnea[J].Sleep Medicine，2008，9:894-898.)但是這些方法並沒有從動態考慮在一段時間內這些特徵的變化情況，所以不能夠很好地反映出一段時間內待測者上氣道結構的變化情況。由上可知，現有技術存在造價昂貴、操作複雜、極易造成待測者不適等缺陷，且無法對待測者的上氣道實現實時的監測。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法。實現本發明目的的技術解決方案為:一種基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法，步驟如下:
步驟1、對短時能量門限進行設置，即先讀取用麥克風錄製的鼾聲數據，然後通過「短時分幀」處理將數據分割成樣本，確定每個樣本的短時能量值，得出所有樣本中最大最小能量值，結合噪聲基底能量值給出短時能量門限；
步驟2、對兩個聲學特徵進行提取，即對通過短時能量門限的樣本結合相應的信號處理算法提取兩個聲學特徵，分別為第一共振峰頻率Fl和800Hz功率比PR800 ；
步驟3、特徵軌跡的顯示，對當前樣本的聲學特徵值進行顯示，該過程按照時間順序進行，對沒通過短時能量門限的樣本不進行任何操作。
本發明與現有技術相比，其顯著優點為:1)本發明的方法能夠反映出聲學特徵的動態變化情況(軌跡)；2)本發明的方法簡單實用，易實現，開發成硬體產品成本相對較低；3)本發明的方法屬於「非侵入式」監測方法，對待測者造成的影響較小。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
圖1是本發明基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法的流程圖。
圖2是一段待測者鼾聲數據示意圖。
圖3是用本發明的方法對一次呼吸暫停前的鼾聲數據提取的聲學特徵軌跡示意圖。
具體實施方式
結合圖1，本發明的一種基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法，步驟如下:
步驟1、對短時能量門限進行設置，即先讀取用麥克風錄製的鼾聲數據，然後通過「短時分幀」處理將數據分割成樣本，確定每個樣本的短時能量值，得出所有樣本中最大最小能量值，結合噪聲基底能量值給出短時能量門限；對短時能量門限進行設置具體為:
步驟1-1、對用麥克風錄製的鼾聲數據進行讀取並用「短時分幀」處理對原始數據進行50%重疊「分巾貞」；其中「巾貞長」為64ms, 「巾貞移」為32ms, 「一巾貞」軒聲數據視為一個樣本。
步驟1-2、利用公式/ =Σ.ν； [/']確定每個樣本的短時能量； (=0
式中，k表示第k個樣本，N為每個樣本所包含的數位訊號採樣點數，Ek為每個樣本的短時能量，Sk為數位訊號採樣樣本幅度，具體由硬體電路確定。
步驟1-3、選出上述所有樣本中能量最大值Emax和最小值Emin,分別確定待選門限值I1和12，
所述 I1=B* [Emax-Emin] +Emin, I2=b*Emin+Eb
上式中，Eb為噪聲基底能量，具體數值根據所選麥克風硬體設備和測試環境進行調整，a, b為自適應參數值，根據實驗選取；
步驟1-4、確定短時能量門限為Te=Hiind1, I2)。
步驟2、對兩個聲學特徵進行提取，即對通過短時能量門限的樣本結合相應的信號處理算法提取兩個聲學特徵，分別為第一共振峰頻率Fl和800Hz功率比PR800 ；
其中對第一共振峰頻率Fl提取採用線性預測編碼方法提取，具體為:
步驟2-1、對鼾聲數據樣本加漢明窗，建立一個全極點模型H(Z)如下:
權利要求
1.一種基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法，其特徵在於，步驟如下: 步驟1、對短時能量門限進行設置，即先讀取用麥克風錄製的鼾聲數據，然後通過「短時分幀」處理將數據分割成樣本，確定每個樣本的短時能量值，得出所有樣本中最大最小能量值，結合噪聲基底能量值給出短時能量門限； 步驟2、對兩個聲學特徵進行提取，即對通過短時能量門限的樣本結合相應的信號處理算法提取兩個聲學特徵，分別為第一共振峰頻率Fl和800Hz功率比PR800 ； 步驟3、特徵軌跡的顯示，對通過短時能量門限的樣本的兩個特徵值進行顯示，該過程按照時間順序進行，對沒通過短時能量門限的樣本不進行任何操作。
2.根據權利要求1所述的基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法，其特徵在於，步驟I對短時能量門限進行設置具體為: 步驟1-1、對用麥克風錄製的鼾聲數據進行讀取並用「短時分幀」處理對原始數據進行50%重疊「分幀」； 步驟1-2、利用公式
3.根據權利要求1所述的基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法，其特徵在於，步驟2中對聲學特徵進行提取時，對第一共振峰頻率Fl提取採用線性預測編碼方法提取，具體為: 步驟2-1、對鼾聲數據樣本加漢明窗，建立一個全極點模型H(Z)如下:
4.根據權利要求1所述的基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法，其特徵在於，步驟2中對兩個聲學特徵進行提取時，對800Hz功率比PR800按照快速傅立葉變換方法提取，具體為: 步驟2-A、對鼾聲數據樣本加漢明窗後作快速傅立葉變換得到其頻譜結構； 步驟2-B、對低於800Hz和高於800Hz的頻帶範圍分別計算累計功率；步驟2-C、將低於800Hz的累計功率除以高於800Hz的累計功率即得到800Hz功率比PR800。
5.根據權利要求1所述的基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法，其特徵在於，步驟3特徵軌跡的顯示過程為: 步驟3-1、判斷當前樣本是否為最後一個樣本，若是，則顯示出最後軌跡圖，否則，執行下一步； 步驟3-2、先存儲當前樣本兩個特徵值的數據值，隨後讀取下一個樣本，並執行步驟3-3 ； 步驟3-3、判斷當前樣本能量值是否通過短時能量門限，若通過則進行聲學特徵提取並存儲當前樣本的聲學特徵值，否則執行步驟3-4 ； 步驟3-4、讀取下一個樣本並返回步驟3-3。
6.根據權利要求2所述的基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法，其特徵在於，步驟1-1中 「巾貞長」為64ms, 「巾貞移」為32ms, 「一巾貞」鼻幹聲數據視為一個樣本。
全文摘要
本發明公開了一種基於鼾聲共振峰和功率比軌跡的上氣道變化監測方法。該方法首先讀取用麥克風錄製的待測者鼾聲數據，通過設置短時能量門限對過門限的鼾聲數據樣本提取兩個聲學特徵，即共振峰第一頻率(F1)和800Hz功率比(PR800)；然後按照時序對通過門限的鼾聲數據樣本進行兩個特徵軌跡的顯示；最後測試人員可對該患者在該段時間內上氣道變化情況進行監測。本發明實現容易，方法簡單，開發成產品後硬體成本小，使用方便。
文檔編號A61B5/08GK103190911SQ20131013191
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者許志勇, 錢昆, 許輝傑, 黃魏寧 申請人:南京理工大學, 衛生部北京醫院