DE102007063007A1 - Method and device for sleep diagnosis and therapy monitoring - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Vorrichtung zur schlafmedizinischen Vorabdiagnose und Therapie-Begleitung. Beansprucht werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schlafphasendetektion, bei welcher die Schlafphasen aufgrund einer Atemgeräuschanalyse in drei Schlafphasen Tief, Leicht und Nicht-Leicht-Tief oder in zwei Schlafphasen Tief und Nicht-Tief zerlegt werden. Dabei werden mittels eines Mikrofonsystems Atmungsgeräusche erfasst und nach einem "Neuronalen Spektral-Mittelwert und RMS-Verfahren" zur Schlafphasendetektion eingesetzt.The invention relates to a method with apparatus for sleep medical pre-diagnosis and therapy support. Claimed are a method and a device for sleep phase detection, in which the sleep phases are broken down into three sleep phases low, light and non-light low or two deep and non-deep sleep phases based on breathing noise analysis. Respiratory noises are detected by means of a microphone system and used for sleep phase detection according to a "neural spectral mean and RMS method".
Description
DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUR DIAGNOSE VON SCHLAFSTÖRUNGEN IM HEIMANWENDERBEREICH, BASIEREND AUF DER ANALYSE SCHLAFBEZOGENER ATEMGERÄUSCHE DER PATIENTEN.THE INVENTION CONCERNS A METHOD FOR DIAGNOSIS OF SLEEP DISORDERS IN THE HOME USE, BASED ON THE ANALYSIS SLEEP RELATED Breathing sounds of the patients.
Stand der TechnikState of the art
Der Schlaf hat schon immer das Interesse des Menschen geweckt. Heutzutage verbringt ein Mensch etwa ein Drittel seines Lebens im Schlaf. Auch die übrigen zwei Drittel sind stark von der Schlafqualität geprägt.Of the Sleep has always aroused people's interest. nowadays A person spends about one third of his life in sleep. Also the remaining two-thirds are strong on sleep quality embossed.
Daher können besonders in der Allgemein- und Schlafmedizin viele Erkrankungen durch eine alltägliche Beobachtung der Schlafqualität nicht nur frühzei tig erkannt oder besser bekämpft, sondern auch vermieden werden.Therefore especially in general and sleep medicine many Illnesses through an everyday observation of sleep quality not only recognized early or better combated, but also avoided.
Einer der Schwerpunkte zur Bewertung der Schlafqualität ist, neben der schlafbezogenen Anamnese (schlafbezogener Fragebogen), die Detektion und Analyse der Schlafstadien. Bei vielen Schlafstörungen ist die Dauer der Schlafstadien 3 und 4 (Tiefschlaf) reduziert oder die Tiefschlafphasen sind überhaupt nicht vorhanden.one the focus of sleep quality assessment is in addition to the sleep-related history (sleep-related questionnaire), the detection and analysis of sleep stages. For many sleep disorders the duration of sleep stages 3 and 4 (deep sleep) is reduced or the deep sleep phases are not present at all.
Eine komplexe Diagnose von Schlafstörungen ist momentan nur durch eine sog. elektrophysiologische Schlafpolygrafie möglich, die ausschließlich in Schlaflabors von schlafmedizinischen Zentren durchgeführt werden kann. Hier wird der Patient an eine Vielzahl von Sensoren angeschlossen und auf eventuell vorhandene Schlafstörungen untersucht. Zur Bestimmung der Schlafstadien werden dabei hauptsächlich die Signalverläufe des Elektroenzephalogramms (EEG), des Elektromyogramms (EMG) und des Elektrookulogramms (EOG) herangezogen und entsprechend der Regeln von Rechtschaffen und Kahles ausgewertet.A complex diagnosis of sleep disorders is currently only by a so-called electrophysiological sleep polygraphy, used exclusively in sleep laboratories of sleep medicine Centers can be carried out. Here is the patient connected to a variety of sensors and possibly existing Sleep disorders examined. To determine the sleep stages are mainly the waveforms electroencephalogram (EEG), electromyogram (EMG) and of the electrooculogram (EOG) and according to the rules evaluated by the righteous and the bald.
Da eine solche Diagnose in einem Schlaflabor sehr aufwendig und kostenintensiv ist, werden im Allgemeinen für die Vordiagnose zu Hause mobile sog. Screening-Geräte eingesetzt. Diese arbeiten im Allgemeinen auf der Basis einer geringeren Anzahl von Sensoren.There Such a diagnosis in a sleep laboratory very expensive and costly is generally used for preoperiagnosis at home mobile so-called. Screening devices used. These works generally based on a smaller number of sensors.
Aus
Aus
Bereits für eine solche Vordiagnose zu Hause ist ein Arztbesuch notwendig, es sei denn, der Patient investiert selbst in die Anschaffung eines entsprechenden Gerätes. Für einen Arztbesuch ist es jedoch bereits erforderlich, dass der Patient die Schlafstö rungen als Krankheit anerkennt. Dies kostet erfahrungsgemäß einige Überwindung, insbesondere, da im Fall von Schlafstörungen der Patient seine mögliche Krankheit nicht selbst beobachten kann, sondern meistens auf Aussagen des Bettpartners angewiesen ist.Already For such a pre-diagnosis at home is a doctor's visit necessary, unless the patient invests himself in the purchase a corresponding device. For a doctor's visit However, it is already necessary that the patient sleep disorders recognized as an illness. This costs experience, some overcoming, in particular, since in the case of sleep disorders the patient can not observe his own illness, but mostly depends on statements of the bed partner.
Aufgabenstellungtask
Die
Grundidee des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten neuen Verfahrens
zur Schlafphasen-Detektion geht von Beobachtungen des Autors aus,
die von Medizinern und Mitarbeitern der Forschungsgruppe unterstützt
wurden:
Beobachtet man einen schlafenden Menschen, so kann
man auf Grund der Atemgeräusche bzw. deren Variabilität
abschätzen, ob derjenige ruhig oder unruhig schläft.
Geht man von einer gleichmäßigeren Atmung in Tiefschlaf-Phasen
(Schlafstadien 3 und 4) aus, so scheint eine Beurteilung, ob sich
jemand in einer solchen befindet, auf der Basis einer Atemgeräusch-Analyse
möglich.The basic idea of the new method for sleep phase detection developed in the context of this work is based on observations made by the author, which were supported by physicians and researchers of the research group:
If one observes a sleeping person, then one can estimate on the basis of the respiratory sounds or their variability, whether one sleeps quietly or restlessly. Assuming a more even breathing in deep sleep phases (sleep stages 3 and 4), an assessment of whether someone is in such a sleep, based on a breath sound analysis seems possible.
Obwohl diese Hypothese nach einer intensiven Literaturrecherche weder bewiesen noch widerlegt ist, entschloss sich der Autor, auf Grund der oben genannten motivierenden Aspekte, die Zusammenhänge im Rahmen einer Forschungsarbeit zu untersuchen.Even though this hypothesis after an intensive literature search neither proved is still refuted, the author decided, on the basis of the above motivating aspects, the context in the context of a To investigate research work.
Die technische Zielsetzung sowie die erfindungsgemäße Aufgabe besteht demnach darin, ein praktisches und von jedem Patienten einfach zu bedienendes Verfahren mit zugehörigem Gerätesystem bzw. entsprechender Software zu entwickeln, welches die Schlafqualität analysiert und darstellt und damit dem Patienten eine rasche Auskunft über eventuelle Schlafstörungen oder mangelnde Tiefschlafphasen gewährt. Insbesondere soll dabei auf einfache Bedienbarkeit und geringe Sensorik, vorzugsweise nur in Form eines Mikrofons, geachtet werden.The technical objective and the object according to the invention therefore consists of developing a practical method that can be easily operated by each patient with the associated device system or corresponding software that analyzes and displays the quality of sleep and thus provides the patient with rapid information possible sleep disturbances or lack of deep sleep phases granted. In particular, attention should be paid to ease of use and low sensor, preferably only in the form of a microphone.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Anwendung des in den Patentansprüchen charakterisierten Arbeitsverfahrens mit zugehöriger Software gelöst. Das Kernstück der Erfindung besteht dabei darin, dass die Bewertung der Schlafqualität durch die Software mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze vorgenommen wird und die Auswertung lediglich auf der Basis einer Atemgeräusch-Aufzeichnung durchgeführt wird.These Task is inventively using the in the claims characterized working method solved with associated software. The centerpiece The invention consists in that the evaluation of the quality of sleep made by the software using artificial neural networks and the evaluation only on the basis of a breath sound recording is carried out.
Die Klassifikation basiert sowohl auf der Auswertung der Effektivwerte (Root Mean Squares) über eine bestimmte Signaldauer, als auch auf der Auswertung spektraler Komponenten des Atemgeräusch-Signals.The Classification is based both on the evaluation of the RMS values (Root Mean Squares) over a certain signal duration, as also on the evaluation of spectral components of the respiratory sound signal.
Sowohl Effektivwerte als auch spektrale Komponenten werden während der Aufnahme online durch die Software berechnet und abgespeichert. Die Klassifikation mit Hilfe eines neuronalen Netzes findet dann im Anschluss statt, wobei die zuvor beschriebenen abgespeicherten Werte geladen und, wie in den Patentansprüchen unter Ziffer 1 beschrieben, verarbeitet werden.Either RMS values as well as spectral components become during the recording is calculated and stored online by the software. The classification with the help of a neural network then finds following, with the previously described stored Values are loaded and, as in the claims under point 1, are processed.
Lösungsvorschlag und AusführungsbeispielSuggested solution and embodiment
Verfahren zur Messwerterfassung und Extraktion der charakteristischen Merkmale:Method for measured value acquisition and extraction the characteristic features:
Die
Atemgeräusche werden mit Hilfe eines Luftschallmikrofons
oder eines Körperschallmikrofons aufgenommen. Das Luftschallmikrofon
ist an einem Stirnband befestigt und wird an den Kopf des Patienten
angebracht (siehe
Nach dieser Vorverarbeitung wird z. B. eine zeitabhängige und abschnittsweise Spektralanalyse durchgeführt. Für jedes Kurzzeitspektrum wurden beispielhaft 256 Abtastwerte verwendet (ca. 10 ms wegen Kurzzeitstationärität von Atemgeräusche). Um die nachfolgende Mustererkennung zu beschleunigen wird eine Datenreduktion um den Faktor bis zu 16 mit Hilfe einer Filterbankapproximation durchgeführt. Dabei wird das Spektrum in z. B. 16 Bereiche unterteilt. Die Mittelwerte der jeweiligen Bereiche bilden dann die Filterbankkoeffizienten, die dann zu einem neuen Merkmalsvektor zusammengefasst werden. Durch die Filterbankanalyse entsteht eine kompakte Approximation des Leistungsdichtespektrums, die das Signal als eine Folge von Merkmalsvektoren beschreibt. Somit erhält man die spektralen Mittelwerte der Atemgeräusche.To This preprocessing is z. B. a time-dependent and Sectional spectral analysis performed. For For each short-term spectrum, 256 samples were used by way of example (about 10 ms because of short-term stationarity of breath sounds). Around To accelerate the subsequent pattern recognition will be a data reduction by a factor of up to 16 using a filter bank approximation carried out. The spectrum is in z. B. divided 16 areas. The mean values of the respective areas then form the filter bank coefficients, which are then combined to form a new feature vector. By The filter bank analysis produces a compact approximation of the power density spectrum, the describes the signal as a sequence of feature vectors. Consequently one obtains the spectral mean values of the respiratory sounds.
Übertragen auf diesen Untersuchungsfall, wird mit Hilfe des Korrelationskoeffizienten festgestellt, ob es eine Beziehung zwischen der Merkmalsmatrix und des polysomnographischen Schlafstadienvektors gibt.Transfer on this case of investigation, is determined by means of the correlation coefficient Determined if there is a relationship between the feature matrix and of the polysomnographic sleep stage vector.
Die Analyse der Frequenzbänke zeigte, dass die vier Unteren besser korrelierten. Aus diesem Grund werden vorzugsweise die 4 unteren Frequenzbänke zur Schlafphasendetektion miteinbezogen.The Analysis of the frequency banks showed that the four lower correlated better. For this reason, preferably the 4 lower frequency banks for sleep phase detection included.
Beispielhafte Filterbänke: Bank1 (0–124 Hz), Bank2 (124–264 Hz), Bank3 (264–421 Hz), Bank4 (421–597 Hz).exemplary Filter banks: Bank1 (0-124 Hz), Bank2 (124-264 Hz), Bank3 (264-421 Hz), Bank4 (421-597 Hz).
Parallel zur Ermittlung der spektralen Werten der Atemgeräusche im Frequenzbereich wird im Zeitbereich der „Root Mean Square" des Signals berechnet. Der Root Mean Square kann auf Deutsch als Effektivwert des Signals verstanden werden.Parallel for determining the spectral values of the respiratory sounds in the frequency domain the "Root Mean Square" of the signal. The Root Mean Square can be translated into German as RMS value of the signal.
Der RMS eines Signals x aus n Abtastpunkte wird vereinfacht wie folgt berechnet: The RMS of a signal x out of n sample points is calculated as follows:
Nach dem vorliegenden Verfahren wurden vorzugsweise aus den Patienten- Atemgeräuschdaten eines RMS-Vektor mit jeweils n = 30 × 11025 = 330750 Punkten (N. B. Bei Segmentdauer von z. B. 30 Sekunden, Abtastfrequenz z. B. 11025 Punkten/Sekunden, Mono) berechnet.To The present method has preferably been selected from the patient Respiratory sound data of an RMS vector, each with n = 30 × 11025 = 330750 points (N.B. For segment duration of, for example, 30 seconds, Sampling frequency z. 11025 points / second, mono).
Kombination der spektralen Mittelwerte mit dem RMS:Combination of the spectral mean values with the RMS:
Die Merkmalsextraktion besteht aus 2 Stufen. In der ersten Stufe werden die Daten normiert.The Feature extraction consists of 2 levels. In the first stage will be the data normalized.
In der zweiten Stufe werden aus den einzelnen Atemgeräuschen vorzugsweise eine 5×N-Merkmalsmatrix berechnet. N bezeichnet den einzelnen Vektor aus der Segmentdauer à 30 Sekunden pro Vektor (vorzugsweise). Dies entspricht z. B. 2 Punkte pro Minute, d. h. 120 Punkte pro Stunde, bzw. 1200 Punkte für eine Nachtaufzeichnung von 10 Stunden.In the second stage, a 5 × N feature matrix is preferably calculated from the individual breath sounds. N denotes the single vector of the segment duration of 30 seconds per vector (preferably). This corresponds to z. Eg 2 points per minute, ie 120 points per hour, or 1200 points for a night recording of 10 hours.
Bei den 5 Merkmalen pro Vektor (jede 30 Sekunden) kennzeichnen vier die Amplitude der 4 unteren Frequenzbereiche (d. h. beispielsweise 0–124 Hz, 124–264 Hz, 264–421 Hz, 421–597 Hz) der spektralen Mittelwerte, und eines die RMS-Amplituden.at The 5 features per vector (every 30 seconds) identify four the amplitude of the 4 lower frequency ranges (i.e., for example 0-124 Hz, 124-264 Hz, 264-421 Hz, 421-597 Hz) of the spectral mean values, and one of the RMS amplitudes.
Segmentierungsvorgang:Segmentation process:
Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen wurden gegenüber vom Polysomnogramm abgeleiteten Schlafstadien durchgeführt.The investigations carried out in the present work were compared with the polysomnogram derived sleep stages carried out.
Dafür werden Atemgeräusche mehrerer Patienten während einer gesamten Nacht in einem akkreditierten Schlaflabor nach dem oben beschriebenen Aufnahmeverfahren mittels einem Mikrofon-System und einem PC aufgezeichnet.Therefore Breathing sounds of several patients during an entire night in an accredited sleep laboratory after Recording method described above by means of a microphone system and a PC recorded.
Die Aufnahmen werden beispielsweise mit einem eigen geschriebenen Programm durchgeführt. Das Programm zeichnet sich vor allem durch seine hohe Stabilität und Robustheit bei dem Umgang mit großen Datenmengen (hier bis über 650 MB bei über 10 Stunden Aufzeichnung) aus. Dazu verfügt das Programm über einige gut nützliche Analyse- und Signalverarbeitungsfunktionen, die für eine schnelle Betrachtung und Untersuchung der Daten sehr hilfreich sind.The For example, recordings are made using a program written in-house carried out. The program is characterized mainly by its high stability and robustness when dealing with large Data volumes (here up to more than 650 MB for more than 10 Hours of recording). The program has over some well-useful analysis and signal processing functions, which for a quick consideration and investigation of Data are very helpful.
Das im Schlaflabor aufgezeichnete Polysomnogramm wird normalerweise am nächsten Tag automatisch vom System-Analyse-Programm ausgewertet. Bei der Auswertung werden Schlafphasen sowie Apnoeauftritte als Funktion der Zeit vom System errechnet.The Polysomnogram recorded in the sleep laboratory usually becomes the next day automatically from the system analysis program evaluated. In the evaluation, sleep phases and Apnoeauftritte calculated as a function of time by the system.
Der zuständige Arzt überarbeitet später die automatischen Auswertungen. Dabei überprüft er unter anderem die vom Analyse-Programm vorgenommene automatische Bestimmung der Schlafstadien, und korrigiert sie gegebenenfalls. Eine Überarbeitung vom Arzt kann in der Regel zwischen 45 Minuten bis zu über 2 Stunden dauern. Da viele Patienten im Schlaflabor aufgrund Schlafstörungen nicht immer Tiefschlafphasen aufweisen, ist es wichtig bei der Untersuchung der Schlafphasen, sowohl kranke als auch gesunde Patienten einzubeziehen.Of the competent doctor will later revise the automatic Evaluations. He checks, among other things the automatic determination by the analysis program of the Sleep stages, and corrects them if necessary. A revision by the doctor can usually be between 45 minutes up to about Take 2 hours. Because many patients in the sleep laboratory due to sleep disorders not always have deep sleep phases, it is important in the investigation the sleep phases to involve both ill and healthy patients.
Bei dem entwickelten neuen Verfahren wurden beispielsweise Geräuschsignale in Blöcke von 30 Sekunden verarbeitet, da die aus dem, beim Test eingesetzten, Polysomnogramm berechneten Schlafstadien stets über einen Zeitraum von 30 Sekunden festgelegt wurden.at For example, the developed new method became noise signals processed in blocks of 30 seconds, since those from the, used in the test, polysomnogram calculated sleep stages were always set over a period of 30 seconds.
Entwurf des neuronalen Erkenners:Design of the neural recognizer:
Zuerst wird ein mehrschichtiges vorzugsweise vorwärtsgerichtetes neuronales Netzwerk entworfen.First becomes a multi-layered preferably forward-looking neural network designed.
Danach wird einen Trainingsvorgang mit entsprechendem Algorithmus (hier vorzugsweise Backpropagation) definiert. Bei der Definition des Trainingsvorgangs sollen Netzwerk-Initialisierungsfunktion, segmentierte Test- und Validierungsmuster, Anzahl der Testzyklen, Abbruchkriterien und Trainingsdauer eingegeben werden. Anschließend wird das Training des neuronalen Netzwerks gestartet und zum Schluss wird ein Netzwerk generiert. Das trainierte Netzwerk wird dann an das System modular angebunden.After that will be a training process with appropriate algorithm (here preferably backpropagation). In the definition of the Training process should be network initialization function, segmented Test and validation patterns, number of test cycles, termination criteria and training duration are entered. Subsequently, will the training of the neural network started and finally a network is generated. The trained network will then turn on the system is connected modularly.
Beschreibung des SystemsDescription of the system
Das System besteht aus einem Mikrofonsystem, einem PC mit AD-DA-Wandlerkarte (Soundblasterkarte) und einem Monitoringstool.The System consists of a microphone system, a PC with AD-DA converter card (Sound blaster card) and a monitoring tool.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110701 |