CN102088911A - 利用声音分类器和麦克风的声学患者监测 - Google Patents

利用声音分类器和麦克风的声学患者监测 Download PDF

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Abstract

当监测患者时，与患者的状态相关的声事件(例如咳嗽、打鼾、碰撞声音、言语等)被麦克风阵列(12)检测并且被加盖时间戳。由麦克风阵列(12)产生的被检测事件信号被滤波以便为了分类的目的而识别诸如零交叉、拐角频率、振幅、节距等的签名。经滤波的信号被数字化并且被分类到多个声事件种类(例如打鼾、咳嗽、喘息、呼吸等)和/或子种类之一中。经分类的事件被(例如图形地、文本地等)显示给用户并以其时间戳指示年表。用户可以回顾声事件，选择一个或多个事件，并且收听(多个)所选择事件的记录。此外，指定的声事件可以触发警报以提醒护士等患者需要立即关注。

Description

利用声音分类器和麦克风的声学患者监测
本发明尤其应用于患者监测系统。然而，应该认识到所描述的技术也可以应用于其他监测系统、其他患者处理情形、其他数据收集技术等。
很多患者被监测以感测生命体征并显示相关信息。在医院的重症护理室中，这种监测允许连续监督患者而无需连续照料，由此改善患者护理。远程监测系统允许一些本该常年住院的患者迁移到辅助生活或家庭护理环境中。监测器显示器类似于计算机显示器并且使用粗略类似的技术。监测器的感测元件通常与患者身体接触以测量脉搏速率、SpO2、血压等。另外，一些监测器如心电图(ECG)和脑电图(EEG)监测器与患者具有电接触。
然而，在一些情况下，患者不需要即时护理，而需要监测体征，这些体征可以指示随后需要护理或者可以预报严重事件。这种体征可以不同于由电物理监测器获得的信号，例如咳嗽、打鼾、尖叫和碰撞声音，后两者在癫痫发作过程中可能是常见的。如果某人撞击床周围的家具、床本身(例如发作过程中)、地板(例如如果患者从床上摔下或者在离开浴室的路上摔倒)等，可能发出碰撞声音。
当前患者监测通常仅测量电物理信号并因此可能错失指示患者需要护理的体征，诸如咳嗽、打鼾、尖叫和碰撞声音。以可靠的方式测量电物理信号的系统通常是令人生厌的，不能良好地适用于长期使用，并且因此是不舒服的或者非患者友好的。
本申请提供用于监测患者和收集可听患者状态信息的新型改进系统和方法，其克服了上述及其他问题。
根据一个方面，一种患者监测系统包括检测由患者产生的声事件并产生包括描述该声事件的信息的信号的一个或多个麦克风，对该声事件信号加盖时间戳的处理器，以及将每个声事件信号分类到多个声事件种类之一中的分类器。
根据另一个方面，一种监测患者的方法包括检测由患者产生的声事件，对包括与该声事件相关的信息的声事件信号加盖时间戳，根据所识别的签名将该声事件分类到多个声事件种类之一中，以及存储具有时间戳的经分类的声事件。
根据另一个方面，一种用于监测患者的设备包括：用于检测由患者产生的声事件的装置；用于对包括与声事件相关的信息的声事件信号加盖时间戳的装置；以及用于对声事件信号进行滤波以识别与该声事件信号相关联的签名的装置。该设备还包括用于数字化该声事件信号的装置，以及用于根据所识别的签名将该声事件分类到多个声事件种类之一中的装置。另外，该设备包括用于存储具有时间戳的经分类的声事件的装置，以及用于显示具有各自的时间戳的经分类的声事件以便进行回顾和回放的装置。
一个优点在于额外的医学相关信息被收集。
另一个优点在于存储声事件信息以便随后进行回顾。
本领域普通技术人员在阅读并理解以下详细描述后将认识到该创新主题的更多优点。
本发明可以体现为各个部件和部件的布置，以及各个步骤和步骤的布置。附图仅用于图示说明各个不同的方面而不应被解读为限制本发明。
图1图示说明在患者附近检测声事件以便由健康护理提供者(例如护士、医师等)进行实时或延迟回顾的患者监测系统(PMS)；
图2图示说明用户界面，声事件信息通过该用户界面被呈现给用户以便进行回顾；
图3图示说明采用了根据一个或多个方面的系统的医院环境。
图1图示说明在患者11附近检测声事件以便由健康护理提供者(例如护士、医师等)进行实时或延迟回顾的患者监测系统(PMS)10。该系统以不令人生厌和患者友好的方式经由包括一个或多个麦克风14的自适应麦克风阵列12检测由患者产生的声音。在一个实施例中，麦克风阵列12是带状(例如线性)阵列，其具有至少两个麦克风以方便对每个声事件的位置源作三角测量。例如，该带状阵列的长度可以在20cm至40cm之间。在另一个实施例中，该麦克风阵列包括N个麦克风，其中N是大于2的整数。在另一个实施例中，采用单一麦克风。
(多个)麦克风14、自适应(或定向)麦克风阵列12等朝向患者的区域取向。诸如患者的房间以外的噪声、其他患者的噪声、街道交通等的外来声音被抑制。在一个实施例中，该阵列包括有源噪声消除(ANC)部件15，其采用ANC技术来消除不希望的噪声(例如，非患者产生的声事件，如患者监测区域中或附近的环境噪声、监测区域中的电视机或收音机节目等)。该自适应麦克风阵列是使用已知技术构建的，诸如语音通信所使用的那些技术。该麦克风阵列可以定位于患者的房间中的任何地方以检测由患者产生的声事件。例如，该阵列可以安装在或定位在患者床16上方，患者在该病床上休息或睡觉。作为替代，该阵列可以被安装在天花板上、凹陷在墙壁或天花板中、安装到患者的床上、由患者携带等。在患者的环境中包括多个房间的另一个实施例中，可以提供多个阵列。
诸如咳嗽、打鼾、尖叫、碰撞声音等的声事件被麦克风检测到，并且可以被记入日志以便随后进行回顾或者被护理人员实时监测。该监测系统可以被用于监测在医院的患者，也可以用于家庭使用。在一个实施例中，该监测系统提供对患者的睡眠行为的观察，以获悉例如患者是否打鼾、患者打鼾的深度或频繁程度如何等(例如以诊断睡眠障碍，如睡眠呼吸暂停等)。其他应用包括监测小孩、老人等。
与由麦克风阵列12检测到的声事件相关的信号被存储在存储器18中，并且被处理器20接收和分析。该处理器包括一个或多个滤波器22，该声事件信号被传递通过这些滤波器以检测事件签名。然后经滤波的信号被数字转换器24数字化，该数字转换器可以是模数(A/D)转换器等。然后一个或多个分类器26对经滤波和数字化的信号进行分类以识别与该信号一致的声事件(例如，咳嗽、呻吟、喷嚏、打鼾等)。另外，分类器可以包括声事件的子类别，经分类的声事件可以被进一步分类到该子类别中。例如，被分类为咳嗽的事件可以被进一步分类为例如喘息咳嗽、生痰咳嗽(productive cough)、含痰咳嗽(gargled cough)、干咳等。
在一个实施例中，滤波器22是带通滤波器，且该处理器分析诸如零交叉、拐角频率等的事件签名以识别与不同声事件(例如，打鼾、哈欠、咳嗽、叫嚷、碰撞声音等)一致的信号类型。然后由分类器对数字化信号信息进行操作，这些分类器访问存储器18中的查找表28以将检测到的声事件划分到与其各自的声学签名一致的群组中。该分类是以与利用带通滤波器组、用于测量平均零交叉时间的电路、节距监测器、能量或振幅监测器等的音乐或其他声音分类的类似方式执行的。该分类器可以被预先训练以认识各种医学上显著的声音并且丢弃正常背景噪声。该分类器可以被用附加的教导会话进行精细调谐以使其特别适用于每个患者。例如，可以通过修改音乐分类器从而产生声事件的期望类别来实现(多个)分类器。也就是说，根据歌曲唱片的特征或签名将歌曲分类到不同的类别或流派中的音乐分类器可以被修改以分析与所描述的声事件一致的不同特征，从而将检测到的声事件分类到各个声事件类别中。
在另一个实施例中，针对每个患者独立地训练该分类器。例如，护士或其他健康护理技师可以监测该患者，并且在声事件的出现后可以识别声事件属于特定事件类别，包括但不局限于咳嗽、打鼾、呼吸、含痰呼吸、叫嚷或尖叫、言语语音、呻吟、重击声、打嗝、肠胃气胀等。一旦分类器经过训练，该患者可以在没有技师的情况下被监测。
在另一个实施例中，该患者被监测预定的时间段(例如一晚上)，而技师随后回顾记录并且识别属于声事件的各自类别的不同声音。
在又一个实施例中，用一系列声事件声音训练通用分类器，并且该通用分类器在没有独立患者特异训练的情况下被应用于患者。在一个变体中，该通用分类器可以被训练以针对特定患者进行定制。
另外，处理器20在信号被检测到时对这些信号加盖时间戳，并且在用户界面30上输出检测到的声事件的按时间排序或其他方式组织的显示。例如，可以通过显示的类别对声音进行分组，或者可以显示每种类型噪声的计数或每单位时间的计数，以此类推。经识别的声音可以被发送到中央监测站，可以被存储在文本中，可以被存储在医院数据库中，以此类推。然后健康护理提供者可以回顾输出以进行处理、诊断、治疗计划等。在一个实施例中，以文本形式显示声音的标识符，并且向健康护理提供者提供收听声音的选项。
被视为对患者来说医学上紧急的声音可以触发警报的发生以提醒护理人员、医学专家、监护人等。例如，尖叫或叫嚷(或其序列)可以被指定为触发警报的警报事件。额外地或可替代地，在碰撞声音之后预定持续时间内没有声事件可以触发警报以提醒护士该患者可能已经跌落到床下并且已经受伤。根据另一个示例，一个或多个碰撞声音的检测可以指示该患者正在发作，并且可以触发警报。
在另一个实施例中，可以使用对分类器的额外输入，诸如从连接到床或患者的加速度计、床周围的压力垫获得的信号，来自其他患者参数或生命体征监测设备、照相机等的信号，以便使得该分类器更功能强大。例如，由加速度计产生的信息可被用于确证声事件、用于核实该声事件确实是由患者产生的，等等。
应该认识到，存储器18存储机器可执行指令并且处理器20执行这些机器可执行指令以便实现任何或所有此处所述的各种功能。
图2图示说明用户界面30，声事件信息通过该用户界面被呈现给用户以便进行回顾。用户界面30包括显示器40，在该显示器上多个声事件42被用文本描述并且在加盖时间戳和分类后呈现给用户。在一个实施例中，提供滑动条44，用户通过该滑动条垂直地且可选地水平地滚动以查看声事件的列表。用户可以点击或者以其他方式选择每个声事件旁边的可选图标46以聆听经滤波和数字化的版本的声事件。
额外地或可替代地，在用户界面上提供导航箭头48，用户利用该导航箭头在按时间排序的声事件之间进行导航。然后用户选择、点击、压下或以其他方式操作片段回放按钮或图标50以聆听该声事件。
根据一个示例，声事件42的按时间排序列表的被显示片段包括独立的加盖时间戳的事件。例如，图示说明了被分类为“打鼾”和“咳嗽”的事件，以及“叫嚷”、“重击声”、“含痰呼吸”事件等。在一个实施例中，类似和邻接的声事件被分组在一起，以改善对用户的呈现。例如，如果该系统在从23:27:45至23:30:52的时间段内检测到被分类为打鼾的声事件，并且在该时间段内没有其他类型的声事件被分类，则这些声事件被分组成一个集合，并且将邻接事件的时间段显示为打鼾跨越的时段。用户可以选择声事件群组的图标46并且收听整个时段，或者可以选择声事件群组的文本描述以查看该群组中的独立事件并且可选地收听该独立事件。
在另一个实施例中，可以由用户解决声事件分类中的含糊性。例如，一个声事件被图示为发生在23:55:47，并且已经被同时分类为打鼾和咳嗽。用户可以选择回放图标46或者片段回放图标50以回顾与该事件相关联的声音，并且然后可以(例如通过选择显示器40上的“打鼾”或“咳嗽”)指示用户认为哪种声事件是正确的。在另一个实施例中，含糊性的分辨是由处理器自动解决的。
额外地或可替代地，经分类的声事件可以根据类别被分组并且被输出在显示器上以便进行回顾。例如，所有咳嗽事件可以被一起呈现，并且用户可以点击独立事件或图标46或50以回顾给定咳嗽的实际记录。独立事件可以被加盖时间戳以允许回顾者确定其间的时间排序关系。
图3图示说明一种医院环境，其中采用了根据一个或多个方面的一个或多个PMS 10。多个患者监测系统10被耦合到网络总线60。PMS与该总线之间的连接可以是有线的或无线的。例如，一个或多个PMS可以包括将声事件信息传输到耦合至该总线的收发器62的发射器(未图示)。例如，无线PMS可以利用Bluetooth、Zigbee、WiFi、红外(IR)、射频(RF)或任何其他适当的无线通信协议与收发器通信。
来自每个PMS的声事件信息被存储到中央存储器64。中央处理器66响应于工作站68处的用户的请求访问该中央存储器以检索针对给定患者或PMS的声事件信息。该工作站包括用户界面30，该界面可以类似于或等同于前述图的用户界面。在一个实施例中，检测到的声事件在每个相应PMS 10处被滤波、数字化、分类、加盖时间戳、分组等，并且然后每个患者的声事件记录被存储到驻留于每个相应PMS中的存储器以及中央存储器64。
在另一个实施例中，由中央处理器66执行滤波、数字化、分类、加盖时间戳、分组等步骤中的一个或多个。例如，中央处理器可以包括执行PMS10的功能需要的任何和所有电路(例如，滤波器、数字转换器、分类器等)。在这一实施例中，仅麦克风阵列(例如带有发射器)需要位于患者的房间中，并且代表检测到的声事件的信号被发送到中央存储器和处理器以便进行处理。
在另一个实施例中，PMS 10和/或中央处理器66检测报警条件，诸如指示紧急状况的一系列声事件。例如，与叫嚷和重击声一致的按序列检测到的声事件可以指示患者已经跌落到床下并且可以在工作站处触发警报70以提醒护士或其他健康护理提供者由检测PMS监测的患者需要立即关注。触发警报的声事件也被(例如，在PMS处本地地和/或在中央存储器处中央地)记入日志以便随后进行回顾。
在另一个实施例中，每个患者的声事件文件被存储在中央存储器中，例如医院数据库中，以便将来在处理或诊断患者时进行参考。
已经参考若干实施例描述了本发明。在阅读和理解前述详细描述之后其他人员容易想到各种修改和变化。意在本发明被解读为包括所有这些修改和变化，只要它们处于随附的权利要求及其等价物的范围内。

Claims (20)

1.一种患者监测系统(10)，其包括：
一个或多个麦克风(14)，其检测由患者(11)产生的声事件，并且产生包括描述所述声事件的信息的信号；
处理器(20)，其对所述声事件信号加盖时间戳；以及
分类器(26)，其将每个声事件信号分类到多个声事件种类之一中。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括检测与所述声事件信号相关联的声事件签名的一个或多个滤波器(22)，所述一个或多个滤波器(22)优选包括带通滤波器。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述声事件签名包括所述声事件信号的平均零交叉时间、振幅、频率、一个或多个拐角频率和节距中的至少一个。
4.如权利要求1所述的系统，其还包括：
抑制非患者产生的声事件声音的有源噪声消除部件(15)。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述声事件种类包括患者产生的声音的种类，其包括咳嗽、打鼾、叫嚷、呻吟、碰撞声音、喷嚏、打嗝或言语语音中的至少一个。
6.如权利要求1所述的系统，其还包括将所述声事件信号数字化的数字转换器(24)。
7.如权利要求1所述的系统，其还包括：
存储器(18)，其存储所记录的声事件音频文件、时间戳、声事件信号、经滤波的声事件信号、经数字化的声事件信号或经分类的声事件信号中的一个或多个。
8.如权利要求1所述的系统，其还包括：
具有图形显示器(40)的用户界面(30)，在所述图形显示器(40)上，一个或多个经分类的声事件的时间戳和文本描述被呈现给用户。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述显示器(40)还包括：
用于在所显示的所述一个或多个经分类的声事件之间进行导航的装置(44；48)；以及
用于选择和播放所记录的所述声事件的音频文件的装置(46；50)。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述存储器(18)存储由所述处理器(20)执行的计算机可执行指令，所述计算机可执行指令包括用于下列操作的指令：
接收所述声事件信号；
对所接收的声事件信号加盖时间戳；
存储所述声事件的音频记录；
对所述声事件信号进行滤波以识别与所述声事件信号相关联的签名；
数字化所述声事件信号；
根据所识别的签名将所述声事件信号分类到多个声事件种类之一；
存储具有各自的时间戳的经分类的声事件；以及
显示具有各自的时间戳的经分类的声事件以便进行回顾和回放。
11.一种监测患者的方法，其包括：
检测由所述患者产生的声事件；
对包括与所述声事件相关的信息的声事件信号加盖时间戳；
根据所识别的签名将所述声事件分类到多个声事件种类之一中；以及
存储具有所述时间戳的经分类的声事件。
12.如权利要求11所述的方法，其还包括：
数字化所述声事件信号。
13.如权利要求11所述的方法，其还包括：
显示具有各自的时间戳的经分类的声事件以便回顾和回放。
14.如权利要求11所述的方法，其还包括：
存储所述声事件的可检索音频记录以便由用户进行回放；以及
向所述用户显示可选择的图标，所述图标在被选择时触发向所述用户回放所述音频记录。
15.如权利要求11所述的方法，其还包括：
对所述声事件信号进行滤波以识别与所述声事件信号相关联的签名，优选采用一组带通滤波器以对所述声事件信号进行滤波。
16.如权利要求15所述的方法，其中，识别与所述声事件信号相关联的签名包括识别所述声事件信号的拐角频率、节距、振幅、频率和零交叉时间中的一个或多个。
17.如权利要求11所述的方法，其还包括：
当检测所述声事件时，利用有源噪声消除来抑制环境声音。
18.一种患者监测系统，其包括被编程以执行如权利要求11所述的方法的处理器。
19.一种计算机可读介质，在其上存储有软件，该软件用于控制一个或多个计算机以执行如权利要求11所述的方法。
20.一种用于监测患者的设备，其包括：
用于检测由所述患者(11)产生的声事件的装置(12，14)；
用于对包括与所述声事件相关的信息的声事件信号加盖时间戳的装置(20)；
用于对所述声事件信号进行滤波以识别与所述声事件信号相关联的签名的装置(22)；
用于数字化所述声事件信号的装置(24)；
用于根据所识别的签名将所述声事件分类到多个声事件种类之一中的装置(26)；
用于存储具有所述时间戳的经分类的声事件的装置(18)；以及
用于显示具有各自的时间戳的经分类的声事件以便进行回顾和回放的装置(30)。
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