CN103705333A - 一种智能止鼾方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过外部刺激促使打鼾者在睡眠中下意识调整睡姿来止鼾的方法及装置。鼾声很大程度上是由不适当的睡姿引起的，本发明的特点是基于体位变化感知模块，同时自动逐级增加刺激强度，使打鼾者在睡眠中下意识地调整体位，一旦检测到打鼾者体位变化立即停止外部刺激，因而可以在不影响打鼾者睡眠质量的前提下抑制打鼾，进而防止其鼾声打扰到别人，同时有效防止阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的发生。

Description

一种智能止鼾方法及装置

技术领域

本发明涉及一种结合打鼾者体位变化检测与外部逐级增强刺激的方式来止鼾的方法及装置。

背景技术

打鼾者的气道通常比正常人狭窄，白天清醒时咽喉部肌肉代偿性收缩使气道保持开放，不发生堵塞。但夜间睡眠时神经兴奋性下降，肌肉松弛，咽部组织堵塞， 使上气道塌陷，当气流通过狭窄部位时，鼻呼吸的气流吹动咽部的软腭和悬壅垂使之震颤，从而出现鼾声。不适当的睡姿与鼾声密切相关，调整到合适的睡姿可以很大程度地降低打鼾的概率。鼾声不仅会影响别人的休息，打鼾者自己也会经常从睡眠中惊醒，或有恶梦、梦游、呼叫、遗尿等症状，严重影响睡眠质量。更为危险的是，个别有严重鼾声的患者（大约占4-5%的成年人），容易导致心脏及脑缺血，出现呼喊暂停或窒息现象，即阻塞性睡眠呼吸暂停综合症。可见长期打鼾，于人于己有百害而无一利。

本发明的目的在于提出一种通过外部刺激促使打鼾者在睡眠中下意识调整睡姿来止鼾的方法，并提出一种在不影响打鼾者睡眠质量的前提下采用外部逐级刺激打鼾者的方式来制止鼾声的装置，这里提出的外部逐级刺激是与体位感知模块配合使用的。一旦通过鼾声检测模块检测出鼾声，本发明通过逐级增加刺激信号强度的方法来帮助打鼾者下意识地改变体位，如果体位变化感知模块在一定时期内没有检测到变化，则增加刺激幅度。一旦体位变化感知模块检测出打鼾者在下意识地改变体位后，则停止刺激信号。本发明的特点是，在不影响打鼾者睡眠质量、不把打鼾者刺激醒的前提下，通过逐级增强的震动，迫使打鼾者在下意识的情况下调整体位，抑制打鼾。

 排除手术的方法，目前止鼾器主要分为如下几类：

内置式和外置式，内置式主要包含口含式和鼻塞式；其中外置式又可以分为：

腕式、床式、枕头式。内置式或多或少会给打鼾者带来一定程度的不适应。而外置式的止鼾器大多采用外部激励的方式迫使打鼾者调整体位，进而调整呼吸达到止鼾的目的。然而目前市场上的腕式止鼾器，大多采用弱电刺激的方式进行止鼾，采用正负电极通过导电橡胶接触手腕。这种方式带来的问题：1，导电橡胶必须与使用者的皮肤接触并紧密贴牢，经常使用容易引起皮肤过敏。2，导电橡胶是具有粘着特性的，使用一段时间后，粘着性越来越差，必须更换才能使用，所以后续使用的维护成本较高。3，人的肤质会影响导电的性能，因而有时电击的强度太弱，打鼾者根本就感受不到；有时电击的强度又太强，打鼾者直接就给刺激醒；更为糟糕的是，天气的潮湿程度也会影响刺激电流的大小，因而很难调节到一个恰当的刺激电流。4，打鼾者的睡眠深度不同，对同样幅值电流刺激的敏感程度也不同，深度睡眠时，根本没有感觉不起作用；浅度睡眠时，很可能直接把打鼾者刺激醒，因而很难人为地选定一个适当的刺激档位。

发明内容

本发明提出一种止鼾方法和装置。该止鼾方法主要是基于麦克风进行声音采集，经模数转换后，通过鼾声检测方法判别是否打鼾。如果检测出打鼾，则开启最低级的外部刺激信号，这里的外部刺激信号可以是震动、温度、也可以是弱电刺激，但不限于此。发出刺激信号后，开启体位变化感知模块。这里的体位变化感知模块，可以通过重力变化检测、两轴加速器、三轴方向/运动检测器或陀螺仪来实现，但不限于此。如果一段时间内，没有检测到打鼾者体位发生变换，则把外部刺激信号幅度调高一级，直到检测出打鼾者体位发生变化，则立即取消外部刺激信号。一般来说，打鼾者在睡眠时往往只要适当地变换体位，即可停止打鼾。因而，一旦检测出打鼾者已经改变体位，将不再发出外部刺激信号。

附图说明

图1 是本发明中提出的止鼾方法总体流程图

图2 是本发明中提出的鼾声检测方法流程图

图3是本发明中提出的止鼾装置实施范例的系统框图。

具体实施方式

鼾声检测方法，通常来说，鼾声具有明显的特征，每个鼾声间都会有一段明显的静音周期。首先通过麦克风采集系统检测出静音周期，而后再进一步借助频谱分析的手段识别出鼾声。识别出静音片段，这里选定短时能量和过零率分析作为重要的辅助手段。过零率（zero-crossing rate，ZCR），是指一个信号的符号变化的比率，例如信号从正数变成负数，或反过来。这个特征已在语音识别和音乐信息检索领域得到广泛使用。过零率的运算表达式为：

其中

是一个具有长度

的信号，函数 

在参数

为真时为1，否则为0。在一些应用场景下，只统计“正向”或“负向”的变化，而不是所有的方向。因为逻辑上讲，在两个连续正向过零点之间有且只有一个负向过零点。短时能量是计算每帧声音数据的能量，很明显短时能量受到很多因素的影响，例如，鼾声的大小，声音采集模块与打鼾者的空间距离，声音采集模块是否有被子遮挡等。为了解决这个问题，可以采用自动调整声音采集电路增益的方法，即通过中央处理器调整运算放大器的反馈电阻大小进而实现改变增益的目的。

 尽管基于短时能量和过零率的检测方法各有其优缺点，但是若将这两种基本方法相结合起来使用也可以实现对语音信号可靠的端点检测。理想情况时，无声段的短时能量为零，过零率也为零。然而由于噪声的存在，很难保证过零率在无声段时为零。针对短时能量分析也会有同样的问题，比如当声音检测模块在被子中时，短时能量也会很低，很难以只凭借短时能量判别是否有鼾声。因此，如果某部分语音的短时能量和过零率都为零或者为很小的值，就可以认为这部分为无声段，对语音信号进行分析时，需要将语音信号以32ms为一段分为若干帧来进行分析。当确保连续15帧都为静音时，才开始启动鼾声检测算法，即检测出静音是进一步鼾声判断的前提。检测出静音后，一旦发现能量或过零率明显高于某个阈值，则开始借助频谱分析方法开始鼾声识别算法。

 傅立叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性组合。傅立叶变换可以把一个时域信号转化到频域中，在不同的研究领域，傅立叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。离散傅里叶变换，是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其DTFT的频域采样。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的，是计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT。通过快速傅里叶变换，我们可以分容易开展鼾声的频谱分析。通过我们的进一步实验分析，可以发现大多数的鼾声包含一定的基频和几个谐波，其中它的基频大多都介于100Hz到500Hz之间，这就为我们的鼾声识别提供了很好的理论依据。本发明在检测出静音的前提下，基于FFT开展频谱分析，即把输入声音信号变换到频域中，如果频域中信号的峰值介于100Hz到500Hz，则我们可以判别该声音片段是鼾声。本发明有效地避免了噪声和输入信号在不同增益带来的不良影响。假设输入信号在采样阶段引入了高斯白噪声，因为高斯白噪的傅里叶变换还是高斯噪声，所以不会对频谱分析造成不良影响。同样针对不同增益下获取的声音采样信号，信号的幅值存在很大的差异，然而转换到频域中后，由信号幅值带来的差异不会影响信号在频域中峰值的位置。

除了上述的鼾声检测方法，这里还提出一种具体的止鼾装置，它包括：声音采集模块、数模转换模块、鼾声检测模块、中央控制模块、体位变化感知模块、逐级增强的震动刺激信号、电池模块、充电管理模块和状态指示模块构成。该止鼾装置可以是一种腕式止鼾器，但不限于此。

声音采集模块主要是通过麦克风实现对鼾声的采集。数模转换模块用于实现把声音模拟信号到数字信号的转换。该模块可以集成自动增益调整电路，进而降低鼾声的大小、声音采集模块与打鼾者的空间距离、声音采集模块是否有被子遮挡等因素对采样幅值影响的目的。鼾声检测模块主要用于完成是否有鼾声的判别。中央控制模块主要用于配置/管理各个模块，和实时运行鼾声识别算法。体位变化感知模块主要用于检测打鼾者在一段时间内是否有体位变化，这里采用三轴方向/运动检测器来实现。逐级增强的震动刺激信号，把偏轴马达的震动当作外部的刺激信号，通过脉宽调制的方式来实现逐级增强的震动。电池模块和充电管理模块，考虑到该止鼾装置可以是一种穿戴式设备，主要为该装置提供电源/充电管理。状态指示模块主要用于帮助用户识别该装置的工作状态，它可以由指示灯或显示屏来实现。

 该止鼾装置通过声音采集模块、数模转换模块和鼾声检测模块识别出鼾声，而后通过逐级增强的震动刺激信号，每次震动强度增强前静候一段时间，防止连续刺激把打鼾者刺激醒，同时由体位变换感知模块检测打鼾者是否改变体位，一旦检测出打鼾者体位发生变化，立刻停止震动刺激，避免把打鼾者刺激醒。该装置的特点是，在不影响打鼾者睡眠质量、不把打鼾者刺激醒的前提下，在下意识的情形下调整体位，抑制打鼾，进而防止其鼾声打扰到别人，同时有效防止阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的发生。

Claims (9)

1.一种智能止鼾方法，其特征在于，通过麦克风采集声音信号，采用鼾声检测方法识别鼾声，进而采用逐级增强的外部刺激信号对打鼾者进行刺激, 结合体位变化感知模块避免影响打鼾者睡眠质量。

2.如权利要求1所述的止鼾方法，其特征在于外部逐级刺激打鼾者是与体位变化感知模块配合使用的，采用逐级增强的外部刺激信号对打鼾者进行刺激，一旦检测到打鼾者体位发生变化，立即停止外部刺激以免影响打鼾者睡眠质量。

3.如权利要求1所述的止鼾方法，其特征在于，所述外部刺激信号可以是震动、温度、也可以是弱电刺激，但不限于此。

4.如权利要求1所述的止鼾方法，其特征在于，所述体位变化感知模块可以通过重力变化检测、两轴加速器、三轴方向/运动检测器或陀螺仪来实现，但不限于此。

5.如权利要求1所述的止鼾方法，其特征在于，所述鼾声检测方法采用结合静音检测和基于傅立叶变换的频谱分析的方法实现，其中静音周期检测采用结合短时能量和过零率分析的方法实现。

6.一种止鼾装置，其特征在于，它包括：声音采集模块、数模转换模块、自动增益控制模块、鼾声检测模块、中央控制模块、体位变化感知模块、逐级增强的震动刺激信号、电池模块、充电管理模块和状态指示模块构成。

7. 如权利要求5所述的止鼾装置，其特征在于，它可以是一种类似腕式手表结构，但不限于此。

8. 如权利要求5所述的止鼾装置，其特征在于，所述逐级增强的震动刺激模块采用脉宽调制的偏轴马达来实现，但不限于此。

9.如权利要求5所述的止鼾装置，其特征在于，所述体位变化感知模块可以采用三轴方向/运动检测器来实现，但不限于此。

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