CN104667407A - 磁共振环境下睡眠训练机 - Google Patents

Abstract

本发明为磁共振环境下睡眠训练机，提出一种在磁共振环境下让受训者正常入睡的训练方法，并在此基础上设计训练机，该机可模拟磁共振仪工作状态下的声音与空间环境。训练方法上，将目标磁共振噪声与人为添加的粉噪声按一定比例混合，随训练的进行逐渐降低粉噪声比例；对噪声进行傅里叶展开并进行频谱分析，通过将不同频率噪声依一定顺序规则逐渐叠加的方式对受训者进行适应性训练。训练机设计上，将事先处理好的噪声分段存储在模拟机中，受训者选择训练模式，戴好各种传感器，躺在模拟舱中。受训者可以循序渐进选择训练模式直至实现磁共振仪运行环境下的自然睡眠。训练机还有远程通信功能，可远程实时监控受训者的训练情况，对训练进行调整。

Description

磁共振环境下睡眠训练机

技术领域

本发明涉及磁共振、噪声分频、呼吸睡眠领域、适应性模拟训练。

背景技术

阻塞性睡眠呼吸暂停(Obstructive sleep apnea，OSA)是一种在睡眠状态下，上气道反复塌陷、阻塞引起呼吸间歇性暂停的常见疾病。临床症状为打鼾、高血压、日间专注力和认知力降低、日间嗜睡、情绪不稳、暴躁及易怒、还可导致产生心血管系统严重疾病。临床诊断多采用多导睡眠仪(PSG)来监测OSA患者睡眠时的脑电、眼电、肌电、口鼻气流、呼吸运动、血氧等多种参数，医护人员根据睡眠多导图来量化呼吸暂停次数，作出诊断，睡眠多导图是目前临床诊断OSA的黄金标准。

手术是OSA临床治疗的重要手段之一。通过切掉气道狭窄部位的某些组织，达到扩大上呼吸道相应部位横截面积，改善患者呼吸功能的目的。由于OSA患者个体间差异大，阻塞部位因人而异，所以需要针对不同对象，设计个性化的手术方案。因此患者自然(非药物作用)睡眠状态下上气道的医学影像将为医生制定有针对性的个性化手术方案，提高手术成功率提供重要的参考信息。此外，健康与患有睡眠呼吸暂停的受试者在自然睡眠状态下头颈部的医学影像还将为深入研究OSA疾病机理及新治疗手段，研究睡眠状态下大脑活动和功能等提供重要的帮助。由于磁共振(MRI)成像对软组织的分辨率远高于CT，且不存在射线辐射，获得受试者自然睡眠状态下头颈部的MRI图像便显得尤为重要。但是磁共振仪在运行过程中会产生大的噪声和一定的振动，狭窄的空间也会使某些人产生紧张甚至恐惧感，导致处于磁共振仪中的受试者很难进入睡眠状态。噪音在机器开停和序列切换的瞬时表现尤为突出。

众所周知，人体对外界环境有一定的适应能力，处于某一环境下一定的时间，人体常可自主调整自身的肌体状态来适应该环境，对一些噪音等外界干扰的存在变得不敏感，使得在该环境中也能自然入眠。由于不可能通过将受试者长时间滞留在磁共振室及扫描装置中的方式使其适应噪声及空间环境，达到能在磁共振仪运行环境下自然入睡的目的，本专利旨在发明一种用于训练在磁共振环境下自然睡眠的模拟训练机。

发明内容

通过模拟真实的磁共振测试环境，包括磁共振仪运行声音、振动、以及圆筒状测试空间等，运用特定的方法及程序帮助受试者在家中或医院病床上提前进行适应性训练，使其达到可在真实磁共振扫描环境下自然入眠的目的。这样就使医生及研究人员能够获得患者或其他受试者自然睡眠情况下头颈部的磁共振影像，为OSA手术或科学研究提供重要帮助。本发明所采用的技术方案如下：

1、将事先处理好的多段磁共振扫描序列的运行、启停声音分段存储在U盘/SD卡中；通过7寸彩色电阻触摸屏和Andriod/ios智能手机客户端进行人机互动。

2、用圆筒形模拟测试舱及头颈线圈模型来模拟磁共振的空间环境；智能手环、腹带式呼吸传感器、指夹式脉搏血氧传感器来感知受训者的体位和呼吸频率、心率、血氧等生命体征。

3、用耳机来播放不同训练模式下对应的磁共振噪音，在床底安装电机来模拟磁共振环境下的振动。

4、分频渐进式训练方法。

5、采用互联网技术进行远程控制，实时监控受训者的训练情况及各种传感数据，并对训练进行适当的调整。

6、采用红外夜视摄像机来记录受训者睡眠期间的影像资料，存储在SD卡/U盘中。

附图说明

图1训练机的系统结构框图

图2模拟测试舱结构

图3模拟头颈部线圈结构

图4.噪音按频率分区滤波示意图

a截止频率为600HZ的低通滤波器 

b截止频率为900HZ的低通滤波器 

c截止频率为1100HZ的低通滤波器 

d截止频率为1300HZ的低通滤波器 

e截止频率为2000HZ的低通滤波器 

f截止频率为5000HZ的低通滤波器 

图5.加入粉噪声的训练模式

a训练模式一 

b训练模式二 

c训练模式三 

d训练模式四 

具体实施方式

1、训练机的工作流程：

将事先处理好的多段磁共振扫描序列的运行、启停声音分段存储在U盘/SD卡中，当训练机开启时，用户根据自身的情况和训练阶段通过触摸屏或智能手机客户端选择默认训练模式或调整训练模式。将圆筒形模拟测试舱固定到床上，受训者安装好智能手环、腹带式呼吸传感器、指夹式脉搏血氧传感器及耳机，平躺在床上并将头部置于模拟头颈线圈内部，然后将整个上半身置于模拟测试仓内，该过程可由家人或者医务人员协助完成。

当传感器检测到受训者已躺下，或按照预先设定的开启时间，训练机自动开始工作。根据事先选定的训练模式，训练机模拟不同程度及频率的磁共振噪音和震动环境(主要改变声音强度、音色中各频率之比、振动强度等)，用户在该环境下进行适应性训练。当一个训练阶段结束后，用户可以选择下一个训练模式，循序渐进，直至能够适应真实的磁共振扫描环境，实现在磁共振仪运行状态下能够进入和保持自然睡眠状态。

当开启远程模式后，医生或其它控制人员可实时监控受训者的训练情况，并可根据实际情况对训练进行适当的调整，以期在最短的时间内达到训练目的。

2、各部分结构的功能(如图1所示)：

睡眠监测智能手环：采用带有微运动检测功能的智能手环来监测患者的睡眠状态，智能手环可将接受训练者(简称为受训者)的睡眠信息自动通过蓝牙传输到安卓或苹果智能手机和电脑上，据文献报道该智能手环对睡眠的监测与PSG对睡眠的监测相关度可达70％-90％，可在一定程度上替代PSG来实时监测受训者的睡相和呼吸暂停等信息。

呼吸传感器：采用腹带式呼吸传感器来感应患者的呼吸情况，并与脉搏血氧传感器协同判断受训者是否进入睡眠状态，为自动控制系统提供反馈信号。

脉搏血氧传感器：采用指夹式脉搏血氧传感器，用来测量患者的心率和血氧，与呼吸传感器采集的呼吸频率信息协同判断受训者是否进入睡眠状态，为自动控制系统提供反馈信号。

微型摄像头：用以实时记录受训者的睡眠情况。结合录像和呼吸、脉搏、血氧传感器以及智能手环的数据进行分析，可对受训者的训练进展作出更为准确的判断，为调整受训者训练模式和训练强度提供依据。

电阻触摸屏：分为设置界面和运行界面。运行界面用来显示系统运行信息、系统的时间、训练持续的时间、训练程式的运行阶段、呼吸频率、心率、每小时呼吸暂停次数等信息；设置界面用来实现系统时间调整、用户训练模式的选择等功能。

WIFI客户端：系统通过WIFI与家中的无线路由器进行连接，进而实现系统与互联网的对接。该系统提供可与andriod/IOS智能机进行通信的客户端，用户可通过手机对系统进行设置、设置训练模式甚至实现开关机；这也为模拟机的远程控制和数据的远程传输提供了技术支撑。

Mp3播放模块：将经过处理的多段磁共振仪声音存储到系统的SD卡或者TF卡中，根据预定的训练模式进行程式播放，该模块提供耳机接口，方便个人训练而不干扰家人。

Mp3语音、闪光灯、蜂鸣器、短信、电话等声光电报警：当训练系统出现故障或者检测到受训者发生重度呼吸暂停等其它严重问题时启动声光电报警系统，同时可通过电话、短信等方式提醒亲属或有关部门。

振动电机：用来模拟磁共振仪运行时产生的震动感，一般贴在床板下，其振动的强度受程序控制。

3G/GPRS、网络远程监控：可通过有线及无线网络通信将训练情况及监控数据上传至控制中心或医院的数据中心，负责训练的人员或医生可通过网络或者手机对训练机进行开关机、调整训练模式等操作，实现远程训练，在具有可用WIFI的情况下采用WIFI进行远程通信，否则采用此方式进行远程通信。

电脑通信USB：用于外接电脑以便读取训练过程中存储在系统内部的数据及视频等，同时可进行训练模式选择、远程监测等设置。长时间训练产生的大数据也可以通过该接口直接存储到计算机硬盘中。

U盘/SD卡本机存储读写模块：存储事先处理好的磁共振声音，记录系统运行时的各种参数及监控信息。

充气式模拟测试舱：模拟磁共振仪的圆筒形测试舱(见图2)。可固定在普通睡床上，使用时充气形成圆筒形状，放气后可折叠。

模拟头颈线圈：模拟磁共振扫描时被测试者需带的头部或头颈部线圈。可采用充气式或实体式，具有与真实线圈相同或相近的几何形状。

3、分频式训练模式：

将用高保真录音机采集的原始磁共振声音进行傅里叶变换，获得频谱分布图。下面是一种低通滤波的分频方法。采用低通滤波器对原始声音的频谱信号进行逐级提取，随着低通滤波器截止频率的提高，音频信号在通带内的频率范围逐渐增大，滤波前后的音频信号如图4-a至图4-f所示。将处理后的信号重新保存为音频信号，通过模拟机按预定程序进行播放。

在音频信号的处理过程中，对于振幅较大的500HZ-1500HZ频率范围，可采用较细的频率分割区间，而对其它振幅相对较小的频带，可将频率分割区间加大。这样可以在进行磁共振声音模拟的时候，使声音的强度和频率上的过度都较为平坦，受试者更容易适应。训练的顺序可采取从低频到高频，从低音量到高音量，循序渐进的方式，也可以采用其它的分频、混频模式。以上所述仅为一个例子，实际中可根据受训者的适应能力采用其它方式的分频、组合方法。

为使受试者在训练的初始阶段能够尽快地适应，可在该模拟机中适当地加入粉噪声。据相关文献报道，磁共振扫描的某些特定序列可产生粉噪声，这些粉噪声可以帮助睡眠。在训练初期加入能够产生粉噪声的某些特定扫描序列所对应的声音，随着训练的进行逐渐降低该粉噪声所占的比例，直到为0。图4a-4d为一个加入粉噪声训练的例子。

训练模式的区分主要根据正常扫描序列声音、粉噪声序列声音、扫描间隙、开机/定位音所占的百分 比来进行划分，四种训练模式的百分比如图4所示。在用户设置界面中可根据受试者的实际情况来调整各个训练模式各种序列所占的百分比，系统按照该百分比设置进行序列分配，随后自动将模式下对应的声音依照分频训练的方式从低频开始逐步增加，适应之后再选择更高的训练模式。

在实际的应用中，由于不同的扫描序列对应的声音不同，不同的机型和厂家对应的磁共振仪产生的噪音也有差异，所以训练方案需要针对受训者最终将使用的扫描序列以及扫描仪的机型来的设定。可将训练方案依机型进行定制，一个特定的机型对应一套特定的训练方案，该方案中可选择用于检测的多种磁共振扫描序列的声音。

Claims (5)

1.帮助受试者达到在磁共振环境下自然入眠目的的睡眠训练机。对磁共振环境的模拟包括用与真实几何形状相似的充气式模拟测试舱和模拟头颈部线圈来模拟接受磁共振扫描时的空间环境；用MP3或具有类似功能的模块存储、播放磁共振机运行声音来模拟磁共振扫描的声音环境；用振动电机模拟磁共振扫描时床面产生的振动。睡眠监测智能手环，腹带式呼吸传感器，脉搏血氧传感器，微型摄像头等用于协同监测受试者的睡眠状况；电阻触摸屏，Andriod/IOS客户端，Mp3声音播放模块，语音、闪光灯、蜂鸣器、短信、电话等声光电报警模块提供人机交互；3G/GPRS、网络远程监控模块、U盘/SD卡本机存储读写模块、电脑USB通信模块用来实现数据的传输共享；主控系统用来控制整套系统的运行。

2.根据1所述的磁共振环境下的睡眠训练机，其主要特征在于能够模拟磁共振机运行时真实的声音环境和空间环境，分频、分段、人为添加粉噪声的适应性训练方式，实现受试者可在磁共振环境下自然入睡的目的。

3.权利要求2中所述的分频分段训练，特点在于将原始的待训练声音分解成不同频段的声音。训练时从某些频段开始，逐渐加入其它频段声音，直至最后合成具有完整频谱的原声音.这样的训练方式可以使受试者更快地适应环境，取得更好的训练效果。

4.权利要求2中的粉噪声，特点为频率分量功率主要分布在中低频段，在一定的频率范围内等比例频带宽内的能量是相等的。某些特定的核磁扫描序列可以产生这种声音，睡眠训练时加入这种声音有助于受试者产生睡意，加快训练进程。

5.该专利的适应性训练方法适用于各种需要在磁共振环境下获得受试者自然睡眠图像的疾病诊治以及科研的情况。