CN107361770A - 睡眠呼吸暂停事件判别装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种睡眠呼吸暂停事件判别装置，包括：采集心冲击图信号和胸腹部的呼吸信号的信号采集单元；从心冲击图信号中提取间期信号并进行插值重采样的特征提取单元；控制分析单元，获取呼吸信号和心冲击图信号的间期信号，计算间期信号和呼吸信号的互功率谱、相干性系数、耦合谱以及耦合谱中高频曲线与低频曲线之比的比例曲线，结合波形特征、是否存在持续或增强的胸腹部运动以及事件持续时间，判断睡眠呼吸暂停事件的类别。本发明基于心冲击图信号和呼吸信号的多信号处理，波形特征、低频曲线值和比例曲线值、是否存在持续或增强的胸腹部运动以及事件持续时间的多参数判别，实现睡眠呼吸暂停事件类别的精确判断。
Description
技术领域
本发明涉及呼吸暂停判别技术领域，更具体地说，本发明涉及一种睡眠呼吸暂停事件判别装置。
背景技术
睡眠呼吸监测是睡眠监测中的重要组成部分，睡眠呼吸监测包括3个主要部分：测定/探查呼吸气流、呼吸努力和动脉血氧饱和度。对这三者持续监测可判读得到呼吸事件，具体为：呼吸暂停事件、低通气事件、呼吸努力相关性觉醒事件。其中呼吸暂停是指睡眠过程中口鼻气流完全停止10s以上，可分为阻塞型(持续呼吸努力)、中枢型(无呼吸努力)或混合型(中枢成分之后为阻塞成分)。
临床上，常采用多导睡眠监测仪对睡眠状态进行监测，并结合人工进行判读。为避免设备和环境对被检者身心状态造成影响，在进行呼吸暂停监测时应尽量减少与患者的接触，以穿戴式或者最好以非接触的方式来进行。
现有技术中，存在穿戴式或非接触式的呼吸检测方法及单元，通过单传感器或多传感器采集与呼吸相关的至少一种参数，来判定呼吸是否暂停。穿戴式检测方式简化了记录电极和感应器，患者可以在家中进行睡眠监测，但依然对患者身心状态有较大的影响。现有的非接触检测方式仍存在不足，如天线具有指向性，而在睡眠过程中，常出现体动的情况，对结果会造成一定影响；或仅对单信号进行监测，无法判断呼吸暂停类型。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种睡眠呼吸暂停事件判别装置，可准确判断呼吸暂停类型。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供一种睡眠呼吸暂停事件判别装置，其包括：
信号采集单元，其用于非接触式采集人体的心冲击图信号和胸腹部的呼吸信号；
特征提取单元，其用于从所述心冲击图信号中提取J波与J波的间期信号并对其进行插值重采样，并调整所述间期信号采样率使其与所述呼吸信号采样率一致；
控制分析单元，其分别通信连接到所述信号采集单元和所述特征提取单元，用于获取所述心冲击图信号的间期信号和所述呼吸信号，并计算所述间期信号和所述呼吸信号的互功率谱、相干性系数、耦合谱以及耦合谱中高频曲线与低频曲线之比的比例曲线；
其中，所述控制分析单元根据所述间期信号的波形特征、所述低频曲线值、所述比例曲线值、是否存在持续或增强的胸腹部运动以及事件持续时间，来判断睡眠呼吸暂停事件的类别。
优选的是，所述信号采集单元包括：
加速度传感器，其放置在床上或集成在床体/床垫内，用于所述心冲击图信号和所述呼吸信号的实时采集；
模数转换器，其通信连接到所述加速度传感器，用于对实时采集的所述心冲击图信号和所述呼吸信号进行模数转换；
信号处理组件，其通信连接到所述模数转换器和所述控制分析单元之间，用于对模数转换后的所述心冲击图信号和所述呼吸信号进行预处理并发送给所述控制分析单元；
其中，预处理至少包括放大、去噪、去除基线以及增强信噪比。
优选的是，所述特征提取单元包括：
特征提取组件，其用于从所述心冲击图信号中提取J波与J波的间期信号；
重采样组件，其对所述间期信号进行插值重采样，并调整所述间期信号采样率使其与所述呼吸信号采样率一致。
优选的是，所述控制分析单元包括：
通信组件，其分别与所述信号采集单元和所述特征提取组件通信连接；
计算组件，其通信连接到所述通信组件，用于计算所述间期信号和所述呼吸信号的互功率谱、相干性系数、耦合谱以及耦合谱中高频曲线与低频曲线之比的比例曲线；
判别组件，其通信连接到所述计算组件，用于至少根据所述间期信号的波形特征和事件持续时间、所述低频曲线和所述比例曲线的数值以及是否存在持续或增强的胸腹部运动进行睡眠呼吸暂停事件类别的判断；
其中，所述判别组件的判别至少包括：
若存在第一事件：所述间期信号呈现上升、维持以及下降的波形特征，至少90％事件持续时间内，低频曲线值>0.05以及比例曲线值>30；存在持续或增强的胸腹部运动；且，所述第一事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为阻塞型呼吸暂停事件；
若存在第二事件：至少90％事件持续时间内，低频曲线值>0.3；所述呼吸信号无周期性变化，缺乏胸腹部运动；且，所述第二事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为中枢型呼吸暂停事件；
若存在第三事件：依次存在所述中枢型呼吸暂停事件以及所述阻塞型呼吸暂停事件的特征，且所述第三事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为混合型呼吸暂停事件。
优选的是，上升、维持以及下降的波形特征，包括：
维持阶段的均值大于或等于前一个波峰数值的一半；维持阶段的相对均方根误差≤10％。
优选的是，所述高频曲线的频率范围是(0.1-1.0Hz)，所述低频曲线的频率范围是(0.01-0.1Hz)。
优选的是，还包括存储与显示单元，还包括存储与显示单元，其通信连接到所述信号采集单元、所述特征提取单元以及控制分析单元，用于实时存储与显示采集的信号参数和睡眠呼吸暂停事件判定的类别。
本发明至少包括以下有益效果：
1)本发明提供的睡眠呼吸暂停事件判别装置，信号采集单元采用非接触式分别采集心冲击图信号和呼吸信号两个信号后，特征提取单元从心冲击图信号中提取间期信号并与呼吸信号进行耦合谱的计算，控制分析单元再依次根据间期信号的波形特征和事件持续时间、低频曲线值和比例曲线值、是否存在持续或增强的胸腹部运动以及事件持续时间，实现睡眠呼吸暂停事件类别的判断；多信号处理以及多参数的判别，提高判别的准确性；
2)心冲击图信号呼吸信号的非接触式采集是通过加速度传感器放置在床上或集成在床体/床垫内部进行采集，不与人体直接接触，采集便利；
3)非接触采集心冲击图信号和呼吸信号后，还包括对心冲击图信号和呼吸信号依次进行包括放大、去噪、去除基线以及增强信噪比的预处理单元，用于输出精确度高的信号。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的睡眠呼吸暂停事件判别装置的通信示意图；
图2为本发明所述的心冲击图信号及其预处理后的信号对比示意图；
图3为本发明所述的阻塞型呼吸暂停事件相应的信号特征；
图4为本发明所述的中枢型呼吸暂停事件相应的信号特征。
图中：
10-信号采集单元；
11-加速度传感器；12-模数转换器；13-信号处理组件；
20-特征提取单元；
21-特征提取组件；22-重采样组件；
30-控制分析单元；
31-通信组件；32-计算组件；33-判别组件；
40-存储与显示单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1至图4所示，本发明提供一种睡眠呼吸暂停事件判别装置，其包括信号采集单元10、特征提取单元20以及控制分析单元30。信号采集单元10用于非接触式采集人体的心冲击图信号和胸腹部的呼吸信号。特征提取单元20用于从心冲击图信号中提取J波与J波的间期信号并对其进行插值重采样，并调整间期信号采样率使其与呼吸信号采样率一致。控制分析单元30分别通信连接到信号采集单元10和特征提取单元20，用于获取心冲击图信号、呼吸信号以及间期信号，并计算间期信号和呼吸信号的互功率谱、相干性系数、耦合谱以及耦合谱中高频曲线与低频曲线之比的比例曲线。控制分析单元30根据间期信号的波形特征、低频曲线值、比例曲线值、是否存在持续或增强的胸腹部运动以及事件持续时间，来判断睡眠呼吸暂停事件的类别。
上述实施方式中，信号采集单元10采用非接触式分别采集心冲击图信号和呼吸信号两个信号后，特征提取单元20从心冲击图信号中提取间期信号并与呼吸信号进行耦合谱的计算，控制分析单元30再依次根据间期信号的波形特征和事件持续时间、低频曲线值和比例曲线值、是否存在持续或增强的胸腹部运动以及事件持续时间，实现睡眠呼吸暂停事件类别的判断；多信号处理以及多参数的判别，提高判别的准确性。
作为上述实施方式的优选，信号采集单元10包括加速度传感器11、模数转换器12以及信号处理组件13。加速度传感器11放置在床上或集成在床体/床垫内，用于心冲击图信号和呼吸信号的实时采集，模数转换器12通信连接到加速度传感器11，用于对实时采集的心冲击图信号和呼吸信号进行模数转换。信号处理组件13通信连接到模数转换器12和控制分析单元30之间，用于对模数转换后的心冲击图信号和呼吸信号进行预处理并发送给控制分析单元30。该实施方式中，加速度传感器11不与人体直接接触，采集过程不受睡眠中人体运动影响，采集便利、精度高。信号处理组件13的预处理，至少包括放大、去噪、去除基线以及增强信噪比，用于输出精确度高的信号。图2给出了心冲击图信号及其预处理后的信号对比图示意。
作为上述实施方式的优选，特征提取单元20包括特征提取组件21和重采样组件22。特征提取组件21用于从心冲击图信号中提取J波与J波的间期信号。重采样组件22对间期信号进行插值重采样，并调整间期信号采样率使其与呼吸信号采样率一致，为后续耦合谱的计算提供相同采样率基础。图3给出了间期信号的示意图。
作为上述实施方式的优选，控制分析单元30包括通信组件31、计算组件32以及判别组件33。通信组件31分别与信号采集单元10和特征提取单元20通信连接。鉴于信号采集单元10的非接触式采集，通信组件31是包括任何形式的无线通信方式。计算组件32通信连接到通信组件31，用于计算间期信号和呼吸信号的互功率谱、相干性系数、耦合谱以及耦合谱中高频曲线与低频曲线之比的比例曲线。例如，定义间期信号为x(t)、呼吸信号为y(t)，则互功率谱为Sxy、相干性系数为Cxy以及耦合谱为CSxy。耦合谱等于互功率谱的平方与相干性相乘，即：CSxy(ω)＝Cxy(ω)*[Sxy(ω)]2；其中，CSxy的数值范围是[-1,1]。将耦合谱分为高频曲线和低频曲线，高频曲线与低频曲线之比为比例曲线，则，定义高频曲线为HF(t)、低频曲线为LF(t)以及比例曲线为L/F(t)，比例曲线L/F(t)等于LF(t)/HF(t)。作为本发明的一种实施例，高频曲线HF(t)的频率范围是(0.1-1.0Hz)，低频曲线LF(t)的频率范围是(0.01-0.1Hz)。判别组件33通信连接到计算组件32，用于至少根据间期信号的波形特征和事件持续时间、低频曲线和比例曲线的数值以及是否存在持续或增强的胸腹部运动进行睡眠呼吸暂停事件类别的判断；具体地，判别组件的判别至少包括：
若存在第一事件：间期信号呈现上升、维持以及下降的波形特征，至少90％事件持续时间内，低频曲线值>0.05以及比例曲线值>30；存在持续或增强的胸腹部运动；且，第一事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为阻塞型呼吸暂停事件；
若存在第二事件：至少90％事件持续时间内，低频曲线值>0.3；呼吸信号无周期性变化，缺乏胸腹部运动；且，第二事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为中枢型呼吸暂停事件；
若存在第三事件：依次存在中枢型呼吸暂停事件以及阻塞型呼吸暂停事件的特征，且第三事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为混合型呼吸暂停事件。
作为进一步优选，上述实施方式中上升、维持以及下降的波形特征，包括：维持阶段的均值大于或等于前一个波峰数值的一半；维持阶段的相对均方根误差≤10％。
作为上述实时方式的优选，计算组件32和判别组件33可以是分开的也可以是集成于一体，本发明优选计算组件32和判别组件33为集成于一体的单片机、DSP以及FPGA中的任一种，满足本发明的计算和判别功能即可。
作为上述实施方式的优选，还包括存储与显示单元40，其通信连接到信号采集单元10、特征提取单元20以及控制分析单元30，用于实时存储与显示采集的信号参数和睡眠呼吸暂停事件判定的类别。存储与显示单元40，可以与加速度传感器11集成一体，以非接触式进行信号参数以及呼吸暂停时间判别的存储与显示；也可以与控制分析单元30集成一体，通过无线通信方式实现远程实时监控。
本发明提供的睡眠呼吸暂停事件判别装置，睡眠呼吸暂停时间判别的整个过程涉及心冲击图信号和呼吸信号的多信号处理，以及基于间期信号的波形特征、比例曲线的低频曲线值和比例曲线值、是否存在持续或增强的胸腹部运动以及事件持续时间的多参数判别，实现睡眠呼吸暂停事件类别判断的同时，具有较高的判别准确性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种睡眠呼吸暂停事件判别装置，其特征在于，其包括：
信号采集单元，其用于非接触式采集人体的心冲击图信号和胸腹部的呼吸信号；
特征提取单元，其用于从所述心冲击图信号中提取J波与J波的间期信号并对其进行插值重采样，并调整所述间期信号采样率使其与所述呼吸信号采样率一致；
控制分析单元，其分别通信连接到所述信号采集单元和所述特征提取单元，用于获取所述心冲击图信号的间期信号和所述呼吸信号，并计算所述间期信号和所述呼吸信号的互功率谱、相干性系数、耦合谱以及耦合谱中高频曲线与低频曲线之比的比例曲线；
其中，所述控制分析单元根据所述间期信号的波形特征、所述低频曲线值、所述比例曲线值、是否存在持续或增强的胸腹部运动以及事件持续时间，来判断睡眠呼吸暂停事件的类别。
2.如权利要求1所述的睡眠呼吸暂停事件判别装置，其特征在于，所述信号采集单元包括：
加速度传感器，其放置在床上或集成在床体/床垫内，用于所述心冲击图信号和所述呼吸信号的实时采集；
模数转换器，其通信连接到所述加速度传感器，用于对实时采集的所述心冲击图信号和所述呼吸信号进行模数转换；
信号处理组件，其通信连接到所述模数转换器和所述控制分析单元之间，用于对模数转换后的所述心冲击图信号和所述呼吸信号进行预处理并发送给所述控制分析单元；
其中，预处理至少包括放大、去噪、去除基线以及增强信噪比。
3.如权利要求1所述的睡眠呼吸暂停事件判别装置，其特征在于，所述特征提取单元包括：
特征提取组件，其用于从所述心冲击图信号中提取J波与J波的间期信号；
重采样组件，其对所述间期信号进行插值重采样，并调整所述间期信号采样率使其与所述呼吸信号采样率一致。
4.如权利要求1所述的睡眠呼吸暂停事件判别装置，其特征在于，所述控制分析单元包括：
通信组件，其分别与所述信号采集单元和所述特征提取组件通信连接；
计算组件，其通信连接到所述通信组件，用于计算所述间期信号和所述呼吸信号的互功率谱、相干性系数、耦合谱以及耦合谱中高频曲线与低频曲线之比的比例曲线；
判别组件，其通信连接到所述计算组件，用于至少根据所述间期信号的波形特征和事件持续时间、所述低频曲线和所述比例曲线的数值以及是否存在持续或增强的胸腹部运动进行睡眠呼吸暂停事件类别的判断；
其中，所述判别组件的判别至少包括：
若存在第一事件：所述间期信号呈现上升、维持以及下降的波形特征，至少90％事件持续时间内，低频曲线值>0.05以及比例曲线值>30；存在持续或增强的胸腹部运动；且，所述第一事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为阻塞型呼吸暂停事件；
若存在第二事件：至少90％事件持续时间内，低频曲线值>0.3；所述呼吸信号无周期性变化，缺乏胸腹部运动；且，所述第二事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为中枢型呼吸暂停事件；
若存在第三事件：依次存在所述中枢型呼吸暂停事件以及所述阻塞型呼吸暂停事件的特征，且所述第三事件持续时间≥10s；则，该睡眠呼吸暂停事件为混合型呼吸暂停事件。
5.如权利要求4所述的睡眠呼吸暂停事件判别装置，其特征在于，上升、维持以及下降的波形特征，包括：
维持阶段的均值大于或等于前一个波峰数值的一半；维持阶段的相对均方根误差≤10％。
6.如权利要求1所述的睡眠呼吸暂停事件判别装置，其特征在于，所述高频曲线的频率范围是(0.1-1.0Hz)，所述低频曲线的频率范围是(0.01-0.1Hz)。
7.如权利要求1所述的睡眠呼吸暂停事件判别装置，其特征在于，还包括存储与显示单元，其通信连接到所述信号采集单元、所述特征提取单元以及控制分析单元，用于实时存储与显示采集的信号参数和睡眠呼吸暂停事件判定的类别。
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