CN111540369A - 一种用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统，利用相邻鼾声以及中间无声段的声音特征，利用短时能量的双门限端点检测法进行判断鼾声起始位置，提高了呼吸暂停鼾声采集结果的准确性。另外，本申请提供的音频的UDP传输技术针对UDP传输中数据容易丢包以及乱序的情况，设计了乱序重排、确认应答、分组请求重传以及速率控制等多种机制保证数据的可靠传输，并且在此基础上设计了UDP文件传输协议，并定义了数据包结构及类型、传输控制流程等，能够实现文件在UDP协议下的可靠传输。本申请提供的方法及系统能够采集传输睡眠期间呼吸暂停的情况，可用于后续的OSASH疾病辅助诊断。

Description

一种用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统

技术领域

本发明涉及一种用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统，具体涉及鼾声音频的采集和鼾声音频的UDP网络传输的系统。

背景技术

阻塞型睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAHS)会在睡眠过程中会多次出现呼吸暂停或低通气，从而导致睡眠障碍或者增加其他患病风险，严重时甚至会导致窒息性猝死。据调查表明，国内20岁及30岁以上人群的OSAHS患病概率在3.7～5.1％左右，而在60岁以上的老年群体中则达到29.2～32.5％左右。由于该疾病年龄分布广、患病率高，并具有潜在致死性，所以OSAHS的诊断和治疗得到了广泛关注。

打鼾是阻塞性睡眠呼吸暂停综合征主要以及最常见的特征，并且近年来的研究表明，鼾声的声学分析对于区分单纯打鼾和呼吸暂停、诊断打鼾的部位、评估疗效等方面有所帮助。当前国内外开始对鼾声进行研究，试图寻找鼾声和呼吸暂停之间的关系，以此用于OSAHS的筛查以及辅助诊断，而展开对鼾声的研究就离不开鼾声数据的采集。

鼾声的采集通常是要求专业人员在安静环境下使用专业设备进行鼾声采集，从而可以最大程度保证鼾声的质量，但这种方式将耗费大量的人力物力，并且效率极低，仅适合获取少量鼾声数据，不适合大量鼾声数据的收集。另外，根据特殊环境下录制的鼾声研究得到的鼾声特征，以及基于该特征的应用可能无法在实际环境下正常工作，所以关于鼾声应用研究的鼾声采集应尽量在正常的睡眠环境中进行，这提高了鼾声采集工作的难度。在正常的睡眠环境采集，往往就只能由用户自行采集，这就要求采集设备的简单易用，并且能够滤除一些无关的语音音频，保护用户隐私。

该系统涉及到利用鼾声进行OSAHS辅助诊断，因而需要大量的鼾声数据进行分析。为了获取完整的鼾声，往往需要录制一整夜的声音，数据量较大。鼾声采集以及数据收集工作量极大，故寻求一种远程采集传输系统，能够自动完成鼾声的采集和传输，以便更加高效地获取鼾声数据，加快后续研究进度。同时，该采集传输系统也能为相关的鼾声应用提供支持。

发明内容

为了更加高效便捷地采集和传输鼾声音频数据，同时也能为OSAHS的相关诊断分析应用提供大量原始数据，因而有必要提供了一种简便的用于呼吸暂停鼾声采集传输的方法及系统。该方法的使用，能够较快完成鼾声采集滤波和压缩编码任务，专门设计的传输协议能有效地提高UDP传输的准确率和稳定性。具体技术方案如下：

一种用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统，包括主控模块、鼾声采集模块、数据处理模块、通讯接口、无线传输模块、服务器平台，

所述主控模块，与外部设备构成终端设备；

所述鼾声采集模块，用于采集鼾声音频；

所述数据处理模块，对多路鼾声数据进行压缩编码，并使用端点检测确定鼾声段和无声段；

所述通讯接口，用于终端设备与外部设备的通信；

所述无线传输模块，用于终端设备与服务器平台(6)的鼾声音频传输；

所述服务器平台，在服务器上存储大量鼾声音频数据。

进一步的，所述使用端点检测确定鼾声段和无声段具体如下：

使用短时能量的双门限端点检测确定鼾声段和无声段并滤除鼾声前部语音；

所述无声段为两个鼾声段之间的声音片段。

进一步的，所述对多路鼾声数据进行压缩编码，包括：

分块式内存管理的方法；

完成FatFs文件系统在采集传输终端的移植；

使用opus对滤波后的鼾声音频数据进行压缩编码。

进一步的，所述鼾声采集模块采集多路鼾声数据包括：

使用麦克风阵列采集多路鼾声数据；

使用多个麦克风同步采集多路鼾声数据。

进一步的，所述鼾声音频的可靠UDP传输，其中包括：

设计了乱序重排、确认应答、分组请求重传以及速率控制保证UDP可靠传输；

设计了文件传输协议中的数据包结构及类型；

设计了文件传输协议的控制流程。

本发明的用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统，采集多路鼾声音频数据，滤除无声片段，压缩编码，并设计了基于UDP的文件传输协议，最后在服务器平台存储鼾声数据，可用于后续的OSASH疾病辅助诊断。该系统通过在UDP报头后添加自定义协议头，重新定义了数据包的类型以及作用，并且设计使用乱序重排、确认应答、分组请求重传、速率控制机制来保证数据的可靠传输，能够进一步地提高传输的稳定性和准确度。

附图说明

图1为申请实施例提供的呼吸暂停鼾声采集传输系统的系统框图。

图2为实施例中文件传输协议的设备验证及同步过程示意图。

图3为实施例中文件传输协议的文件数据传输控制过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明实例提供的鼾声采集传输系统，是用于鼾声音频的采集和传输，并在服务器平台存储鼾声数据，可用于后续的OSASH疾病辅助诊断。以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，本发明的用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统包括主控模块1、通讯接口2、鼾声采集模块3、数据处理模块4、无线传输模块5、服务器平台6。其中主控模块1与外部设备构成终端设备；鼾声采集模块3，用于采集多路鼾声数据；数据处理模块4，对多路鼾声数据进行压缩编码，降噪滤波，并使用端点检测确定鼾声段和无声段；通讯接口2，用于主控模块1与其他模块的通信；无线传输模块5，用于终端设备与服务器平台6的鼾声音频传输；服务器平台6，在服务器平台6上存储大量鼾声音频数据，方便后续的分析处理。

鼾声采集模块3，将用于采集多路鼾声数据，其具体方式包括：可以将麦克风阵列放置于患者口鼻的正上方采集鼾声；或者可以多个麦克风放置于患者周围，同步采集鼾声数据。

数据处理模块4使用端点检测对采集的鼾声信号进行区分，确定鼾声段和无声段。由于有声段与无声段的能量具有比较明显的差别，故使用短时能量特征能够较好的区分。本系统的端点检测同时用于判断语音和鼾声的起止点位置，而鼾声的清浊音分布不规律，使用短时过零率特征可能反而影响端点检测效果，故仅使用短时能量特征进行端点检测。

首先，需要将音频以固定长度进行分帧，由于音频是连续的，前后段的音频有一定相关性，所以分帧操作一般采用滑动窗口的方式进行，前后帧之间有部分重叠，以保证信号的平稳性和连续性。

对鼾声数据进行预加重和加窗分帧，帧长为20ms，帧移为10ms，重叠率50％；

分帧处理后的信号，相当于矩形窗与原信号的时域相乘，然后分别计算每帧的短时能量。第I帧信号y_i(n)的短时能量E(i)计算公式如下式所示,

其中L为帧长，f_n为分帧后的总帧数。

然后，需要选择一段无声段计算能量门限值，通常认为音频刚开始的部分没有声音，称为前导无声段，可以用于计算能量门限值。短时能量法端点检测采用双门限值方式判断端点位置，分别为上门限值和下门限，记为TL和TH。一般将门限值设置成前导无声段计算的平均噪声能量与比例系数的乘积，可以提高环境的适应性。

TL＝α×E_NIS,TH＝β×E_NIS

其中N表示前导无声段所占的帧数，E_NIS表示前导无声段的短时能量均值，α和β分别为上门限和下门限的比例系数。

在确定上下门限值后，依次将每帧的短时平均能量与门限值比较，如果在寻找到大于TL的点之后，并在下次短时能量低于下门限值TL之前，找到大于上门限值TH的点，则认为这两点之间部分为有声段，同时这两点分别为有声段的起点和终点，这样就可以把所需有鼾声部分提取出来。

接着，无线传输模块5，通过在UDP头部与原始数据之间添加自定义的协议头，可以保存传输控制信息。一个协议需要定义数据包的结构、数据包对应的动作以及收发方的状态，通过对这三部分的详细设计，就能实现一个可靠的传输协议，实现UDP的可靠传输的效果。为了保证UDP的可靠传输，需要乱序重排机制保证数据包顺序正确性，使用重传和确认机制减少数据包的丢失，以及使用速率控制机制来避免网络堵塞，提高数据的传输速率。

1)自定义协议的头结构

协议号：用于标识该协议的版本，当前设置为001

控制标志位：指示是该数据包是数据包还是控制包。

状态标志位：依次为ACK/SYN/RST/SAT，与协议号以及控制标志位结合，可以区分数据包的类型以及当前状态，用于对传输过程进行控制。

发送间隔：由发送间隔t1和发送间隔t2两部分组成，指示终端数据包的发送间隔，单位为毫秒。发送速率V跟t1、t2有以下关系：

发送间隔t2为间隔附加信息，发送间隔t2大于9，可以扩展范围；t2小于9，可以提高精度。

分组序列号：文件的分组编号，2个字节，最多表示65535个分组，表示要发送的数据在文件中位置，同时与包序号一起用于数据包的乱序重排。

包序号：在数据传输中表示分组中的包序号，每一位对应一个数据包，能表示16个包序号；另外，在重传时可以用于指示缺失的数据包序号。

速率控制：该字段与自动速率控制相关，前两比特指示速率控制的四种状态：开始状态(00)、排空状态(01)、自动控制状态(10)以及停止状态(11)，后两比特指示网络带宽变化：带宽不变(00)、带宽减小(01)、带宽增加(10)、和丢包(11)。终端可根据该字段对发送速率进行调整。

校验信息：协议头的奇偶校验码，用于验证数据包的正确性。

2)数据包类型标识结构(8bit)

数据的收发双方需要根据数据包的携带的信息对传输过程进行控制，不同的数据包具有不同的作用，其中文件数据包和重传数据由自定义协议头和文件数据组成，数据同步包由协议头和同步信息组成，而其余类型数据包则仅仅包含协议头，不附加其他数据。数据包的类型由协议号、控制标志位和状态标志位三者共同决定，大致可为文件数据包(0x05)、重传数据包(0x0D)、数据同步包(0x10/0x1C)、复位包(RST＝1,ACK＝0)、结束应答包(0x1F)、确认应答包(0x1D/0x16)等。

进一步，在数据传输过程中，通信双方需要根据数据包进行必要的状态切换，双方约定好的状态切换顺序则是由传输协议所决定的。由于该协议用于多用户的传输控制，其中包括对设备验证与同步、数据传输、设备离线：

1)设备验证与同步

为了区分不同用户设备以及防止网络恶意攻击，该协议要求通信双方在数据传输前进行双向验证。不同的终端设备准备传输的文件信息和发送速率具有差异，所以必须在文件传送前进行同步。具体的设备验证及同步的过程如图2所示。

数据同步包1结构

数据同步包1的结构如表所示，包类型标识为0x10，在协议头后部另外包含1字节设备信息以及4字节的文件信息，UDP包的数据部分共13个字节。设备信息用于区分不同终端，而文件信息则是表示该终端准备发送的文件名。

数据同步包2结构

数据同步包2的结构如表所示，包类型标识为0x1C，与数据同步包1相比多了6个字节，用于记录时间戳信息，另外，同步包1中设备信息对应的位置在同步包2中用于记录验证信息，用于服务器验证。

数据的通信是由终端先发起的，首先，终端设备向服务器发送数据同步包1请求同步，同时记录发送时间，记为T1。服务器在接收数据同步包1后，记录接收时间为T2，并向终端发送数据包2进行设备验证，并进入同步状态1(同步中)。服务器会对同步包1中的文件信息进行检验并更新同步包2的文件信息以及分组序号。

终端设备在发送数据同步包1后等待接收服务器回复的同步包2，如果终端设备接收到同步包2，则记录当前接收时间，记为T3，同时对验证字段的服务器验证码进行验证。如果验证失败，则终端发送复位包(0x12)要求服务器复位，结束本次同步。如果验证成功，则根据同步包2携带的时间戳，计算往返时间RTT以及服务器与终端设备的时间差:

ΔT＝T2-(T3-T1)/2，

并据此更新终端设备时间为T1+ΔT,更新接收超时时间为2倍RTT。

之后，终端设备生成终端验证码和更新文件信息，并向服务器发送数据同步包2，终端设备进入同步状态1(同步中)。

同样，服务器如果接收到数据同步包2后，会根据验证字段对终端设备进行验证。在验证通过后，计算往返时间RTT以及更新超时时间，并在服务器注册设备信息，同时，服务器将根据同步包2中的文件信息打开或创建文件。之后，服务器将发送全确认应答包，并进入同步状态2(同步完成)，准备接收文件。

2)文件数据传输控制及速率控制

在设备验证及同步过后，开始进行文件数据传输。为了提高传输效率，采用分组延时应答的方式进行数据传输。同时，在文件数据传输中使用速率控制机制，在确认应答包的速率控制字段指示RTT及投递率的变化情况，终端设备可据此调整发送速率，避免网络拥塞，减少丢包以及提高传输速率。

在开始阶段，终端设备会依次缩小发送间隔来发送整组文件数据包，服务器接收数据包后，会根据协议头中发送速率以及包序号，分别计算每个文件数据包的往返时间RTTp0、RTTp1、...、RTTp15，以及每组数据的投递率。当服务器发现投递率不再增加时，进入排空状态，并通过确认应答包告知终端。

在排空阶段，终端依次增加发送间隔，减小发送速率，直到分组平均RTT到达极小值。

之后进入自动控制状态，服务器会根据RTT及投递率的变化，判断网络宽带情况，并通过确认应答包的速率调整字段指示终端设备调整发送速率。如果出现丢包，终端将调整发送间隔为原间隔的两倍与初始间隔之间的较小值，并重新进入开始状态。如果以初始速率发送数据依旧出现丢包，则进入停止状态，如果继续丢包，则服务器会发送复位包要求结束当前传输会话。

3)设备登出及离线

在数据传输过程中，正常结束传输的方式是使用复位包来终止传输。终端设备采用无线方式进行通信，在网络质量差或断线的情况下，接收方可能无法接收到复位包而一直处于等待状态，所以在设计协议时，如果在较长时间没有数据通信就将其判定为设备离线，在下次传输前需要重新同步。

另外该系统还提供了通讯接口2和服务器平台6，用于设备间通信以及存储采集好的鼾声音频，并通过web界面展示，展示内容包含：录制时间、音频文件大小、用户设备编号等等，可用于后续的OSAHS疾病的辅助诊断。

Claims (5)

1.一种用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统，包括主控模块（1）、鼾声采集模块（3）、数据处理模块（4）、通讯接口（2）、无线传输模块（5）、服务器平台（6），其特征在于：

所述主控模块（1），与外部设备构成终端设备；

所述鼾声采集模块（3），用于采集鼾声音频；

所述数据处理模块（4），对多路鼾声数据进行压缩编码，并使用端点检测确定鼾声段和无声段；

所述通讯接口（2），用于终端设备与外部设备的通信；

所述无线传输模块（5），用于终端设备与服务器平台（6）的鼾声音频传输；

所述服务器平台，在服务器上存储大量鼾声音频数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统，其特征在于，所述使用端点检测确定鼾声段和无声段具体如下：

使用短时能量的双门限端点检测确定鼾声段和无声段并滤除鼾声前部语音；

所述无声段为两个鼾声段之间的声音片段。

3.根据权利要求1所述的一种用于呼吸暂停鼾声的采集传输系统系统，其特征在于，所述对多路鼾声数据进行压缩编码，包括：

分块式内存管理的方法；

完成FatFs文件系统在采集传输终端的移植；

使用opus对滤波后的鼾声音频数据进行压缩编码。

4.根据权利要求1所述的一种用于睡眠呼吸暂停检测的系统，其特征在于，所述鼾声采集模块（3）采集多路鼾声数据包括：

使用麦克风阵列采集多路鼾声数据；

使用多个麦克风同步采集多路鼾声数据。

5.根据权利要求1所述的一种用于睡眠呼吸暂停检测的系统，其特征在于，所述鼾声音频的可靠UDP传输，其中包括：

设计了乱序重排、确认应答、分组请求重传以及速率控制保证UDP可靠传输；

设计了文件传输协议中的数据包结构及类型；

设计了文件传输协议的控制流程。

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