JP2020151358A - Sleep apnea syndrome determination apparatus, sleep apnea syndrome determination method, and sleep apnea syndrome determination program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被験者の睡眠時無呼吸症候群を判定する睡眠時無呼吸症候群判定装置、睡眠時無呼吸症候群判定方法および睡眠時無呼吸症候群判定プログラムに関する。 The present invention relates to a sleep apnea syndrome determining device for determining a sleep apnea syndrome of a subject, a sleep apnea syndrome determining method, and a sleep apnea syndrome determining program.
医療現場では、睡眠障害や睡眠時無呼吸症候群を診断するために、被測定者の睡眠状態を測定することが行われている。人間の睡眠段階は、睡眠の深さの観点で6段階に分類したものが知られており、その6つの睡眠段階は、眠りが浅い段階から順に、覚醒、レム睡眠、ノンレム睡眠(ステージ1〜4)と呼ばれている。これらの6段階の睡眠段階の判定は、従来、例えば被計測者の顔や頭部に多数の電極を装着して、その多数の電極から脳波、眼球運動、および顎筋電を測定し、測定結果の解析により行われていた。 In the medical field, the sleep state of a subject is measured in order to diagnose sleep disorders and sleep apnea syndrome. Human sleep stages are known to be classified into 6 stages from the viewpoint of sleep depth, and the 6 sleep stages are awakening, REM sleep, and non-REM sleep (stages 1 to 1) in order from the light sleep stage. It is called 4). Conventionally, these six stages of sleep are determined by attaching a large number of electrodes to the face or head of the person to be measured and measuring brain waves, eye movements, and jaw myoelectricity from the large number of electrodes. It was done by analyzing the results.
また、睡眠時無呼吸症候群の患者が睡眠時に無呼吸になるのは、睡眠段階が覚醒の状態であることが多く、無呼吸症候群の診断を行う上でも、睡眠段階を測定する必要がある。
但し、睡眠時無呼吸症候群の判定を行うためには、睡眠段階の測定の他に、口と鼻の気流などの呼吸に伴った空気の流れの測定や、胸部および腹部の換気運動などの様々な測定を同時に行う必要がある。そして、睡眠段階の解析結果と呼吸状態の測定結果などに基づいて、医師が無呼吸症候群であるか否かを診断している。
In addition, patients with sleep apnea syndrome often become apnea during sleep when the sleep stage is awake, and it is necessary to measure the sleep stage in order to diagnose apnea syndrome.
However, in order to determine sleep apnea syndrome, in addition to the measurement of the sleep stage, the measurement of the air flow accompanying breathing such as the airflow of the mouth and nose, and the ventilation exercise of the chest and abdomen, etc. It is necessary to make various measurements at the same time. Then, the doctor diagnoses whether or not he / she has apnea syndrome based on the analysis result of the sleep stage and the measurement result of the respiratory state.
このような診断を行うために必要な、顔や頭部に多数の電極を装着した状態での睡眠の検査は、通常、医療機関に宿泊して、長時間連続して電極を身体に装着して行う検査であり、被測定者(患者)に精神的な負担と肉体的な負担を強いることになる。また、取得したデータは、専門知識と経験を持つ医師が解析して判定する必要があり、睡眠時無呼吸症候群を簡単に判定できるものではないという問題があった。 The sleep test with a large number of electrodes on the face and head, which is necessary for making such a diagnosis, is usually done by staying at a medical institution and wearing the electrodes on the body continuously for a long time. This is a test performed by the patient, which imposes a mental and physical burden on the subject (patient). In addition, the acquired data needs to be analyzed and judged by a doctor with specialized knowledge and experience, and there is a problem that sleep apnea syndrome cannot be easily judged.
睡眠段階の測定に関する問題を解決するために、専門医師による診断を不要とする睡眠段階推定手法は、従来から数多く提案されている。
例えば、特許文献1には、遺伝的アルゴリズムによる学習手法を改良したDatabase-based Compact Genetic Algorithmと称される手法で、マットレス型圧力センサの検出データから睡眠段階を推定する技術が記載されている。この特許文献1に記載された技術は、マットレス型圧力センサが検出した被測定者の体動と心拍に基づいて、睡眠段階を推定するものである。このようなマットレス型圧力センサを使って睡眠段階を推定することで、被測定者に負担を強いることなく、被測定者の睡眠状態を推定することができる。
In order to solve the problem of measuring the sleep stage, many sleep stage estimation methods that do not require diagnosis by a specialist have been proposed.
For example, Patent Document 1 describes a technique for estimating a sleep stage from detection data of a mattress type pressure sensor by a method called Database-based Compact Genetic Algorithm, which is an improvement of a learning method using a genetic algorithm. The technique described in Patent Document 1 estimates the sleep stage based on the body movement and heartbeat of the subject detected by the mattress type pressure sensor. By estimating the sleep stage using such a mattress type pressure sensor, it is possible to estimate the sleep state of the person to be measured without imposing a burden on the person to be measured.
上述したように、無呼吸症候群の患者が睡眠時に無呼吸になる状態は、睡眠段階が覚醒の状態であることが多いため、マットレス型圧力センサの検出データ、つまり体動の検出データを使って睡眠段階を検出することは、無呼吸症候群の判定の一つの指標になる。 As mentioned above, when a patient with apnea syndrome becomes apnea during sleep, the sleep stage is often awake, so the detection data of the mattress type pressure sensor, that is, the detection data of body movement, is used. Detecting the sleep stage is one of the indicators for determining apnea syndrome.
マットレス型圧力センサの検出データから睡眠段階を検出する際には、例えばマットレス型圧力センサの検出データから、特定の閾値を超える体動を検出したとき、睡眠段階が覚醒状態であると判別する処理を行うことが考えられる。正常者の睡眠の場合、このような体動の閾値超えの判別を行うことで、睡眠段階が覚醒か否かを比較的高い精度で判別することができる。 When detecting the sleep stage from the detection data of the mattress type pressure sensor, for example, when a body movement exceeding a specific threshold is detected from the detection data of the mattress type pressure sensor, the process of determining that the sleep stage is in the awake state. It is conceivable to do. In the case of sleep of a normal person, it is possible to determine whether or not the sleep stage is awake with relatively high accuracy by performing such determination of exceeding the threshold value of body movement.
しかしながら、睡眠時無呼吸症候群の患者の場合、体動の変化パターンが正常者の睡眠時とは全く異なる場合があり、正常者の睡眠段階と同じ判別処理を行っても、覚醒と判別できないケースが多々発生する。具体的には、睡眠時無呼吸症候群の患者が無呼吸状態の場合には、睡眠段階が覚醒状態であっても、体幹が動くような大きな体動が殆どない状態で無呼吸となることがあり、閾値を用いた体動の判定では覚醒と検出できないケースが発生してしまう。
したがって、従来提案されているマットレス型圧力センサの検出データから睡眠段階を検出する処理を、睡眠時無呼吸症候群の判定用にそのまま適用することは困難であった。
However, in the case of a patient with sleep apnea syndrome, the change pattern of body movement may be completely different from that of a normal person during sleep, and even if the same discrimination process as the sleep stage of a normal person is performed, it cannot be discriminated as awakening. Occurs a lot. Specifically, when a patient with sleep apnea syndrome is in an apnea state, even if the sleep stage is awake, the patient becomes apnea with almost no large body movement that causes the trunk to move. Therefore, there are cases in which apnea cannot be detected by determining body movement using a threshold.
Therefore, it has been difficult to directly apply the conventionally proposed process of detecting the sleep stage from the detection data of the mattress type pressure sensor for the determination of sleep apnea syndrome.
本発明は、被測定者への負担をかけずに睡眠時無呼吸症候群の判定を行うことが可能な無呼吸症候群判定装置、無呼吸症候群判定方法および無呼吸症候群判定プログラムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an apnea syndrome determination device, an apnea syndrome determination method, and an apnea syndrome determination program capable of determining sleep apnea syndrome without imposing a burden on the subject. And.
第1の発明の睡眠時無呼吸症候群判定装置は、被測定者の睡眠中の体動または圧力変化に基づいた生体振動データを得る生体データ取得部と、生体データ取得部が取得した生体振動データから、一定時間ごとに複数の特徴量を算出する生体データ処理部と、生体データ処理部が算出した複数の特徴量から、睡眠段階を判別するための分岐条件を持った複数の決定木を用いて睡眠段階を判別した後、その判断に使用された決定木の分類基準の組み合わせで得られる判別結果に基づいて、睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定部と、を備える。 The sleep apnea syndrome determining device of the first invention has a biometric data acquisition unit that acquires biovibration data based on the body movement or pressure change during sleep of the subject, and a biovibration data acquired by the biometric data acquisition unit. Therefore, a biometric data processing unit that calculates a plurality of feature quantities at regular intervals and a plurality of decision trees having branching conditions for determining the sleep stage from the plurality of feature quantities calculated by the biometric data processing unit are used. After discriminating the sleep stage, a determination unit for determining sleep apnea syndrome is provided based on the determination result obtained by combining the classification criteria of the decision tree used for the determination.
また、第1の発明の睡眠時無呼吸症候群判定方法は、被測定者の睡眠中の体動または圧力変化に基づいた生体振動データを得る生体データ取得処理と、生体データ取得処理により取得した生体振動データから、一定時間ごとに複数の特徴量を算出する生体データ処理と、生体データ処理で算出した複数の特徴量から、睡眠段階を判別するための分岐条件を持った複数の決定木を用いて睡眠段階を判別した後、その判断に使用された決定木の分類基準の組み合わせで得られる判別結果に基づいて、睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定処理と、を含む。 In addition, the method for determining sleep apnea syndrome of the first invention includes a biological data acquisition process for obtaining biological vibration data based on the body movement or pressure change during sleep of the subject, and a living body acquired by the biological data acquisition process. Using biometric data processing that calculates multiple feature quantities at regular time intervals from vibration data, and multiple decision trees that have branching conditions to determine the sleep stage from multiple feature quantities calculated by biometric data processing. After determining the sleep stage, a determination process for determining sleep apnea syndrome based on the determination result obtained by combining the classification criteria of the decision tree used for the determination is included.
また、第1の発明の睡眠時無呼吸症候群判定プログラムは、上記の第1の睡眠時無呼吸症候群判定方法が行う各処理を手順としてコンピュータに実行させるものである。 In addition, the sleep apnea syndrome determination program of the first invention causes a computer to execute each process performed by the above-mentioned first sleep apnea syndrome determination method as a procedure.
第2の発明の睡眠時無呼吸症候群判定装置は、被測定者の睡眠中の体動または圧力変化に基づいた生体振動データを得る生体データ取得部と、生体データ取得部が取得した生体振動データから、一定時間ごとに生体振動データに含まれる周波数成分のパワースペクトルを算出する生体データ処理部と、生体データ処理部が算出した周波数成分のパワースペクトルについて、それぞれ異なる分岐条件を持った複数の決定木による分類への寄与度を算出し、算出した寄与度に基づいて睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定部と、を備える。 The sleep apnea syndrome determining device of the second invention has a biometric data acquisition unit that acquires biovibration data based on the body movement or pressure change during sleep of the subject, and a biovibration data acquired by the biometric data acquisition unit. From, a plurality of determinations having different branching conditions for the biometric data processing unit that calculates the power spectrum of the frequency component included in the biovibration data at regular intervals and the power spectrum of the frequency component calculated by the biometric data processing unit. It is provided with a determination unit that calculates the contribution to classification by trees and determines sleep apnea syndrome based on the calculated contribution.
また、第2の発明の睡眠時無呼吸症候群判定方法は、被測定者の睡眠中の体動または圧力変化に基づいた生体振動データを得る生体データ取得処理と、生体データ取得処理により取得した生体振動データから、一定時間ごとに生体振動データに含まれる周波数成分のパワースペクトルを算出する生体データ処理と、生体データ処理により算出した周波数成分のパワースペクトルについて、それぞれ異なる分岐条件を持った複数の決定木による分類への寄与度を算出し、算出した寄与度に基づいて睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定処理と、を含む。 Further, the method for determining sleep apnea syndrome of the second invention includes a biological data acquisition process for obtaining biological vibration data based on the body movement or pressure change during sleep of the subject, and a biological data acquisition process for the living body acquired by the biological data acquisition process. Multiple determinations with different branching conditions for the biometric data processing that calculates the power spectrum of the frequency component included in the biovibration data at regular intervals from the vibration data and the power spectrum of the frequency component calculated by the biometric data processing. It includes a determination process for calculating the contribution to classification by trees and determining sleep apnea syndrome based on the calculated contribution.
また、第2の発明の睡眠時無呼吸症候群判定プログラムは、上記の第2の発明の睡眠時無呼吸症候群判定方法が行う各処理を手順としてコンピュータに実行させるものである。 In addition, the sleep apnea syndrome determination program of the second invention causes a computer to execute each process performed by the sleep apnea syndrome determination method of the second invention as a procedure.
本発明によると、被測定者の睡眠中の体動または圧力変化に基づいた生体振動データから、精度の高い睡眠時無呼吸症候群の判定ができるようになる。したがって、マットレス型などの圧力センサを敷いた状態で睡眠するだけで、簡単に精度の高い睡眠時無呼吸症候群の判定ができるようになる。 According to the present invention, it becomes possible to accurately determine sleep apnea syndrome from biological vibration data based on body movements or pressure changes during sleep of a subject. Therefore, it is possible to easily and accurately determine sleep apnea syndrome simply by sleeping with a pressure sensor such as a mattress type.
<1.第1の実施の形態例>
以下、本発明の第1の実施の形態例について、図1〜図12を参照して説明する。
[1−1.睡眠時無呼吸症候群判定装置の構成]
図1は、本実施の形態例の睡眠時無呼吸症候群判定装置10の構成を示すブロック図である。
図2は、本実施の形態例の睡眠時無呼吸症候群判定装置10を使って睡眠時無呼吸症候群の判定を行う状態の例を示す図である。
<1. Example of the first embodiment>
Hereinafter, an example of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 12.
[1-1. Configuration of sleep apnea syndrome determination device]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the sleep apnea syndrome determining device 10 of the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a state in which the sleep apnea syndrome determination device 10 of the present embodiment is used to determine the sleep apnea syndrome.
本実施の形態例の睡眠時無呼吸症候群判定装置10は、被測定者の生体振動(体動)をマットレスセンサ2で圧力データとして取得する。マットレスセンサ2は、例えば図2に示すように、被測定者Aが睡眠を行うベッド1のマットレスの上あるいは下に敷いて、被測定者Aの睡眠中の上半身の生体振動を圧力の変化として検出する。被測定者Aの下側になるマットレスの上にマットレスセンサ2を配置するのは一例であり、例えばマットレスの中にマットレスセンサ2を内蔵させてもよい。
図2では、ベッド1の脇に睡眠時無呼吸症候群判定装置10を設置し、マットレスセンサ2と睡眠時無呼吸症候群判定装置10をケーブルで接続した例を示すが、例えばマットレスセンサ2が取得した圧力データ(生体振動データ)を、無線伝送で別の部屋の睡眠時無呼吸症候群判定装置10に伝送するようにしてもよい。
なお、以下の説明では、マットレスセンサ2が出力する圧力データを、生体振動データと称する。
The sleep apnea syndrome determination device 10 of the embodiment of the present embodiment acquires the biological vibration (body movement) of the person to be measured as pressure data by the mattress sensor 2. As shown in FIG. 2, for example, the mattress sensor 2 is laid on or under the mattress of the bed 1 in which the subject A sleeps, and the biological vibration of the upper body of the subject A during sleep is used as a change in pressure. To detect. The mattress sensor 2 is arranged on the mattress below the person A to be measured as an example. For example, the mattress sensor 2 may be built in the mattress.
FIG. 2 shows an example in which the sleep apnea syndrome determination device 10 is installed beside the bed 1 and the mattress sensor 2 and the sleep apnea syndrome determination device 10 are connected by a cable. For example, the mattress sensor 2 has acquired the device. The pressure data (biological vibration data) may be transmitted to the sleep apnea syndrome determination device 10 in another room by wireless transmission.
In the following description, the pressure data output by the mattress sensor 2 is referred to as biological vibration data.
睡眠時無呼吸症候群判定装置10は、図1に示すように、生体データ取得部11と、生体データ処理部12と、判定部13と、出力部14と、学習部15とを備える。
生体データ取得部11は、マットレスセンサ2が出力する生体振動データを取得する生体データ取得処理を行う。生体データ取得部11が取得した生体振動データは、生体データ処理部12に供給される。
As shown in FIG. 1, the sleep apnea syndrome determination device 10 includes a biological data acquisition unit 11, a biological data processing unit 12, a determination unit 13, an output unit 14, and a learning unit 15.
The biological data acquisition unit 11 performs a biological data acquisition process for acquiring biological vibration data output by the mattress sensor 2. The biological vibration data acquired by the biological data acquisition unit 11 is supplied to the biological data processing unit 12.
生体データ処理部12は、供給される生体振動データをサンプリングしてデジタルデータ化し、そのデジタルデータ化された生体振動データの所定時間ごとの平均値を算出する。例えば、生体データ処理部12は、生体振動データの平均値を1秒ごとに取得する。それぞれの平均値は、同じ期間のデータに対して平均化したものである。 The biological data processing unit 12 samples the supplied biological vibration data and converts it into digital data, and calculates the average value of the digitalized biological vibration data for each predetermined time. For example, the biological data processing unit 12 acquires the average value of the biological vibration data every second. Each average value is an average of the data for the same period.
そして、生体データ処理部12は、所定時間ごとに得られた平均値を演算処理して、複数種類の特徴量を算出する。例えば、1秒ごとの生体振動データの平均値xから、以下に示す複数の特徴量SD、Range、SUM、Square、LC、RMSを、30秒ごとに算出する。以下の説明では、生体データ処理部12は、1秒ごとの生体振動データの平均値xから、30秒ごとに特徴量を求めるものとする。 Then, the biological data processing unit 12 calculates the average value obtained at predetermined time intervals to calculate a plurality of types of feature quantities. For example, from the average value x of the biological vibration data every second, a plurality of feature quantities SD, Range, SUM, Square, LC, and RMS shown below are calculated every 30 seconds. In the following description, it is assumed that the biological data processing unit 12 obtains the feature amount every 30 seconds from the average value x of the biological vibration data every 1 second.
各特徴量について順に説明する。
特徴量SDは、1秒ごとの生体振動データの平均値xの30秒間の分散を示す。
特徴量Rangeは、30秒間の平均値xの最大値と最小値の差を示す。
特徴量SUMは、30秒間の平均値xの積算値である。
特徴量Squareは、30秒間の平均値xの二乗値の積算値である。
特徴量LCは、1秒ごとの生体振動データの平均値xnと、その平均値xnの1つ前(1秒前)の平均値xn−1との差分の、30秒間の積算値である。
特徴量RMSは、30秒間の平均値xの二乗値の積算値を30秒間で平均してルートを求めたものである。
Each feature amount will be described in order.
The feature amount SD shows the variance of the average value x of the biological vibration data every second for 30 seconds.
The feature amount Range indicates the difference between the maximum value and the minimum value of the average value x for 30 seconds.
The feature amount SUM is an integrated value of the average value x for 30 seconds.
The feature amount Square is an integrated value of the squared value of the average value x for 30 seconds.
Feature value LC is the difference between the average values x n of biological vibration data per second, and the average value x n-1 of the previous one of the average value x n (1 second ago), the integrated value of 30 seconds Is.
The feature amount RMS is obtained by averaging the integrated value of the squared value of the average value x for 30 seconds in 30 seconds to obtain the route.
生体データ処理部12で30秒ごとに得られた、これらの特徴量SD、Range、SUM、Square、LC、RMSは、判定部13および学習部15に供給される。
ここで、生体データ処理部12では、30秒ごとの複数の特徴量SD、Range、SUM、Square、LC、RMSを示すデータに対して、睡眠段階を付与するラベリング処理が行われ、そのラベリング処理が行われた特徴量のデータが、判定部13および学習部15に供給される。
ここで付与される睡眠段階は、既に知られた睡眠段階推定手法を適用して、生体振動データから取得したものである。例えば、生体振動データの特定の周波数成分のレベルと閾値とを比較して、判断した睡眠段階を、その期間の特徴量のデータに対して付与する。なお、ここで生体振動データから睡眠段階を判断する処理は、睡眠時無呼吸症候群の患者であることを考慮しない、いわゆる健常者用の睡眠段階の判断処理でよい。
These feature quantities SD, Range, SUM, Square, LC, and RMS obtained by the biological data processing unit 12 every 30 seconds are supplied to the determination unit 13 and the learning unit 15.
Here, the biological data processing unit 12 performs a labeling process for imparting a sleep stage to data indicating a plurality of feature quantities SD, Range, SUM, Square, LC, and RMS every 30 seconds, and the labeling process is performed. The data of the feature amount in which the above is performed is supplied to the determination unit 13 and the learning unit 15.
The sleep stage given here is obtained from the biological vibration data by applying the already known sleep stage estimation method. For example, the level of a specific frequency component of the biological vibration data is compared with the threshold value, and the determined sleep stage is given to the data of the feature amount for that period. Here, the process of determining the sleep stage from the biological vibration data may be a so-called sleep stage determination process for a healthy person, which does not consider the patient with sleep apnea syndrome.
そして、学習部15は、生体データ処理部12で得た生体振動データの特徴量を使って、学習部15が、機械学習の1つであるランダムフォレストを用いて、特徴量のデータから覚醒(WAKE)か否かを分類する複数の決定木を生成する。
学習部15での複数の決定木の生成は、学習フェーズで行われる。学習部15で生成された複数の決定木は、判定フェーズで利用され、判定部13が、複数の決定木を使った判定結果から、睡眠段階を判定して、睡眠時無呼吸症候群か否かを判定する。
Then, the learning unit 15 uses the feature amount of the biological vibration data obtained by the biological data processing unit 12, and the learning unit 15 uses a random forest, which is one of machine learning, to awaken from the feature amount data ( Generate multiple decision trees to classify whether or not it is WAKE).
The generation of the plurality of decision trees in the learning unit 15 is performed in the learning phase. The plurality of decision trees generated by the learning unit 15 are used in the determination phase, and the determination unit 13 determines the sleep stage from the determination results using the plurality of decision trees to determine whether or not it is sleep apnea syndrome. To judge.
また、上述したラベリング処理で、生体データ処理部12が30秒ごとの複数の特徴量に睡眠段階を付与する際には、生体振動データとは全く別のデータの解析で、被測定者の睡眠段階を判断して、対応した期間の特徴量のデータに対して付与するようにしてもよい。例えば、被測定者に取り付けた電極から得たデータや呼吸などを検出するセンサのデータに基づいて、被測定者の睡眠段階を判断してもよい。 Further, in the above-mentioned labeling process, when the biological data processing unit 12 assigns a sleep stage to a plurality of feature quantities every 30 seconds, the sleep of the subject is analyzed by analyzing data completely different from the biological vibration data. The stage may be determined and given to the feature amount data of the corresponding period. For example, the sleep stage of the person to be measured may be determined based on the data obtained from the electrodes attached to the person to be measured and the data of the sensor that detects respiration and the like.
そして、判定フェーズでは、学習部15が学習フェーズで得た複数の決定木を使って、判定部13が、生体データ処理部12で得た生体振動データから、睡眠時無呼吸症候群か否かを判別する。
このときには、生成された複数の決定木で、覚醒(WAKE)と判定されたときのルール、つまり決定木の分類経路を学習部15が抽出し、抽出したルールの種類数によって、判定部13が睡眠時無呼吸症候群か否かを判定する。
Then, in the determination phase, the determination unit 13 uses the plurality of decision trees obtained in the learning phase, and the determination unit 13 determines whether or not it is sleep apnea syndrome from the biological vibration data obtained by the biological data processing unit 12. Determine.
At this time, the learning unit 15 extracts the rule when it is determined to be awake (WAKE) from the generated plurality of decision trees, that is, the classification route of the decision tree, and the determination unit 13 determines the number of types of the extracted rules. Determine if it is sleep apnea syndrome.
出力部14は、判定部13が判定した睡眠時無呼吸症候群か否かの結果を出力する。出力部14は、例えば表示装置により構成され、睡眠時無呼吸症候群の判定結果を表示する。あるいは、出力部14を記録装置として構成して、一晩の睡眠状態などと共に睡眠時無呼吸症候群の判定結果を記録するようにしてもよい。また、出力部14が表示または記録を行う際には、睡眠時無呼吸症候群の判定結果だけでなく、睡眠段階の判定結果の表示または記録を同時に行うようにしてもよい。 The output unit 14 outputs the result of whether or not the sleep apnea syndrome is determined by the determination unit 13. The output unit 14 is composed of, for example, a display device, and displays the determination result of sleep apnea syndrome. Alternatively, the output unit 14 may be configured as a recording device to record the determination result of sleep apnea syndrome together with the overnight sleep state and the like. Further, when the output unit 14 displays or records, not only the determination result of sleep apnea syndrome but also the determination result of the sleep stage may be displayed or recorded at the same time.
[1−2.睡眠時無呼吸症候群判定装置のハードウェア構成例]
図3は、睡眠時無呼吸症候群判定装置10をコンピュータ装置で構成した場合のハードウェア構成例を示す。
コンピュータ装置Cは、バスC8に接続されたCPU(Central Processing Unit:中央処理装置)C1、ROM(Read Only Memory)C2、およびRAM(Random Access Memory)C3を備える。さらに、コンピュータ装置Cは、不揮発性ストレージC4、ネットワークインターフェイスC5、入力装置C6、および表示装置C7を備える。
[1-2. Hardware configuration example of sleep apnea syndrome determination device]
FIG. 3 shows an example of hardware configuration when the sleep apnea syndrome determination device 10 is configured by a computer device.
The computer device C includes a CPU (Central Processing Unit) C1, a ROM (Read Only Memory) C2, and a RAM (Random Access Memory) C3 connected to the bus C8. Further, the computer device C includes a non-volatile storage C4, a network interface C5, an input device C6, and a display device C7.
CPU C1は、睡眠時無呼吸症候群判定装置10の生体データ処理部12や判定部13が備える各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをROM C2から読み出して実行する。圧力データを周波数解析するFFT処理についても、該当する処理を実行するプログラムをROM C2から読み出して、CPU C1が実行する。RAM C3には、演算処理の途中に発生した変数やパラメータ等が一時的に書き込まれる。 The CPU C1 reads out from the ROM C2 a program code of software that realizes each function included in the biological data processing unit 12 and the determination unit 13 of the sleep apnea syndrome determination device 10 and executes the program code. Regarding the FFT process for frequency analysis of pressure data, the CPU C1 reads a program for executing the corresponding process from the ROM C2 and executes it. Variables, parameters, etc. generated during the arithmetic processing are temporarily written in the RAM C3.
不揮発性ストレージC4としては、例えば、HDD(Hard disk drive)、SSD(Solid State Drive)、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリ等が用いられる。この不揮発性ストレージC4には、OS(Operating System)、各種のパラメータの他に、コンピュータ装置Cを睡眠時無呼吸症候群判定装置10として機能させるためのプログラムが記録されている。また、判定部13が判定した睡眠段階についてのデータが、不揮発性ストレージC4に記録される。 As the non-volatile storage C4, for example, HDD (Hard disk drive), SSD (Solid State Drive), flexible disk, optical disk, magneto-optical disk, CD-ROM, CD-R, magnetic tape, non-volatile memory and the like are used. Be done. In this non-volatile storage C4, in addition to the OS (Operating System) and various parameters, a program for causing the computer device C to function as the sleep apnea syndrome determining device 10 is recorded. Further, the data about the sleep stage determined by the determination unit 13 is recorded in the non-volatile storage C4.
ネットワークインターフェイスC5には、例えば、NIC(Network Interface Card)等が用いられ、端子が接続されたLAN(Local Area Network)、専用線等を介して各種のデータを送受信することが可能である。例えば、コンピュータ装置Cは、マットレスセンサ2が出力する圧力データを、ネットワークインターフェイスC5を介して取得する。入力装置C6は、例えばキーボード等の機器で構成され、この入力装置C6により、睡眠時無呼吸症候群判定装置10で睡眠時無呼吸症候群を判定する期間の設定や、判定結果の表示形態の指示等が行われる。表示装置C7には、睡眠時無呼吸症候群判定装置10で睡眠時無呼吸症候群の判定結果が表示される。
なお、睡眠時無呼吸症候群判定装置10を、プログラム(ソフトウェア)の実行で判定装置として機能するコンピュータ装置から構成するのは一例であり、睡眠時無呼吸症候群判定装置10の一部または全ての処理を実行する専用のハードウェアを用意してもよい。
For example, a NIC (Network Interface Card) or the like is used for the network interface C5, and various data can be transmitted / received via a LAN (Local Area Network) to which terminals are connected, a dedicated line, or the like. For example, the computer device C acquires the pressure data output by the mattress sensor 2 via the network interface C5. The input device C6 is composed of a device such as a keyboard, for example, the input device C6 sets a period for determining the sleep apnea syndrome by the sleep apnea syndrome determining device 10, and indicates an instruction of a display form of the determination result. Is done. On the display device C7, the determination result of the sleep apnea syndrome is displayed by the sleep apnea syndrome determination device 10.
In addition, it is an example that the sleep apnea syndrome determination device 10 is composed of a computer device that functions as a determination device by executing a program (software), and a part or all of the processing of the sleep apnea syndrome determination device 10 is performed. You may prepare dedicated hardware to execute.
[1−3.睡眠時無呼吸症候群を判定する原理]
次に、睡眠時無呼吸症候群判定装置10が睡眠時無呼吸症候群を判定する原理について、図4および図5を参照して説明する。
図4は、ある時間の間、健常者が睡眠段階を測定した例(a)と、睡眠時無呼吸症候群の患者が睡眠段階を測定した例(b)を比較した図である。なお、以下の説明では、睡眠時無呼吸症候群の患者は、SAS患者とも称する。
[1-3. Principle for determining sleep apnea syndrome]
Next, the principle of the sleep apnea syndrome determining device 10 for determining the sleep apnea syndrome will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
FIG. 4 is a diagram comparing an example (a) in which a healthy person measured the sleep stage for a certain period of time and an example (b) in which a patient with sleep apnea syndrome measured the sleep stage. In the following description, a patient with sleep apnea syndrome is also referred to as a SAS patient.
図4のそれぞれの例は、横軸が睡眠時間を示し、縦軸が睡眠段階を示す。縦軸の睡眠段階は、最も上側が、最も睡眠段階が浅い覚醒(WAKE)を示し、下側に行くほど、レム睡眠(REM)、ステージ1のノンレム睡眠(NREM1)、ステージ2のノンレム睡眠(NREM2)、ステージ3のノンレム睡眠(NREM3)、ステージ4のノンレム睡眠(NREM4)と順に変化して、深い睡眠段階になることを示す。
但し、図4の例では、(a)に示す健常者と、(b)に示すSAS患者のいずれの場合も、最も深い睡眠段階は、ステージ3のノンレム睡眠(NREM3)であり、ステージ4のノンレム睡眠(NREM4)には到達していない。
図4の健常者(a)とSAS患者(b)とを比較すると判るように、SAS患者は無呼吸が原因での覚醒(WAKE)が多発している。
In each example of FIG. 4, the horizontal axis represents the sleep time and the vertical axis represents the sleep stage. As for the sleep stages on the vertical axis, the uppermost part shows arousal (WAKE) with the lightest sleep stage, and the lower part indicates REM sleep (REM), stage 1 non-REM sleep (NREM1), and stage 2 non-REM sleep (NREM sleep). NREM2), stage 3 non-REM sleep (NREM3), and stage 4 non-REM sleep (NREM4) change in this order, indicating that a deep sleep stage is reached.
However, in the example of FIG. 4, in both the healthy subject shown in (a) and the SAS patient shown in (b), the deepest sleep stage is stage 3 non-REM sleep (NREM3), and stage 4 Non-REM sleep (NREM4) has not been reached.
As can be seen by comparing the healthy subject (a) and the SAS patient (b) in FIG. 4, the SAS patient frequently has awakening (WAKE) due to apnea.
図5は、健常者とSAS患者とで、マットレスセンサ2が出力する生体振動データの相違を示すものである。図5の(a)は、睡眠段階が覚醒(WAKE)時に、健常者に多く現れる生体振動データの例である。図5の(b)は、睡眠段階が覚醒(WAKE)時に、SAS患者に多く現れる生体振動データの例を示す。図5に示す各特性のグラフの横軸は時間、縦軸は生体振動のレベルを示す。 FIG. 5 shows the difference in the biological vibration data output by the mattress sensor 2 between a healthy person and a SAS patient. FIG. 5A is an example of biological vibration data that often appears in healthy subjects when the sleep stage is awake (WAKE). FIG. 5B shows an example of biological vibration data that frequently appears in SAS patients when the sleep stage is awake (WAKE). The horizontal axis of the graph of each characteristic shown in FIG. 5 is time, and the vertical axis is the level of biological vibration.
健常者の場合、図5の(a)に示すように、睡眠段階が覚醒(WAKE)時には、寝返り等の体動に連動して、一時的に比較的高いレベルの生体振動が検出されることが多い。例えば、図5の(a)の左側に示す特性は、大きな寝返りがあった場合であり、図5の(a)の右側に示す特性は、比較的小さな体の動きがあった場合である。
一方、SAS患者の場合、睡眠段階が覚醒(WAKE)時には、様々な変化状態の生体振動が検出される。すなわち、図5の(b)の左端の特性で示すように、健常者と同様な一時的に高いレベルの生体振動となることもあるが、図5の(b)の右側の3つの特性で示すように、無呼吸による小さな体動が検出される。
SAS患者の場合、覚醒(WAKE)時には、舌が気道を塞ぐことにより無呼吸が起こり、その影響が拍動(心拍)の変化に現れる。そして、健常者では検出されない無呼吸による小さな体動が周期的に検出される。但し、図5の(b)の右端に示すように、健常者と同等の動きが覚醒(WAKE)時に検出される場合もある。
In the case of a healthy person, as shown in FIG. 5A, when the sleep stage is awake (WAKE), a relatively high level of biological vibration is temporarily detected in conjunction with body movements such as turning over. There are many. For example, the characteristic shown on the left side of FIG. 5A is when there is a large turnover, and the characteristic shown on the right side of FIG. 5A is when there is a relatively small body movement.
On the other hand, in the case of SAS patients, when the sleep stage is awake (WAKE), biological vibrations in various changing states are detected. That is, as shown by the characteristics at the left end of FIG. 5 (b), the biological vibration may be temporarily at a high level similar to that of a healthy person, but the three characteristics on the right side of FIG. 5 (b) As shown, small movements due to apnea are detected.
In the case of SAS patients, during awakening (WAKE), the tongue blocks the airways, causing apnea, the effect of which is manifested in changes in beating (heartbeat). Then, small body movements due to apnea, which are not detected in healthy subjects, are periodically detected. However, as shown at the right end of FIG. 5B, movements equivalent to those of a healthy person may be detected during awakening (WAKE).
本実施の形態例では、このような図5の(a)に示す健常者の覚醒(WAKE)時における生体振動と、図5の(b)に示すようなSAS患者の覚醒(WAKE)時における様々な生体振動とを、ランダムフォレストを利用した学習処理で区別することで、睡眠時無呼吸症候群の判定を行うものである。 In the example of the present embodiment, the biological vibration at the time of awakening (WAKE) of a healthy person shown in FIG. 5 (a) and the biological vibration at the time of awakening (WAKE) of a SAS patient as shown in FIG. 5 (b). By distinguishing various biological vibrations by learning processing using a random forest, sleep apnea syndrome is determined.
[1−4.睡眠時無呼吸症候群の判定処理の流れ]
図6は、本実施の形態例の睡眠時無呼吸症候群判定装置10が睡眠時無呼吸症候群を判定する処理の流れを示すフローチャートである。
睡眠時無呼吸症候群を判定する際には、最初に、図6の(a)に示す学習フェーズで学習を行って、ランダムフォレストモデルを構築する処理が行われる。その後、図6の(b)に示す判定フェーズで、被測定者の生体振動を取得して、ランダムフォレストモデルを使って、睡眠時無呼吸症候群を判定する処理が行われる。
まず、図6の(a)に示す学習フェーズについて説明すると、生体データ取得部11が被測定者の睡眠中の生体振動データの取得を開始し、生体データ処理部12は、一定時間ta秒ごとに、マットレスセンサ2が出力する生体振動データ(圧力データ)の平均値を算出し、算出した平均値を記録する(ステップS11)。ここでのta秒は、例えば1秒とする。
[1-4. Flow of determination process for sleep apnea syndrome]
FIG. 6 is a flowchart showing a flow of a process in which the sleep apnea syndrome determining device 10 of the present embodiment determines the sleep apnea syndrome.
When determining sleep apnea syndrome, first, learning is performed in the learning phase shown in FIG. 6A, and a process of constructing a random forest model is performed. Then, in the determination phase shown in FIG. 6B, the biological vibration of the person to be measured is acquired, and a process for determining sleep apnea syndrome is performed using a random forest model.
First, the learning phase shown in FIG. 6A will be described. The biological data acquisition unit 11 starts acquiring the biological vibration data during sleep of the subject, and the biological data processing unit 12 starts acquiring the biological vibration data during sleep, and the biological data processing unit 12 starts every ta seconds for a certain period of time. The average value of the biological vibration data (pressure data) output by the mattress sensor 2 is calculated, and the calculated average value is recorded (step S11). The ta second here is, for example, 1 second.
そして、生体データ処理部12は、ta秒ごとの平均値から、tb秒ごとに複数の特徴量を算出する(ステップS12)。tb秒は、ta秒よりも十分に長い時間であり、例えば30秒とする。ここでの複数の特徴量の一例としては、先に説明した分散量を示す特徴量SD、最大値と最小値の差の特徴量Range、積算値の特徴量SUM、積算値の二乗の特徴量Square、ta秒ごとの生体振動データの平均値xnとその平均値xの1つ前の平均値xn−1との差分の積算値LC、ta秒間ごとの平均値の二乗値の積算値をtb秒間で平均してルートを求めた値であるRMSがある。 Then, the biological data processing unit 12 calculates a plurality of feature quantities every tb second from the average value every ta seconds (step S12). The tb second is a time sufficiently longer than the ta second, for example, 30 seconds. As an example of a plurality of feature amounts here, the feature amount SD indicating the dispersion amount described above, the feature amount Range of the difference between the maximum value and the minimum value, the feature amount SUM of the integrated value, and the feature amount of the square of the integrated value are used. Square, the integrated value of the difference between the average values x n of biological vibration data for each ta seconds and the average value x n-1 of the previous one of the average value x LC, the integrated value of the square of the mean value for each ta seconds There is an RMS which is a value obtained by averaging the roots in tb seconds.
次に、生体データ処理部12は、tb秒ごとの特徴量のデータに対して、該当する特徴量の生体振動データを取得した期間での被測定者の睡眠段階のデータを取る。ここで、被測定者の睡眠段階のデータは、生体データ処理部12による生体振動データの解析から取得される。あるいは、睡眠時無呼吸症候群判定装置10とは別の測定装置を使って、被測定者の睡眠段階のデータを取得してもよい。
このようにして被測定者の睡眠段階のデータを取得すると、生体データ処理部12は、tb秒ごとの特徴量のデータに、睡眠段階を付与するラベリング処理を行う(ステップS13)。ここでのラベリング処理で付与する睡眠段階は、少なくとも睡眠段階が、覚醒(WAKE)か、または覚醒以外(Non−WAKE)かの2段階である。
生体データ処理部12で得られた睡眠段階がラベリングされた特徴量のデータは、学習部15に送られる。
Next, the biological data processing unit 12 collects data on the sleep stage of the subject during the period in which the biological vibration data of the corresponding feature amount is acquired with respect to the feature amount data every tb seconds. Here, the data of the sleep stage of the person to be measured is acquired from the analysis of the biological vibration data by the biological data processing unit 12. Alternatively, data on the sleep stage of the subject may be acquired using a measuring device different from the sleep apnea syndrome determining device 10.
When the data of the sleep stage of the person to be measured is acquired in this way, the biological data processing unit 12 performs a labeling process for imparting a sleep stage to the data of the feature amount every tb seconds (step S13). The sleep stage imparted by the labeling process here is at least two stages, that is, the sleep stage is awakening (WAKE) or non-awakening (Non-WAKE).
The feature amount data obtained by the biological data processing unit 12 and labeled with the sleep stage is sent to the learning unit 15.
そして、学習部15は、機械学習の1つであるランダムフォレストモデル(RFモデル)を用いた学習で、複数の特徴量から睡眠段階を判定するための、それぞれ異なる分岐条件を持った複数の決定木を構築する(ステップS14)。ここで、複数の決定木を構築する際には、それぞれの決定木の深さ(分岐条件の段階数)と、構築する決定木の数を予め決めておく。例えば、決定木の深さ(分岐数)を10段階、構築する決定木の数を300本とする。
また、分岐条件を決める際には、2つに分岐する処理を、例えばジニ係数と称される指標を使って、覚醒(WAKE)と覚醒以外(Non−WAKE)の2つに大きく分かれるような条件とする。
また、学習部15が、複数の決定木の組み合わせの学習を行う際には、複数の特徴量の組み合わせの種類数と、特徴量の重要度と、各特徴量の出現回数とを判断して行う。例えば、睡眠時無呼吸症候群を判定する上で、どの特徴量を使うのが重要かを学習する。
ここまでが学習フェーズで行われ、学習部15は、構築したランダムフォレストモデル(RFモデル)を記憶する。
Then, the learning unit 15 learns using a random forest model (RF model), which is one of machine learning, and makes a plurality of decisions having different branching conditions for determining the sleep stage from a plurality of features. Build a tree (step S14). Here, when constructing a plurality of decision trees, the depth of each decision tree (the number of stages of branching conditions) and the number of decision trees to be constructed are determined in advance. For example, the depth (number of branches) of the decision tree is 10 steps, and the number of decision trees to be constructed is 300.
In addition, when determining the branching condition, the process of branching into two is roughly divided into two, for example, awakening (WAKE) and non-awakening (Non-WAKE) using an index called the Gini coefficient. It is a condition.
Further, when the learning unit 15 learns a combination of a plurality of decision trees, it determines the number of types of combinations of the plurality of feature quantities, the importance of the feature quantities, and the number of appearances of each feature quantity. Do. For example, learn which features are important for determining sleep apnea syndrome.
This is done in the learning phase, and the learning unit 15 stores the constructed random forest model (RF model).
次に、図6の(b)に示す判定フェーズでの、被測定者の生体振動から睡眠時無呼吸症候群を判定する処理の流れを説明する。
判定フェーズでは、学習フェーズと同様に、ステップS11でのta秒ごとの被測定者の生体振動の取得処理と、ステップS12でのtb秒間ごとの特徴量の算出処理が行われる。
その後、判定部13は、学習フェーズでのステップS14で学習部15が生成したランダムフォレストモデルの複数の決定木に、覚醒(WAKE)とラベリング処理が行われた特徴量のデータを入力する(ステップS15)。
この複数の決定木に入力されたデータに基づいて、判定部13は、各特徴量のデータの分類処理が行われ、分岐結果が覚醒(WAKE)となる際に使用された経路(根ノードから葉ノードまでの一連の特徴量)を抽出する(ステップS16)。このとき、判定部13は、決定木の各分岐時においてどの種類の特徴量のデータを用いていずれに分岐するかを判断したのかに基づいて、特徴量の種類ごとに判断回数をカウントする。
Next, the flow of the process of determining sleep apnea syndrome from the biological vibration of the subject in the determination phase shown in FIG. 6B will be described.
In the determination phase, as in the learning phase, the acquisition process of the biological vibration of the subject every ta seconds in step S11 and the calculation process of the feature amount every tb seconds in step S12 are performed.
After that, the determination unit 13 inputs the data of the feature amount subjected to the awakening (WAKE) and the labeling process into the plurality of decision trees of the random forest model generated by the learning unit 15 in step S14 in the learning phase (step). S15).
Based on the data input to the plurality of decision trees, the determination unit 13 classifies the data of each feature amount, and the route (from the root node) used when the branch result becomes awakening (WAKE). A series of features up to the leaf node) is extracted (step S16). At this time, the determination unit 13 counts the number of determinations for each type of feature amount based on which type of feature amount data is used to determine which type of feature amount to branch at each branch of the decision tree.
さらに、判定部13は、ステップS16で抽出された経路の各分岐で使用した特徴量を比較して、特徴量の種類と数で、被測定者がSAS患者か否かを判定する(ステップS17)。ここでの特徴の比較とは、例えば上述した複数の特徴量SD、Range、SUM、Square、LC、RMSの各々を分岐時に判断した回数(出現回数)、分岐時に判断した特徴量の種類の合計の数、などがある。出現回数については、全ての特徴量の出現回数を判断してもよいが、複数の種類の特徴量の内で重要と思われる特徴量を判断した回数を、SAS患者か否かを判定する上で優先して扱う、などの様々な条件を付けて、判別に使用された決定木を使って分類した際の分類基準の組み合わせを設定することが考えられる。
特徴の数の多数決で判定する具体例については後述する。そして、出力部14が、ステップS17での判定結果を出力する。
Further, the determination unit 13 compares the feature amounts used in each branch of the route extracted in step S16, and determines whether or not the subject is a SAS patient based on the type and number of feature amounts (step S17). ). The feature comparison here is, for example, the number of times each of the above-mentioned plurality of feature quantities SD, Range, SUM, Square, LC, and RMS is determined at the time of branching (number of appearances), and the total of the types of feature quantities determined at the time of branching. There are a number of, etc. Regarding the number of appearances, the number of appearances of all the feature amounts may be determined, but the number of times the feature amount considered to be important among a plurality of types of feature amounts is determined is used to determine whether or not the patient is a SAS patient. It is conceivable to set a combination of classification criteria when classifying using the decision tree used for discrimination, with various conditions such as preferential treatment in.
A specific example of determining by majority voting of the number of features will be described later. Then, the output unit 14 outputs the determination result in step S17.
[1−5.判別処理の詳細]
次に、図6のフローチャートに示す流れの各処理の詳細について、図7〜図12を参照して説明する。
図7は、睡眠時無呼吸症候群の患者(SAS患者)の生体振動データの例を示す。図7の横軸は時間であり、図7の(a)は長時間の測定データを示し、図7の(b)は、その長時間の測定データの一部の区間を拡大して示す。
[1-5. Details of discrimination processing]
Next, details of each process of the flow shown in the flowchart of FIG. 6 will be described with reference to FIGS. 7 to 12.
FIG. 7 shows an example of biovibration data of a patient with sleep apnea syndrome (SAS patient). The horizontal axis of FIG. 7 is time, FIG. 7 (a) shows long-term measurement data, and FIG. 7 (b) shows a part of the long-time measurement data in an enlarged manner.
図7の(a),(b)に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は、6段階の睡眠段階の変化PSGと、生体振動データのレベルMを示す。6段階の睡眠段階の変化PSGは、本実施の形態例の睡眠時無呼吸症候群判定装置10とは別の測定装置で、睡眠ポリグラフ検査法(polysomnography)によって、被測定者の睡眠段階を計測したものである。ここでは、この6段階の睡眠段階の変化PSGを、正解の睡眠段階とも称する。
図7に示す6段階の睡眠段階は、上側から順に、覚醒(W)、レム睡眠(R)、ノンレム睡眠のステージ1(NR1)、ノンレム睡眠のステージ2(NR2)、ノンレム睡眠のステージ3(NR3)、ノンレム睡眠のステージ4(NR4)である。
The horizontal axis of the graphs shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b) is time, and the vertical axis shows the 6-step sleep stage change PSG and the level M of the biological vibration data. The 6-step change in sleep stage PSG was a measuring device different from the sleep apnea syndrome determination device 10 of the present embodiment, and the sleep stage of the subject was measured by a polysomnography method. It is a thing. Here, the change PSG of the six sleep stages is also referred to as the correct sleep stage.
The six sleep stages shown in FIG. 7 are, in order from the top, awakening (W), REM sleep (R), non-REM sleep stage 1 (NR1), non-REM sleep stage 2 (NR2), and non-REM sleep stage 3 ( NR3), stage 4 of non-REM sleep (NR4).
図7の(a),(b)に示す生体振動データのレベルMは、体動などで高くなるが、例えば健常者の場合には、閾値TH1をレベルMが超えたとき、睡眠段階が覚醒であると判別することができる。
ところが、図7の例は、SAS患者の生体振動データであり、図5で説明したように、生体振動データが低い状態であっても、睡眠段階が覚醒となることがある。
The level M of the biological vibration data shown in FIGS. 7A and 7 increases due to body movement or the like. For example, in the case of a healthy person, when the level M exceeds the threshold value TH1, the sleep stage awakens. Can be determined to be.
However, the example of FIG. 7 is the biological vibration data of the SAS patient, and as described with reference to FIG. 5, the sleep stage may be awake even when the biological vibration data is low.
図7の(a)の覚醒(W)の箇所に、丸の印(○)を付けた箇所は、正解の睡眠段階PSGで覚醒(W)が検出された箇所が、生体振動データのレベルMと閾値TH1との比較でも、覚醒(W)と判別された箇所である。
一方、図7の(a)の覚醒(W)の箇所に、バツの印(×)を付けた箇所は、正解の睡眠段階PSGで覚醒(W)が検出された箇所が、生体振動データのレベルMと閾値TH1との比較で、覚醒(W)と判別されなかった箇所である。
この図7の(a)に示すように、SAS患者の場合、睡眠段階が覚醒(W)であっても、多様な生体振動状態が存在する。
本実施の形態では、ランダムフォレストモデルでの学習で、この多様な生体振動状態を捉えるようにして、SAS患者か否かを判別するようにしたものである。
The part marked with a circle (○) in the part of (a) in FIG. 7 (a) is the part where awakening (W) is detected in the correct sleep stage PSG, and the part where awakening (W) is detected is the level M of the biological vibration data. Also in comparison with the threshold value TH1, it is a place determined to be awakening (W).
On the other hand, the part marked with a cross (x) in the part of the awakening (W) in FIG. 7A is the part where the awakening (W) was detected in the correct sleep stage PSG, and the part of the biological vibration data. This is a portion that was not determined to be awakening (W) in the comparison between the level M and the threshold value TH1.
As shown in FIG. 7A, in the case of the SAS patient, various biological vibration states exist even if the sleep stage is awakening (W).
In the present embodiment, learning with a random forest model is performed so as to capture these various biological vibration states and determine whether or not the patient is a SAS patient.
図8は、ランダムフォレストモデルの決定木の概要を示す。
ランダムフォレストモデルの決定木は、学習データ集合Sから、部分集合S1,S2,・・・,SNtreeをランダムに抽出することで構築される。SNtreeは、構築される決定木の数である。決定木の分岐箇所に示すyiは、i番目の特徴量を示す。すなわち、分岐箇所では、複数個の特徴量の内のどの特徴量を判断するのかを示す。
複数の決定木は、データを部分的に学習することで、決定木ごとに異なる学習を行うデータとなっており、複数のルールを生成したことになる。つまり、SAS患者の場合における多様な覚醒時の生体振動データの波形を捉えることになる。
FIG. 8 shows an outline of the decision tree of the random forest model.
The decision tree of the random forest model is constructed by randomly extracting the subsets S 1 , S 2 , ..., S N tree from the training data set S. SNtree is the number of decision trees to be constructed. The y i shown at the branch point of the decision tree indicates the i-th feature quantity. That is, at the branching point, which of the plurality of feature quantities is to be determined is shown.
The plurality of decision trees are data that perform different learning for each decision tree by partially learning the data, which means that a plurality of rules are generated. That is, the waveforms of various awakening biological vibration data in the case of SAS patients are captured.
図8の例について説明すると、例えば図8の左端に示す部分集合S1の決定木としては、最初の分岐で、特徴量y8が1未満か否かが判断され、特徴量y8が1未満である(True)とき、次の分岐で、特徴量y7が6未満か否かが判断される。そして、この判断で、特徴量y7が6未満のものが、睡眠段階が覚醒(W)のもの(○印)と、睡眠段階が覚醒(W)以外のもの(×印)に分離される。
また、特徴量y8が1未満でない場合(False)には、次の分岐で、特徴量y2が8未満か否かが判断される。そして、この判断で、特徴量y2が8未満のものが、睡眠段階が覚醒(W)のもの(○印)と、睡眠段階が覚醒(W)以外のもの(×印)に分離される。
このようにして、それぞれの決定木の最終的な分岐で、睡眠段階が覚醒(W)のもの(○印)と、睡眠段階が覚醒(W)以外のもの(×印)に分離されて行く。なお、図8の例では、説明を簡単にするために分岐箇所が2つのものを示すが、これは一例であり、1つの決定木がより多くの分岐箇所を持ってもよい。
Referring to the example of FIG. 8, as for example decision tree subset S 1 shown in the left end of FIG. 8, the first branch, the feature y 8 is whether less than 1 is determined, the feature y 8 1 When it is less than (True), it is determined at the next branch whether or not the feature amount y 7 is less than 6. Then, according to this judgment, those having a feature amount y 7 of less than 6 are separated into those whose sleep stage is awake (W) (marked with a circle) and those whose sleep stage is other than awakening (W) (marked with a cross). ..
If the feature amount y 8 is not less than 1 (False), it is determined in the next branch whether or not the feature amount y 2 is less than 8. Then, in this judgment, those having a feature amount y 2 of less than 8 are separated into those whose sleep stage is awake (W) (marked with a circle) and those whose sleep stage is other than awakening (W) (marked with a cross). ..
In this way, at the final branch of each decision tree, the sleep stage is separated into those with awakening (W) (marked with a circle) and those with a sleep stage other than awakening (marked with a circle) (marked with a cross). .. In the example of FIG. 8, two branch points are shown for the sake of simplicity, but this is an example, and one decision tree may have more branch points.
ここで、このように複数の決定木が構築されるとき、決定木で分岐する際の条件に使用した特徴量の寄与度を算出する。
特徴量の寄与度Imp(y)は、例えば次の式で算出される。
Here, when a plurality of decision trees are constructed in this way, the contribution of the feature amount used as a condition for branching at the decision tree is calculated.
The contribution Imp (y) of the feature amount is calculated by, for example, the following formula.
[数1]式において、yiはi番目の特徴量、Ntreeは決定木の数、Δ(Tj(yi))は、決定木Tjにおける特徴量yiを用いたノードとそのノードの分岐後のジニ係数の差を示す。
ここでのジニ係数は、図8に示すように、該当する分岐点で分岐したことで、睡眠段階が覚醒のもの(○印)と、睡眠段階が覚醒(W)以外のもの(×印)に明確に分離されるとき高くし、そうでない場合に低くする係数値である。ここでの睡眠段階は、図6のステップS13でラベリングした睡眠段階を利用する。
In the equation [Equation 1], y i is the i-th feature quantity, N tree is the number of decision trees, and Δ (T j (y i )) is the node using the feature quantity y i in the decision tree T j and its node. The difference in Gini coefficient after the branch of the node is shown.
As shown in FIG. 8, the Gini coefficient here is that the sleep stage is awake (○ mark) and the sleep stage is other than awakening (W) (x mark) by branching at the corresponding branch point. It is a coefficient value that is high when it is clearly separated into, and low when it is not. As the sleep stage here, the sleep stage labeled in step S13 of FIG. 6 is used.
ジニ係数の差が大きいとき、図8の左下に示すように、該当する分岐点での分岐で、睡眠段階が覚醒のもの(○印)と、睡眠段階が覚醒(W)以外のもの(×印)に明確に分離される状態を示す。
一方、ジニ係数の差が小さいとき、図8の左下に示すように、該当する分岐点での分岐で、睡眠段階が覚醒のもの(○印)と、睡眠段階が覚醒(W)以外のもの(×印)に明確に分離される状態を示す。
When the difference in Gini coefficient is large, as shown in the lower left of FIG. 8, at the corresponding branch point, the sleep stage is awake (○ mark) and the sleep stage is other than awakening (W) (×). Mark) shows the state of clear separation.
On the other hand, when the difference in Gini coefficient is small, as shown in the lower left of FIG. 8, the branch at the corresponding branch point, the sleep stage is awake (○ mark) and the sleep stage is other than awake (W). (X mark) indicates the state of clear separation.
このようにして、ジニ係数の差に基づいて、睡眠段階が覚醒のものと覚醒以外のものに判別するために必要な特徴量の寄与度を、それぞれの特徴量ごとに算出することで、どの特徴量を使った分岐を行う決定木を利用することが、睡眠段階が覚醒か否かを判別できるのか判るようになる。 In this way, by calculating the contribution of the features required to distinguish between awake and non-awakening sleep stages based on the difference in Gini coefficient, for each feature, which By using a decision tree that branches using features, it becomes possible to determine whether or not the sleep stage is awake.
次に、生体振動データから特徴量の寄与度の判別を使った判定の流れを、図9〜図11を参照して説明する。
図9は、1人の被測定者の睡眠開始(入眠)から起床までの数時間の生体振動データの波形の例を示す。
本実施の形態例の場合、図9に示すような数時間の生体振動データから、30秒間ごとに特徴量を算出する処理が行われる。例えば、特徴量SD、Range、SUM、Square、LC、RMSを、30秒ごとに算出する。
そして、30秒ごとの各特徴量を示すデータに、その時点での睡眠段階(WAKEまたはNon−WALKE)をラベリングする処理が行われる。
Next, the flow of determination using the determination of the contribution of the feature amount from the biological vibration data will be described with reference to FIGS. 9 to 11.
FIG. 9 shows an example of the waveform of the biological vibration data for several hours from the start of sleep (falling asleep) to waking up of one subject.
In the case of the present embodiment, a process of calculating the feature amount every 30 seconds is performed from the biological vibration data for several hours as shown in FIG. For example, the feature quantities SD, Range, SUM, Square, LC, and RMS are calculated every 30 seconds.
Then, a process of labeling the sleep stage (WAKE or Non-WALKE) at that time is performed on the data showing each feature amount every 30 seconds.
次に、図10に示すように、睡眠段階がラベリングされた30秒ごとの各特徴量を示すデータから、ランダムフォレストモデル(RFモデル)の決定木を構築する処理が行われる。
このとき、各決定木の深さ(分岐数)と、構築する決定木の合計数を予め決めておく。例えば、決定木の深さを10段階、決定木の合計数を300とする。
Next, as shown in FIG. 10, a process of constructing a decision tree of a random forest model (RF model) is performed from the data showing each feature amount every 30 seconds in which the sleep stage is labeled.
At this time, the depth (number of branches) of each decision tree and the total number of decision trees to be constructed are determined in advance. For example, the depth of the decision tree is 10 steps, and the total number of decision trees is 300.
そして、構築したランダムフォレストモデル(RFモデル)の複数の決定木に、睡眠段階が覚醒(WAKE)にラベリングされた特徴量のデータを入力する。 Then, the feature data whose sleep stage is labeled as awakening (WAKE) is input to a plurality of decision trees of the constructed random forest model (RF model).
次に、図11に示すように、各決定木で、覚醒(WAKE)と分類する際に通過した決定木の経路を抽出し、1つの決定木の経路の途中で分岐を判断した特徴量の組み合わせを、種類ごとにカウントする。
図11の下側に示す特徴量ごとに示す値は、そのカウント値の一例である。
例えば、図11の例では、特徴量SD,SUMの組み合わせが80回、特徴量LC,RMSの組み合わせが100回、特徴量SD,Rangeの組み合わせが8回、特徴量Square,SUMの組み合わせが79回、・・・とカウントする。なお、ここで、10回を超えた組み合わせを1個とカウントする。そして、例えば、経路の特徴量の組み合わせの種類のカウント数が閾値を超えるとき、SAS患者であると判別する。
Next, as shown in FIG. 11, for each decision tree, the path of the decision tree passed when classifying as awakening (WAKE) is extracted, and the feature amount for which branching is determined in the middle of the path of one decision tree is determined. Count the combinations by type.
The values shown for each feature amount shown on the lower side of FIG. 11 are examples of the count values.
For example, in the example of FIG. 11, the combination of the feature amount SD and SUM is 80 times, the combination of the feature amount LC and RMS is 100 times, the combination of the feature amount SD and Range is 8 times, and the combination of the feature amount Square and SUM is 79 times. Count times, ... Here, a combination exceeding 10 times is counted as one. Then, for example, when the count number of the combination of the feature amounts of the pathway exceeds the threshold value, the patient is determined to be a SAS patient.
図12は、本実施の形態例によるSAS患者か否かの判別結果の一例を示す。図12の縦軸は、経路の特徴量の組み合わせの種類のカウント数を示している。
図12の例は、9名のSAS患者A,B,C,・・・,Iと、9名の健常者(SAS患者でない者)a,b,c,・・・,iとを判定した結果である。図12に示す18名の内で、×印を付与した者は、正しく判定できなかった場合を示している。
図12では、経路の特徴量の組み合わせの種類のカウント数が100を閾値とし、カウント数が100以上であるとき、SAS患者であると判別し、カウント数が100未満のとき、SAS患者でないと判別している。
FIG. 12 shows an example of the determination result of whether or not the patient is a SAS patient according to the example of the present embodiment. The vertical axis of FIG. 12 shows the number of counts of the types of combinations of the feature amounts of the routes.
In the example of FIG. 12, 9 SAS patients A, B, C, ..., I and 9 healthy subjects (non-SAS patients) a, b, c, ..., I were determined. The result. Among the 18 persons shown in FIG. 12, the persons marked with x indicate the case where the determination could not be made correctly.
In FIG. 12, the threshold value of the count number of the combination of the feature amounts of the route is 100, and when the count number is 100 or more, it is determined to be a SAS patient, and when the count number is less than 100, it is not a SAS patient. It is discriminating.
本実施の形態例の場合、図12から判るように、SAS患者9名の内で、6名をSAS患者であると正しく判別することができ、3名をSAS患者でないと誤判定した。一方、健常者については、7名を健常者と正しく判定し、2名をSAS患者と誤判定した。
この図12から判るように、高い精度でSAS患者か否かを判別することができる。なお、図12に示す結果は判定についての1つのシミュレーション結果であり、決定木による学習を繰り返すことで、判定の精度をより高くすることができるようになる。
In the case of the present embodiment, as can be seen from FIG. 12, 6 out of 9 SAS patients could be correctly determined to be SAS patients, and 3 were erroneously determined not to be SAS patients. On the other hand, as for healthy subjects, 7 patients were correctly determined to be healthy subjects, and 2 patients were erroneously determined to be SAS patients.
As can be seen from FIG. 12, it is possible to determine with high accuracy whether or not the patient is a SAS patient. The result shown in FIG. 12 is one simulation result for the determination, and the accuracy of the determination can be further improved by repeating the learning by the decision tree.
<2.第2の実施の形態例>
以下、本発明の第2の実施の形態例について、図13〜図19を参照して説明する。
第2の実施の形態例においても、睡眠時無呼吸症候群判定装置10の構成については、第1の実施の形態例で図1〜図3で説明した構成をそのまま適用する。
本実施の形態例では、睡眠時無呼吸症候群判定装置10の生体データ処理部12での生体データ処理、判定部13での判定処理、及び学習部15での学習処理が、第1の実施の形態例と異なる。
<2. Example of the second embodiment>
Hereinafter, examples of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13 to 19.
Also in the second embodiment, the configuration described in FIGS. 1 to 3 in the first embodiment is applied as it is to the configuration of the sleep apnea syndrome determining device 10.
In the embodiment of the present embodiment, the biological data processing in the biological data processing unit 12 of the sleep apnea syndrome determination device 10, the determination processing in the determination unit 13, and the learning processing in the learning unit 15 are the first embodiments. It is different from the morphological example.
[2−1.睡眠段階判定処理の流れ]
図13は、本実施の形態例の睡眠時無呼吸症候群判定装置10が睡眠時無呼吸症候群を判定する処理の流れを示すフローチャートである。
睡眠時無呼吸症候群を判定する際には、最初に、図13の(a)に示す学習フェーズで学習を行って、ランダムフォレストモデルを構築する処理が行われる。その後、図13の(b)に示す判定フェーズで、被測定者の生体振動を取得して、ランダムフォレストモデルを使って、睡眠時無呼吸症候群を判定する処理が行われる。
まず、図13の(a)に示す学習フェーズについて説明すると、生体データ取得部11が被測定者の睡眠中の生体振動データの取得を開始し、生体データ処理部12は、一定時間tc秒ごとに、マットレスセンサ2が出力する生体振動データ(圧力データ)を取得し、取得した生体振動データを記録する。ここでのtc秒は、例えば1秒とする。
ここで、生体振動データをtc秒ごと(1秒ごと)に算出する際には、過去の所定時間(例えば64秒間)の生体振動データをフーリエ変換して、所定時間での周波数ごとのパワースペクトルを算出する(ステップS21)。
[2-1. Flow of sleep stage determination process]
FIG. 13 is a flowchart showing a flow of a process in which the sleep apnea syndrome determining device 10 of the present embodiment determines the sleep apnea syndrome.
When determining sleep apnea syndrome, first, learning is performed in the learning phase shown in FIG. 13A, and a process of constructing a random forest model is performed. Then, in the determination phase shown in FIG. 13 (b), the biological vibration of the person to be measured is acquired, and a process for determining sleep apnea syndrome is performed using a random forest model.
First, the learning phase shown in FIG. 13A will be described. The biometric data acquisition unit 11 starts acquiring the biovibration data during sleep of the subject, and the biometric data processing unit 12 starts acquiring the biovibration data during sleep, and the biometric data processing unit 12 starts every tk seconds for a certain period of time. The biological vibration data (pressure data) output by the mattress sensor 2 is acquired, and the acquired biological vibration data is recorded. The tc second here is, for example, 1 second.
Here, when calculating the biological vibration data every tk seconds (every 1 second), the biological vibration data of the past predetermined time (for example, 64 seconds) is Fourier transformed, and the power spectrum for each frequency at the predetermined time. Is calculated (step S21).
そして、生体データ処理部12は、フーリエ変換した周波数ごとのパワースペクトルのデータに、睡眠段階をラベリングする(ステップS22)。ここでのラベリング処理で付与する睡眠段階は、少なくとも睡眠段階が、覚醒(WAKE)か、または覚醒以外(Non−WAKE)かの2段階である。このラベリングする睡眠段階は、第1の実施の形態例でラベリングした睡眠段階と同様に、生体データ処理部12による生体振動データの解析から取得される。あるいは、睡眠時無呼吸症候群判定装置10とは別の測定装置を使って、被測定者の睡眠段階のデータを取得してもよい。
生体データ処理部12で得られた睡眠段階がラベリングされたパワースペクトルのデータは、学習部15に送られる。
Then, the biological data processing unit 12 labels the sleep stage on the data of the power spectrum for each frequency subjected to the Fourier transform (step S22). The sleep stage imparted by the labeling process here is at least two stages, that is, the sleep stage is awakening (WAKE) or non-awakening (Non-WAKE). The labeled sleep stage is obtained from the analysis of the biological vibration data by the biological data processing unit 12, similarly to the labeled sleep stage in the first embodiment. Alternatively, data on the sleep stage of the subject may be acquired using a measuring device different from the sleep apnea syndrome determining device 10.
The power spectrum data obtained by the biological data processing unit 12 and labeled with the sleep stage is sent to the learning unit 15.
そして、学習部15は、機械学習の1つであるランダムフォレストモデル(RFモデル)を用いた学習で、複数のパワースペクトルから睡眠段階を判定するための、それぞれ異なる分岐条件を持った複数の決定木を構築する(ステップS23)。ここで、複数の決定木を構築する際には、それぞれの決定木の深さ(分岐条件の段階数)と、構築する決定木の数を予め決めておく。
ここまでが学習フェーズで行われ、学習部15は、構築したランダムフォレストモデル(RFモデル)を記憶する。
Then, the learning unit 15 learns using a random forest model (RF model), which is one of machine learning, and makes a plurality of decisions having different branching conditions for determining the sleep stage from a plurality of power spectra. Build a tree (step S23). Here, when constructing a plurality of decision trees, the depth of each decision tree (the number of stages of branching conditions) and the number of decision trees to be constructed are determined in advance.
This is done in the learning phase, and the learning unit 15 stores the constructed random forest model (RF model).
次に、図13の(b)に示す判定フェーズでの、被測定者の生体振動から睡眠時無呼吸症候群を判定する処理の流れを説明する。
判定フェーズでは、学習フェーズと同様に、ステップS21での所定時間での周波数ごとのパワースペクトルの算出処理が行われる。
その後、判定部13は、睡眠段階が覚醒(WAKE)とラベリングされたデータについて、学習フェーズでのステップS23で学習部15が生成したランダムフォレストモデル(RFモデル)から、各周波数成分の寄与度を算出する(ステップS24)。
その後、判定部13は、ジニ係数を利用して、各周波数成分の寄与度の分布を大小に分割する(ステップS25)。
Next, the flow of the process of determining sleep apnea syndrome from the biological vibration of the subject in the determination phase shown in FIG. 13B will be described.
In the determination phase, as in the learning phase, the power spectrum calculation process for each frequency at a predetermined time in step S21 is performed.
After that, the determination unit 13 determines the contribution of each frequency component from the random forest model (RF model) generated by the learning unit 15 in step S23 in the learning phase for the data whose sleep stage is labeled as awakening (WAKE). Calculate (step S24).
After that, the determination unit 13 divides the distribution of the contribution of each frequency component into large and small by using the Gini coefficient (step S25).
さらに、判定部13は、各周波数成分の寄与度の分布を大小に分割した関係(厳密にはx軸で大小,y軸で上下の2つの関係)から睡眠時無呼吸症候群を判定して、睡眠時無呼吸症候群か否かを判別する(ステップS26)。
判定部13が判別した結果は、出力部14が出力する。
Further, the determination unit 13 determines the sleep apnea syndrome from the relationship in which the distribution of the contribution of each frequency component is divided into large and small (strictly speaking, the two relationships are large and small on the x-axis and upper and lower on the y-axis). It is determined whether or not it is sleep apnea syndrome (step S26).
The output unit 14 outputs the result determined by the determination unit 13.
[2−2.周波数ごとのパワースペクトルから判別する原理]
次に、図14を参照して、睡眠時無呼吸症候群の患者(SAS患者)と、健常者との周波数ごとのパワースペクトルの寄与度の相違を説明する。
図14の(a)は、睡眠段階が覚醒(WAKE)とラベリングされたデータで、SAS患者の場合のパワースペクトルの寄与度を示し、図14の(b)は、睡眠段階が覚醒(WAKE)とラベリングされたデータで、SAS患者でない健常者の場合のパワースペクトルの寄与度を示す。
[2-2. Principle of discrimination from power spectrum for each frequency]
Next, with reference to FIG. 14, the difference in the contribution of the power spectrum for each frequency between the patient with sleep apnea syndrome (SAS patient) and the healthy subject will be described.
FIG. 14 (a) is data labeled as sleep apnea (WAKE), showing the contribution of the power spectrum in the case of SAS patients, and FIG. 14 (b) shows sleep apnea (WAKE). The data labeled with show the contribution of the power spectrum in the case of healthy subjects who are not SAS patients.
ここでは、生体データ処理部12は、16Hzで検出される生体振動データの64秒間のセンサ値をフーリエ変換して、[16×64s=1024]のパワースペクトルを算出し、その1024のパワースペクトルの内の0〜8Hzの成分を、512次元のベクトル成分に変換する処理を行う。ここで、0番目から11番目の次元のベクトル成分は0とする。 Here, the biological data processing unit 12 Fourier transforms the sensor value of the biological vibration data detected at 16 Hz for 64 seconds to calculate the power spectrum of [16 × 64s = 1024], and the power spectrum of the 1024 is calculated. A process of converting the 0 to 8 Hz component into a 512-dimensional vector component is performed. Here, the vector component of the 0th to 11th dimensions is 0.
図14の縦軸は、この512次元のベクトル成分を示し、0〜8Hzの周波数位置を示す。例えば、図14の縦軸の100の位置は、[100÷64]=約1.56Hzの周波数位置を示す。横軸は、それぞれの周波数成分のパワースペクトルの寄与度を示す。
なお、図14の例の場合、生体振動の内で、例えば呼吸に伴った生体振動は、主として10〜40の位置に現れ、心拍に伴った生体振動は、主として40〜120の位置に現れる。
The vertical axis of FIG. 14 shows the 512-dimensional vector component, and indicates the frequency position of 0 to 8 Hz. For example, the position of 100 on the vertical axis of FIG. 14 indicates a frequency position of [100 ÷ 64] = about 1.56 Hz. The horizontal axis shows the contribution of the power spectrum of each frequency component.
In the case of the example of FIG. 14, among the biological vibrations, for example, the biological vibrations associated with respiration appear mainly at positions 10 to 40, and the biological vibrations associated with heartbeat mainly appear at positions 40 to 120.
ここで、図14の(a)に示すSAS患者の場合には、図中の周波数位置100(周波数約1.56Hz)よりも低い周波数成分の寄与度が大きく、それよりも高い周波数成分の寄与度が小さいことが判る。
一方、図14の(b)の健常者の場合には、図中の周波数位置100(周波数約1.56Hz)よりも高い周波数成分の寄与度が大きく、それよりも低い周波数成分の寄与度が小さいことが判る。
本実施の形態例の場合には、この図14に示すSAS患者と健常者との周波数成分のパワースペクトルの寄与度の相違に着目して、ランダムフォレストモデルを使った学習で、SAS患者と健常者を判別するようにしたものである。
Here, in the case of the SAS patient shown in FIG. 14A, the contribution of the frequency component lower than the frequency position 100 (frequency of about 1.56 Hz) in the figure is large, and the contribution of the frequency component higher than that is large. It turns out that the degree is small.
On the other hand, in the case of the healthy person in FIG. 14 (b), the contribution of the frequency component higher than the frequency position 100 (frequency of about 1.56 Hz) in the figure is large, and the contribution of the frequency component lower than that is large. It turns out that it is small.
In the case of the present embodiment, focusing on the difference in the contribution of the power spectrum of the frequency component between the SAS patient and the healthy person shown in FIG. 14, learning using the random forest model is performed with the SAS patient and the healthy person. It is intended to identify the person.
[2−3.判別処理の詳細]
次に、図15〜図18を参照して、SAS患者を判別する処理の詳細について説明する。
図15は、1人の被測定者の睡眠開始(入眠)から起床までの数時間の生体振動データの波形の例を示す。
本実施の形態例の場合、図15に示すような数時間の生体振動データから、64秒ごとに生体振動データ(圧力データ)の周波数を算出し、パワースペクトルを得る。但し、64秒単位でパワースペクトルを得る際に、そのパワースペクトルを算出する幅は、1秒ごとに動かすようにしている。周波数成分のパワースペクトルを得る処理の詳細は、図14の説明で述べた通りである。
[2-3. Details of discrimination processing]
Next, the details of the process for discriminating the SAS patient will be described with reference to FIGS. 15 to 18.
FIG. 15 shows an example of the waveform of the biological vibration data for several hours from the start of sleep (falling asleep) to waking up of one subject.
In the case of the present embodiment, the frequency of the biological vibration data (pressure data) is calculated every 64 seconds from the biological vibration data for several hours as shown in FIG. 15 to obtain a power spectrum. However, when the power spectrum is obtained in units of 64 seconds, the width for calculating the power spectrum is moved every second. The details of the process for obtaining the power spectrum of the frequency component are as described in the description of FIG.
生体データ処理部12は、周波数成分のパワースペクトルのそれぞれについて、覚醒(WAKE)か覚醒以外(Non−WAKE)かにラベリングする。
そして、ラベリングされた周波数成分のパワースペクトルから、ランダムフォレストモデル(RFモデル)を構築する。
The biological data processing unit 12 labels each of the power spectra of the frequency components as awakening (WAKE) or non-awakening (Non-WAKE).
Then, a random forest model (RF model) is constructed from the power spectra of the labeled frequency components.
図16に示すように、生体データ処理部12は、ランダムフォレストモデルから、各周波数の寄与度を算出する。ランダムフォレストモデルは、第1の実施の形態例で説明したように、複数の決定木を持ち、それぞれの決定木が1つ又は複数の分岐を持つ。但し、第2の実施の形態例の場合には、分岐条件が周波数になる。
ランダムフォレストモデルから、各周波数の寄与度を算出する際には、例えば次の[数2]式から、寄与度Imp(yi)を求める。
As shown in FIG. 16, the biometric data processing unit 12 calculates the contribution of each frequency from the random forest model. The random forest model has a plurality of decision trees, and each decision tree has one or more branches, as described in the first embodiment. However, in the case of the second embodiment, the branching condition is the frequency.
When calculating the contribution of each frequency from the random forest model, for example, the contribution Imp ( y i) is obtained from the following equation [Equation 2].
[数2]式において、yiはi番目の周波数(図14の縦軸の数値)、Ntreeは決定木の数、Δ(Tj(yi))は、決定木Tjにおける周波数yiを用いたノードとそのノードの分岐後のジニ係数の差である。 In the equation [Equation 2], y i is the i-th frequency (numerical value on the vertical axis in FIG. 14), N tree is the number of decision trees, and Δ (T j (y i )) is the frequency y in the decision tree T j . It is the difference between the node using i and the Gini coefficient after the branch of the node.
例えば、図16にジニ係数の差が大の場合を示すように、y10の周波数位置では、決定木での分岐で、y10<6の判別を行うことで、○印で示す覚醒(WAKE)か、×印データ示す覚醒以外(Non−WAKE)かを明確に区別できている。 For example, to indicate when the difference between the Gini coefficient 16 is large, the frequency position of y 10, the branch of a decision tree, by performing the determination of y 10 <6, arousal indicated by ○ mark (WAKE ) Or other than awakening (Non-WAKE) indicated by x mark data can be clearly distinguished.
一方、図16にジニ係数の差が小の場合を示すように、y512の周波数位置では、決定木での分岐で、y512<3の判別を行うことで、○印で示す覚醒(WAKE)と、×印データ示す覚醒以外(Non−WAKE)とが、決定木では区別できない状態である。 On the other hand, as the difference between the Gini coefficient in FIG. 16 shows a case of a small, the frequency position of y 512, with branches of a decision tree, by performing the determination of y 512 <3, arousal indicated by ○ mark (WAKE ) And other than the awakening (Non-WAKE) indicated by the x mark data, are indistinguishable from the decision tree.
なお、それぞれのノードrでのジニ係数IG(r)は、例えば次の[数3]式から求める。 Incidentally, Gini coefficients at each node r I G (r), for example determined from the following equation [3] expression.
[数3]式において、cは、クラスの数(分類数)であり、p(i|r)は、ノードr内のクラスiに属する要素の割合を示す。
また、ジニ係数の差は、例えば次の[数4]式から求める。
In the equation [Equation 3], c is the number of classes (number of classifications), and p (i | r) indicates the ratio of the elements belonging to the class i in the node r.
The difference in Gini coefficient is obtained from, for example, the following equation [Equation 4].
[数4]式において、rLはノードrを分割したときの左側であり、rRはノードrを分割したときの右側であり、p(rx)は、分割後のノードrxに属する要素数の割合である。 In the equation [Equation 4], r L is the left side when the node r is divided, r R is the right side when the node r is divided, and p (r x ) belongs to the node r x after the division. The ratio of the number of elements.
図17は、周波数分布を、ジニ係数を利用して大小(上下)に分割する例を示す。
図17(a)は、SAS患者の場合であり、図17(b)は健常者の場合である。
図17の例の場合には、横軸の寄与度xが、特定位置aよりも少ないか多いかで(つまりx=aの寄与度を境界として)、大小の要素で分割する。さらに、縦軸の周波数yが、特定位置bよりも大きい要素か小さい要素かで、上下(高い周波数か低い周波数か)に分割する。
FIG. 17 shows an example in which the frequency distribution is divided into large and small (upper and lower) by using the Gini coefficient.
FIG. 17 (a) shows the case of a SAS patient, and FIG. 17 (b) shows the case of a healthy person.
In the case of the example of FIG. 17, depending on whether the contribution x on the horizontal axis is less or more than the specific position a (that is, with the contribution of x = a as a boundary), it is divided into large and small elements. Further, the frequency y on the vertical axis is divided into upper and lower (high frequency or low frequency) depending on whether the element is larger or smaller than the specific position b.
ここで、本実施の形態例の場合には、ランダムフォレストモデルの複数の決定木による学習で、寄与度xと周波数yが、最もきれいに分割される特定位置a,bの値を探索する処理を行う。
このようにして特定位置a,bの値が定まることで、図14で説明したSAS患者の周波数特性と、健常者の周波数特性とを区別できるようになり、被測定者の生体振動データがいずれに該当するか判別できるようになる。
Here, in the case of the present embodiment, the process of searching for the values of the specific positions a and b in which the contribution x and the frequency y are most clearly divided by learning with a plurality of decision trees of the random forest model is performed. Do.
By determining the values of the specific positions a and b in this way, it becomes possible to distinguish between the frequency characteristics of the SAS patient described in FIG. 14 and the frequency characteristics of a healthy person, and the biological vibration data of the person to be measured will eventually be obtained. It becomes possible to determine whether or not it corresponds to.
図18は、SAS患者か否かを判定する指標SIFの例を示す。
SAS患者判定指標SIF(Spectrum Importance Feature)は、次の[数5]式で定義される。
FIG. 18 shows an example of an index SIF for determining whether or not a patient is a SAS patient.
The SAS patient determination index SIF (Spectrum Importance Feature) is defined by the following equation [Equation 5].
[数5]式において、Overaveは上側の平均であり、Overwidhtは上側の幅であり、Undermaxは、下側の最大値である。 In the equation [Equation 5], Over ave is the average of the upper side, Over widht is the width of the upper side, and Under max is the maximum value of the lower side.
図19は、本実施の形態例によるSAS患者か否かの判別結果の一例を示す。図19の縦軸は指標SIFの値を示す。
ここでは、指標SIFの閾値を6000とし、閾値6000以上であるとき、SAS患者と判別し、閾値6000未満としたとき、SAS患者でないと判別したものである。
図19の例では、9名のSAS患者A,B,C,・・・,Iと、9名の健常者(SAS患者でない者)a,b,c,・・・,iとを判定した結果を示す。この図19の場合には、SAS患者A〜Iと健常者a〜iを、指標SIFの数値順に示している。
FIG. 19 shows an example of the determination result of whether or not the patient is a SAS patient according to the example of the present embodiment. The vertical axis of FIG. 19 shows the value of the index SIF.
Here, the threshold value of the index SIF is 6000, and when the threshold value is 6000 or more, it is determined to be a SAS patient, and when the threshold value is less than 6000, it is determined not to be a SAS patient.
In the example of FIG. 19, 9 SAS patients A, B, C, ..., I and 9 healthy subjects (non-SAS patients) a, b, c, ..., I were determined. The result is shown. In the case of FIG. 19, SAS patients A to I and healthy subjects a to i are shown in numerical order of the index SIF.
図19に示す例では、9名のSAS患者A〜Iを全てSAS患者と判別し、9名の健常者a〜iを非SAS患者と判別している。
この図19から判るように、本実施の形態例によると、非常に精度の高い睡眠時無呼吸症候群の患者の判別でできるようになる。
In the example shown in FIG. 19, all nine SAS patients A to I are identified as SAS patients, and nine healthy subjects a to i are identified as non-SAS patients.
As can be seen from FIG. 19, according to the example of the present embodiment, it is possible to discriminate a patient with sleep apnea syndrome with extremely high accuracy.
<3.変形例>
なお、上述した各実施の形態例で説明した特徴量や周波数の数値などは、好適な一例を示したものであり、これらの特徴量や周波数の数値に限定されるものではない。
<3. Modification example>
It should be noted that the feature amounts and frequency values described in the above-described embodiments are shown as suitable examples, and are not limited to these feature values and frequency values.
1…ベッド、2…マットレスセンサ、10…睡眠時無呼吸症候群判定装置、11…生体データ取得部、12…生体データ処理部、13…判定部、14…出力部、15…学習部、A…被測定者、C…コンピュータ装置、C1…CPU、C2…ROM、C3…RAM、C4…不揮発性ストレージ、C5…ネットワークインターフェイス表示部、C6…入力装置、C7…表示装置、C8…バス 1 ... Bed, 2 ... Mattress sensor, 10 ... Sleep aspiration syndrome determination device, 11 ... Biological data acquisition unit, 12 ... Biological data processing unit, 13 ... Judgment unit, 14 ... Output unit, 15 ... Learning unit, A ... Subject, C ... computer device, C1 ... CPU, C2 ... ROM, C3 ... RAM, C4 ... non-volatile storage, C5 ... network interface display, C6 ... input device, C7 ... display device, C8 ... bus
Claims (8)
前記生体データ取得部が取得した前記生体振動データから、一定時間ごとに複数の特徴量を算出する生体データ処理部と、
前記生体データ処理部が算出した複数の特徴量から、睡眠段階を判別するための分岐条件を持った複数の決定木を用いて睡眠段階を判別した後、その判別に使用された決定木の分類基準の組み合わせで得られる判別結果に基づいて、睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定部と、を備える
睡眠時無呼吸症候群判定装置。 A biometric data acquisition unit that obtains biovibration data based on body movements or pressure changes during sleep of the subject,
A biological data processing unit that calculates a plurality of feature quantities at regular intervals from the biological vibration data acquired by the biological data acquisition unit.
After discriminating the sleep stage using a plurality of decision trees having branching conditions for discriminating the sleep stage from the plurality of feature quantities calculated by the biometric data processing unit, the classification of the decision tree used for the discrimination. A sleep apnea syndrome determination device including a determination unit for determining sleep apnea syndrome based on the determination result obtained by a combination of criteria.
前記学習部による複数の決定木の組み合わせの学習は、正解となる睡眠段階の情報を取得し、正解と一致度が高い睡眠段階の判別ができる決定木を選ぶようにした
請求項1に記載の睡眠時無呼吸症候群判定装置。 It is equipped with a learning unit that learns the multiple decision trees.
The method according to claim 1, wherein in the learning of a combination of a plurality of decision trees by the learning unit, information on the sleep stage that is the correct answer is acquired, and a decision tree that can determine the sleep stage that has a high degree of agreement with the correct answer is selected. Sleep apnea syndrome determination device.
請求項2に記載の睡眠時無呼吸症候群判定装置。 In claim 2, when the determination unit determines sleep apnea syndrome, the number of types of combination of feature amounts and the number of appearances of each feature amount when branching by the plurality of decision trees are used. The sleep apnea syndrome determination device described.
前記生体データ取得部が取得した前記生体振動データから、一定時間ごとに前記生体振動データに含まれる周波数成分のパワースペクトルを算出する生体データ処理部と、
前記生体データ処理部が算出した周波数成分のパワースペクトルについて、それぞれ異なる分岐条件を持った複数の決定木による分類への寄与度を算出し、算出した寄与度に基づいて睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定部と、を備える
睡眠時無呼吸症候群判定装置。 A biometric data acquisition unit that obtains biovibration data based on body movements or pressure changes during sleep of the subject,
A biometric data processing unit that calculates the power spectrum of a frequency component included in the biovibration data at regular intervals from the biovibration data acquired by the biometric data acquisition unit.
Regarding the power spectrum of the frequency component calculated by the biological data processing unit, the contribution to the classification by a plurality of decision trees having different branching conditions is calculated, and the sleep apnea syndrome is determined based on the calculated contribution. A sleep apnea syndrome determination device equipped with a determination unit for performing.
前記生体データ取得処理により取得した前記生体振動データから、一定時間ごとに複数の特徴量を算出する生体データ処理と、
前記生体データ処理で算出した複数の特徴量から、睡眠段階を判別するための分岐条件を持った複数の決定木を用いて睡眠段階を判別した後、その判断に使用された決定木の分類基準の組み合わせで得られる判別結果に基づいて、睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定処理と、を含む
睡眠時無呼吸症候群判定方法。 Biometric data acquisition processing to obtain biovibration data based on body movement or pressure change during sleep of the subject,
Biometric data processing that calculates a plurality of feature quantities at regular intervals from the biovibration data acquired by the biometric data acquisition process.
After discriminating the sleep stage using a plurality of decision trees having branching conditions for discriminating the sleep stage from the plurality of feature quantities calculated by the biometric data processing, the classification criteria of the decision tree used for the judgment. A method for determining sleep apnea syndrome, which includes a determination process for determining sleep apnea syndrome based on the discrimination results obtained by the combination of.
前記生体データ取得処理により取得した前記生体振動データから、一定時間ごとに前記生体振動データに含まれる周波数成分のパワースペクトルを算出する生体データ処理と、
前記生体データ処理により算出した周波数成分のパワースペクトルについて、それぞれ異なる分岐条件を持った複数の決定木による分類への寄与度を算出し、算出した寄与度に基づいて睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定処理と、を含む
睡眠時無呼吸症候群判定方法。 Biometric data acquisition processing to obtain biovibration data based on body movement or pressure change during sleep of the subject,
Biometric data processing that calculates the power spectrum of the frequency component included in the biovibration data at regular intervals from the biovibration data acquired by the biometric data acquisition process.
Regarding the power spectrum of the frequency component calculated by the biometric data processing, the contribution to the classification by a plurality of decision trees having different branching conditions is calculated, and the sleep apnea syndrome is determined based on the calculated contribution. Judgment processing to be performed and sleep apnea syndrome determination method including.
前記生体データ取得手順により取得した前記生体振動データから、一定時間ごとに複数の特徴量を算出する生体データ処理手順と、
前記生体データ処理手順で算出した複数の特徴量から、睡眠段階を判別するための分岐条件を持った複数の決定木を用いて睡眠段階を判別した後、その判断に使用された決定木の分類基準の組み合わせで得られる判別結果に基づいて、睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定手順と、
をコンピュータに実行させる睡眠時無呼吸症候群判定プログラム。 Biometric data acquisition procedure to obtain biovibration data based on body movement or pressure change during sleep of the subject,
A biometric data processing procedure that calculates a plurality of feature quantities at regular intervals from the biovibration data acquired by the biometric data acquisition procedure, and
After discriminating the sleep stage using a plurality of decision trees having branching conditions for discriminating the sleep stage from the plurality of feature quantities calculated in the biometric data processing procedure, the classification of the decision tree used for the judgment is performed. Judgment procedure for determining sleep apnea syndrome based on the discrimination results obtained by combining the criteria, and
A sleep apnea syndrome determination program that lets a computer run.
前記生体データ取得手順により取得した前記生体振動データから、一定時間ごとに前記生体振動データに含まれる周波数成分のパワースペクトルを算出する生体データ処理手順と、
前記生体データ処理手順により算出した周波数成分のパワースペクトルについて、それぞれ異なる分岐条件を持った複数の決定木による分類への寄与度を算出し、算出した寄与度に基づいて睡眠時無呼吸症候群の判定を行う判定手順と、
をコンピュータに実行させる睡眠時無呼吸症候群判定プログラム。 Biometric data acquisition procedure to obtain biovibration data based on body movement or pressure change during sleep of the subject,
A biological data processing procedure for calculating the power spectrum of a frequency component included in the biological vibration data at regular intervals from the biological vibration data acquired by the biological data acquisition procedure, and a biological data processing procedure.
For the power spectrum of the frequency component calculated by the biological data processing procedure, the contribution to the classification by a plurality of decision trees having different branching conditions is calculated, and the sleep apnea syndrome is determined based on the calculated contribution. Judgment procedure to perform and
A sleep apnea syndrome determination program that lets a computer run.
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