WO2009079977A2 - Method and device for a preliminary sleep medical diagnosis and therapy monitoring - Google Patents

Method and device for a preliminary sleep medical diagnosis and therapy monitoring Download PDF

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WO2009079977A2
WO2009079977A2 PCT/DE2008/002034 DE2008002034W WO2009079977A2 WO 2009079977 A2 WO2009079977 A2 WO 2009079977A2 DE 2008002034 W DE2008002034 W DE 2008002034W WO 2009079977 A2 WO2009079977 A2 WO 2009079977A2
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Guy Leonard Kouemou
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    • G16H50/20ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics for computer-aided diagnosis, e.g. based on medical expert systems

Definitions

  • the invention relates to a method for the diagnosis of sleep disorders in the home user area, based on the analysis of sleep-related breathing noises of the patients.
  • One of the focal points for evaluating the quality of sleep is, in addition to the sleep-related history (sleep-related questionnaire), the detection and analysis of sleep stages. In many sleep disorders, the duration of sleep stages 3 and 4 (deep sleep) is reduced or the deep sleep phases are not present at all.
  • Electrophysiological Schlafpolygrafie that can be performed only in sleep laboratories of sleep medicine centers.
  • the patient is connected to a variety of sensors and examined for any existing sleep disorders.
  • the technical objective and the object of the invention is therefore to provide a practical and easy to use by any patient
  • the core of the invention consists in the fact that the evaluation of the quality of sleep by the software using artificial neural networks is performed and the evaluation is performed only on the basis of a breath sound recording.
  • the classification is based both on the evaluation of the root mean square squares over a certain signal duration, as well as on the evaluation of spectral components of the breath sound signal.
  • the breath sounds are recorded using an airborne microphone or a structure-borne sound microphone.
  • the airborne microphone is attached to a headband and attached to the patient's head (see Figure 2).
  • the Acoustic Microphone can also be mounted on a stand at a distance of 0-50cm from the patient's head (see Figure 3). For the use of the Köperschallmikrofons this is preferably attached to the upper lip (see Figure 4) or to the trachea.
  • breath sounds with a sample rate of, for example, up to 11.025 kHz and with e.g. 16 bit resolution sampled.
  • the data is compressed using a bandpass filter to a frequency range between 0 and 5500 Hz, since no higher frequencies are contained in the breath sounds.
  • a time-dependent and partial spectral analysis is performed. For each short-term spectrum, 256 samples were used by way of example (about 10 ms because of short-term stationarity of respiratory sounds). To accelerate the subsequent pattern recognition becomes a Data reduction by a factor of up to 16 using a filter bank approximation. The spectrum is divided into eg 16 areas. The mean values of the respective areas then form the filter bank coefficients, which are then combined to form a new feature vector. The filter bank analysis produces a compact approximation of the power density spectrum describing the signal as a sequence of feature vectors. Thus one obtains the spectral mean values of the breath sounds.
  • the analysis of the frequency banks showed that the four lower ones correlated better. For this reason, preferably the 4 lower frequency banks are included for sleep phase detection.
  • Example filter banks Bankl (0-124 Hz), Bank2 (124-264 Hz), Bank3 (264-421Hz), Bank4 (421- 597Hz).
  • the "root mean square" of the signal is calculated in the time domain.
  • the root mean square can be understood in German as the effective value of the signal.
  • the RMS of a signal x out of n sample points is calculated as follows:
  • the feature extraction consists of 2 stages. In the first stage, the data is normalized.
  • a 5 ⁇ N feature matrix is preferably calculated from the individual respiratory sounds.
  • N denotes the single vector from the segment duration a 30 seconds per vector (preferably). This corresponds, e.g. 2 points per minute, i. 120 points per hour, or 1200 points for a night recording of 10 hours.
  • Segmentation process The studies carried out in the present work were carried out against polysomnogramin derived sleep stages.
  • Respiratory noises of several patients during an entire night in an accredited sleep laboratory according to the recording method described above by means of a microphone system and a PC are recorded.
  • the recordings are performed for example with a self-written program.
  • the program is characterized by its high stability and robustness when handling large amounts of data (up to more than 650 MB over 10 hours recording here).
  • the program has some well-used analysis and signal processing functions that are very helpful for rapid viewing and analysis of the data.
  • the polysomnogram recorded in the sleep laboratory is normally evaluated automatically by the system analysis program the next day.
  • sleep phases and apnea appearances are calculated as a function of time by the system.
  • the responsible doctor later revised the automatic evaluations. Among other things, it checks the automatic determination of sleep stages carried out by the analysis program, and corrects them if necessary. A revision by the doctor can usually take between 45 minutes to over 2 hours to last; to endure, to continue. Since many patients in the sleep laboratory do not always have deep sleep phases due to sleep disturbances, it is important when examining the sleep phases to include both ill and healthy patients.
  • noise signals were processed in blocks of 30 seconds, since the sleep stages calculated from the polysomnogram used in the test were always determined over a period of 30 seconds.
  • a multilayer preferably forward-directed neural network is designed.
  • a training procedure with a corresponding algorithm (here preferably backpropagation) is defined.
  • network initialization function, segmented test and validation patterns, number of test cycles, termination criteria, and training duration should be entered.
  • the training of the neural network is started and finally a network is generated.
  • the trained network is then connected to the system in a modular way.
  • the system consists of a microphone system, a PC with AD-DA converter card (sound blaster card) and a monitoring tool.
  • Figure 5 shows an exemplary schematic representation of the processes in the software.
  • the recorded breath sound data is digitized.
  • the data is filtered and normalized in the signal preprocessing.
  • the feature extraction and handover of the data to the neural network or Hidden Markov Model Network occurs.
  • the network is trained with a teaching database containing recorded data from clinical sleep laboratories. These data are passed to another neural network or hidden Markov model network, where the detection of sleep disorders and sleep phase patterns takes place.
  • the network is trained with a further instruction database containing typical sleep disorder pictures from clinical sleep laboratories. If sleep disorders are detected, an advance diagnosis with therapeutic suggestions is made using a knowledge-based automaton.

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Abstract

The invention relates to a method and device for a preliminary sleep medical diagnosis and therapy monitoring. According to the method and the device for sleep phase detection, the sleep phases are subdivided into three phases deep, shallow and not-shallow or into two sleep phases deep and not-deep following a respiratory sound analysis. The method of the invention is characterized by recording respiratory sounds by means of a microphone system and using the same for sleep phase detection according to a neuronal spectral mean and RMS method.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur schlafmedizinischen Vorabdiagnose und Method and device for sleep medical preliminary diagnosis and
Therapie-BegleitungTherapy accompaniment
[0001] DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUR DIAGNOSE VON SCHLAFSTÖRUNGEN IM HEIMANWENDERBEREICH, BASIEREND AUF DER ANALYSE SCHLAFBEZOGENER ATEMGERÄUSCHE DER PATIENTEN.The invention relates to a method for the diagnosis of sleep disorders in the home user area, based on the analysis of sleep-related breathing noises of the patients.
Stand der TechnikState of the art
[0002] Der Schlaf hat schon immer das Interesse des Menschen geweckt. Heutzutage verbringt ein Mensch etwa ein Drittel seines Lebens im Schlaf. Auch die übrigen zwei Drittel sind stark von der Schlafqualität geprägt .Sleep has always aroused the interest of man. Today, a person spends about one-third of his life in sleep. The remaining two-thirds are also strongly influenced by the quality of sleep.
[0003] Daher können besonders in der Allgemein- und Schlafmedizin viele Erkrankungen durch eine alltägliche Beobachtung der Schlafqualität nicht nur frühzei- tig erkannt oder besser bekämpft, sondern auch vermieden werden.[0003] Therefore, especially in general medicine and sleep medicine many diseases can not only be prematurely diagnosed by an everyday observation of the quality of sleep. tiger recognized or better combated, but also avoided.
[0004] Einer der Schwerpunkte zur Bewertung der Schlafqualität ist, neben der schlafbezogenen Anamnese (schlafbezogener Fragebogen) , die Detektion und Analyse der Schlafstadien. Bei vielen Schlafstörungen ist die Dauer der Schlafstadien 3 und 4 (Tiefschlaf) reduziert oder die Tiefschlafphasen sind überhaupt nicht vorhanden.One of the focal points for evaluating the quality of sleep is, in addition to the sleep-related history (sleep-related questionnaire), the detection and analysis of sleep stages. In many sleep disorders, the duration of sleep stages 3 and 4 (deep sleep) is reduced or the deep sleep phases are not present at all.
[0005] Eine komplexe Diagnose von Schlafstörungen ist momentan nur durch eine sog. elektrophysiologische Schlafpolygrafie möglich, die ausschließlich in Schlaflabors von schlafmedizinischen Zentren durchgeführt werden kann. Hier wird der Patient an eine Vielzahl von Sensoren angeschlossen und auf eventuell vorhandene Schlafstörungen untersucht. Zur Bestimmung der SchlafStadien werden dabei hauptsächlich die Signalverläufe des Elektroenzephalogramms (EEG) , des Elektromyogramms (EMG) und des ElektrookulogrammsA complex diagnosis of sleep disorders is currently possible only by a so-called. Electrophysiological Schlafpolygrafie that can be performed only in sleep laboratories of sleep medicine centers. Here, the patient is connected to a variety of sensors and examined for any existing sleep disorders. For the determination of the sleep stages are mainly the waveforms of the electroencephalogram (EEG), the electromyogram (EMG) and the Elektrookulogramms
(EOG) herangezogen und entsprechend der Regeln von Rechtschaffen und Kahles ausgewertet.(EOG) and evaluated according to the rules of Righteousness and Baldness.
[0006] Da eine solche Diagnose in einem Schlaflabor sehr aufwendig und kostenintensiv ist, werden im Allgemeinen für die Vordiagnose zu Hause mobile sog. Screening-Geräte eingesetzt. Diese arbeiten im Allgemeinen auf der Basis einer geringeren Anzahl von Sensoren. [0007] Aus DE4114357C2 ist eine Vorrichtung zur automatischen Erkennung von Apnoe bekannt. Bei dieser Vorrichtung müssen allerdings mehrere Sensoren, unter anderem auch Atemgürtel im Brustbereich, an den Patienten angeschlossen werden. Dies wird häufig als störend empfunden, da die Sensoren ja im Schlaf getragen werden müssen. Zudem braucht diese Vorrichtung ein separates Lese- und Schreibgerät zur Aufzeichnung der Daten, die hinterher von einem Arzt ausgewertet werden müssen.Since such a diagnosis is very complicated and costly in a sleep laboratory, mobile so-called screening devices are generally used for the pre-diagnosis at home. These generally work on the basis of fewer sensors. From DE4114357C2 a device for the automatic detection of apnea is known. In this device, however, several sensors, including breathing belts in the chest, must be connected to the patient. This is often perceived as disturbing, since the sensors have to be worn during sleep. In addition, this device needs a separate reading and writing device for recording the data, which must be evaluated by a doctor afterwards.
[0008] Aus DE69930720T2 ist eine weitere Überwachvorrichtung für die Erfassung von Schlaf-Apnoe bekannt. Diese Vorrichtung ist in einer kleinen Kunststoff- Einheit inkorporiert, die unter der Nase des Patienten positioniert wird. Die Vorrichtung misst die Luftströme beim Ein- bzw. Ausatmen und zeichnet so die Atmung bzw. Atemaussetzer während des Schlafes auf. Es erfolgt eine stark vereinfachte Form der Diagnose aufgrund der aufgezeichneten Daten. Ein Arzt kann auf die aufgezeichneten Daten nicht zurückgreifen um eine eigene Diagnose zu erstellen, weshalb das Verfahren nur für Patienten geeignet ist, bei denen nur eine geringe Möglichkeit für das Vorliegen einer wirklichen Pathologie besteht.From DE69930720T2 another monitoring device for the detection of sleep apnea is known. This device is incorporated in a small plastic unit which is positioned under the nose of the patient. The device measures the air flows during inhalation and exhalation and records the respiration or respiratory failure during sleep. There is a much simplified form of diagnosis based on the recorded data. A doctor can not rely on the recorded data to make his own diagnosis, so the method is only suitable for patients with little chance of real pathology.
[0009] Bereits für eine solche Vordiagnose zu Hause ist ein Arztbesuch notwendig, es sei denn, der Patient investiert selbst in die Anschaffung eines entsprechenden Gerätes. Für einen Arztbesuch ist es jedoch bereits erforderlich, dass der Patient die Schlafstö- rungen als Krankheit anerkennt. Dies kostet erfahrungsgemäß einige Überwindung, insbesondere, da im Fall von Schlafstörungen der Patient seine mögliche Krankheit nicht selbst beobachten kann, sondern meistens auf Aussagen des Bettpartners angewiesen ist.Already for such a pre-diagnosis at home a doctor's visit is necessary, unless the patient invests itself in the purchase of a corresponding device. However, it is already necessary for a doctor's visit for the patient to be able to recognition as an illness. This costs experience, some overcoming, especially in the case of insomnia, the patient can not observe his own disease itself, but is usually dependent on statements of the bed partner.
Aufgabenstellungtask
[0010] Die Grundidee des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten neuen Verfahrens zur Schlafphasen-Detektion geht von Beobachtungen des Autors aus, die von Medizinern und Mitarbeitern der Forschungsgruppe unterstützt wurden :The basic idea of the developed in this work, new method for sleep phase detection is based on observations of the author, who were supported by doctors and staff of the research group:
[0011] Beobachtet man einen schlafenden Menschen, so kann man auf Grund der Atemgeräusche bzw. deren Variabilität abschätzen, ob derjenige ruhig oder unruhig schläft. Geht man von einer gleichmäßigeren Atmung in Tiefschlaf-Phasen (SchlafStadien 3 und A) aus, so scheint eine Beurteilung, ob sich jemand in einer solchen befindet, auf der Basis einer Atemgeräusch- Analyse möglich.If one observes a sleeping person, one can estimate on the basis of the respiratory sounds or their variability, whether the person sleeps quietly or restlessly. Assuming a more even breathing in deep sleep phases (sleep stages 3 and A), an assessment of whether someone is in such a sleep, based on a breath sound analysis seems possible.
[0012] Obwohl diese Hypothese nach einer intensiven Literaturrecherche weder bewiesen noch widerlegt ist, entschloss sich der Autor, auf Grund der oben genannten motivierenden Aspekte, die Zusammenhänge im Rahmen einer Forschungsarbeit zu untersuchen.Although this hypothesis is neither proved nor disproved after an intensive literature search, the author decided to investigate the connections within the framework of a research work on the basis of the motivating aspects mentioned above.
[0013] Die technische Zielsetzung sowie die erfindungsgemäße Aufgabe besteht demnach darin, ein praktisches und von jedem Patienten einfach zu bedienendes Verfahren mit zugehörigem Gerätesystem bzw. entsprechender Software zu entwickeln, welches die Schlafqualität analysiert und darstellt und damit dem Patienten eine rasche Auskunft über eventuelle Schlafstörungen oder mangelnde Tiefschlafphasen gewährt. Insbesondere soll dabei auf einfache Bedienbarkeit und geringe Sen- sorik, vorzugsweise nur in Form eines Mikrofons, geachtet werden.The technical objective and the object of the invention is therefore to provide a practical and easy to use by any patient To develop a method with the associated device system or corresponding software that analyzes and displays the quality of sleep and thus provides the patient with rapid information about possible sleep disturbances or lack of deep sleep phases. In particular, attention should be paid to simple operability and low senorik, preferably only in the form of a microphone.
[0014] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Anwendung des in den Patentansprüchen charakterisierten Arbeitsverfahrens mit zugehöriger Software gelöst. Das Kernstück der Erfindung besteht dabei darin, dass die Bewertung der Schlafqualität durch die Software mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze vorgenommen wird und die Auswertung lediglich auf der Basis einer Atemgeräusch-Aufzeichnung durchgeführt wird.This object is achieved according to the invention using the method characterized in the claims with associated software. The core of the invention consists in the fact that the evaluation of the quality of sleep by the software using artificial neural networks is performed and the evaluation is performed only on the basis of a breath sound recording.
[0015] Die Klassifikation basiert sowohl auf der Auswertung der Effektivwerte (Root Mean Squares) über eine bestimmte Signaldauer, als auch auf der Auswertung spektraler Komponenten des Atemgeräusch-Signals.The classification is based both on the evaluation of the root mean square squares over a certain signal duration, as well as on the evaluation of spectral components of the breath sound signal.
[0016] Sowohl Effektivwerte als auch spektrale Komponenten werden während der Aufnahme online durch die Software berechnet und abgespeichert. Die Klassifikation mit Hilfe eines neuronalen Netzes findet dann im Anschluss statt, wobei die zuvor beschriebenen abgespeicherten Werte geladen und, wie in den Patentansprüchen unter Ziffer 1 beschrieben, verarbeitet werden. Lösungsvorschlag und AusführungsbeispielBoth RMS values and spectral components are calculated and stored online during the recording by the software. The classification with the aid of a neural network then takes place, wherein the previously described stored values are loaded and processed as described in the patent claims under number 1. Solution proposal and embodiment
Verfahren zur Messwerterfassung und Extraktion der charakteristischen Merkmale:Method for recording measured values and extracting the characteristic features:
[0017] Die Atemgeräusche werden mit Hilfe eines Luftschallmikrofons oder eines Körperschallmikrofons aufgenommen. Das Luftschallmikrofon ist an einem Stirnband befestigt und wird an den Kopf des Patienten angebracht (siehe Abbildung2) . Das LuftSchallmikrofon kann aber auch auf einem Ständer in einem Abstand von 0-50cm vom Patienten-Kopf befestigt werden (siehe Ab- bildung3) . Für den Einsatz des Köperschallmikrofons wird dieses vorzugsweise an der Oberlippe (siehe Ab- bildung4) oder an der Trachea angebracht. Mit einem einfachen Soundblaster werden dann Atemgeräusche mit einer Abtastfrequenz von beispielhaft bis zu 11,025 kHz und mit z.B. 16 Bit Auflösung abgetastet. In einem nachfolgenden ersten Verarbeitungsschritt werden die Daten mit Hilfe eines Bandpassfilters auf einen Frequenzbereich zwischen 0 und 5500 Hz komprimiert, da keine höheren Frequenzen in den Atemgeräuschen enthalten sind.The breath sounds are recorded using an airborne microphone or a structure-borne sound microphone. The airborne microphone is attached to a headband and attached to the patient's head (see Figure 2). The Acoustic Microphone can also be mounted on a stand at a distance of 0-50cm from the patient's head (see Figure 3). For the use of the Köperschallmikrofons this is preferably attached to the upper lip (see Figure 4) or to the trachea. With a simple sound blaster, breath sounds with a sample rate of, for example, up to 11.025 kHz and with e.g. 16 bit resolution sampled. In a subsequent first processing step, the data is compressed using a bandpass filter to a frequency range between 0 and 5500 Hz, since no higher frequencies are contained in the breath sounds.
[0018] Nach dieser Vorverarbeitung wird z.B. eine zeitabhängige und abschnittsweise Spektralanalyse durchgeführt. Für jedes Kurzzeitspektrum wurden beispielhaft 256 Abtastwerte verwendet (ca. 10ms wegen Kurzzeitstationärität von Atemgeräusche) . Um die nachfolgende Mustererkennung zu beschleunigen wird eine Datenreduktion um den Faktor bis zu 16 mit Hilfe einer Filterbankapproximation durchgeführt. Dabei wird das Spektrum in z.B. 16 Bereiche unterteilt. Die Mittelwerte der jeweiligen Bereiche bilden dann die Filterbankkoeffizienten, die dann zu einem neuen Merkmalsvektor zusammengefasst werden. Durch die Filterbankanalyse entsteht eine kompakte Approximation des Leistungsdichtespektrums, die das Signal als eine Folge von Merkmalsvektoren beschreibt. Somit erhält man die spektralen Mittelwerte der Atemgeräusche.After this preprocessing, for example, a time-dependent and partial spectral analysis is performed. For each short-term spectrum, 256 samples were used by way of example (about 10 ms because of short-term stationarity of respiratory sounds). To accelerate the subsequent pattern recognition becomes a Data reduction by a factor of up to 16 using a filter bank approximation. The spectrum is divided into eg 16 areas. The mean values of the respective areas then form the filter bank coefficients, which are then combined to form a new feature vector. The filter bank analysis produces a compact approximation of the power density spectrum describing the signal as a sequence of feature vectors. Thus one obtains the spectral mean values of the breath sounds.
[0019] Übertragen auf diesen Untersuchungsfall, wird mit Hilfe des Korrelationskoeffizienten festgestellt, ob es eine Beziehung zwischen der Merkmalsmatrix und des polysomnographischen SchlafStadienvektors gibt.Transferred to this case of investigation, it is determined by means of the correlation coefficient whether there is a relationship between the feature matrix and the polysomnographic sleep stage vector.
[0020] Die Analyse der Frequenzbänke zeigte, dass die vier Unteren besser korrelierten. Aus diesem Grund werden vorzugsweise die 4 unteren Frequenzbänke zur Schlafphasendetektion miteinbezogen.The analysis of the frequency banks showed that the four lower ones correlated better. For this reason, preferably the 4 lower frequency banks are included for sleep phase detection.
[0021] Beispielhafte Filterbänke: Bankl (0-124 Hz), Bank2 ( 124-264 Hz), Bank3 (264-421Hz), Bank4(421- 597Hz) .Example filter banks: Bankl (0-124 Hz), Bank2 (124-264 Hz), Bank3 (264-421Hz), Bank4 (421- 597Hz).
[0022] Parallel zur Ermittlung der spektralen Werten der Atemgeräusche im Frequenzbereich wird im Zeitbereich der „Root Mean Square" des Signals berechnet. Der Root Mean Square kann auf Deutsch als Effektivwert des Signals verstanden werden.In parallel with the determination of the spectral values of the respiratory sounds in the frequency domain, the "root mean square" of the signal is calculated in the time domain.The root mean square can be understood in German as the effective value of the signal.
Der RMS eines Signals x aus n Abtastpunkte wird vereinfacht wie folgt berechnet:
Figure imgf000010_0001
The RMS of a signal x out of n sample points is calculated as follows:
Figure imgf000010_0001
[0023] Nach dem vorliegenden Verfahren wurden vorzugsweise aus den Patienten- Atemgeräuschdaten eines RMS- Vektor mit jeweils n = 30x11025 = 330750 Punkten (N.B. Bei Segmentdauer von z.B. 30 Sekunden, Abtast- frequenz z.B. 11025Punkten/Sekunden, Mono) berechnet.[0023] In accordance with the present method, it has preferably been calculated from the patient breath data of an RMS vector, each with n = 30x11025 = 330750 points (N.B., with segment duration of, for example, 30 seconds, sampling frequency, for example, 11025 points / second, mono).
Kombination der spektralen Mittelwerte mit dem RMS:Combination of the spectral mean values with the RMS:
[0024] Die Merkmalsextraktion besteht aus 2 Stufen. In der ersten Stufe werden die Daten normiert.The feature extraction consists of 2 stages. In the first stage, the data is normalized.
[0025] In der zweiten Stufe werden aus den einzelnen Atemgeräuschen vorzugsweise eine 5xN-Merkmalsmatrix berechnet. N bezeichnet den einzelnen Vektor aus der Segmentdauer ä 30 Sekunden pro Vektor (vorzugsweise) . Dies entspricht z.B. 2 Punkte pro Minute, d.h. 120 Punkte pro Stunde, bzw. 1200 Punkte für eine Nachtaufzeichnung von 10 Stunden.In the second stage, a 5 × N feature matrix is preferably calculated from the individual respiratory sounds. N denotes the single vector from the segment duration a 30 seconds per vector (preferably). This corresponds, e.g. 2 points per minute, i. 120 points per hour, or 1200 points for a night recording of 10 hours.
[0026] Bei den 5 Merkmalen pro Vektor (jede 30 Sekunden) kennzeichnen vier die Amplitude der 4 unteren Frequenzbereiche (d.h. beispielsweise 0-124Hz, 124-264 Hz, 264-421 Hz, 421-597 Hz) der spektralen Mittelwerte, und eines die RMS-Amplituden.With the 5 features per vector (every 30 seconds), four indicate the amplitude of the 4 lower frequency ranges (ie, for example, 0-124Hz, 124-264Hz, 264-421Hz, 421-597Hz) of the spectral averages, and one the RMS amplitudes.
Segmentierungsvorgang : [0027] Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen wurden gegenüber vom Polysomnogramin abgeleiteten SchlafStadien durchgeführt.Segmentation process: The studies carried out in the present work were carried out against polysomnogramin derived sleep stages.
[0028] Dafür werden Atemgeräusche mehrerer Patienten während einer gesamten Nacht in einem akkreditierten Schlaflabor nach dem oben beschriebenen Aufnahmeverfahren mittels einem Mikrofon-System und einem PC aufgezeichnet.Respiratory noises of several patients during an entire night in an accredited sleep laboratory according to the recording method described above by means of a microphone system and a PC are recorded.
[0029] Die Aufnahmen werden beispielsweise mit einem eigen geschriebenen Programm durchgeführt. Das Programm zeichnet sich vor allem durch seine hohe Stabilität und Robustheit bei dem Umgang mit großen Datenmengen (hier bis über 650 MB bei über 10 Stunden Aufzeichnung) aus. Dazu verfügt das Programm über einige gut nützliche Analyse- und Signalverarbeitungsfunktionen, die für eine schnelle Betrachtung und Untersuchung der Daten sehr hilfreich sind.The recordings are performed for example with a self-written program. Above all, the program is characterized by its high stability and robustness when handling large amounts of data (up to more than 650 MB over 10 hours recording here). In addition, the program has some well-used analysis and signal processing functions that are very helpful for rapid viewing and analysis of the data.
[0030] Das im Schlaflabor aufgezeichnete Polysom- nogramm wird normalerweise am nächsten Tag automatisch vom System-Analyse-Programm ausgewertet. Bei der Auswertung werden Schlafphasen sowie Apnoeauftritte als Funktion der Zeit vom System errechnet.The polysomnogram recorded in the sleep laboratory is normally evaluated automatically by the system analysis program the next day. In the evaluation, sleep phases and apnea appearances are calculated as a function of time by the system.
[0031] Der zuständige Arzt überarbeitet später die automatischen Auswertungen. Dabei überprüft er unter anderem die vom Analyse-Programm vorgenommene automatische Bestimmung der SchlafStadien, und korrigiert sie gegebenenfalls. Eine Überarbeitung vom Arzt kann in der Regel zwischen 45 Minuten bis zu über 2 Stunden dauern. Da viele Patienten im Schlaflabor aufgrund Schlafstörungen nicht immer Tiefschlafphasen aufweisen, ist es wichtig bei der Untersuchung der Schlafphasen, sowohl kranke als auch gesunde Patienten ein- zubeziehen.The responsible doctor later revised the automatic evaluations. Among other things, it checks the automatic determination of sleep stages carried out by the analysis program, and corrects them if necessary. A revision by the doctor can usually take between 45 minutes to over 2 hours to last; to endure, to continue. Since many patients in the sleep laboratory do not always have deep sleep phases due to sleep disturbances, it is important when examining the sleep phases to include both ill and healthy patients.
[0032] Bei dem entwickelten neuen Verfahren wurden beispielsweise Geräuschsignale in Blöcke von 30 Sekunden verarbeitet, da die aus dem, beim Test eingesetzten, Polysomnogramm berechneten SchlafStadien stets über einen Zeitraum von 30 Sekunden festgelegt wurden.In the developed new method, for example, noise signals were processed in blocks of 30 seconds, since the sleep stages calculated from the polysomnogram used in the test were always determined over a period of 30 seconds.
Entwurf des neuronalen Erkenners:Design of the neural recognizer:
[0033] Zuerst wird ein mehrschichtiges vorzugsweise vorwärtsgerichtetes neuronales Netzwerk entworfen.First, a multilayer preferably forward-directed neural network is designed.
[0034] Danach wird einen Trainingsvorgang mit entsprechendem Algorithmus (hier vorzugsweise Backpropa- gation) definiert. Bei der Definition des Trainingsvorgangs sollen Netzwerk-Initialisierungsfunktion, segmentierte Test- und Validierungsmuster, Anzahl der Testzyklen, Abbruchkriterien und Trainingsdauer eingegeben werden. Anschließend wird das Training des neuronalen Netzwerks gestartet und zum Schluss wird ein Netzwerk generiert. Das trainierte Netzwerk wird dann an das System modular angebunden.Then a training procedure with a corresponding algorithm (here preferably backpropagation) is defined. When defining the training process, network initialization function, segmented test and validation patterns, number of test cycles, termination criteria, and training duration should be entered. Then the training of the neural network is started and finally a network is generated. The trained network is then connected to the system in a modular way.
Beschreibung des Systems [0035] Das System besteht aus einem Mikrofonsystem, einem PC mit AD-DA-Wandlerkarte (Soundblasterkarte) und einem Monitoringstool.Description of the system The system consists of a microphone system, a PC with AD-DA converter card (sound blaster card) and a monitoring tool.
[0036] Abbildung 5 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Vorgänge in der Software. Zunächst werden die aufgezeichneten Atemgeräuschdaten digitalisiert. Anschließend werden in der Signalvorverarbeitung die Daten gefiltert und normalisiert. Als nächstes erfolgt die Merkmalsextraktion und Übergabe der Daten an das Neuronale Netzwerk oder Hidden- Markov-Modell-Netzwerk. In diesem Netzwerk erfolgt die Erkennung der Schlafphasen. Das Netzwerk wird mit einer Belehrungsdatenbank, in der aufgezeichnete Daten aus klinischen Schlaflaboren vorliegen, trainiert. Diese Daten werden einem weiteren Neuronalen Netzwerk oder Hidden-Markov-Modell-Netzwerk übergeben, in dem die Erkennung von Schlafstörungen und Schlafphasenverläufe stattfindet. Dabei wird das Netzwerk mit einer weiteren Belehrungsdatenbank trainiert, in der typische Schlafstörungsbilder aus klinischen Schlaflaboren vorliegen. Bei erkannten Schlafstörungen wird eine Vorabdiagnose mit therapeutischen Vorschlägen mittels eines wissensbasierten Automaten erstellt. Figure 5 shows an exemplary schematic representation of the processes in the software. First, the recorded breath sound data is digitized. Subsequently, the data is filtered and normalized in the signal preprocessing. Next, the feature extraction and handover of the data to the neural network or Hidden Markov Model Network occurs. In this network, the detection of the sleep phases takes place. The network is trained with a teaching database containing recorded data from clinical sleep laboratories. These data are passed to another neural network or hidden Markov model network, where the detection of sleep disorders and sleep phase patterns takes place. In the process, the network is trained with a further instruction database containing typical sleep disorder pictures from clinical sleep laboratories. If sleep disorders are detected, an advance diagnosis with therapeutic suggestions is made using a knowledge-based automaton.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Erkennung und Sichtbarmachung des Schlafprofils mit Hilfe der Analyse schlafbezogener Atemgeräusche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für die Erfassung der schlafbezogenen Atemgeräusche lediglich eine nächtliche "Atemgeräusch- AufZeichnung, vorzugsweise mit Hilfe eines an einem Stirnband oberhalb der Nase angebrachten Luftschallmikrofons, stattfindet, dass die vom Mikrofon aufgezeichneten Signale vorzugsweise einem Vorverstärker zugeführt werden, dass die verstärkten Signale, in einer Soundkarte digitalisiert, dem Programm zur Verfügung gestellt werden.1. A method for detecting and visualizing the sleep profile by means of the analysis of sleep-related breath sounds, characterized in that for the detection of sleep-related breath sounds only a nocturnal " Atemgeräusch- Aufzeichnung, preferably using a mounted on a headband above the nose airborne microphone, takes place that the the signals recorded by the microphone are preferably fed to a preamplifier, that the amplified signals, digitized in a sound card, are made available to the program.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die digitalisierten Signale normalisiert und gefiltert werden.2. The method according to claim 1, wherein the digitized signals are normalized and filtered.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei aus den so bearbeiteten Signalen segmentweise über einen gewissen Zeitbereich, vorzugsweise einer Epoche, die Effektivwerte (Root Mean Squares) berechnet und abgespeichert werden.3. The method of claim 1 and 2, wherein from the thus processed signals segmentally over a certain time range, preferably an epoch, the effective values (Root Mean Squares) are calculated and stored.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, wobei aus den gefilterten und normalisierten Signale spektrale Komponenten errechnet werden und über einen gewissen Zeitbereich, ebenfalls vorzugsweise eine Epoche, gerαittelt und abgespeichert werde.4. The method of claim 1-3, wherein spectral components are calculated from the filtered and normalized signals and over a certain period of time, also preferably an epoch, gerαittelt and stored.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, wobei die abgespeicherten Effektivwerte und die abgespeicherten spektralen Komponenten der unteren Frequenzbereiche der gesamten Aufzeichnung im Programm geladen und in einer Matrix zusammengefügt werden.5. The method of claim 1-4, wherein the stored RMS values and the stored spectral components of the lower frequency ranges of the entire recording are loaded in the program and assembled in a matrix.
6. Verfahren nach Anspruch 1-5, wobei die kombinierten Werte zeitlich geglättet werden.6. The method of claim 1-5, wherein the combined values are time-smoothed.
7. Verfahren nach Anspruch 1-6, wobei die Werte auf einen Mittelwert von null und eine Standardabweichung von eins standardisiert werden.7. Method according to claims 1-6, the values are standardized to a mean of zero and a standard deviation of one.
8. Verfahren nach Anspruch 1-7, wobei die Werte zur Klassifikation der Schlafstadien einem vorher trainierten, künstlichen neuronalen Netz zugeführt und von diesem ausgewertet werden.8. The method of claim 1-7, wherein the values for the classification of sleep stages are fed to a previously trained, artificial neural network and evaluated by this.
9. Software-Programm zur Ausführung des Vorhabens nach Anspruch 1-8. 9. Software program for carrying out the project according to claim 1-8.
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