WO2007118560A2 - Automatic detection of hypopnoeas - Google Patents

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WO2007118560A2
WO2007118560A2 PCT/EP2007/002093 EP2007002093W WO2007118560A2 WO 2007118560 A2 WO2007118560 A2 WO 2007118560A2 EP 2007002093 W EP2007002093 W EP 2007002093W WO 2007118560 A2 WO2007118560 A2 WO 2007118560A2
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patient
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energy
hypopnea
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PCT/EP2007/002093
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WO2007118560A3 (en
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Christian Weigand
Matthias Struck
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication of WO2007118560A3 publication Critical patent/WO2007118560A3/en

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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B7/00Instruments for auscultation
    • A61B7/003Detecting lung or respiration noise
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48Other medical applications
    • A61B5/4806Sleep evaluation
    • A61B5/4818Sleep apnoea

Definitions

  • the present invention is concerned with methods for the automatic detection of sleep disorders, and more particularly with an apparatus and method that provide a means for the automated detection of hypopneas.
  • Sleep disorders are an increasingly common phenomenon that severely limits the quality of life and performance of those affected.
  • the health of the patient can be permanently impaired.
  • apneas and hypopneas Two particularly common sleep disorders are apneas and hypopneas.
  • apnea short-term complete respiratory arrest occurs, the frequency of which can vary widely, and values of over 35 such sleep disorders per night are not uncommon.
  • the general definition for the clinical picture of apnea is the occurrence of at least 10 respiratory arrest, each lasting at least 10 seconds, within one hour of sleep.
  • Apnea may have several causes, the most common one being upper respiratory obstruction occurring during sleep (obstructive sleep apnea).
  • the closure is usually triggered by a relaxation of the velum, which is among other things responsible for the snoring.
  • apnea is also commonly seen in individuals prone to severe snoring. loading Due to the decreasing oxygen content of the blood, the heart rate decreases and the blood pressure drops. This drop in the vital parameters triggers an alarm signal or a countermeasure in the brain after a certain time, so that, for example triggered by increased adrenaline, the affected persons experience a so-called arousal at the end of an apnea. In the case of the arousal, the affected patient typically starts with a loud snoring sound, whereupon breathing resumes. Heart rate and oxygen levels can normalize. Since, as described above, this process is repeated several times a night, it is apparent that sleep apnea can cause a number of negative side effects, such as increased daytime fatigue, decreased mental and physical performance, poor concentration, headache, depression, and the like.
  • obstructive apnea In addition to obstructive apnea, the so-called central sleep apnea is frequently observed, in which there is no obstruction of the respiratory tract, but rather is due to an interruption of the respiratory impulses on the part of the brain.
  • the observable course of apnea to the atrial is essentially the same as in obstructive apnea.
  • hypopnea A disease closely related to apnea is the hypopnea, for which there is no clear classification.
  • hypopnea the volume of breath during sleep is greatly reduced during sleep for the duration of the hypopnea, so that the hypopnea leads to a reduction in the oxygen content in the blood as well as the heart rate.
  • the health damage that can be caused by hypopneas is similarly severe as described above in the case of apneas.
  • hypopnea in the case of hypopnea the observation of the arousal, ie the intense, short-term growth process, is, as a rule not possible.
  • patients who snore are significantly more affected by hypopnoea.
  • FIG. 3a describes an apnea event
  • FIG. 3b a hypopnoenic event, the time being plotted in both representations on the X-axis and the amplitude course of the breathing noise of a sleeping patient recorded by means of a microphone on the Y-axis is.
  • FIG. 3 a shows a normal sleep rhythm in a first region 2, in which a slight snoring sound is detected at approximately regular intervals.
  • FIG. 3 a shows the apnea region 4, in which the arrest occurs and within which consequently no signal amplitude is recorded.
  • an arousal region 6 can be seen in FIG. 3a, which, as already described above, is characterized in that at the end of the apnea the patient resumes breathing with loud snoring, which is why in the arousal region 6 there are higher amplitudes recorded as in the first area 2, in which the patient still sleeps normally.
  • an indicator region 8 which precedes the apnea region 4 and within which the recorded amplitudes or the recorded signal shape differs clearly from the signals in the first region 2, in which the patient is in one normal sleep phase is located.
  • the indicator region is typical of the occurrence of an apnea event, that is, such a waveform is typically observed prior to onset of apnea respiratory failure in all patients.
  • the acoustic impression is about that of a short powerful snoring, which can often be associated with a slight groan. A way to prove a Apnea is therefore z. Example, in the recorded snoring noise to detect such a waveform.
  • FIG. 3b shows the occurrence of a hypopnea, wherein in FIG. 3b a sleep area 10 can first be identified by the patient being in a normal sleep state and in which snoring or respiratory sounds of significant amplitude are recorded in approximately equidistant sections. In the hypopnea area 12, in which, as already described above, the respiratory flow is greatly reduced, only an extremely low respiratory sound is then recorded for a period of more than 30 seconds. It should be noted that the hypopnea is not preceded by a typical signal course such as the indicator area 8 of the apnea. This was confirmed by the observation of a variety of hypopnea events in different patients.
  • European Patent EP 0504945B1 describes how apnea events can be detected when both respiratory and heart rate sounds are recorded.
  • a threshold value comparison is essentially carried out to evaluate the recorded tones. This means that an apnea is closed when one of the signals exceeds or falls below a certain predetermined limit value.
  • the threshold value comparison can additionally be carried out in a frequency-selective manner by dividing the recorded signal into fixed frequency ranges, wherein each frequency range can have its own threshold value.
  • the method described here has the disadvantage that a threshold value comparison can use only a single criterion, namely the energy value on which the threshold value calculation is based, in order to detect the occurrence of an apnea.
  • the use of this single integral information usually does not make it possible to recognize the characteristic signal course, which is not only characterized by its integrated intensity, before the onset of apnea with sufficiently high reliability.
  • U.S. Patent 5,123,425 describes a collar suitable for detecting and treating apnea events using a microphone as a sensor. The detection of an apnea event is also made here by simply exceeding the threshold, so that the same disadvantages as described above must be accepted.
  • the German patent DE 69632015T2 describes a sleep apnea treatment device, by means of which the ventilation pressure of a breathing mask can be variably adapted to the sleep state of a patient.
  • a sensor such as uses a microphone that records a respiratory signal within the frequency range of 20 Hz to 20,000 KHz and dynamically changes the breathing pressure to avoid apnea events based on this signal.
  • European Patent Application 0371424A1 describes a monitoring device for the diagnosis of apnea, in which both the heart rate and respiratory sounds are recorded and in which the onset of an apnea event is concluded on the basis of simple threshold comparisons of both the heart rate and the respiratory volume.
  • the described methods which are based on a simple threshold comparison, have the great disadvantage in apnea detection that only an integral value is used as a criterion for whether an apnea has started or not. Therefore, a reliable detection is usually not possible because of this, the characteristic waveform must be considered, which is not possible due to the integral property in the threshold comparison.
  • the threshold method has the great disadvantage that a fixed threshold value can not reliably detect hypopnea, since it is characterized in that during the occurrence of the hypopnea there is still a breath noise whose volume can vary compared to the normal breath volume and that is also highly patient-dependent.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method which enable the detection of hypopneas more reliably than hitherto.
  • the present invention is based on the finding that the occurrence of a hypopnea based on a recorded series of sample values which describe a respiratory sound can be detected with greater reliability when an energy value from the sample values is calculated, which is calculated within one describes energy contained in the respiratory sound predetermined time interval.
  • the occurrence of a hypopnea is demonstrated by comparing the energy value with a variable reference value dependent on the respective patient, so that external environmental influences such as variable sensitivities of the microphone or different volumes of breathing noise of different patients have no negative effects can have the recognition performance.
  • the energy value calculated for a fixed time interval is compared with a reference value which is calculated from a plurality of energy values preceding the current energy value.
  • a reference value which is calculated from a plurality of energy values preceding the current energy value.
  • the reference value is determined as an average of a predetermined number of previous energy values. This is equivalent to using energy values that are normalized to the current reference energies for the comparison of the energy value with a reference value.
  • a hypopnea is only displayed if a plurality of successive energy values fulfill the hyponucleus criterion, ie if the energy content of a plurality of successive signal sections (with a fixed number of sample values) lies below a variable, patient-specific threshold value.
  • the amplitude values of the recorded respiratory noise sampled at a predetermined frequency are used as sample values, suitable sampling frequencies for example lying between 5 kHz and 25 kHz.
  • the sampled amplitude is stored in digital values, which digitization may be done, for example, to an accuracy of less than 12 bits.
  • an energy value is formed for each discrete window length, that is to say for a fixed number of successive sample values, as a quadratic sum of the sample values sampled within the window length.
  • This has the great advantage that the quadratic summation of discrete, digitized quantities represents a mathematically extremely simple and therefore fast to perform operation.
  • the amplitude value generated by quadratic addition is normalized before further processing. Normalization achieves independence from the specific patient or from his or her breathing noise volume and from other signals that may distort the signal (variable microphone sensitivity).
  • a laryngeal microphone is used to receive the breathing sound, which has the great advantage that the sound transmission to the laryngeal microphone takes place by means of mechanical coupling, so that any other ambient noise, such as road noise or snoring noises from bed neighbors results in the measurement can not falsify.
  • FIG. 1 shows an example of a device for the detection of hypopneas
  • 3a shows an example of a breathing sound course during an apnea
  • 3b shows an example of a breathing sound course during a hypopnea.
  • FIG. 1 shows an example of a device for detecting the onset of apnea, wherein the detection is performed using a series of sample values describing a patient's breathing sound. Shown are an analyzer 20 and an evaluation device 22 as well as an optional microphone 24 with a scanning unit 26. According to the invention, an energy value is determined by the analyzer 20 using the series of sample values for a respective predetermined time interval of respiratory noise, which within a time interval in FIG Respiratory sound contains energy.
  • the energy value thus determined is transmitted to the evaluation device 22, which can detect the occurrence of hypopnea by comparing the energy value with a variable reference value dependent on the patient.
  • the energy signal obtained in this way is not compared with a previously programmed value, but instead with a variable, patient-dependent reference value, so that the system allows maximum flexibility and resulting maximum recognition accuracy, as this itself responds to the snoring volume or snoring volume can adjust the snoring behavior of the patient to be examined.
  • the threshold comparison either the energy value of the currently considered time window is normalized to the energy of the preceding time window, or the reference value itself is constantly updated.
  • the reference value may be calculated as the average of a number of previous energy values (floating average). If the currently considered energy value E f + i, then the reference energy value
  • R can be calculated according to the following formula:
  • variable patient-dependent reference energy it is also possible to determine the variable patient-dependent reference energy during a training phase of the apparatus during which a hypopnea-sensing device of the present invention determines the average snoring energy of a specific patient and stores it in a memory.
  • the patient can then select, for example, its configuration from a menu, so that in this case the evaluation device 22 can compare the energy values with variable reference values dependent on the patient in order to achieve the optimum recognition performance according to the invention.
  • the series of sample values which describe the respiratory sound can either be recorded spatially separated from the device according to the invention and then made available, for example, in the form of a transportable data carrier or by means of a wireless data interface.
  • a sampling unit 26 is connected to the analyzer 20, which digitizes the signals received by a microphone 24 connected to the sampling unit 26 at a predetermined sampling frequency.
  • the sampling frequency is not prescribed in any way, it may for example be 5, 11 or 22 kHz.
  • the transmission between the scanning unit 26 and the analyzer 20 can in turn be arbitrary, in particular also be done wirelessly or via a data network such as the Internet.
  • connection methods are also conceivable in principle for the connection between the microphone 24 and the scanning unit 26, so that the inventive concept as a whole can not be used in any way. is limited by the way the series of sample values describing the breath noise are recorded or generated in order to be made available to the analyzer 20.
  • Fig. 2 shows how the series of sample values is generated according to the invention and how the predetermined time interval for which an energy value is calculated can be determined. 2 shows the time in arbitrary units on the X-axis and the amplitude of a measured signal on the Y-axis also in arbitrary units.
  • FIG. 2 furthermore shows a first time window 34a and a second time window 34b, for each of which an individual energy value is determined.
  • the energy values can be determined, for example, as described above, by quadratic addition of the amplitude values SIt 1 ). This simple mathematical operation is real-time.
  • a length of a time window can be, for example, 200 ms, but the length is variable within wide limits since the length of a hypnotic event, as can be seen from FIG. 3b, is typically 30 seconds or more. Preferred words are in the interval between 100 ms and 500 ms.
  • the evaluation device 22 shows the occurrence a hypopnea only when a plurality of successive time windows 34a and 34b, respectively, indicate the occurrence of hypopnea when compared to the variable reference value.
  • the number of false alarms is thereby reduced if, for example, the patient merely changes his body position, as a result of which the respiratory sound can be temporarily interrupted.
  • the number of time windows that are used for the final display of a hypopnea can be varied patient-specific, which underlines the great flexibility of the inventive concept again.
  • the evaluation device can be coupled to an alarm device which can perform a multiplicity of operations in the event of hypopnea. This may be, for example, alerting medical personnel or stimulating the respiration of the patient in question to immediately end the hypopnea condition. Health impairments can be avoided in this way.
  • the analyzer and evaluation devices can be spatially separate from the microphone and its signal processing, the connection in particular being wireless, so that even during real-time monitoring of a sleeping patient, this component is disturbed by as few as possible components fastened to its body during sleep.
  • the method according to the invention can be implemented with a wide variety of techniques; in particular, this can be implemented advantageously in software that can be executed on any universal computer system.
  • embedded solutions are conceivable that perform the process on a specialized hardware or a specially programmed FPGA, which due to its small size and low E- nergietries also in the immediate vicinity of the microphone, that is, on the patient directly, may be appropriate.
  • the type of energy value determination for carrying out the method according to the invention is not fixed; for example, the energy values can also be provided with an additional weighting factor depending on their position within the time window.
  • the relative position of the time windows, which are evaluated individually, is also not mandatory. Instead of the configuration shown in FIG. 2, in which the two time windows 34a and 34b follow one another directly, a procedure is also conceivable in which there is a time interval between two evaluated time windows which is not used for calculating the energy values. Alternatively, it is also conceivable that successive time windows overlap each other slightly over time.
  • the method according to the invention for the detection of hypopnea can be implemented in hardware or in software.
  • the implementation can take place on a digital storage medium, in particular a floppy disc or CD with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system in such a way that the method according to the invention for the detection of hypopnea is carried out.
  • the invention thus also consists in a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Abstract

The occurrence of a hypopnoea can be detected with high reliability based on a recorded number of sample values describing a respiratory sound if an energetic value is calculated from the sample values, said value describing the energy contained in the respiratory sound within a given period. The occurrence of an hypopnoea can be detected by carrying out the energetic value with a variable reference value which depends on the respective patient, thereby eliminating negative external influences such as e.g. different sensitivities of the microphone or different noise intensities of the respiratory sound of different patients.

Description

Automatische Detektion von Hypopnoen Automatic detection of hypopneas
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Methoden zur automatischen Detektion von Schlafstörungen und insbesondere mit einer Vorrichtung und mit einem Verfahren, die eine Möglichkeit zur automatisierten Detektion von Hypopnoen schaffen.The present invention is concerned with methods for the automatic detection of sleep disorders, and more particularly with an apparatus and method that provide a means for the automated detection of hypopneas.
Schlafstörungen sind ein immer häufiger auftretendes Phänomen, das die Lebensqualität und die Leistungsfähigkeit der betroffenen Personen stark einschrankt. Bei speziellen Arten von auftretenden Schlafstörungen kann darüber hinaus die Gesundheit des Patienten nachhaltig beeinträchtigt werden.Sleep disorders are an increasingly common phenomenon that severely limits the quality of life and performance of those affected. In addition, with special types of occurring sleep disorders, the health of the patient can be permanently impaired.
Zwei besonders häufig auftretende Schlafstörungen sind dabei Apnoen und Hypopnoen. Bei der Apnoe treten kurzzeitige vollständige Atemstillstande auf, deren Häufigkeit in weiten Grenzen variieren kann, wobei Werte von über 35 solcher Schlafstörungen pro Nacht keine Seltenheit sind. Als allge- meine Definition für das Krankheitsbild der Apnoe gilt das Auftreten von mindestens 10 Atemstillstanden, welche jeweils mindestens 10 Sekunden dauern, innerhalb einer Schlafstunde . Die Apnoe kann mehrere Ursachen haben, die häufigste ist ein wahrend des Schlafes auftretender Ver- Schluss der oberen Atemwege (obstruktive Schlaf-Apnoe) . Der Verschluss wird normalerweise durch eine Erschlaffung des Gaumensegels (Velum) ausgelost, das unter anderem auch für das Schnarchen verantwortlich ist. Erschlafft das Gaumensegel, kann es dazu fuhren, dass dieses die Atemwege voll- standig verschließt, so dass die Sauerstoffzufuhr zu den Lungen und somit auch zum Gehirn unterbrochen wird. Aufgrund obigen Zusammenhangs wird die Apnoe auch häufig bei Personen beobachtet, die zu starkem Schnarchen neigen. Be- dingt durch den abfallenden Sauerstoffgehalt des Blutes vermindert sich die Herzfrequenz und der Blutdruck fällt ab. Dieser Abfall der Vitalparameter löst nach einer gewissen Zeit ein Alarmsignal bzw. eine Gegenmaßnahme im Gehirn aus, so dass, beispielsweise ausgelöst durch verstärkten Adrenalinausstoß, die betroffenen Personen am Ende einer Apnoe ein sog. Arousal erleben. Beim Arousal schreckt der betroffene Patient typischerweise mit einem lauten Schnarchgeräusch hoch, woraufhin die Atmung wieder ein- setzt. Herzschlag sowie Sauerstoffgehalt können sich normalisieren. Da sich, wie oben beschrieben, dieser Vorgang mehrmals pro Nacht wiederholt, wird offensichtlich, dass die Schlafapnoe eine Reihe von negativen Begleiterscheinungen hervorrufen kann, wie beispielsweise verstärkte Tages- müdigkeit, verminderte geistige und körperliche Leistungsfähigkeit, Konzentrationsschwäche, Kopfschmerzen, Depressionen und dergleichen.Two particularly common sleep disorders are apneas and hypopneas. In apnea, short-term complete respiratory arrest occurs, the frequency of which can vary widely, and values of over 35 such sleep disorders per night are not uncommon. The general definition for the clinical picture of apnea is the occurrence of at least 10 respiratory arrest, each lasting at least 10 seconds, within one hour of sleep. Apnea may have several causes, the most common one being upper respiratory obstruction occurring during sleep (obstructive sleep apnea). The closure is usually triggered by a relaxation of the velum, which is among other things responsible for the snoring. If the soft palate relaxes, it can cause it to completely close off the respiratory tract, interrupting the supply of oxygen to the lungs and thus to the brain. Due to the above relationship, apnea is also commonly seen in individuals prone to severe snoring. loading Due to the decreasing oxygen content of the blood, the heart rate decreases and the blood pressure drops. This drop in the vital parameters triggers an alarm signal or a countermeasure in the brain after a certain time, so that, for example triggered by increased adrenaline, the affected persons experience a so-called arousal at the end of an apnea. In the case of the arousal, the affected patient typically starts with a loud snoring sound, whereupon breathing resumes. Heart rate and oxygen levels can normalize. Since, as described above, this process is repeated several times a night, it is apparent that sleep apnea can cause a number of negative side effects, such as increased daytime fatigue, decreased mental and physical performance, poor concentration, headache, depression, and the like.
Neben der obstruktiven Apnoe wird häufig auch die sog. zentrale Schlaf-Apnoe beobachtet, bei der kein Verschluss der Atemwege erfolgt, sondern die vielmehr auf ein Aussetzen der Atemimpulse seitens des Gehirns zurückzuführen ist. Dabei ist der beobachtbare Ablauf der Apnoe bis hin zum A- rousal im Wesentlichen derselbe wie bei der obstruktiven Apnoe.In addition to obstructive apnea, the so-called central sleep apnea is frequently observed, in which there is no obstruction of the respiratory tract, but rather is due to an interruption of the respiratory impulses on the part of the brain. The observable course of apnea to the atrial is essentially the same as in obstructive apnea.
Ein der Apnoe eng verwandtes Krankheitsbild ist die Hypop- noe, für die es keine eindeutige Klassifikation gibt. Bei der Hypopnoe wird während des Schlafes aus verschiedenen Ursachen das Atemvolumen während der Dauer der Hypopnoe stark reduziert, so dass auch die Hypopnoe zu einer Verringerung des Sauerstoffgehalts im Blut so wie der Herzfrequenz führt. Aufgrund derselben Symptome sind auch die gesundheitlichen Schäden, die von Hypopnoen hervorgerufen werden können, ähnlich gravierend wie oben im Fall von Apnoen geschildert. Im Unterschied zur Apnoe ist bei der Hypopnoe allerdings das Beobachten des Arousals, also des heftigen, kurzfristigen Erwachvorgangs, in aller Regel nicht möglich. Genauso wie bei der Apnoe sind jedoch Patienten, die schnarchen, deutlich überproportional von Hypop- noe betroffen.A disease closely related to apnea is the hypopnea, for which there is no clear classification. In hypopnea, the volume of breath during sleep is greatly reduced during sleep for the duration of the hypopnea, so that the hypopnea leads to a reduction in the oxygen content in the blood as well as the heart rate. Due to the same symptoms, the health damage that can be caused by hypopneas is similarly severe as described above in the case of apneas. However, in contrast to apnea, in the case of hypopnea the observation of the arousal, ie the intense, short-term growth process, is, as a rule not possible. However, as with apnea, patients who snore are significantly more affected by hypopnoea.
Anhand der Fig. 3a und 3b wird im Folgenden kurz ein typischer Signalverlauf, wie er bei Auftreten einer Apnoe bzw. Hypopnoe auftritt, dargestellt. Die Fig. 3a beschreibt dabei ein Apnoe-Ereignis und Fig. 3b ein Hypopnoen-Ereignis, wobei in beiden Darstellungen jeweils auf der X-Achse die Zeit, und auf der Y-Achse der mittels eines Mikrophons aufgezeichnete Amplitudenverlauf des Atemgeräusches eines schlafenden Patienten aufgetragen ist.In the following, a typical signal course, as occurs when apnea or hypopnea occurs, will be briefly described below with reference to FIGS. 3a and 3b. FIG. 3a describes an apnea event and FIG. 3b a hypopnoenic event, the time being plotted in both representations on the X-axis and the amplitude course of the breathing noise of a sleeping patient recorded by means of a microphone on the Y-axis is.
Fig. 3a zeigt dabei einen normalen Schlafrhythmus in einem ersten Bereich 2, in welchem in annähernd regelmäßigen Abständen ein leichtes Schnarchgeräusch detektiert wird. Fig. 3a zeigt darüber hinaus den Apnoenbereich 4, in dem der A- temstillstand auftritt und innerhalb dessen demzufolge keine Signalamplitude aufgezeichnet wird. In Fig. 3a ist un- mittelbar nach dem Apnoenbereich 4 ein Arousalbereich 6 zu erkennen, der, wie bereits vorhergehend beschrieben, dadurch gekennzeichnet ist, dass am Ende der Apnoe der Patient mit lautem Schnarchen die Atmung wieder aufnimmt, weswegen im Arousalbereich 6 höhere Amplituden aufgezeichnet werden als im ersten Bereich 2, in dem der Patient noch normal schläft. Unmittelbar vor dem Apnoenbereich 4 ist in Fig. 3a ferner ein Indikatorbereich 8 dargestellt, der dem Apnoebereich 4 vorausgeht und innerhalb dessen die aufgezeichneten Amplituden bzw. die aufgezeichnete Signalform sich deutlich von den Signalen im ersten Bereich 2 unterscheidet, in dem der Patient sich in einer normalen Schlafphase befindet. Der Indikatorbereich ist typisch für das Auftreten eines Apnoe-Ereignisses, das heißt ein solcher Signalverlauf wird typischerweise vor Beginn des Atemstill- Standes im Apnoebereich 4 für alle Patienten beobachtet. Der akustische Eindruck ist in etwa der eines kurzen kräftigen Schnarchens, das oft mit einem leichten Stöhnlaut verbunden sein kann. Eine Möglichkeit zum Nachweis einer Apnoe besteht daher z. B. darin, im aufgezeichneten Schnarchgeräusch einen derartigen Signalverlauf nachzuweisen .FIG. 3 a shows a normal sleep rhythm in a first region 2, in which a slight snoring sound is detected at approximately regular intervals. In addition, FIG. 3 a shows the apnea region 4, in which the arrest occurs and within which consequently no signal amplitude is recorded. Immediately after the apnea region 4, an arousal region 6 can be seen in FIG. 3a, which, as already described above, is characterized in that at the end of the apnea the patient resumes breathing with loud snoring, which is why in the arousal region 6 there are higher amplitudes recorded as in the first area 2, in which the patient still sleeps normally. Immediately before the apnea region 4, an indicator region 8, which precedes the apnea region 4 and within which the recorded amplitudes or the recorded signal shape differs clearly from the signals in the first region 2, in which the patient is in one normal sleep phase is located. The indicator region is typical of the occurrence of an apnea event, that is, such a waveform is typically observed prior to onset of apnea respiratory failure in all patients. The acoustic impression is about that of a short powerful snoring, which can often be associated with a slight groan. A way to prove a Apnea is therefore z. Example, in the recorded snoring noise to detect such a waveform.
Fig. 3b zeigt das Auftreten einer Hypopnoe, wobei in Fig. 3b zunächst ein Schlafbereich 10 identifiziert werden kann, indem sich der Patient in einem normalen Schlafzustand befindet und in dem in annähernd äquidistanten Abschnitten Schnarch- bzw. Atemgeräusche signifikanter Amplitude aufge- zeichnet werden. Im Hypopnoenbereich 12, in dem wie bereits oben beschrieben der Atemfluss stark reduziert ist, wird dann während einer Zeitspanne von mehr als 30 Sekunden nur noch ein außerordentlich geringes Atemgeräusch aufgezeichnet. Dabei ist zu bemerken, dass der Hypopnoe kein typi- scher Signalverlauf wie der Indikatorbereich 8 der Apnoe vorausgeht. Dies wurde durch die Beobachtung einer Vielzahl von Hypopnoenereignissen bei unterschiedlichen Patienten bestätigt .3b shows the occurrence of a hypopnea, wherein in FIG. 3b a sleep area 10 can first be identified by the patient being in a normal sleep state and in which snoring or respiratory sounds of significant amplitude are recorded in approximately equidistant sections. In the hypopnea area 12, in which, as already described above, the respiratory flow is greatly reduced, only an extremely low respiratory sound is then recorded for a period of more than 30 seconds. It should be noted that the hypopnea is not preceded by a typical signal course such as the indicator area 8 of the apnea. This was confirmed by the observation of a variety of hypopnea events in different patients.
Im Stand der Technik werden eine Reihe von Verfahren beschrieben, die angewendet werden, um automatisiert den Beginn einer Apnoe nachzuweisen. Die amerikanische Patentanmeldung US 2004/0225226A1 und das US-Patent 6, 935, 335Bl beschreiben ein Verfahren, bei dem ein oder mehrere Mikropho- ne eingesetzt werden, welche die von Ihnen aufgenommenen Signale an eine digitale Signalverarbeitung weiterleiten, die den Beginn eines Apnoe-Ereignisses nachweisen kann. Die Signalverarbeitung führt dazu eine Fouriertransformation in den Frequenzraum durch und bestimmt durch Analyse einer großen Zahl von Fourierkoeffizienten, ob ein Signalverlauf vorliegt, der auf den Beginn eines Apnoe-Ereignisses schließen lässt. Dieses Verfahren hat den großen Nachteil, das durch die Fourieranalyse eine sehr große Anzahl von Fourierkoeffizienten als Repräsentation des aufgenommenen Signals erzeugt wird. Eine Echtzeitverarbeitung wird dadurch erheblich erschwert, da ein einfaches Kriterium, das das Auftreten einer Apnoe anzeigt, nicht gefunden werden kann, wenn zur Bestimmung eines solchen Kriteriums die Vielzahl der Fourierkoeffizienten herangezogen werden muss.The prior art describes a number of methods used to automatically detect the onset of apnea. US patent application US 2004 / 0225226A1 and US Pat. No. 6,935,335B1 describe a method in which one or more microphones are used, which transmit the signals recorded by them to a digital signal processor, which signals the beginning of an apnea. Event can prove. The signal processing performs a Fourier transformation into the frequency domain and determines, by analyzing a large number of Fourier coefficients, whether there is a signal that indicates the beginning of an apnea event. This method has the great disadvantage that the Fourier analysis generates a very large number of Fourier coefficients as a representation of the recorded signal. Real-time processing is made considerably more difficult because a simple criterion indicating the occurrence of apnea can not be found can, if for determining such a criterion, the plurality of Fourier coefficients must be used.
Das europäische Patent EP 0504945B1 beschreibt, wie Apnoe- Ereignisse nachgewiesen werden können, wenn sowohl Atmungsais auch Herzfrequenztöne aufgenommen werden. Dabei wird zur Auswertung der aufgenommen Töne im Wesentlichen ein Schwellwertvergleich durchgeführt. Das heißt, auf eine Apnoe wird dann geschlossen, wenn eines der Signale einen be- stimmten vorher festgelegten Grenzwert überschreitet bzw. unterschreitet. Dabei kann der Schwellwertvergleich zusätzlich frequenzselektiv durchgeführt werden, indem das aufgenommene Signal in feste Frequenzbereiche zerlegt werden, wobei jeder Frequenzbereich seinen eigenen Schwellwert be- sitzen kann. Das beschriebene Verfahren hat dabei den Nachteil, dass ein Schwellwertvergleich lediglich ein einziges Kriterium, nämlich den der Schwellwertberechnung zugrundeliegenden Energie-Wert heranziehen kann, um das Auftreten einer Apnoe nachzuweisen. Das Verwenden dieser einzelnen integralen Information ermöglicht es dabei in der Regel nicht, den charakteristischen Signalverlauf, der sich eben nicht nur durch seine integrierte Intensität auszeichnet, vor Beginn einer Apnoe mit genügend großer Zuverlässigkeit zu erkennen.European Patent EP 0504945B1 describes how apnea events can be detected when both respiratory and heart rate sounds are recorded. In this case, a threshold value comparison is essentially carried out to evaluate the recorded tones. This means that an apnea is closed when one of the signals exceeds or falls below a certain predetermined limit value. In this case, the threshold value comparison can additionally be carried out in a frequency-selective manner by dividing the recorded signal into fixed frequency ranges, wherein each frequency range can have its own threshold value. The method described here has the disadvantage that a threshold value comparison can use only a single criterion, namely the energy value on which the threshold value calculation is based, in order to detect the occurrence of an apnea. The use of this single integral information usually does not make it possible to recognize the characteristic signal course, which is not only characterized by its integrated intensity, before the onset of apnea with sufficiently high reliability.
Das US-amerikanische Patent 5,123,425 beschreibt ein Halsband, das dazu geeignet ist, Apnoeereignisse zu erkennen und zu behandeln, wobei als Sensor ein Mikrophon verwendet wird. Das Erkennen eines Apnoeereignisses wird auch hier durch einfache Schwellwertüberschreitung vorgenommen, so dass dieselben Nachteile wie bereits oben beschrieben in Kauf genommen werden müssen.U.S. Patent 5,123,425 describes a collar suitable for detecting and treating apnea events using a microphone as a sensor. The detection of an apnea event is also made here by simply exceeding the threshold, so that the same disadvantages as described above must be accepted.
Die deutsche Patentschrift DE 69632015T2 beschreibt eine Schlafapnoe-Behandlungsvorrichtung, mittels derer der Beatmungsdruck einer Atemmaske variabel an dem Schlafzustand eines Patienten angepasst werden kann. Dabei wird zur De- tektion des Schlafzustands ein Sensor wie beispielsweise ein Mikrophon verwendet, das innerhalb des Frequenzbereichs von 20 Hz bis 20.000 KHz ein Atemsignal aufzeichnet und das auf Basis dieses Signals den Atemdruck zur Vermeidung von Apnoe-Ereignissen dynamisch verändert.The German patent DE 69632015T2 describes a sleep apnea treatment device, by means of which the ventilation pressure of a breathing mask can be variably adapted to the sleep state of a patient. In this case, the detection of the sleep state, a sensor such as uses a microphone that records a respiratory signal within the frequency range of 20 Hz to 20,000 KHz and dynamically changes the breathing pressure to avoid apnea events based on this signal.
Die europaische Patentanmeldung 0371424A1 beschreibt eine Uberwachungsvorrichtung zur Diagnose von Apnoe, bei der sowohl die Herzfrequenz als auch Atmungslaute aufgezeichnet werden und bei der anhand von einfachen Schwellwertverglei- chen sowohl der Herzfrequenz als auch der Atemlautstarke auf das Einsetzen eines Apnoe-Ereignisses geschlossen wird.European Patent Application 0371424A1 describes a monitoring device for the diagnosis of apnea, in which both the heart rate and respiratory sounds are recorded and in which the onset of an apnea event is concluded on the basis of simple threshold comparisons of both the heart rate and the respiratory volume.
Die beschriebenen Verfahren, die auf einfachem Schwellwertvergleich basieren, haben bei der Apnoendetektion den gro- ßen Nachteil, dass lediglich ein integraler Wert als Kriterium dafür benutzt wird, ob eine Apnoe eingesetzt hat oder nicht. Daher ist eine zuverlässige Detektion in der Regel deshalb nicht möglich, da für diese der charakteristische Signalverlauf berücksichtigt werden muss, was aufgrund der integralen Eigenschaft beim Schwellwertvergleich nicht möglich ist.The described methods, which are based on a simple threshold comparison, have the great disadvantage in apnea detection that only an integral value is used as a criterion for whether an apnea has started or not. Therefore, a reliable detection is usually not possible because of this, the characteristic waveform must be considered, which is not possible due to the integral property in the threshold comparison.
Bei der Detektion von Hypopnoen hat das Schwellwertverfahren den großen Nachteil, dass ein fester Schwellwert eine Hypopnoe nicht zuverlässig entdecken kann, da diese dadurch gekennzeichnet ist, dass wahrend des Auftretens der Hypopnoen noch ein Atemgerausch vorhanden ist, dessen Lautstarke im Vergleich zur normalen Atemlautstarke variieren kann und das darüber hinaus stark patientenabhangig ist.In the detection of hypopneas, the threshold method has the great disadvantage that a fixed threshold value can not reliably detect hypopnea, since it is characterized in that during the occurrence of the hypopnea there is still a breath noise whose volume can vary compared to the normal breath volume and that is also highly patient-dependent.
Die Detektion eines Beginns einer Apnoe mittels Fourierana- lyse hat den großen Nachteil, dass durch die Fourieranalyse eine Vielzahl von Fourierkoeffizienten erzeugt wird, die das Frequenzspektrum des aufgenommenen Geräusches beschrei- ben. Ein einfacher und damit in sinnvoller Rechenzeit durchfuhrbarer Test bzw. eine Charakterisierung dieser Fourierkoeffizienten ist aufgrund deren großer Anzahl in Echtzeit kaum möglich. Bereits vor dem Auftreten des Atemstill- Stands einer Apnoe dieser vorhersagen zu können, wird dabei aufgrund der Komplexität der Charakterisierung verhindert.The great disadvantage of detecting a start of an apnea by means of Fourier analysis is that a multiplicity of Fourier coefficients is generated by the Fourier analysis, which describe the frequency spectrum of the recorded noise. A simple and thus meaningful computing time durchfuhrbarer test or characterization of these Fourier coefficients is hardly possible due to their large number in real time. Even before the onset of respiratory Due to the complexity of the characterization, it is impossible to predict levels of apnea.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche den Nachweis von Hypopnoen zuverlässiger als bisher ermöglichen.The object of the present invention is to provide a device and a method which enable the detection of hypopneas more reliably than hitherto.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 and by a method according to claim 13.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass das Auftreten einer Hypopnoe basierend auf einer aufgezeichneten Reihe von Samplewerten, die ein Atem- geräusch beschreiben, mit größerer Zuverlässigkeit dann nachgewiesen werden kann, wenn ein Energiewert aus den Samplewerten berechnet wird, der die innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls im Atemgeräusch enthaltene Energie beschreibt. Das Auftreten einer Hypopnoe wird erfindungsge- maß dadurch nachgewiesen, dass der Energiewert mit einem variablen, von dem jeweiligen Patienten abhängigen Referenzwert verglichen wird, so dass äußere Umwelteinflüsse, wie beispielsweise variable Empfindlichkeiten des Mikrophons bzw. unterschiedliche Lautstärken des Atemgeräusches verschiedener Patienten keine negativen Auswirkungen auf die Erkennungsleistung haben können.The present invention is based on the finding that the occurrence of a hypopnea based on a recorded series of sample values which describe a respiratory sound can be detected with greater reliability when an energy value from the sample values is calculated, which is calculated within one describes energy contained in the respiratory sound predetermined time interval. According to the invention, the occurrence of a hypopnea is demonstrated by comparing the energy value with a variable reference value dependent on the respective patient, so that external environmental influences such as variable sensitivities of the microphone or different volumes of breathing noise of different patients have no negative effects can have the recognition performance.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird daher der für ein festes Zeitintervall errechnete E- nergiewert mit einem Referenzwert verglichen, der aus einer Mehrzahl dem aktuellen Energiewert vorhergehenden Energiewerte berechnet wird. Zur Bestimmung des Referenzwertes wird somit das Atemgeräusch des betrachteten Patienten selbst verwendet, das unter den aktuellen Umgebungsbedin- gungen aufgezeichnet wurde und das somit spezifisch für den Patienten unter den gegebenen Umgebungsbedingungen ist. Dadurch kann das Detektionsverhalten im Vergleich zu dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren mit festem Schwellwert extrem verbessert werden.In one embodiment of the present invention, therefore, the energy value calculated for a fixed time interval is compared with a reference value which is calculated from a plurality of energy values preceding the current energy value. To determine the reference value, the breathing noise of the patient in question is thus used himself, which was recorded under the current environmental conditions and which thus is specific for the patient under the given environmental conditions. As a result, the detection behavior compared to the State of the art corresponding method with fixed threshold extremely improved.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Referenzwert beispielsweise als Durchschnittswert einer vorbestimmten Anzahl vorhergehender Energiewerte bestimmt. Dies ist äquivalent dazu, dass für den Vergleich des Energiewerts mit einem Referenzwert solche Energiewerte verwendet werden, die auf die aktuellen Referenzenergien normiert sind.For example, in one embodiment of the present invention, the reference value is determined as an average of a predetermined number of previous energy values. This is equivalent to using energy values that are normalized to the current reference energies for the comparison of the energy value with a reference value.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Hypopnoe nur dann angezeigt, wenn eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Energiewerten das Hypop- noenkriterium erfüllen, wenn also der Energieinhalt mehrerer aufeinanderfolgender Signalabschnitte (mit fester Anzahl von Samplewerten) , also unterhalb eines variablen, patientenspezifischen Schwellwerts liegt.In a further exemplary embodiment of the present invention, a hypopnea is only displayed if a plurality of successive energy values fulfill the hyponucleus criterion, ie if the energy content of a plurality of successive signal sections (with a fixed number of sample values) lies below a variable, patient-specific threshold value.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden als Samplewerte die mit vorbestimmter Frequenz abgetasteten Amplitudenwerte des aufgenommenen Atemgeräusches verwendet, wobei geeignete Abtastfrequenzen beispielsweise zwischen 5 kHz und 25 kHz liegen können.In an exemplary embodiment of the present invention, the amplitude values of the recorded respiratory noise sampled at a predetermined frequency are used as sample values, suitable sampling frequencies for example lying between 5 kHz and 25 kHz.
Bevorzugt wird die abgetastete Amplitude in digitalen Werten gespeichert, wobei die Digitalisierung beispielsweise mit einer Genauigkeit von weniger als 12 Bit erfolgen kann.Preferably, the sampled amplitude is stored in digital values, which digitization may be done, for example, to an accuracy of less than 12 bits.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für jeweils eine diskrete Fensterlänge, also für eine feste Anzahl aufeinanderfolgender Sample-Werte, ein Energiewert als quadratische Summe der innerhalb der Fensterlänge abgetasteten Samplewerte gebildet. Dies hat den großen Vorteil, dass das quadratische Summieren diskreter, digitalisierter Größen eine mathematisch äußerst unaufwendige und daher schnell durchzuführende Operation darstellt. Für das Bestimmen des Hypopnoen-Kriteriums wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der durch quadratische Addition erzeugte Amplitudenwert vor der Weiterverarbeitung nor- miert. Durch die Normierung wird eine Unabhängigkeit vom spezifischen Patienten bzw. von dessen Atemgeräuschlautstärke und von anderen, das Signal möglicherweise verfälschenden Einflüssen (veränderlicher Mikrophonempfindlichkeit) erreicht.In a further exemplary embodiment of the present invention, an energy value is formed for each discrete window length, that is to say for a fixed number of successive sample values, as a quadratic sum of the sample values sampled within the window length. This has the great advantage that the quadratic summation of discrete, digitized quantities represents a mathematically extremely simple and therefore fast to perform operation. For determining the hypopnoen criterion, in another embodiment the amplitude value generated by quadratic addition is normalized before further processing. Normalization achieves independence from the specific patient or from his or her breathing noise volume and from other signals that may distort the signal (variable microphone sensitivity).
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird zur Aufnahme des Atemgeräuschs ein Kehlkopfmikrophon verwendet, was den großen Vorteil hat, dass die Schallübertragung auf das Kehlkopfmikrophon mittels mecha- nischer Kopplung stattfindet, so dass eventuelle andere Umgebungsgeräusche, wie beispielsweise Straßengeräusche oder Schnarchgeräusche von Bettnachbarn das Messergebnis nicht verfälschen können.In another embodiment of the present invention, a laryngeal microphone is used to receive the breathing sound, which has the great advantage that the sound transmission to the laryngeal microphone takes place by means of mechanical coupling, so that any other ambient noise, such as road noise or snoring noises from bed neighbors results in the measurement can not falsify.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, genauer beschrieben. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be described below in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Nachweis von Hypopnoen;1 shows an example of a device for the detection of hypopneas;
Fig. 2 ein Beispiel für erfindungsgemäße abschnittsweise Verarbeitung von Samplewerten;2 shows an example of section-wise processing of sample values according to the invention;
Fig. 3a ein Beispiel für einen Atemgeräuschverlauf während einer Apnoe; und3a shows an example of a breathing sound course during an apnea; and
Fig. 3b ein Beispiel für einen Atemgeräuschverlauf während einer Hypopnoe.3b shows an example of a breathing sound course during a hypopnea.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Nachweis des Beginns einer Apnoe, wobei der Nachweis unter Verwen- dung einer Reihe von Samplewerten, die ein Atemgeräusch eines Patienten beschreiben, erfolgen kann. Gezeigt sind ein Analysator 20 und eine Auswerteeinrichtung 22 sowie ein optionales Mikrophon 24 mit einer Abtasteinheit 26. Erfin- dungsgemäß wird von dem Analysator 20 unter Verwendung der Reihe von Samplewerten für jeweils ein vorbestimmtes Zeitintervall des Atemgeräuschs ein Energiewert bestimmt, der die innerhalb eines Zeitintervalls im Atemgeräusch enthaltene Energie beschreibt.1 shows an example of a device for detecting the onset of apnea, wherein the detection is performed using a series of sample values describing a patient's breathing sound. Shown are an analyzer 20 and an evaluation device 22 as well as an optional microphone 24 with a scanning unit 26. According to the invention, an energy value is determined by the analyzer 20 using the series of sample values for a respective predetermined time interval of respiratory noise, which within a time interval in FIG Respiratory sound contains energy.
Der so ermittelte Energiewert wird an die Auswerteeinrichtung 22 übertragen, die durch Vergleich des Energiewerts mit einem variablen, von dem Patienten abhängigen Referenzwert das Auftreten einer Hypopnoe erkennen kann.The energy value thus determined is transmitted to the evaluation device 22, which can detect the occurrence of hypopnea by comparing the energy value with a variable reference value dependent on the patient.
Sind beispielsweise die diskreten Abtastwerte, also die Samplewerte S (tj.) gegeben, ist ein Beispiel für die Berechnung eines sinnvollen Energiewerts die quadratische Summe der Abtastwerte im Intervall t1=o bis t1=i: (. Tj), for example, the discrete sample values, that is, the sample values S given an example for the calculation of a meaningful energy value is the square sum of the samples in the interval t 1 = o to t 1 = i:
Erfindungsgemäß wird von der Auswerteeinrichtung 22 das so gewonnene Energiesignal nicht mit einem vorher fest einpro- grammierten Wert, sondern mit einem variablen, patientenabhängigen Referenzwert verglichen, so dass das System maximale Flexibilität und daraus resultierend maximale Erkennungsgenauigkeit ermöglicht, da dieses sich selbst auf die Schnarchlautstärke bzw. das Schnarchverhalten des zu unter- suchenden Patienten einstellen kann. Dazu wird beim Schwellwertvergleich entweder der Energiewert des momentan betrachteten Zeitfensters auf die Energie der vorhergehenden Zeitfenster normiert oder der Referenzwert selbst wird ständig aktualisiert. Der Referenzwert kann beispielsweise als Mittelwert einer Anzahl von vorhergehenen Energiewerten berechnet werden (floating average). Ist der momentan betrachtete Energiewert Ef+i, so kann der Referenzenergiewert R beispielsweise also nach folgender Formel berechnet werden:According to the evaluation device 22, the energy signal obtained in this way is not compared with a previously programmed value, but instead with a variable, patient-dependent reference value, so that the system allows maximum flexibility and resulting maximum recognition accuracy, as this itself responds to the snoring volume or snoring volume can adjust the snoring behavior of the patient to be examined. For this purpose, in the threshold comparison, either the energy value of the currently considered time window is normalized to the energy of the preceding time window, or the reference value itself is constantly updated. For example, the reference value may be calculated as the average of a number of previous energy values (floating average). If the currently considered energy value E f + i, then the reference energy value For example, R can be calculated according to the following formula:
1 /1 /
R=-xYE, J ι=lR = -xYE, J ι = l
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die variable vom Patienten abhängige Referenzenergie während einer Trainingsphase des Apparates zu bestimmen, während derer eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Nachweis einer Hypopnoe die mittlere Schnarchenergie eines spezifischen Patienten bestimmt und diese in einem Speicher ablegt. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Patient dann beispielsweise seine Konfiguration aus einem Menü wählen, so dass auch in diesem Fall die Auswerteeinrichtung 22 die Energiewerte mit variablen, vom Patienten abhängigen Referenzwerte vergleichen kann, um die optimale Erkennungsleistung erfindungsgemäß zu erzielen.In another embodiment of the present invention, it is also possible to determine the variable patient-dependent reference energy during a training phase of the apparatus during which a hypopnea-sensing device of the present invention determines the average snoring energy of a specific patient and stores it in a memory. When using the device according to the invention, the patient can then select, for example, its configuration from a menu, so that in this case the evaluation device 22 can compare the energy values with variable reference values dependent on the patient in order to achieve the optimum recognition performance according to the invention.
Die Reihe von Samplewerten, die das Atemgeräusch beschreiben, können dabei entweder räumlich getrennt von der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgezeichnet werden und dann, beispielsweise in Form eines transportablen Datenträges o- der mittels einer schnurlosen Datenschnittstelle zur Verfü- gung gestellt werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, wie in Fig. 1 angedeutet, eine Abtasteinheit 26 mit dem Analysator 20 verbunden, welche die von einem mit der Abtasteinheit 26 verbundenen Mikrophon 24 aufgenommenen Signale mit vorbestimmter Abtast- frequenz digitalisiert. Die Abtastfrequenz ist dabei in keinster Weise vorgeschrieben, sie kann beispielsweise 5, 11 oder 22 kHz betragen. Die Übermittlung zwischen der Abtasteinheit 26 und dem Analysator 20 kann dabei wiederum beliebig, insbesondere also auch schnurlos oder über ein Datennetzwerk wie das Internet erfolgen. Die selben Verbindungsmethoden sind prinzipiell auch für die Verbindung zwischen dem Mikrophon 24 und der Abtasteinheit 26 vorstellbar, so dass das erfindungsgemäße Konzept insgesamt in kei- ner Art und Weise dadurch beschrankt ist, wie die Reihe von Samplewerten, die das Atemgerausch beschreiben, aufgenommen oder erzeugt werden, um dem Analysator 20 zur Verfugung gestellt zu werden.The series of sample values which describe the respiratory sound can either be recorded spatially separated from the device according to the invention and then made available, for example, in the form of a transportable data carrier or by means of a wireless data interface. In another embodiment of the present invention, as indicated in FIG. 1, a sampling unit 26 is connected to the analyzer 20, which digitizes the signals received by a microphone 24 connected to the sampling unit 26 at a predetermined sampling frequency. The sampling frequency is not prescribed in any way, it may for example be 5, 11 or 22 kHz. The transmission between the scanning unit 26 and the analyzer 20 can in turn be arbitrary, in particular also be done wirelessly or via a data network such as the Internet. The same connection methods are also conceivable in principle for the connection between the microphone 24 and the scanning unit 26, so that the inventive concept as a whole can not be used in any way. is limited by the way the series of sample values describing the breath noise are recorded or generated in order to be made available to the analyzer 20.
Fig. 2 zeigt, wie erfmdungsgemaß die Reihe von Samplewerten erzeugt wird, und wie das vorbestimmte Zeitintervall, für das ein Energiewert berechnet wird, bestimmt werden kann. Fig. 2 zeigt auf der X-Achse die Zeit in willkurli- chen Einheiten und auf der Y-Achse die Amplitude eines gemessenen Signals ebenfalls in willkürlichen Einheiten.Fig. 2 shows how the series of sample values is generated according to the invention and how the predetermined time interval for which an energy value is calculated can be determined. 2 shows the time in arbitrary units on the X-axis and the amplitude of a measured signal on the Y-axis also in arbitrary units.
Dargestellt ist ein zu analysierender Signalverlauf 30, der in aquidistanten Zeitabstanden der Lange 32 gesampelt wird, so dass zu jedem Zeitpunkt ein Amplitudenwert s(ti) in digitaler Form vorliegt. Dabei kann die Digitalisierungsge- nauigkeit, also die Anzahl der Bits, die einen einzelnen Amplitudenwert repräsentieren, in weiten Grenzen frei variiert werden. Fig. 2 zeigt darüber hinaus ein erstes Zeit- fenster 34a und ein zweites Zeitfenster 34b, für die jeweils ein individueller Energiewert bestimmt wird. Die E- nergiewerte können dabei beispielsweise, wie oben beschrieben, durch quadratische Addition der Amplitudenwerte SIt1) bestimmt werden. Diese einfache mathematische Operation ist in Echtzeit durchfuhrbar. Eine Lange eines Zeitfensters kann dabei beispielsweise 200 ms betragen, die Lange ist jedoch in weiten Grenzen variabel, da die Lange eines Hy- popnoenereignisses, wie anhand von Fig. 3b zu sehen, typisch 30 Sekunden oder mehr betragt. Bevorzugte Worte lie- gen im Intervall zwischen 100 ms und 500 ms. Durch geeignete Lange der Zeitfenster und der zur Normierung der Energiewerte vorgesehenen Zeitdauer (typischerweise mehrere 10 Sekunden) kann die Variabilität, das heißt die Patientenin- dividualitat , und somit auch die Erkennungseffizienz der erfmdungsgemaßen Vorrichtung weiter verbessert werden.Shown is a signal course 30 to be analyzed, which is sampled in equidistant time intervals of the length 32, so that an amplitude value s (ti) is present in digital form at any point in time. In this case, the digitization accuracy, ie the number of bits representing a single amplitude value, can be freely varied within wide limits. FIG. 2 furthermore shows a first time window 34a and a second time window 34b, for each of which an individual energy value is determined. The energy values can be determined, for example, as described above, by quadratic addition of the amplitude values SIt 1 ). This simple mathematical operation is real-time. In this case, a length of a time window can be, for example, 200 ms, but the length is variable within wide limits since the length of a hypnotic event, as can be seen from FIG. 3b, is typically 30 seconds or more. Preferred words are in the interval between 100 ms and 500 ms. By suitable length of the time window and the period of time provided for normalizing the energy values (typically several tens of seconds), the variability, ie the patient's individuality, and thus also the detection efficiency of the device according to the invention, can be further improved.
Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt die Auswerteeinrichtung 22 das Auftreten einer Hypopnoe erst dann, wenn eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Zeitfenster 34a bzw. 34b beim Vergleich mit dem variablen Referenzwert auf das Auftreten einer Hypopnoe schließen lassen. Die Anzahl von Fehlauslösungen wird da- durch verringert, wenn der Patient beispielsweise lediglich seine Körperposition ändert, wodurch das Atemgeräusch temporär unterbrochen sein kann.In a preferred exemplary embodiment of the present invention, the evaluation device 22 shows the occurrence a hypopnea only when a plurality of successive time windows 34a and 34b, respectively, indicate the occurrence of hypopnea when compared to the variable reference value. The number of false alarms is thereby reduced if, for example, the patient merely changes his body position, as a result of which the respiratory sound can be temporarily interrupted.
Dabei kann die Anzahl der Zeitfenster, die zum endgültigen Anzeigen einer Hypopnoe verwendet werden, wiederum patientenspezifisch variiert werden, was die große Flexibilität des erfindungsgemäßen Konzepts erneut unterstreicht.In this case, the number of time windows that are used for the final display of a hypopnea, in turn, can be varied patient-specific, which underlines the great flexibility of the inventive concept again.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er- findung kann die Auswerteeinrichtung mit einer Alarmeinrichtung gekoppelt sein, die eine Vielzahl von Operationen bei dem Auftreten einer Hypopnoe durchführen kann. Dies kann beispielsweise das Alarmieren von medizinischem Personal, oder das Stimulieren der Atmung des betreffenden Patienten sein, um den Zustand der Hypopnoe sofort zu beenden. Gesundheitliche Beeinträchtigungen können so vermieden werden. Erfindungsgemäß können Analysator und Auswerteeinrichtungen räumlich getrennt 'vom Mikrophon und dessen Signalverarbeitung ausgeführt sein, wobei die Verbindung insbesondere drahtlos sein kann, so dass selbst bei Echtzeitüberwachung eines schlafenden Patienten dieser durch möglichst wenig an seinem Körper befestigter Komponenten beim Schlafen gestört wird.In a further embodiment of the present invention, the evaluation device can be coupled to an alarm device which can perform a multiplicity of operations in the event of hypopnea. This may be, for example, alerting medical personnel or stimulating the respiration of the patient in question to immediately end the hypopnea condition. Health impairments can be avoided in this way. According to the invention, the analyzer and evaluation devices can be spatially separate from the microphone and its signal processing, the connection in particular being wireless, so that even during real-time monitoring of a sleeping patient, this component is disturbed by as few as possible components fastened to its body during sleep.
Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren mit unterschiedlichsten Techniken implementierbar, insbesondere kann dies auf vorteilhafte Art und Weise in Software implementiert sein, die auf jedwedem universellen Computersystem ausgeführt werden kann. Darüber hinaus sind embedded-Lösungen vorstellbar, die das Verfahren auf einer spezialisierten Hardware oder einem speziell programmierten FPGA ausführen, der aufgrund seiner geringen Größe und seines geringen E- nergieverbrauchs auch in unmittelbarer Nahe zum Mikrophon, das heißt, am Patienten direkt, angebracht sein kann.In this case, the method according to the invention can be implemented with a wide variety of techniques; in particular, this can be implemented advantageously in software that can be executed on any universal computer system. In addition, embedded solutions are conceivable that perform the process on a specialized hardware or a specially programmed FPGA, which due to its small size and low E- nergieverbrauchs also in the immediate vicinity of the microphone, that is, on the patient directly, may be appropriate.
Wie bereits oben erwähnt, ist die Art der Energiewertbe- Stimmung zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens nicht festgelegt, beispielsweise können die Energiewerte auch je nach ihrer Position innerhalb des Zeitfensters mit einem zusätzlichen Gewichtungsfaktor versehen werden. Auch die relative Lage der Zeitfenster, die individuell ausge- wertet werden, ist nicht vorgeschrieben. Anstelle der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration, bei der die beiden Zeitfenster 34a und 34b unmittelbar aufeinanderfolgen, ist darüber hinaus auch eine Vorgehensweise denkbar, in der zwischen zwei ausgewerteten Zeitfenstern eine Zeitspanne liegt, die zur Berechnung der Energiewerte nicht herangezogen wird. Alternativ ist auch denkbar, dass aufeinanderfolgende Zeitfenster sich gegenseitig zeitlich leicht überlappen .As already mentioned above, the type of energy value determination for carrying out the method according to the invention is not fixed; for example, the energy values can also be provided with an additional weighting factor depending on their position within the time window. The relative position of the time windows, which are evaluated individually, is also not mandatory. Instead of the configuration shown in FIG. 2, in which the two time windows 34a and 34b follow one another directly, a procedure is also conceivable in which there is a time interval between two evaluated time windows which is not used for calculating the energy values. Alternatively, it is also conceivable that successive time windows overlap each other slightly over time.
Abhangig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemaße Verfahren zum Nachweis einer Hypopnoe in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfol- gen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das erfindungsgemaße Verfahren zum Nachweis einer Hypopnoe ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm- Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Trager ge- speicherten Programmcode zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner ablauft. In anderen Worten ausgedruckt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchfuhrung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer ablauft. Depending on the circumstances, the method according to the invention for the detection of hypopnea can be implemented in hardware or in software. The implementation can take place on a digital storage medium, in particular a floppy disc or CD with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system in such a way that the method according to the invention for the detection of hypopnea is carried out. In general, the invention thus also consists in a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention when the computer program product runs on a computer. In other words, the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Nachweis einer Hypopnoe unter Verwen- düng einer Reihe von diskreten Abtastwerten, die einA device for detecting hypopnea using a series of discrete samples comprising
Atemgeräusch eines Patienten beschreiben, mit folgenden Merkmalen:Describe the breathing sound of a patient with the following characteristics:
einem Analysator (20) zum Analysieren der Reihe von Abtastwerten, um für eine einem vorbestimmten Zeitintervall (34a, 34b) des Atemgeräuschs entsprechende Anzahl von Abtastwerten einen Energiewert zu bestimmen, der die im vorbestimmten Zeitintervall im Atemgeräusch enthaltende Energie beschreibt; undan analyzer (20) for analyzing the series of samples to determine, for a number of samples corresponding to a predetermined time interval (34a, 34b) of breath noise, an energy value describing energy contained in the predetermined time interval in breath sound; and
eine Auswerteeinrichtung (22), um durch Vergleich des Energiewerts mit einem zeitlich variablen von dem Patienten abhängigen Referenzwert das Auftreten einer Hypopnoe zu erkennen.an evaluation device (22) for detecting the occurrence of a hypopnea by comparing the energy value with a time-dependent reference value dependent on the patient.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Analysator2. Device according to claim 1, wherein the analyzer
(20) ausgebildet ist, um den Energiewert als quadratische Summe der Anzahl von Abtastwerten zu bestimmen.(20) is adapted to determine the energy value as a quadratic sum of the number of samples.
3. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Analysator (20) ausgebildet ist, um eine Reihe von Abtastwerten zu analysieren, die einem Zeitintervall des Atemgeräuschs aus dem Bereich von 100 ms bis 500 ms entsprechen.Apparatus as claimed in any one of the preceding claims, wherein the analyzer (20) is adapted to analyze a series of samples corresponding to a time interval of breathing noise in the range of 100 ms to 500 ms.
4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abtastwerte, die das Atemgeräusch des Patienten beschreiben, mit einer Abtastfrequenz kleiner 25 kHz bestimmt sind.4. Device according to one of the preceding claims, wherein the samples that describe the breathing sound of the patient, are determined with a sampling frequency less than 25 kHz.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (22) ausgebildet ist, um das Auftreten einer Hypopnoe dann zu erkennen, wenn der Energiewert den variablen Referenzwert unterschreitet .5. Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation device (22) is formed, to detect the occurrence of hypopnea when the energy value falls below the variable reference value.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (22) ausgebildet ist, um den variablen Referenzwert aus einer vorbestimmten Anzahl vorhergehender Energiewerte, die dem Energiewert in zeitlicher Abfolge vorausgehen, zu berechnen.6. Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation device (22) is designed to calculate the variable reference value from a predetermined number of preceding energy values, which precede the energy value in time sequence.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Auswerteeinrichtung (22) ausgebildet ist, um den variablen Referenzwert durch Bildung des arithmetischen Mittels der vorbestimmten Anzahl vorhergehender Energiewerte zu bestimmen.7. The device according to claim 6, wherein the evaluation device (22) is designed to determine the variable reference value by forming the arithmetic mean of the predetermined number of preceding energy values.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden zusätzlichen Merkmalen:8. Device according to one of the preceding claims, with the following additional features:
einem Mikrophon (24) zum Aufnehmen des Atemgerauschs; unda microphone (24) for receiving the breath noise; and
einer Abtasteinheit zum Bestimmen der Reihe von Abtastwerten, basierend auf der Aufnahme des Mikrophons (24).a sampling unit for determining the series of samples based on the recording of the microphone (24).
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der das Mikrophon9. Apparatus according to claim 8, wherein the microphone
(24) ein Kehlkopfmikrophon ist.(24) is a laryngeal microphone.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Abtastgenauigkeit der Abtasteinheit (26) geringer als 12 Bit ist.A device according to claim 8 or 9, wherein the scanning accuracy of the scanning unit (26) is less than 12 bits.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Abtasteinheit (26) eine schnurlose Datenschnittstelle zum Übertragen der Reihe von Abtastwerten aufweist. The apparatus of any one of claims 8 to 10, wherein the sampling unit (26) comprises a wireless data interface for transmitting the series of samples.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Analysator (20) eine schnurlose Datenschnittstelle zum Empfangen der Reihe von Abtastwerten aufweist.Apparatus as claimed in any one of the preceding claims, wherein the analyzer (20) comprises a wireless data interface for receiving the series of samples.
13. Verfahren zum Nachweis einer Hypopnoe unter Verwendung einer Reihe von diskreten Abtastwerten, um die ein Atemgeräusch eines Patienten beschreiben, mit folgenden Schritten:13. A method of detecting hypopnea using a series of discrete samples to describe a patient's breathing sound, comprising the steps of:
Analysieren der Reihe von Abtastwerten, für eine einem vorbestimmten Zeitintervall des Atemgeräuschs entsprechende Anzahl von Abtastwerten einen Energiewert zu bestimmen, der die im vorbestimmten Zeitin- tervall im Atemgeräusch enthaltene Energie beschreibt; undAnalyzing the series of samples to determine, for a number of samples corresponding to a predetermined time interval of the respiratory sound, an energy value describing the energy contained within the predetermined time interval in the respiratory sound; and
Vergleichen des Energiewerts mit einem zeitlich variablen von dem Patienten abhängigen Referenzwert, um das Auftreten einer Hypopnoe zu erkennen.Compare the energy value with a time-varying patient-dependent reference value to detect the onset of hypopnea.
14. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 13, wenn das Programm auf einem Computer abläuft. 14. Computer program with a program code for carrying out the method according to claim 13, when the program runs on a computer.
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