[发明专利]呼气吸气信号的降噪

说明书

技术领域

本发明涉及处理呼气吸气（breathing）信号（尤其是声呼气吸气信号）领域，更特别地涉及处理呼气吸气信号的方法以及用于处理呼气吸气信号的系统。

背景技术

呼气吸气信号或呼吸（respiratory）信号和呼吸率是基本的生命体征。呼吸率可以例如从测量的呼吸波形中获得。例如，呼吸波形信号通过从外部附接到要测量其呼吸的人的传感器电极而产生。呼吸波形也可以从心电图（ECG）波形中导出。

US6290654B1公开了一种用于检测呼气吸气患者的呼气吸气模式的设备。天线式麦克风用来感测呼气吸气或打鼾的声音。来自患者身体的可听的声音信号由该麦克风以及位于患者颈部上的另一气管麦克风转换成电信号，这些电信号被提供给A/D转换器。来自对应A/D转换器的输出被提供给主动噪声消除单元，该主动噪声消除单元用于使用由一组延迟线元件组成的自适应线性滤波器抑制背景噪声，每个延迟线元件由一个延迟采样周期以及一组相应的可调节系数表示。从传感器输出中减去自适应线性滤波器的输出。得到的输出用来调节自适应线性滤波器中的抽头权重以便最小化总的输出的均方值。来自气管麦克风的信号噪声以与来自天线式麦克风的信号噪声类似的方式进行处理。信号经过带通滤波并且提供给气流波形发生单元的估计的体积。

发明内容

需要放置附接到人的传感器电极或麦克风的测量实际上是碍眼的并且对于人是不方便的。这在要处理睡眠的人的呼气吸气信号时尤其重要。

因此，希望的是能够处理由远离呼气吸气的人放置的麦克风捕获的呼气吸气信号。

例如，当麦克风记录呼气吸气信号时，可以将麦克风置于呼气吸气的人的邻近，例如离呼气吸气的人50cm远。然而，由于由呼气吸气引起的声能通常非常弱，因而信噪比，即呼吸信号与噪声之间的比率可能非常低，使得从信号中提取诸如呼吸率之类的相关呼吸参数是困难的。

希望的是能够执行新的种类的降噪操作，以便有利于在离睡眠的人一定距离处捕获声呼气吸气信号时确定呼吸参数。

已经发现，大多数麦克风（其具有内置于麦克风中的放大器）表现出这样的传感器噪声，该传感器噪声由于放大器的1/f噪声而展现出低通特性。一些像MEMS（微机电系统）传感器那样的麦克风具有近似60dB的信噪比（SNR），即信号-传感器噪声比率。其他较优良的麦克风可能具有70-80dB的SNR范围。

希望的是提供一种用于处理呼气吸气信号的方法或系统，所述方法或系统有利于降低来自麦克风的传感器噪声。

为了更好地解决这些关切中的一个或多个，在本发明的第一方面中，提供了一种处理呼气吸气信号的方法，该方法包括：

- 对于频谱呼气吸气信号执行降噪操作以便计算输出频谱信号，所述降噪操作使用频谱减法；以及

- 执行降噪操作执行步骤的频谱减法中使用的增益函数的二维频率和时间滤波。

例如，降噪操作包括所述执行增益函数的二维滤波的步骤。

例如，所述方法进一步包括：

- 基于呼气吸气信号，例如基于时域中的呼气吸气信号，计算所述频谱呼气吸气信号。

例如，呼气吸气信号为声呼气吸气信号。例如，呼气吸气信号为由麦克风捕获的信号。

例如，计算频谱呼气吸气信号的步骤包括快速傅立叶变换（FFT）。

术语“降噪操作”应当被理解为表示适合降低由频谱呼气吸气信号表示的信号中包含的噪声（例如传感器噪声）的操作。

术语“滤波”应当被理解为包括平均、中值滤波和其他滤波算法。

 在使用频谱减法的降噪操作中，如进一步在下文中进一步详细地描述的，使用增益函数。

通常，呼气吸气随着时间非常缓慢地增加和减少。此外，呼气吸气信号的频率内容不像例如在语音信号的共振峰中那样表现出显著的峰和谷。已经发现，呼气吸气声音的频谱特性表现出高达近似2kHz的相关信息。由于在呼气吸气信号的时频特性中存在不表现出巨大的峰和谷的大区域，因而可以有利地应用增益函数的二维频率和时间滤波。因此，可以在避免呼气吸气信号的不可接受的失真的同时改善降噪。

例如，增益函数的所述二维频率和时间滤波为二维频率和时间平均/中值滤波，即平均或中值滤波。通常，像平均或中值滤波那样的滤波算法特别适合于消除异常值（outlier）。

在一个实施例中，增益函数的二维频率和时间滤波为二维频率和时间中值滤波。中值滤波是特别有利的，因为它允许通过由其他值代替异常值而不平滑相关的信号部分来消除异常值。因此，改善了降噪操作的质量。