一種基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別裝置及方法
【專利摘要】一種基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別裝置及方法，以鼾聲信號為基本提取信號，使用聲音采集陣列模塊同步多路采集受試者打鼾時(shí)的鼾聲信號數(shù)據(jù)，將鼾聲信號數(shù)據(jù)傳輸至信號處理與傳輸模塊，對聲音信號進(jìn)行信號處理，通過USB連接線傳輸至上位機(jī)，在上位機(jī)中通過計(jì)算多路信號的均方根值得出受試者打鼾時(shí)頭部朝向信息參數(shù)，應(yīng)用互功率譜算法和時(shí)間延遲估計(jì)算法得到受試者當(dāng)前一秒時(shí)間內(nèi)打鼾時(shí)頭部姿態(tài)信息。該方法利用多路鼾聲信號之間產(chǎn)生的相位特性，無感且快速的判斷出受試者在打鼾時(shí)頭部在枕頭上的姿態(tài)，避免直接接觸采集信號的傳感器，提高了實(shí)時(shí)監(jiān)測打鼾者睡眠時(shí)頭部姿態(tài)的可行性。
【專利說明】
一種基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于生物特征識別技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于鼾聲的打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí) 時(shí)識別裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 打鼾是人們在日常生活中經(jīng)常會遇到的一種睡眠障礙，患者熟睡后鼾聲響度增大 超過60dB以上，妨礙正常呼吸時(shí)的氣體交換，稱鼾癥，5%的鼾癥患者兼有睡眠期間不同程 度憋氣現(xiàn)象，稱阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征，醫(yī)學(xué)上給予睡眠呼吸暫停綜合征的定義，指隨 著病人呼吸的暫停，血里的氧氣不夠，形成一個(gè)短時(shí)間的缺氧狀態(tài)。大多數(shù)人認(rèn)為打鼾對健 康不會造成影響，然而長期打鼾者或是打鼾嚴(yán)重的人往往都伴有睡眠呼吸暫停綜合征，在 睡眠的全過程中出現(xiàn)呼吸暫停，血中氧氣減少，從而引起慢性疾病。
[0003] 目前對鼾聲的監(jiān)測主要使用多導(dǎo)睡眠儀，使用時(shí)需要專業(yè)醫(yī)生操作，并且傳感器 粘貼于受試者頭部，易引起心里障礙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于鼾聲的打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別 裝置及方法，多路鼾聲信號之間產(chǎn)生的相位特性，無感且快速的判斷出受試者在打鼾時(shí)頭 部在枕頭上的姿態(tài)，避免直接接觸采集信號的傳感器，提高了實(shí)時(shí)監(jiān)測打鼾者睡眠時(shí)頭部 姿態(tài)的可行性。
[0005] -種基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別裝置，包括：用于采集受試者睡眠 時(shí)鼾聲的聲音采集陣列模塊、用于對聲音采集陣列模塊產(chǎn)生的多路模擬信號進(jìn)行高頻A/D 轉(zhuǎn)換、信號處理并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過USB連接線傳輸至上位機(jī)的信號處理與傳輸模 塊、用于對傳輸至上位機(jī)中多路鼾聲信號進(jìn)行數(shù)字信號處理并得到的頭部朝向數(shù)據(jù)以及鼾 聲坐標(biāo)位置、頭部姿態(tài)的上位機(jī);受試者以日常狀態(tài)睡眠并將麥克風(fēng)陣元以陣列方式安置 在受試者所用枕頭周圍，聲音采集陣列模塊的輸出端連接信號處理與傳輸模塊的輸入端， 信號處理與傳輸模塊的輸出端通過USB連接線連接上位機(jī)的輸入端。
[0006] 根據(jù)所述的基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別裝置，所述聲音采集陣列模 塊進(jìn)一步包括多個(gè)聲音采集系統(tǒng)，每個(gè)聲音采集系統(tǒng)包含相同的麥克風(fēng)陣元和模擬信號處 理電路;所述麥克風(fēng)的輸出端連接模擬信號處理電路的輸入端，模擬信號處理電路輸出端 連接信號處理與傳輸模塊的輸入端;所述信號處理與傳輸模塊的輸出端通過USB連接線與 上位機(jī)連接。
[0007] 采用基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別方法，其步驟包括：
[0008] (1)通過聲音采集陣列模塊采集多路受試者打鼾時(shí)的鼾聲信號并傳輸至上位機(jī)， 其具體步驟包括：
[0009] (1.1)利用多個(gè)麥克風(fēng)采集受試者打鼾時(shí)的鼾聲信號，并將該信號傳送給每個(gè)麥 克風(fēng)相對應(yīng)的模擬信號處理電路；
[0010] (1.2)各模擬信號處理電路對麥克風(fēng)采集到的鼾聲信號進(jìn)行模擬信號處理，并將 處理后的信號同步發(fā)送給信號處理與傳輸模塊；
[0011] (1.3)信號處理與傳輸模塊采用STM32F407型號芯片，對聲音采集陣列模塊采集到 的多路同步鼾聲信號進(jìn)行多路A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過USB連接傳輸至上位機(jī) 中；
[0012] (2)在上位機(jī)中對采集到的受試者的多路鼾聲信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，包括計(jì)算篩選 出可用鼾聲信號、去噪和分幀處理；
[0013] (3)將每采集三秒的四路鼾聲數(shù)據(jù)分別放入數(shù)組1:{0(1)，以2)，(：(3)，(：(4)}中，并 對數(shù)組1進(jìn)行數(shù)字信號處理處理，包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、包絡(luò)檢波、FFT運(yùn)算，使處理數(shù)組中 的四路數(shù)據(jù)的信噪比提高并凸顯鼾聲的音頻特征，當(dāng)前三秒內(nèi)采集到受試者的鼾聲波形 波；
[0014] 并對每組數(shù)據(jù)計(jì)算均方根，通過比較均方根值判定鼾聲信號較強(qiáng)的一路麥克風(fēng)陣 元，并對應(yīng)實(shí)際麥克風(fēng)陣元所在位置得到當(dāng)前三秒內(nèi)受試者打鼾時(shí)頭部朝向信息參數(shù)；
[0015] (4)米用互功率譜相位算法(Generalized Cross Correlation，GCC)對受試者當(dāng) 時(shí)打鼾采集到的三秒長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從受試者的鼾聲信號數(shù)組中計(jì)算得到聲音采集 陣列模塊中相應(yīng)麥克風(fēng)陣元之間的相對時(shí)間延遲，其具體步驟包括：
[0016] (4.1)對步驟(3)中的處理后的數(shù)組中每組數(shù)分別求出均方根(AhA^AhA4),其中 均方根值最大一組數(shù)所對應(yīng)的麥克風(fēng)陣元為當(dāng)前三秒時(shí)間受試者打鼾時(shí)頭部朝向的麥克 風(fēng)陣元并確定頭部朝向參數(shù)；
[0017] (4.2)通過互功率譜相位算法，從數(shù)組中計(jì)算出當(dāng)前三秒時(shí)間內(nèi)受試者打鼾時(shí)聲 音采集陣列模塊中第η個(gè)麥克風(fēng)陣元與第一麥克風(fēng)陣元的相對時(shí)間延遲(^，加山山將相 對時(shí)間延遲代入根據(jù)聲音采集陣列推導(dǎo)公式得到頭部位置參數(shù)，結(jié)合步驟(4.1)頭部朝向 參數(shù)得到當(dāng)前三秒時(shí)間內(nèi)受試者打鼾時(shí)頭部姿態(tài)；
[0018]通過互功率譜相位算法計(jì)算當(dāng)前三秒受試者打鼾時(shí)采集到的鼾聲數(shù)據(jù)組成數(shù)組1 中第η路數(shù)據(jù)相對于第一路數(shù)據(jù)的互功率譜函數(shù)Gln( ω )，公式為：
[0019] Gln(〇jj - eiaiIS((〇)S (co)e /w,1'
[0020] 對得到的互功率譜函數(shù)Gln(c〇)，由于鼾聲極大的受到鼾聲自身反射、噪聲等影響， 因此需要通過加權(quán)函數(shù)抑制噪聲頻帶，盡量銳化峰值，本發(fā)明中使用加權(quán)函數(shù)Φ η1(ω)，φη1 (ω )的公式為：
[0021]
[0022] 最后得到第η路數(shù)據(jù)對第一路數(shù)據(jù)的加權(quán)互功率譜函數(shù)為：
[0023] G7 ln( W ) =Φ?η( W )Gln( W )
[0024] 加權(quán)后的互功率譜函數(shù)峰值更加明顯，可以進(jìn)一步提高鼾聲信號的信噪比;對Vln (ω )求傅立葉反變換，即可得到聲音采集陣列模塊中麥克風(fēng)陣元1和麥克風(fēng)陣元n間的廣義 互相關(guān)函數(shù)為Ri n(T) =FFr1(G^n)UW中的最大峰值所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)即為麥克風(fēng)陣元1 和麥克風(fēng)陣元η之間的相對時(shí)間延遲t nl，計(jì)算所有相對時(shí)間延遲，得到聲音采集陣列模塊中 η個(gè)麥克風(fēng)陣元與第一麥克風(fēng)陣元的相對時(shí)間延遲(t21，t31，t41);根據(jù)距離公式，受試者打 鼾時(shí)聲源距離聲音采集陣列模塊中第η個(gè)麥克風(fēng)陣元的距離的平方值為(x-Xn)2+(y-y n)2+ (z_zn)2 = rn2,其中（x，y，z)為聲源位置，（xn，yn，z n)為第η個(gè)麥克風(fēng)陣元的位置，rn為受試者 打鼾時(shí)聲源距離聲音采集陣列模塊中第η個(gè)麥克風(fēng)陣元的距離，由此可以得到方程[( X-Xn)2 + (yin)2+(Z-Zn)2]_[ (Χ-Χ1 )2+(y_yi)2+(Z-Zi)2] =rn2-r2i;由此可得到相對時(shí)間延遲與距離 間的關(guān)系為r n-n = tnl/C，其中C為聲速;聯(lián)立聲音采集陣列模塊中每個(gè)麥克風(fēng)陣元的距離-相對時(shí)間延遲方程，解得(x，y，z)值，即得到當(dāng)時(shí)三秒時(shí)間長度內(nèi)受試者打鼾時(shí)聲源發(fā)聲位 置;結(jié)合步驟(4.1)中得到的受試者當(dāng)前三秒時(shí)間內(nèi)打鼾時(shí)頭部朝向參數(shù)得到頭部姿態(tài)信 息。
[0025] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明以鼾聲信號為基本提取信號，使用聲音采集陣列模塊 同步多路采集受試者打鼾時(shí)的鼾聲信號數(shù)據(jù)，將鼾聲信號數(shù)據(jù)傳輸至信號處理與傳輸模 塊，對聲音信號進(jìn)行信號處理，通過USB連接線傳輸至上位機(jī)，在上位機(jī)中通過計(jì)算多路信 號的均方根值得出受試者打鼾時(shí)頭部朝向信息參數(shù)，應(yīng)用互功率譜算法和時(shí)間延遲估計(jì)算 法得到受試者當(dāng)前三秒時(shí)間內(nèi)打鼾時(shí)頭部姿態(tài)信息。該方法利用多路鼾聲信號之間產(chǎn)生的 相位特性，無感且快速的判斷出受試者在打鼾時(shí)頭部在枕頭上的姿態(tài)，避免直接接觸采集 信號的傳感器，提高了實(shí)時(shí)監(jiān)測打鼾者睡眠時(shí)頭部姿態(tài)的可行性。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別裝置結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式的聲音采集陣列模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式的聲音米集陣列模塊電源部分電路圖；
[0029]圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的聲音米集陣列模塊中對鼾聲信號放大以及電壓跟隨 部分電路圖；
[0030] 圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的STM32F407芯片與麥克風(fēng)陣元引腳連接示意圖；
[0031] 圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別方法流程 圖
[0032]圖7(a)圖為本發(fā)明一種實(shí)施方式的去除環(huán)境噪聲前聲音采集陣列模塊采集到的 波形圖；
[0033]圖7(b)圖為本發(fā)明一種實(shí)施方式的去除環(huán)境噪聲后聲音采集陣列模塊采集到的 波形圖；
[0034]圖8為本發(fā)明一種實(shí)施方式的受試者鼾聲信號波形圖；
[0035]圖9為本發(fā)明一種實(shí)施方式的聲音采集陣列模塊中的GCC波形圖；
[0036] 圖10為本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別結(jié)果界 面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種實(shí)施方式作詳細(xì)說明。
[0038] 本發(fā)明的基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別裝置，如圖1所示包括:用于采 集受試者睡眠時(shí)鼾聲的聲音采集陣列模塊，包含多個(gè)麥克風(fēng)陣元和用于麥克風(fēng)陣元輸出信 號進(jìn)行信號處理的模擬信號處理電路，用于對聲音采集陣列模塊產(chǎn)生的多路模擬信號進(jìn)行 高頻A/D轉(zhuǎn)換與信號處理并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過USB連接線傳輸至上位機(jī)的信號處理 與傳輸模塊，用于對傳輸至上位機(jī)中多路鼾聲信號進(jìn)行數(shù)字信號處理以及計(jì)算得到頭部睡 眠姿態(tài)的上位機(jī)；
[0039] 測試時(shí)，如圖2所示，受試者按照日常睡眠姿態(tài)睡在安置好聲音采集陣列模塊的枕 頭上，如圖1所示，各個(gè)麥克風(fēng)陣元的輸出端連接模擬信號處理電路的輸入端，模擬信號處 理電路的輸出端連接信號處理與傳輸模塊的輸入端，信號處理與傳輸模塊的輸出端通過 USB連接線連接上位機(jī)的輸入端。
[0040] 本實(shí)施方式的聲音采集陣列模塊的電源電路，如圖3所示，電源電路包括對電源進(jìn) 行50Hz工頻濾波，防止工頻對聲音信號產(chǎn)生影響。
[0041] 麥克風(fēng)陣元的輸出端連接模擬信號處理電路的輸入端;如圖4所示，模擬信號處理 電路主要由NE5532AP芯片實(shí)現(xiàn)，圖中Micl表示一個(gè)麥克風(fēng)陣元，其中麥克風(fēng)的輸出端連接 NE5532AP芯片的5號引腳，放大倍數(shù)為430倍。放大后的信號通過NE5532AP芯片7號引腳輸 出，輸入至由NE5532AP芯片組成的電壓跟隨器以提高阻抗和抗干擾能力，電壓跟隨器的輸 出端為NE5532AP的7號引腳，通過分壓電阻R86和R92輸入至信號處理與傳輸模塊。
[0042]本實(shí)施方式中的信號處理與傳輸模塊由STM32F407芯片實(shí)現(xiàn)，包括A/D采樣以及數(shù) 字信號預(yù)處理功能;如圖5所示，STM32F407芯片的引腳?04、？05、？六6、？六7與聲音采集陣列模 塊中的四路麥克風(fēng)陣元的模擬信號輸出端連接；本實(shí)施方式的多路A/D高頻采集功能由 STM32F407實(shí)現(xiàn)，采樣頻率為40kHz;本實(shí)施方式的數(shù)字信號預(yù)處理功能由STM32F407芯片實(shí) 現(xiàn)，對采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，留下可用聲音數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過DMA方式通過USB連接 線將數(shù)據(jù)傳上位機(jī)。
[0043]本實(shí)施方式的采用基于鼾聲的睡眠打鼾時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別方法，如圖6所示，包 括如下步驟：
[0044] (1)通過聲音采集陣列模塊采集四路鼾聲信號，傳輸至信號處理與傳輸模塊；
[0045] (2)數(shù)字信號處理與傳輸模塊對四路模擬鼾聲信號進(jìn)行高頻A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行預(yù)處 理以減少數(shù)據(jù)量，通過USB連接線將處理后的四路鼾聲信號數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)；
[0046] (3)在上位機(jī)中對采集到的四路鼾聲信號進(jìn)行濾波、包絡(luò)、分幀等處理，處理前的 無鼾聲信號如圖7(a)所示，處理后的無鼾聲信號如圖7(b)所示；
[0047] (4)將每采集三秒的四路鼾聲數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)組1:{0(1)，以2)，(：(3)，(：(4)}，并對 每組數(shù)據(jù)計(jì)算均方根(AiA2A^A4),通過比較均方根值判定鼾聲信號較強(qiáng)的一路麥克風(fēng)陣 元，并對應(yīng)實(shí)際麥克風(fēng)陣元所在位置得到當(dāng)前三秒內(nèi)受試者打鼾時(shí)頭部朝向信息參數(shù)，當(dāng) 前三秒內(nèi)采集到受試者的鼾聲波形圖如圖8所示；
[0048] (5)米用互功率譜相位算法(Generalized Cross Correlation，GCC)對受試者當(dāng) 時(shí)打鼾采集到的三秒長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從受試者的鼾聲信號中計(jì)算得到聲音采集陣列 模塊中相應(yīng)麥克風(fēng)陣元的相對時(shí)間延遲，通過GCC算法得到的第二、三、四路波形相對于第 一路波形計(jì)算得到的GCC波形圖如圖9所示；
[0049] (5.1)通過互功率譜相位算法計(jì)算當(dāng)前三秒受試者打鼾時(shí)采集到的鼾聲數(shù)據(jù)組成 數(shù)組1中第η路數(shù)據(jù)相對于第一路數(shù)據(jù)的互功率譜函數(shù)Gln( ω )，互功率譜函數(shù)的公式如下： [0050] G.Joj) ^aiSi(O)St {(〇)e ^ ；
[0051] (5.2)對步驟(5.1)互功率譜函數(shù)進(jìn)行加權(quán)以去除聲音反射和噪聲的影響，銳化峰 值，加權(quán)函數(shù)為~7 #，加權(quán)后的互功率譜函數(shù)公式如下：
[0052] G7 ln( W ) =Φ?η( W )Gln( W )；
[0053] (5.3)對已經(jīng)得到的第n路信號相對第一路信號得到的互功率譜加權(quán)函數(shù)V ln( ω ) 進(jìn)行傅里葉反變換，即可得到聲音采集陣列模塊中麥克風(fēng)陣元1和麥克風(fēng)陣元η間的廣義互 相關(guān)函數(shù)為RiA) =FFT-ln);
[0054] (5.4)Rln(i)中的最大峰值所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)即為麥克風(fēng)陣元1和麥克風(fēng)陣元η之間 的相對時(shí)間延遲W，計(jì)算所有的相對時(shí)間延遲，得到聲音采集陣列模塊中η個(gè)麥克風(fēng)陣元與 第一麥克風(fēng)陣元的相對時(shí)間延遲(t21，t 31，t41);
[0055] (5.5)通過時(shí)間延遲估算法，得到當(dāng)前三秒時(shí)間內(nèi)受試者打鼾的發(fā)聲位置坐標(biāo)；
[0056] 方法為:通過GCC算法，四路彳目號中得到后二路彳目號相對第一路彳目號的相對時(shí)間延 遲(丨213 31，丨41)，根據(jù)距離公式，受試者打鼾時(shí)聲源距離聲音采集陣列模塊中第11個(gè)麥克風(fēng) 陣元的距離的平方值為(x-x n)2+(y_yn)2+(z-zn) 2 = rn2,其中（x，y，z)為聲源位置，（xn，yn，z n) 為第η個(gè)麥克風(fēng)陣元的位置，rn為受試者打鼾時(shí)聲源距離聲音采集陣列模塊中第η個(gè)麥克風(fēng) 陣元的距離，由此可以得到方程[(x-x n)2+(y-yn)2+(Z-Zn)2]-[ (X-Xl)2+(y_yi)2+(Z-Zl)2]= rn2-r21;由此可得到相對時(shí)間延遲與距離間的關(guān)系Srn- ri = tnl/C，其中C為聲速;聯(lián)立聲音 采集陣列模塊中每個(gè)麥克風(fēng)陣元的距離-相對時(shí)間延遲方程，解得(x，y，z)值，即得到當(dāng)時(shí) 三秒時(shí)間長度內(nèi)受試者打鼾時(shí)聲源發(fā)聲位置，結(jié)合步驟(4)中得到的受試者當(dāng)前三秒時(shí)間 內(nèi)打鼾時(shí)頭部朝向參數(shù)得到頭部姿態(tài)信息，為了更好的對應(yīng)受試者睡姿，根據(jù)得到的頭部 朝向數(shù)據(jù)以及鼾聲坐標(biāo)位置將頭部位置劃分為朝左、朝上、朝右，頭部姿態(tài)為仰臥、側(cè)臥。
[0057] 本實(shí)施方式通過聲音采集系統(tǒng)采集受試者鼾聲信號并處理計(jì)算得到程序的結(jié)果 界面圖如圖10所示，其中上方波形圖為當(dāng)前三秒內(nèi)采集到受試者的鼾聲波形圖，左下方三 個(gè)波形圖為GCC算法得到的第二、三、四路波形相對于第一路波形計(jì)算得到的GCC波形圖，右 下方表盤顯示當(dāng)前三秒內(nèi)檢測到受試者鼾聲信號計(jì)算出的頭部角度，并顯示位置坐標(biāo)信 息，最后結(jié)合角度和坐標(biāo)信息得到頭部姿態(tài)。
[0058] 經(jīng)多次反復(fù)測試，本方法可準(zhǔn)確識別出受試者在打鼾時(shí)頭部在枕頭上的姿態(tài)，由 此可見本方法的可行性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于韓聲的睡眠打韓時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別裝置，用于打韓時(shí)人體頭部姿態(tài)實(shí)時(shí) 識別，其特征在于包括用于聲音采集陣列模塊、信號處理與傳輸模塊、上位機(jī)； 其中，受試者W日常狀態(tài)睡眠并將麥克風(fēng)陣元W陣列方式安置在受試者所用枕頭周 圍，聲音采集陣列模塊的輸出端連接信號處理與傳輸模塊的輸入端，信號處理與傳輸模塊 的輸出端通過USB連接線連接上位機(jī)的輸入端； 所述的聲音采集陣列模塊用于采集受試者睡眠時(shí)韓聲，包括多個(gè)聲音采集系統(tǒng)，每個(gè) 聲音采集系統(tǒng)包括相同的麥克風(fēng)陣元和模擬信號處理電路;其中模擬信號處理電路用于麥 克風(fēng)陣元輸出信號的信號處理，由肥5532AP忍片實(shí)現(xiàn)； 所述的信號處理與傳輸模塊用于對聲音采集陣列模塊產(chǎn)生的多路模擬信號進(jìn)行高頻 A/D轉(zhuǎn)換、信號處理并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過USB連接線傳輸至上位機(jī)，包括A/D轉(zhuǎn)換電 路、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊和串口，由STM32F407忍片實(shí)現(xiàn)； 所述的上位機(jī)用于對傳輸至上位機(jī)中多路韓聲信號進(jìn)行數(shù)字信號處理，得到的頭部朝 向數(shù)據(jù)W及韓聲坐標(biāo)位置、頭部姿態(tài)。2. -種基于韓聲的睡眠打韓時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別方法，用于打韓時(shí)人體頭部姿態(tài)實(shí)時(shí) 識別，采用權(quán)利要求1所述的識別裝置，其特征在于按照W下步驟進(jìn)行： (1) 通過聲音采集陣列模塊采集多路受試者打韓時(shí)的韓聲信號，傳輸至上位機(jī)； (2) 在上位機(jī)中對采集到的受試者的多路韓聲信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，包括計(jì)算篩選出可 用韓聲信號、去噪和分帖處理； (3) 將每采集Ξ秒的四路韓聲數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)組，對數(shù)組進(jìn)行數(shù)字信號處理并計(jì)算每 組數(shù)據(jù)的均方根，通過比較均方根值判定韓聲信號較強(qiáng)的一路麥克風(fēng)陣元，并對應(yīng)實(shí)際麥 克風(fēng)陣元所在位置得到當(dāng)前Ξ秒內(nèi)受試者打韓時(shí)頭部朝向信息參數(shù)； (4) 采用互功率譜相位算法對受試者當(dāng)時(shí)打韓采集到的Ξ秒長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從 受試者的韓聲信號數(shù)組中計(jì)算得到聲音采集陣列模塊中相應(yīng)麥克風(fēng)陣元之間的相對時(shí)間 延遲； (5) 通過時(shí)間延遲估計(jì)算法，得到當(dāng)前Ξ秒時(shí)間內(nèi)受試者打韓的發(fā)聲位置坐標(biāo)。3. 如權(quán)利要求2所述的基于韓聲的睡眠打韓時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別的方法，其特征在于 步驟（1)通過聲音采集陣列模塊采集多路受試者打韓時(shí)的韓聲信號并傳輸至上位機(jī)，其具 體步驟包括： (1.1) 利用多個(gè)麥克風(fēng)采集受試者打韓時(shí)的韓聲信號，并將該信號傳送給每個(gè)麥克風(fēng) 相對應(yīng)的模擬信號處理電路； (1.2) 各模擬信號處理電路對麥克風(fēng)采集到的韓聲信號進(jìn)行模擬信號處理，并將處理 后的信號同步發(fā)送給信號處理與傳輸模塊； (1.3) 信號處理與傳輸模塊采用STM32F407型號忍片，對聲音采集陣列模塊采集到的多 路同步韓聲信號進(jìn)行多路A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過USB連接傳輸至上位機(jī)中。4. 如權(quán)利要求2所述的一種基于韓聲的睡眠打韓時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別的方法，其特征 在于步驟(4)采用互功率譜相位算法對受試者當(dāng)時(shí)打韓采集到的Ξ秒長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì) 算，從受試者的韓聲信號中計(jì)算得到聲音采集陣列模塊中相應(yīng)麥克風(fēng)陣元的相對時(shí)間延 遲，具體步驟包括： (4.1)通過互功率譜相位算法計(jì)算當(dāng)前Ξ秒受試者打韓時(shí)采集到的韓聲數(shù)據(jù)組成數(shù)組 1中第η路數(shù)據(jù)相對于第一路數(shù)據(jù)的互功率譜函數(shù)Gin( ω )，互功率譜函數(shù)的公式如下：(4.2) 對步驟(4.1)互功率譜函數(shù)進(jìn)行加權(quán)W去除聲音反射和噪聲的影響，銳化峰值， 加權(quán)函數(shù)天'加權(quán)后的互功率譜函數(shù)公式如下： G' in( ω )=ihn( ω )Gin( ω ) (4.3) 對已經(jīng)得到的第η路信號相對第一路信號得到的互功率譜加權(quán)函數(shù)護(hù)?η( ω )進(jìn)行 傅里葉反變換，即可得到聲音采集陣列模塊中麥克風(fēng)陣元1和麥克風(fēng)陣元η間的廣義互相關(guān) 函數(shù)如下:Rin (τ) = FFT-1 (G' In) (4.4) Rin(T)中的最大峰值所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)即為麥克風(fēng)陣元1和麥克風(fēng)陣元η之間的相 對時(shí)間延遲tni，計(jì)算所有的相對時(shí)間延遲，得到聲音采集陣列模塊中η個(gè)麥克風(fēng)陣元與第一 麥克風(fēng)陣元的相對時(shí)間延遲(t21，t31，t")。5.如權(quán)利要求2所述的一種基于韓聲的睡眠打韓時(shí)頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)識別的方法，其特征 在于步驟(5)通過時(shí)間延遲估計(jì)算法，得到當(dāng)前Ξ秒時(shí)間內(nèi)受試者打韓的發(fā)生位置坐標(biāo)； 通過GCC算法，四路信號中得到后Ξ路信號相對第一路信號的相對時(shí)間延遲(t2i，t3i， t4i)，根據(jù)距離公式，受試者打韓時(shí)聲源距離聲音采集陣列模塊中第η個(gè)麥克風(fēng)陣元的距離 的平方值為(X-Xn)2+(廠yn)2+(Z-Zn)2 = ：Tn2,其中（X，y，Z)為聲源位置，（Xn，yn，Zn)為第η個(gè)麥 克風(fēng)陣元的位置，rn為受試者打韓時(shí)聲源距離聲音采集陣列模塊中第η個(gè)麥克風(fēng)陣元的距 離，由此可 W得到方程[(X-Xn)2+(y-yn)2+(Z-Zn)2]-[(X-Xl)2+(y-yi)2+(z-Zl)2]=；Tn2-r2i;由 此可得到相對時(shí)間延遲與距離間的關(guān)系為rn-ri = tni/C，其中C為聲速;聯(lián)立聲音采集陣列 模塊中每個(gè)麥克風(fēng)陣元的距離-相對時(shí)間延遲方程，解得(x，y，z)值，即得到當(dāng)前Ξ秒時(shí)間 長度內(nèi)受試者打韓時(shí)聲源發(fā)生位置，結(jié)合步驟(3)中得到的受試者當(dāng)前Ξ秒時(shí)間內(nèi)打韓時(shí) 頭部朝向參數(shù)得到頭部姿態(tài)信息，為了更好的對應(yīng)受試者睡姿，根據(jù)得到的頭部朝向數(shù)據(jù) W及韓聲坐標(biāo)位置將頭部位置劃分為朝左、朝上、朝右，頭部姿態(tài)為仰邸、側(cè)邸。
【文檔編號】A61B5/00GK105962894SQ201610264110
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】康雁, 寧國琛
【申請人】東北大學(xué)