CN102015001B - 用于诱导对象入睡的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于诱导对象(110)入睡的系统，包括：用于监视对象(110)的心率和呼吸率的监视器(120)；耦合到监视器(120)用于评估心率与呼吸率之间的相干程度的相干性评估设备(130)；以及耦合到相干性评估设备(130)的输出设备(140，150)。输出设备(140，150)可以包括用于基于相干程度在对象(110)的视场内生成光图案(145)的光图案发生器(140)。输出设备(140，150)可以可替代地或另外地包括用于在呼吸模式上指示对象的指示系统(150)，并且其中所述指示是基于相干程度给出的。

Description

用于诱导对象入睡的系统
技术领域
本发明涉及一种用于诱导对象、特别是从睡眠中醒来的对象入睡的系统。
背景技术
睡眠障碍的国际分类区分出超过80种不同的可被有效治疗的障碍。入睡或白天嗜睡问题每年影响大约35％-40％的美国成年人口，并且是发病和死亡的重要原因。扰乱的睡眠减少了它向睡眠者提供的休养(recreation)。如果不良睡眠质量在延长的时间周期上盛行(prevail)，则它可能导致较差的总体健康状况、有限的活力和抗压性。入睡方面的困难影响了总人口的6％-9％。然而，特别是在老年患者中，盛行率更高。一项对66-97岁的人的调查发现26.7％的男性测试对象和44.1％的女性测试对象在进入睡眠(initiating sleep)方面存在困难。
具有保持睡眠问题的人报告他们可以相当顺利地入睡，但是两三个小时后就醒来并且不能重新睡着。原因可能是多方面的。如果某人醒来并且他的思想保持围绕他的忧虑、他在当天所经历的事物和他的针对第二天的计划等等旋转，则他将难以理清其思绪和充分放松以便再次入睡。
WO2007105127 A1公开了一种用于诱导对象入睡的系统，其包括用于关于该对象生成时变光图案的光图案发生器。而且，该系统包括用于测量对象的呼吸频率的呼吸率测量单元。此外，该系统包括连接到呼吸率测量单元和光图案发生器的控制单元，其用于控制所述光图案发生器，使得所生成的光图案具有基本处于所测量的呼吸频率与预选的期望频率之间的图案频率(pattern frequency)。然而，这种系统不能令人满意地诱导对象睡眠。
US 20050143617 A1公开了一种睡眠和环境控制方法和系统。该系统包括多个传感器以测量诸如呼吸和心率之类的生理参数和诸如房间温度之类的环境参数。该出版物关注于测量睡眠质量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于诱导对象入睡的改进的系统。
根据本发明的第一方面，一种用于诱导对象入睡的系统包括：用于监视对象的心率和呼吸率的监视器；耦合到该监视器用于评估心率与呼吸率之间的相干程度(degree of coherence)的相干性评估设备；以及耦合到该相干性评估设备的输出设备，其用于基于所述相干程度生成输出以诱导对象入睡。
在根据本发明的诱导入睡的过程中，监视心率和呼吸率。监视单个生理参数不足以推断对象是放松的还是紧张的。心率变异性(HRV)是指心率中的心跳间的变化。在休息状态下，健康个体的心率展现出周期性变化。这种有节奏的现象(称为呼吸性窦性心律不齐(RSA))随着呼吸的阶段而波动：在吸气期间心加速而在呼气期间心减速。这样，心率趋于与该人的呼吸活动同步。因此，在对象放松时有可能从心率的变化推导出呼吸频率。如果对象处于积极的或放松的情绪中，则心率和呼吸率同步(高相干性)，并且如果对象处于消极的或紧张的情绪中，则心率和呼吸率去同步(低相干性)。在积极的情绪中，心率的变化以正弦波方式发生。
根据本发明的实施例，所述监视器包括：传感器，布置为不引人注意地放置在对象的胸部之下，其中该传感器适于感测通过机械冲击和胸部变形而生成的信号，其中所述机械冲击是由心跳引起的，且所述胸部变形是由于呼吸造成的；以及处理单元，其被配置为从所述传感器接收信号并提取对象的心率和呼吸率。
许多人戴着电子传感器躺在床上时会感觉不舒适。根据本发明的不引人注意地放置在床上的传感器不会给对象带来任何不便。为了诱导对象入睡，不在卧室中引入特别的设备。在卧室中安装不寻常的或不熟悉的设备可能在一些人中会诱导焦虑，从而阻止他们入睡。本发明的方法基于这样的见识：在家庭环境中促进睡眠的问题需要一种绝对不引人注意且舒适的解决方案，因为将侵入式技术引入到卧室中—个人的最私密空间之一—被顾客严厉决绝。具有不引人注意传感器的这种系统进一步保证了对象的正在睡眠的伙伴不受干扰。
根据优选实施例，所述传感器是铁电箔。为了不引人注意地测量心率和呼吸率，将铁电箔放置在对象的胸部之下，优选地放置在他的床单之下。箔如果受到机械压力将会生成电压。当将机械压力施加到铁电箔时，表面电荷被移位，从而产生电压。铁电箔拾取(pick up)每次心跳所产生的机械冲击和由于呼吸造成的胸部变形。呼吸动作导致低频信号，心跳作为小的峰被叠加在该低频信号上。耦合到传感器的处理单元从这些信号中提取心率和呼吸率以用于计算它们之间的相干程度。
根据本发明的实施例，输出设备包括连接到相干性评估设备的光图案发生器，其用于基于相干程度在主体的视场内生成光图案，其中该光图案能够诱导对象入睡。基于相干程度，光图案发生器生成光图案，其对于对象而言是可见的并且促进对象放松并使其入睡。
在根据本发明的优选实施例中，光图案包括具有不同光学属性的对象序列，比如形状、颜色、位置、光强和不同方向上的不同速度，使得具有不同光学图像和不同速度的光图案可被对象观看到以便入睡。
根据本发明的另一个实施例，光图案对象在较低的相干程度时变得更亮、更大且移动更快，其中光图案对象在较高的相干程度时变得更浅、更小且移动更慢。在确定相干程度之后，光图案对象的亮度和颜色可以依赖于心率与呼吸率之间的相干程度而进行修改。在高相干程度(其指示高度放松的状态)时，照明将被调暗并且光图案对象的颜色被朝向暖色调修改。另一方面，在低相干程度时，光图案对象将更亮、更大且移动更快，这会转移对象的游走的思想并且设法使其放松。
在根据本发明的优选实施例中，输出设备包括用于在呼吸模式方面指示对象的指示系统，并且其中该指示是基于相干程度而给出的。所述呼吸指示可以通过声音或通过机械性刺激而给予对象。如果呼吸指示是在扬声器或头戴式耳机的帮助下给出，则对于吸气和呼气命令使用不同的声调。一个完整的呼吸循环将通过用于吸气的第一声调、继之以用于呼气的第二声调以及第一与第二声调之间的停顿来表示。通过延长呼吸循环的吸气和呼气阶段，在较高的相干程度时循环的频率将自动下降。这样，建立了正反馈。如果对象放松，他的相干程度将上升，这导致所指示的呼吸循环的频率降低，并且这促使进一步放松。此外，信号的音量减小，以便促进睡眠。
为了实现不引人注意的最大化，在集成在床上(例如集成在床单内)的机械作用器的帮助下传递呼吸指示。根据本发明的优选实施例，呼吸指示由包括铁电箔或压电箔的机械作用器生成。如果将电压施加到作用器，作用器将发生机械变形并且通过机械刺激将呼吸指示提供给对象。呼吸指示的频率被调适为使得它在较高的相干程度时变得较低。此外，在高相干程度时，通过降低施加到作用器的电压幅值来缓慢地逐渐减弱机械刺激的幅度(即机械振动的幅度)。作用器可以放置在对象背部之下。将铁电箔用作作用器以给出呼吸指示的优点在于，它可以被制作得薄且有柔韧性并且可以集成到床单中。
根据本发明的另一方面，一种用于诱导对象入睡的方法包括以下步骤：测量对象的心率和呼吸率；评估心率与呼吸率之间的相干程度；基于相干程度在主体的视场内生成输出；以及在多个时间间隔处重复上述步骤。
根据本发明的优选实施例，该输出包括基于相干程度的光图案和/或呼吸指示。
根据本发明的又一方面，上述系统被集成到在卧室中找到的原有装置(例如闹钟)中。为了使得对象感觉舒适，系统无缝集成到卧室环境中是极为重要的。将系统集成在投影闹钟中是不引人注意的并且对象在其卧室中不需要额外的可见的设备。使用闹钟的投影仪，光图案被投影在墙上或天花板上并且对正在睡眠的伙伴而言是不引人注意的。
附图说明
图1示出根据本发明的用于诱导对象入睡的系统的实施例；
图2示出在不同情绪中对象的心率和呼吸率的相干程度；
图3a示出由放置在对象的床单之下的铁电箔生成的信号US的读数的实例；
图3b示出通过低通滤波从铁电箔信号获得的呼吸分量；
图4示出在相关技术(correlation technique)的帮助下从铁电箔信号获得的心跳分量；
图5a和图5b示出对心率与呼吸率之间的相干程度的计算；
图6示出用于依赖于相干程度调适所投影的光图案的速度、颜色和亮度的策略；
图7示出放松练习的宏观结构：缓慢地降低呼吸循环的频率并延长循环持续时间；
图8a示出以吸气时间和呼气时间作为参数的简单二元刺激；在呼气期间没有刺激；
图8b示出逐渐改变刺激强度的高级刺激；在呼气期间没有刺激；
图8c示出逐渐改变刺激强度的高级的不对称刺激；在吸气期间增加强度，在呼气期间降低强度，允许引入没有刺激的呼吸停顿；
图8d示出逐渐改变刺激强度并改变刺激频率的最高级的不对称刺激，附加频率编码允许用户更好地识别从吸气到呼气的转折点；
图9示出用于依赖于相干程度调适吸气和呼气阶段的长度、所指示的呼吸循环的频率、机械刺激/振动信号的幅度和听觉信号的音量的策略；以及
图10示出包括图1的系统的物品。
具体实施方式
将结合特定实施例并参考某些附图描述本发明，但是本发明不限于此。所描述的附图仅仅是示意性的和非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大并且未按比例绘制。当术语“包括”用在本说明书和权利要求时，它不排除其它元件或步骤。当使用不定冠词或定冠词(例如“一”或“一个”、“该”)表示单数名词时，除非特别地另外说明，这包括多个该名词。
而且，说明书和权利要求中术语第一、第二、第三等被用于区分相似的原件并且不一定用于描述连续或时间顺序。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可交换的，并且本文所描述的本发明的实施例能够以本文描述或示出的顺序以外的顺序来操作。
而且，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、在...之上、在...之下等用于描述的目的并且不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可交换的，并且本文所描述的本发明的实施例能够以本文描述或示出的定向以外的定向来操作。
所述附图仅仅是根据本发明的优选实施例的示意性视图。在附图中，相同的附图标记表示相同或相应的部件。
图1示出用于诱导对象110入睡的系统100的实施例。系统100包括用于监视对象110的心率和呼吸率的监视器120。该监视器包括传感器122和处理单元124。传感器122不引人注意地放置在对象110胸部之下位于其床单112之下。传感器122是铁电箔或压电箔。而且，系统100包括用于评估心率与呼吸率之间的相干程度的设备130。光图案发生器140连接到设备130。该光图案发生器在对象110的视场内生成光图案145。系统100还包括指示系统150，其用于通过经由放置在床单112之下的作用器155生成给对象110的呼吸指令来指示对象如何呼吸。
图1描绘了不引人注意的生命参数测量，其用于通过控制投影的光图案145的方向、亮度、颜色和速度和/或通过由作用器155给出的呼吸指示来诱导患者110入睡。光图案发生器140包括用于将光图案投影到位于对象110的视场内的表面(比如屏幕、墙壁和/或天花板)上的装置，以使得对象110能够观看到所生成的光图案。为了不引人注意地测量心率和呼吸率，将铁电箔122放置在床单112之下。铁电箔122如果受到机械压力将生成电压。它拾取由每次心跳产生的机械冲击以及由于呼吸造成的胸部变形。据发现，呼吸动作导致低频信号，而心跳作为小的峰叠加在该低频信号上。
监视心率和呼吸率：
心率变异性(HRV)是指心率在心跳间的变化。在休息状态下，健康个体的心率展现出周期性变化。这种有节奏的现象(称为呼吸性窦性心律不齐(RSA))随着呼吸的阶段而波动：在吸气期间心加速而在呼气期间心减速。这样，在休息状态下心率趋于与该人的呼吸活动同步。因此，可以从心率的变化推导出呼吸频率。
图2示出与当对象处于消极的或紧张的情绪(低相干性)时发现的去同步相比，当对象处于积极的或放松的情绪(高相干)时心率和呼吸率的同步。在积极的情绪中，心率以正弦波的方式发生变化。
铁电箔122所生成的电压是表示低频呼吸动作的分量和表示心跳诱导的脉冲的另一个分量的叠加。图3a示出由放置在床单112下面的铁电箔122测量的实例信号US。在图3a所示的未处理的信号中，两个信号分量是可辨别的。低频呼吸分量可以容易地通过对该信号进行低通滤波来提取，这是因为呼吸频率明显低于心率。图3b中示出了结果。与心跳相关的信号分量可以由处理单元124在相关技术的帮助下从由铁电箔122传递的信号中提取。图4在上部轨迹中示出未处理的箔信号，而下部轨迹是在时域中计算信号的自相关函数的结果。在未处理的信号中可见的心跳诱导的峰被自相关函数中的最大值清楚地标记出。
相干程度的计算
在心率分量与呼吸率分量分离之后，确定这两个分量之间的相干程度，这如图5a和图5b所示。从两个分量取N个样本的片段，并且应用下面的计算：
Figure GPA00001251247000071
如果呼吸信号中的最大值与心率信号中的最大值相符，如图5a所示，则所计算的相干程度高，因为来自一个片段的正值与来自另一个片段的正值相乘，而来自一个片段的负值与来自另一个片段的负值相乘。因此在这种情况下，对求和计算有贡献的所有单元都是正的。如果一个片段中的最大值与另一个片段的最小值相符，则和的结果在这种情况下较小，因为随后来自一个片段的正值与来自另一个片段的负值相乘，从而给出了对求和计算的消极贡献。
生成光图案：
在确定了相干程度之后，如图6所示，它被转换为光图案的光谱、速度和亮度。照明将被调暗并且光颜色朝暖色调修改，从而改进人的放松状态。相似地，当心率与呼吸率之间的相干程度变高时，降低光图案的移动对象的速度。该正反馈结果导致非常有效的返回睡眠的过程。
生成呼吸指示：
一般地，针对增加的放松水平的所有呼吸技术都指定深且慢的呼吸。因此，针对呼吸模式的宏观结构，提出了在任何放松练习期间随着时间缓慢降低呼吸循环的频率(如图7所示)并且延长该循环的持续时间。
在铁电箔155的帮助下，向对象110提供将关于他或她应当如何呼吸的指示。这意味着，所述指示作为机械刺激出现。对于在每个呼吸循环期间该刺激的微结构，可设想到图8a-8d中所描绘的各种图案。这些附图中描述的所有图案及其任意组合可设想用于所述刺激。然而，图8d中呈现的刺激图案在本发明的上下文中是优选的一种。
图8d所示的图案允许在呼吸循环之间使用停顿。它还允许对象110容易地识别他当前处于呼吸循环的什么地方，因为这是双倍编码的。首先它是通过改变刺激的幅度而给出的。其次，刺激不是连续传递的，而是作为突发或脉冲传递的，如图8d所示，并且突发或脉冲的重复频率也在变化。
如果在作用器155的帮助下借助机械刺激给出呼吸指示，则如图9所示，在较高的相干程度时呼吸指示的频率变得较低。此外，所使用的刺激的幅度也逐渐减弱，即通过降低施加到箔作用器155的电压的幅度来降低机械振动的幅度。作用器155是铁电箔或压电箔。如果将机械力施加到箔，则表面电荷被移位，从而产生电压。相反地，如果将电压施加到箔，则导致箔的机械变形。换言之，铁电箔既用作传感器122又用作作用器155。将电压施加到集成到床单112中的铁电箔155，以便通过振动给出呼吸指示。该振动的特性是由所施加的电压的性质确定的。
如果呼吸指示是在扬声器或头戴式耳机(未示出)的帮助下给出的，则针对吸气和呼气命令使用不同的声调。一个完整的呼吸循环将通过用于吸气的第一声调、随后的用于呼气的第二声调以及它们之间的停顿来表示。通过延长所指定呼吸循环的吸气和呼气阶段，在较高的相干程度时所述循环的频率将自动下降。这样，建立了正反馈。当对象放松时，他的相干程度将上升，这导致所指示的呼吸循环的频率降低，并且这促使进一步放松。此外，减小信号的音量，以便促进睡眠，这如图9所示。
图1的系统可以被集成到诸如闹钟之类的物品中，例如图10所描绘的Philips AJ3600投影收音机闹钟。该系统的光图案发生器包括用于将光图案投影到位于对象110的视场内的表面(比如屏幕、墙壁和/或天花板)上的装置，使得对象110能够观看到所生成的光图案。移动的图案使得醒来的人平静下来并且防止其情绪围绕忧虑旋转。
应当注意，上述策略是作为实例给出的。尽管上文已经描述本发明的特定实施例，但是应当理解，本发明可以以不同于所述方式实践。单个的适当编程的处理器或其它单元可以履行权利要求中叙述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (7)

1.一种用于诱导对象(110)入睡的系统(100)，包括：
监视器(120)，用于监视所述对象(110)的心率和呼吸率；
相干性评估设备(130)，其耦合到所述监视器(120)用于评估心率与呼吸率之间的相干程度；和
输出设备(140，150)，其耦合到所述相干性评估设备(130)用于基于所述相干程度生成输出以诱导对象入睡，
其中所述输出设备(140，150)包括用于在呼吸模式方面指示所述对象(110)的指示系统(150)，并且其中该指示是基于所述相干程度而给出的。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述输出设备(140，150)包括耦合到所述相干性评估设备(130)的光图案发生器(140)，其用于基于所述相干程度在对象(110)的视场内生成光图案(145)，其中该光图案(145)能够诱导对象入睡。
3.如权利要求1所述的系统(100)，其中所述监视器(120)包括：
传感器(122)，其被设置为不引人注意地放置在所述对象(110)的胸部之下，其中该传感器(122)适于感测通过机械冲击和胸部变形而生成的信号，其中所述机械冲击是由心跳引起的，且所述胸部变形是由于呼吸造成的；以及
处理单元(124)，其被配置为从所述传感器接收信号并提取所述对象(110)的心率和呼吸率。
4.如权利要求3所述的系统(100)，其中所述传感器(122)是铁电箔或压电箔。
5.如权利要求2所述的系统(100)，其中所述光图案(145)包括具有不同形状、颜色、位置、速度和光强的对象序列。
6.如权利要求2所述的系统(100)，其中所述光图案(145)在较低的相干程度时变得更亮、更大且移动更快，而所述光图案(145)在较高的相干程度时变得更浅、更小且移动更慢。
7.如权利要求1所述的系统，其中呼吸指示是由包括铁电箔或压电箔的机械作用器(155)生成的。
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