CN109152917A - 监管装置和相关联方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于调节唤醒的神经相关性和情绪调节的外围装置，所述外围装置用以佩戴在身体上或保持抵靠身体。所述装置可通过生理征兆或手动干预来触发，并使用生理反应频率的新颖组合来产生例如振动或电力等皮肤信号，而不需要用户方努力。一个实施例包含组合传感器，所述传感器测量例如语音速率和间距等压力生理信号的变化、皮肤电反应或心率变异性，并且，通过对个人化数据使用机器学习算法，可确定这些变化是否有可能受益于调节。如果这些变化超出特殊预定范围，那么所述装置产生刺激，并且个体在触摸/佩戴所述装置时将感受到被调节，或可在当前未触摸或佩戴时选择使用装置。

Description

监管装置和相关联方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求标题为“情感修复(Emotion Prosthetics)”且在2016年4月1日申请的第62/316,695号美国临时专利申请的优先权，其内容以引用的方式并入本文中。
政府合同
本发明在美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)授予的拨款号MH082998和MH096334以及美国国家科学基金会(National Science Foundation)授予的拨款号IIP-1449702的政府支持下进行。政府在本发明中享有一定权利。
技术领域
本申请大体上涉及可保持抵靠身体或附接到连接到身体的某物以促进情感状态、唤醒状态和认知中的至少一个改变的装置。
背景技术
压力是在全世界都没有有效解决方案的特定全球性损害问题。US人口的大致三分之一描述了具有比他们所希望更大的压力，而没有有效的应对策略。长期的压力导致耽误工作时间并且减弱生产力，并且可能导致从抑郁和焦虑到心脏病和痴呆的精神衰弱和身体疾病。压力干预主要由心理疗法/技术和药物/预防性疗法组成。心理技术(例如，如精神疗法或冥想中所教示)取决于用户对其精神情况和感情的照管和在所述时刻中对习得技术的应用。文献表明，这类干预对于许多人不适用。举例来说，往往会反复思考的个体甚至在最佳的心理疗法中也最糟糕。药物/预防性疗法取决于在一个时间点服用以更晚地在需要药效时具有药效的药剂。这些治疗有许多副作用，并且通常具有成瘾性。普遍观察到，可耐受剂量下的大多数精神药剂没有强到足以阻止或甚至改进对应激源的时刻(in-the-moment)反应性。需要在压力期间变得有效、进行干预而不需要使用户头脑冷静并且接着在压力消散时停止活跃的干预。需要提供一种适用于解决广泛跨越医学领域(例如，精神病学、心理学)到企业应用(例如，HR和培训)、军事应用、消费模式(例如，压力管理)和娱乐企业(例如，情感增强自适应虚拟现实)的多个领域和市场中的问题的技术。
发明内容
本发明涉及在有压力或偏离目标情绪状态(例如，“平静”)时使用皮肤换能器(振动或电力)来调节生理状态。因此，本发明中包含：1)监管装置，其提供适用于调节唤醒和压力的特定类型的生理反应刺激，2)经由手动切换或传感器和算法的调用，其用以确定其需要，以及3)个别化校准和学习算法，其用以确定用于感测和调节某一个人的唤醒、压力或离例如平静等目标生理状态的距离的最优参数。相同技术的更一般实用性涉及如下技术：所述技术使生理反应性分布与所存储的特殊情绪状态(例如，“平静”)相关联，得到离这些目标状态的距离的动态定量，并提供经由闭环刺激使用户恢复到这些目标情绪状态的生理刺激。
根据本发明的干预的方面，一种触摸用户皮肤或触摸用户的皮肤或身体的某物的监管装置提供在所公开文献中所表明的频率下的刺激以改变交感神经和副交感神经紧张。装置可佩戴(例如)在手腕、脖子或胸骨上，已表明,所有这些导致迷走神经/副交感神经紧张或交感神经紧张随着特定的皮肤振荡频率而增加。用于皮肤振荡的换能器强到足以产生不可忽略的信号。电力和振动可均为所述功能服务。本发明因此包含用于产生具有特定振荡特性的声学信号的软件、用于通过装置以无线方式产生的声学信号的收发器(例如，蓝牙接收器)、放大器和能够以不可忽略的方式将放大的声学信号馈送到身体的任何触觉换能器。
文献中充分描述了振动和电刺激可诱发压力和副交感神经紧张的变化的机制。皮肤具有处理触摸(机械刺激感受器)、疼痛(伤害感受器)、快乐(c触觉纤维)和温度(热感受器)的其它感受器。由皮肤感受器收集的信息行进到大脑的躯体感觉皮层，并且并行地行进到涉及认知过程、运动过程、社会过程的大脑区域，和更多地涉及情感功能的网络，包含辨识和产生情绪(例如，扁桃体、脑岛和纹状体)并调节情绪(例如，前额皮层)。(Davidson,2000,American Psychologist,55(1196-1214)。感情不仅可由目前的输入产生，而且还可由我们基于先前的经验解译身体提示(Damasio,1999,xii,386p.)而产生。存在触觉刺激可影响大脑功能的众多其它途径。举例来说，深度触觉刺激可能影响特定神经，从而直接产生可预测的神经作用。在颈动脉窦周围缓慢移动触摸(例如，经由“颈动脉按摩”)可加强迷走神经功能(Ha等人,2015,Am J Emerg Med,33(7),963-5,McDonald等人,2014,J AmGeriatr Soc,62(10),1988-9,Laine Green和Weaver,2014,J Clin Neurosci,21(1),179-80,Cronin和Blake,2011,J Cardiovasc Electrophysiol,22(5),600)，这可能经由直接神经刺激或例如底层肌肉刺激(Scali等人,2013,Spine J,13(5),558-63)等其它途径。手力疗法(如按摩)具有相关的变化机制，例如内源性大麻素的释放(Lindgren等人,2015,BMCRes Notes,8(504)。已发现，对同一区域进行不同样式的按摩激活了不同的大脑网络(Sliz等人,2012,Brain Imaging Behav,6(1),77-87)，其表明更复杂的触摸-大脑关系图。深度胸部压力(例如，如在拥抱机中所使用)似乎直接影响压力感受器((Edelson等人,1999,AmJ Occup Ther,53(2),145-52)，从而使血压降低并产生平静的感觉。涉及深度触摸的指压按摩已从多种视角概念化，并且似乎影响周边生理，例如心率变异性(McFadden等人,2012,Complement Ther Med,20(4),175-82,Huang等人,2005,Am J Chin Med,33(1),157-64)，这表明可能涉及迷走神经。电刺激尤其激活薄片1纤维(McMahon和Wall,1984,Pain,19(3),235-47)，其经由脊髓将疼痛、瘙痒、感觉触摸和温度传送到原始大脑区域，如扁桃体，从而产生情感反应，并且经由丘脑传送到脑岛以产生我们的身体反应的感知(Craig,2002,NatRev Neurosci,3(8),655-66)。脑岛将此消息传递到控管我们的注意力和情绪调节的皮层区上，例如眶额皮层(Cavada等人,2000,Cereb Cortex,10(3),220-42)。电力有可能产生类鸦片((Chen等人,1996,J Pharmacol Exp Ther,277(2),654-60)以及β内啡肽(Bossut等人,1986,Am J Vet Res,47(3),669-76)，这些物质影响情绪和疼痛阈值(Lundeberg等人,1989,Am J Chin Med,17(3-4),99-110)。电刺激还激活蓝斑(Snow等人,1999,Arch ItalBiol,137(1),1-28)，其负责产生可缓和压力响应的去甲肾上腺素。
确切地说，本发明依赖于0.01到20Hz范围内的拍频，所述拍频被详尽记录为心理生理反应。在0.01到0.3Hz范围内的缓慢全身振动与增加的愉悦度等级和较低频率下增加的副交感神经紧张相关联，其中交感神经紧张的增大的优势接近0.6Hz(Uchikune,2004,Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control,23(2),133-138,Uchikune,2002,Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control,21(1),29-36)。已观察到，所述在1Hz下的全身刺激增加了副交感神经紧张(Takahashi等人,2011,J Hum Ergol(Tokyo),40(1-2),119-28)，其中特定观察到能够产生振动同步的心跳。基于生物反馈文献，处于0.1Hz频率的刺激可尤其用于促进副交感神经紧张。RSA的最高振幅是在0.1Hz(6呼吸/分钟)下实现，因为这是对身体供氧和从身体去除CO2的最优呼吸速率。因而，0.1Hz被称为心脏共振频率(在单频率下的高振幅同步振荡)。此心脏共振是对高大的人/男性使用大体上较低的频率刺激且对矮小的人/妇女使用大体上较高的频率刺激来实现(Vaschillo等人,2006,Appl Psychophysiol Biofeedback,31(2),129-42)。因此，已表明，“影响心脏血管系统的有节奏的刺激的任何来源应产生相同作用(实现0.1Hz的心脏共振)。”(Lehrer和Gevirtz,2014,Front Psychol,5(756)。因此，已发现，在0.1Hz下经由有节奏的肌肉紧张进行刺激增加了高频心率变异性(Lehrer等人,2009,Biol Psychol,81(1),24-30,Vaschillo等人,2011,Psychophysiology,48(7),927-36)，这是因为在0.1Hz下具有有节奏的可视刺激(Vaschillo等人,2008,Psychophysiology,45(5),847-58)。已展示，在此范围内的手腕佩戴振动提示影响在有压力的任务后的血流动力学(Nogawa等人,2007,Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2007(5323-5)。已发现，对于在较低频率(3到6Hz)下的全身振动，心跳速率增加(Maikala,等人,2006,Int Arch Occup EnvironHealth,79(2),103-14)，但已观察到心脏作用的个体差异作用于这些频率(Ullsperger和Seidel,1980,Eur J Appl Physiol Occup Physiol,43(3),183-92)。6到10Hz范围内的振动似乎减小副交感神经紧张，如根据高频心率变异性(Jiao等人,2004,Int Arch OccupEnviron Health,77(3),205-12,Bjor等人,2007,Int Arch Occup Environ Health,81(2),193-9)所测量，并且具体来说与增加的低到高频率心率变异性定量相关联，这可能表明交感神经紧张增加(Watanabe和Ujike,2012,Health,4(11),1029-1035)。使用10hz下越来越周边的刺激来调制迷走神经的活跃度，迷走神经控管心率变异性，并且因此控管副交感神经紧张(Ma等人,2016,J Neurol Sci,369(27-35,Bauer等人,2016,Brain Stimul,9(3),356-63,Jiang等人,2016,Neurochem Int,97(73-82,He等人,2016,Cardiovasc Ther,34(3),167-71)。
本发明还依赖于20到300Hz范围内的基频，所述基频还被详尽记录为生理反应。致力于全身振动的大型文献主要检查了20到36Hz范围，所述范围大体上与增大的心率相关联(例如，Gojanovic等人,2014,Physiol Res,63(6),779-92,Cochrane等人,2008,Arch PhysMed Rehabil,89(5),815-21)。特别是对于肥胖人群，25Hz全身振动与减小的心率和同副交感神经响应一致的压力感受器活跃度相关联(Dipla等人,2016,Exp Physiol,101(6),717-30)，但另一研究发现，在测试之后，20到36Hz的HRV未改变(Cheng等人,2010,J Sports MedPhys Fitness,50(4),407-15)。已发现，所述10Hz范围内的电刺激产生的Hf HRV增加(Stein等人,2011,Auton Neurosci,165(2),205-8)。典型的私人按摩装置在约100Hz下运作，(Prause等人,2012,Sexual and Relationship Therapy,.27(1),pp)，其中目标为产生主观性和肌肉放松。在此频率下的刺激激活了后脑岛(Coghill等人,1994,J Neurosci,14(7),4095-108)，这与增加的对内感受的注意力相关联，如同在许多冥想传统中所促进的那样。振动器按摩与增加的心率以及关联于放松的增加的θ和αEEG两者相关联(Diego等人,2004,Int J Neurosci,114(1),31-44)。电针灸产生快速振动的感觉；在100Hz下的刺激与增大的后续高频心率变异性相关联((Hideaki等人,2015,Acupunct Med,33(6),451-6)，但已观察到，在100Hz下的TENS单元刺激产生减小的高频心率变异性(Stein等人,2011,AutonNeurosci,165(2),205-8)。在89Hz下的面部振动尤其与增加的副交感神经紧张相关联(Hiraba等人,2014,Biomed Res Int,2014(910812)。
根据本发明的干预的另一方面，监管装置组合在文献中被描述为生理反应的低和高频率以产生独特的超加性(superadditive)感觉。举例来说，已展示，复杂的音乐和复杂的声振刺激调制与迷走神经紧张相关联的多种神经响应(Bergstrom-Isacsson等人,2014,Res Dev Disabil,35(6),1281-91)。已展示，声振刺激影响脑电图记录以及积极情绪(Sandler等人,2016,Brain Topogr,29(4),524-38)。
根据本发明的干预的另一方面，通过检测预定状况，例如监管装置上的手动切换或通过预定状况的监管装置以与唤醒或压力增大或减小相关联的生理变化形式进行检测，来调用干预的使用。手动切换是通过调用例如智能手机上的软件或经由装置上的开关来进行。可使用许多生理参数来检测情绪和唤醒状态，例如压力或疲劳，包含但不限于声调、皮肤电反应和心率变异性的变化、瞳孔放大和γ波段EEG。在可用以推断所评定参数的类似性的对例如压力、放松和疲劳状态的基本测量的存在下，这些参数是可解译的。因此，本发明包含如下软件：其用于对可用生理测量结果建立个体的休息、压力、疲劳或用户定义的目标分布，且用于实时地比较这些状态的所导出参数的测量结果，并相对于个别滴定的参数推断当前状态看上去类似于那些所存储状态(例如，压力或疲劳)的程度。
根据本发明的另一方面，个体在不同频率影响生理反应方面的程度不同。因此，本发明包含用以评定主观性并且在可能时评定对频率的不同组合的生理反应性以允许进行最合适的监管刺激的校准过程。
根据本发明的另一方面，与可能用户定义的情绪和唤醒状态相关联的个体生理特征连同最优地恢复那些状态的刺激参数可存储在库中以供所述个体或另一个体稍后再调用。举例来说，如果个体度过了特别愉快的一天，那么可存储与所述状态相关联的生理，并且最优地维持所述状态或从压力或疲劳状态朝向所述状态移动的刺激参数可存储在库中以供稍后再调用。
附图说明
图1：具有振动换能器的实例实施的监管装置。
图2：具有电换能器的实例实施的监管装置。
图3A和3B：展示与38个志愿者中多种类型的刺激相关联的平均效价和唤醒等级的数据，所述志愿者经历使用指示为主频率、调制频率的组合振荡的胸部和手腕刺激。
图4：用于检测生理压力以用于与记录皮肤电导率和脉冲体积描记的任何商业硬件(例如Arduino或Bitalino，来自其的数据可例如读取为串行流)一起使用的软件的用户界面的实例。
图5：用于检测声音压力的软件的用户界面的实例。
图6：展示与压力发作相关联的清晰生理变化的数据，其可易于通过查看改变斜率来分类。
图7A、7B、7C和7D：展示个体差异的数据，其中对于不同个体，模式大多数为平静和激动，从而支持个体定制的实用性。
具体实施方式
在待论述的图中，相关联方框和箭头表示根据本发明的过程的功能，其可实施为电路和相关联导线或可经由例如蓝牙等输送声学信号的无线协议实施。替代地，特别在本发明的方法或本发明的设备是数字过程时，一或多个相关联箭头可表示软件例程之间的通信(例如，数据流)。
监管装置
图1中所大体描绘的监管装置4包含：具有充电器的12V DC可充电6000mAh Li离子电池组8；DC10-22V AC 10-16V 25W 4欧姆音频扬声器HIFI数字放大器板12w/SD卡输入；触觉换能器16，其(例如)为可经由来自放大器板12的导线从内部延伸的低音振荡器8欧姆；3D打印壳体20，其具有用于来自换能器16的导线的倾斜开口；SD卡24，其含有预加载的刺激波形，包含：由0、0.1、1和4Hz调制的20、33、40、89、100、200Hz；按钮28，其用于经由预加载的波形手动地卷动且用于将其它输入提供到监管装置4；蓝牙接收器32；LED 36，其展示监管装置4是否处于接通状态，开关40，其用以将监管装置4转变成接通状态；调节控制盘44，其用以手动地调制波形强度；以及处理器设备46，其具有处理器48；以及存储装置52，软件以产生数个振荡信号的数个例程56的形式存储在其中。如本文中所使用，表达“数个”和其变化形式应指任何非零数量，包含数量一。当产生振荡信号的装置远离壳体20时，蓝牙接收器32是最有利的，所述装置例如智能手机或其它计算机化装置，其经由其自身的蓝牙发射器将振荡信号传达到蓝牙接收器32。例程56可呈非暂时性存储媒体形式，其在计算机化装置上执行时，致使计算机化装置执行操作，例如本文中所提及的操作。
监管软件例程56发出不同频率的正弦波振荡的组合，以产生输出给用户的拍频。振荡的组合包括在约20到300Hz范围内的主振荡和在约0.01到10Hz范围内的至少一个调制振荡，从而得到差拍输出，所述差拍输出在经由校准软件确定为激动或平静的频率下向用户提供刺激慢波的感觉。多个基础波形类型中的任一者在文献中被描述为生理活跃(图1中的所实施装置可产生为20、33、40、89、100和200Hz中的任一者的主振荡)，并且文献中还提及调节频率(图1中的所实施装置还可产生为0.1、1和4Hz的调制振荡)，其中的任一者可经由图1中的装置上的按钮28或可在(例如)智能手机或任何其它远程计算机化装置上执行的外部软件程序来进行选择。
与任何装置配对的蓝牙接收器32经由在计算机或智能手机上运行的外部软件产生所选波形。
电池8是可充电的，并且足以对放大器12和换能器16供电，所述电池8例如6000mAhLi离子电池组。
放大器12将振荡信号增强到可由换能器16使用的级别。对于作为输出施加到用户身体的振动刺激，放大器12将振荡信号转换成20W 8欧姆触觉换能器可如实再现的级别。对于作为输出施加到用户皮肤的电刺激，放大器使用标准算法将音频信号转换成脉宽调制版本(由5μs间隙分离的250μs脉冲)以防止皮肤加热，并将其放大成生理可检测阈值(大致2mAmps)，且出于安全起见包含光隔离和电压限制。
振动触觉换能器16经设计以在任何身体区域内使用，所述振动触觉换能器16可对由软件产生的振荡作出响应。触觉换能器16还可通过附接到座椅或床来递送全身振动。借助于描述且非限制，图1说明一个振动换能器的一个实施例。振动换能器16应用于脖子、胸骨、手腕或另一用户确定位置上，并且在本文中描述为可(例如)通过将身体部分(例如，在躺下时的脖子或在座椅上时的手腕)放在装置上或(例如)通过使其保持抵靠身体(例如，胸骨)而随意使用的装置。当产生振荡信号的装置远离壳体20时，蓝牙接收器32是最有利的，所述装置例如智能手机或其它计算机化装置，其经由其自身的蓝牙发射器将振荡信号传达到蓝牙接收器32。例程56可呈非暂时性存储媒体形式，其在计算机化装置上执行时，致使计算机化装置执行操作，例如本文中所提及的操作。
监管软件例程56发出不同频率的正弦波振荡的组合，以产生输出给用户的拍频。振荡的组合包括在约20到300Hz范围内的主振荡和在约0.01到10Hz范围内的至少一个调制振荡，从而得到差拍输出，所述差拍输出在经由校准软件确定为激动或平静的频率下向用户提供刺激慢波的感觉。多个基础波形类型中的任一者在文献中被描述为生理活跃(图1中的所实施装置可产生为20、33、40、89、100和200Hz中的任一者的主振荡)，并且文献中还提及调节频率(图1中的所实施装置还可产生为0.1、1和4Hz的调制振荡)，其中的任一者可经由图1中的装置上的按钮28或可在(例如)智能手机或任何其它远程计算机化装置上执行的外部软件程序来进行选择。
与任何装置配对的蓝牙接收器32经由在计算机或智能手机上运行的外部软件产生所选波形。
电池8是可充电的，并且足以对放大器12和换能器16供电，所述电池8例如6000mAhLi离子电池组。
放大器12将振荡信号增强到可由换能器16使用的级别。对于作为输出施加到用户身体的振动刺激，放大器12将振荡信号转换成20W 8欧姆触觉换能器可如实再现的级别。对于作为输出施加到用户皮肤的电刺激，放大器使用标准算法将音频信号转换成脉宽调制版本(由5μs间隙分离的250μs脉冲)以防止皮肤加热，并将其放大成生理可检测阈值(大致2mAmps)，且出于安全起见包含光隔离和电压限制。
振动触觉换能器16经设计以在任何身体区域内使用，所述振动触觉换能器16可对由软件产生的振荡作出响应。触觉换能器16还可通过附接到座椅或床来递送全身振动。借助于描述且非限制，图1说明一个振动换能器的一个实施例。振动换能器16应用于脖子、胸骨、手腕或另一用户确定位置上，并且在本文中描述为可(例如)通过将身体部分(例如，在躺下时的脖子或在座椅上时的手腕)放在装置上或(例如)通过使其保持抵靠身体(例如，胸骨)而随意使用的装置。触觉换能器16能够产生低频振荡(到20Hz)，同时具有不易忽略的足够位移，并且由可去除且易于清洁并且与换能器的裸金属绝缘的套筒(例如，羊毛)覆盖。
图2中所大体描绘的另一监管装置104类似于监管装置4，但监管装置104包含电换能器。监管装置104包含：9V碱性电池108；放大器112；以及电换能器116，其(例如)为可经由来自放大器板112的导线从内部延伸的一对胶粘剂电极160和164；3D打印壳体120，其具有用于来自换能器116的导线的倾斜开口；SD卡124，其含有预加载的刺激波形，包含：由0、0.1、1和4Hz调制的20、33、40、89、100、200Hz；按钮128，其用于经由预加载的波形手动地卷动且用于将其它输入提供到监管装置104；蓝牙接收器132；LED 136，其展示监管装置104是否处于接通状态，开关140，其用以将监管装置104转变成接通状态；调节控制盘144，其用以手动地调制波形强度；以及处理器设备146，其具有处理器148；以及存储装置152，软件以产生数个振荡信号的数个例程156的形式存储在其中。电换能器监管装置104被说明为可佩戴装置，并且应佩戴在用户的手腕上。其由两个电极160和164组成，所述电极160和164允许来自放大器的脉宽调制信号以电极160与164之间的施加到用户皮肤的电压形式从一个电极传递到另一电极。图2说明用于将振荡传达到用户皮肤的电换能器监管装置104的示范性实施例。
初始数据支持使用振动装置来调节压力和其生理相关性。在N＝38个个体中的9个个体为同事且29个为补偿参与的团体参与者的实验中，在由调制频率0.1Hz调制的主频率100Hz下振动刺激，传递到手腕，可靠地改进性能(p<.05)，并且对于在非刺激状况期间性能至少缓和(高于1个标准偏差低于平均值)的个体，在超出非刺激状况的有压力(同步听觉串行注意)任务期间或多或少地递送到胸部(p<＝.1)。在此频率下的振动还缓和了心率变异性(其代表副交感神经紧张)的变化，以及在完整样本中递送到手腕且在补偿样本中递送到胸骨的心率变异性的统计显著增大(p<.05)(在完整样本中p＝.09)。递送到胸骨的此频率下振动还减少了相比于非刺激状况(p<.05)压力至少缓和(高于1个标准偏差低于平均值)的个体的自报告压力。
生理检测和校准
生理检测程序组涉及使用定制和商业的软件和硬件来获取生理参数并对其实时分析以检测压力、疲劳或其它(例如，用户指定的)情绪或唤醒状态的个别化特征标志的发作。
图4展示用于检测与情绪状态相关联的生理分布且用于产生反应刺激的所实施软件的实例。图4描绘基于软件的截图所说明的用户界面，其中用户已选择阈值三，如“THRESHOLD”指示符所指示，且所述阈值三由图4的条形图中的虚线反映。示范性压力级别模式描绘在图4的顶部处，且条形图中的条形指示符表明尚未达到阈值。应注意，图4将用户可选选项进一步描绘为在用户被确定为处于压力状态时具有呈触觉-振动/电刺激形式的触觉输出或呈鸣响形式的可听输出。在有此类鸣响或没有输出的情况下，用户可使用按钮手动地进入输入以触发治疗刺激的输出。替代地，用户可选择“无(NONE)”，如在图4中所选择。在选择“振动(Vibration)”的情况下，检测到用户处于压力(或其它用户所选情绪/唤醒)状况的状态的情况将自动地导致相关联校准治疗刺激的输出。
在一个实施中，用于检测生理状态的软件囊括在1000Hz下从被实施为通用串行流的现有硬件(例如，Bitalino、Arduino)取样的脉冲体积描记和皮肤电反应(GSR)输入。脉冲体积描记器检测表示用户心跳的心跳信号。
经由尖峰去除和平滑(4秒核心)对GSR数据进行预处理以得到与交感神经系统反应性和压力相关联的GSR的光滑运行估计值。
经由尖峰去除和峰值检测对体积描记数据进行预处理以得到心跳，所述心跳被转换成差拍间(inter-beat)间隔序列。差拍间序列包含检测到的心跳信号中每一连续差拍之间的持续时间。
对差拍间间隔序列进行心率计算(每秒的差拍数)。
对30秒内的差拍间间隔序列进行连续Morlet波形变换以得到高频心率变异性(HF-HRV)波段(0.18到0.4Hz)中功率的运行估计值，所述运行估计值与副交感神经系统活跃度和情绪调节能力相关联，并且可被称作情感调节参数或值。应注意，在不脱离所公开的和要求的概念的精神的情况下，可使用例如傅里叶变换等其它频谱分析技术。
用于检测生理压力的算法的一个方面包含在一段时间(即，100ms到30秒)内对生理参数的改变或斜率定量以检测状态发作。
首先对用于检测生理压力的算法进行接种(seed)以进行压力检测，这是因为反映增大检测到的例如GSR或心率等当前物理参数而HF-HRV无对应或后续改变，即：
所估计压力＝β0+β1ΔGSR5 seconds+β2ΔHeart Rate5 seconds-β3|ΔHF-HRV5 seconds|
其中系数首先为β0＝0，β1＝0.5，β2＝0.5，β3＝1，且GSR、HR和HF-HRV基于其在30秒的初始休息校准时段期间的平均值和变异性而归一化。其它检测到的当前物理参数可包含表示声音压力的数个音频参数和其它这类参数。
算法的另一方面包含使用软件进行的校准操作，所述软件导引用户经历休息、压力、疲劳或其它用户指定状态，且包含短暂暴露于已知用以使交感神经紧张增加和副交感神经紧张减少的压力感应(例如，同步串行注意任务)，以得到这些状态的个别校准分布(例如，“压力分布”)。举例来说，用户的数个校准物理参数(例如心率信号、GSR信号和其它这类参数)可被检测到并存储在存储装置52中。执行导引的软件可在监管装置上执行，或可部署在远离监管装置的智能手机或其它计算机化装置上。
算法的另一方面包含机器学习，其用以针对个体的压力发作、疲劳发作或其它用户确定状态呈现出的状态导出个别化最佳拟合分布。在所实施的软件中，作为实例，使用机器学习算法(例如具有8个输入节点、4个隐藏节点和1个输出节点的三层图案辨识神经网络)来估计GSR、心率、HF-HRV和这些数据中的每一个的所估计改变在前5秒内是如何组合以基于在前述段落中所描述的校准任务进行预测。有效地，此算法允许针对这些参数中的每一个的主要作用和其潜在的n向交互而对参数进行经量化(S形)岭回归估计：
所估计压力＝β0+β1ΔGSR5 seconds+β2ΔHeart Rate5 seconds+β3|ΔHF-HRV5 seconds|+β4GSR5 seconds+β5Heart Rate5 seconds+β6HF-HRV5 seconds+β7ΔGSR5 seconds*ΔHeart Rate5 seconds+β8ΔGSR5 seconds*|ΔHF-HRV5 seconds|…+βNΔGSR5 seconds*ΔHeart Rate5 seconds*|ΔHF-HRV5 seconds|*GSR5 seconds*
Heart Rate5 seconds*HF-HRV5 seconds
为了导出前述方程式的β权重，在休息期间将压力值设置成零，且在目标状态(例如，压力)期间将压力值设置成一(1)。因此，“所估计压力”表示当前状态相对于休息状态更类似于压力的程度。可对疲劳或用户指定时段执行同一类型的分析。通过使用图案辨识神经网络而导出的各种β系数形成个别校准分布的部分，所述个别校准分布可用以检测压力或疲劳时段的发作。应理解，可将额外要素添加到上述方程式以便导出额外系数，以供与校准物理参数和指示用户的声音压力的当前物理参数一起使用。
算法的另一方面包含将呈用户的当前物理参数形式的入局生理数据与个别化最佳拟合分布进行实时比较以确定个体何时开始看起来开始有压力、疲劳，或确定离用户定义状态的临界距离，以便触发治疗刺激的递送。每当压力指数超出偏离其平均值的1.5个标准偏差(这是指图4中的前述阈值“3”)时，便用信号发送刺激。如果阈值分别设置成低于或高于“3”，那么在较低和较高压力级别下用信号发送刺激。
图6展示，我们可得到在有压力的串行加法任务期间检测压力发作的分类器。
声音检测和校准
图5展示用于检测声音压力的所实施软件的实例。
声音压力检测算法的一个方面在于，语音记录在5秒片段中。处理这些片段以使用公开可用代码来提取常用声音参数，例如语音速率、间距、平均频率、第一要素的频率、第一要素的方差等等。在提取参数之后不保存来自任何5秒片段的语音数据，且因此不进行持续的话音记录。
另一方面在于，训练4层模式网络分类器以使用“RAVDESS”语音语料库(http://smartlaboratory.org/ravdess/designfeatures/)来辨识与短发声(中性、平静、快乐、悲伤、害怕、愤怒、厌恶、惊讶)相关联的情绪，所述语音语料库被预处理为由发声的平均值归一化并除以标准偏差的z分数。离群值被缩尾调整(Windsorized)成超出Tukey Hinges的下一良好的值。网络具有声音参数的15个输入、分别具有15和10个单元的2个隐藏层以及8个输出(每一经分类情绪一个输出)，并且使用标准反向传播算法加以训练。取决于效价，特定效价的分类的准确度为30％到80％。
算法的另一方面在于，通过减去一组六个五秒“中性”校准发声的平均值并将这些发声除以标准偏差来使经提取语音参数归一化。
声音压力检测算法的另一方面在于，其开始于由记录特定房间中的30秒沉默组成的校准。在每次迭代中，将入局5秒发声的方差与“沉默”记录的方差进行比较。变异性超出偏离沉默记录的2个标准偏差(SD)的音频波形被视为发声；否则其被视为沉默并且不被归类。
声音压力检测算法的另一方面在于，第二校准记录以中性音调说话30秒的个人，这个人是测量的对象。
算法的另一方面在于，当多于用户选定的数目个声音参数(用户可从2到8参数中进行选择)超出偏离中性发声的平均值的2个SD时，并且当个人经由分类基于RAVDESS语料库分类器被认为具有消极语调(害怕、悲伤、厌恶)时，软件将用户选定的刺激波形提供到刺激发生器。这描绘在来自图5中所描绘的软件的用户界面捕获中，其中用户已选择四个参数的阈值，如“阈值(THRESHOLD)”指示符所指示，并且所述阈值由图5的条形图中的虚线反映。示范性声波模式描绘在图5的顶部处，且条形图中的条形指示符表明尚未达到阈值。应注意，图5将用户可选选项进一步描绘为在用户被确定为处于压力状态时具有呈振动形式的触觉输出或呈鸣响形式的可听输出。在此类输出的情况下，用户可使用按钮手动地进入输入以触发治疗刺激的输出。替代地，用户可选择“无(NONE)”，如在图5中所选择，并且在用户的检测到的状态为压力或另一用户指定状况的情况下，这将自动地导致治疗刺激的输出。
刺激校准
刺激校准算法执行定制操作，所述定制操作涉及向个体呈现呈一系列刺激参数形式的多个定制刺激，以及允许所述定制刺激评价与这些类型的刺激相关联的情感性和唤醒。响应于每一定制刺激，用户使用网格上的单个选择将数个响应输入到软件。响应的数目表示用户如何以极平静与极激动之间的唤醒程度感知到定制刺激，并且进一步表示用户如何以极消极与极积极之间的效价程度忍受定制刺激。为了将刺激最佳调节到个体的偏好，软件基于这些等级而选择刺激模式。在检测到个体经历压力状况的情况下，被评价为最大限度地积极且最大限度地平静的模式(每一轴线上离中性的平方距离的平方根)被用作所述个体的平静刺激模式。在检测到个体经历疲劳状况的情况下，无论效价如何，作为最大限度地激动的模式都被用作所述个体的激动刺激模式。
图7A、7B、7C和7D展示，依据振动换能器的振荡模式而变化的情绪和唤醒存在可靠总体差异，并且存在个体差异，其中对于不同个体，模式大多数为激动和唤醒。这类图中的每一数据点表示用户如何以极平静与极激动之间的唤醒程度感知到定制刺激，并且另外表示用户如何以极消极与极积极之间的效价程度忍受定制刺激。
“恢复”已保存状态中的状态存储和使用
呈基本物理参数形式的与命名目标情感状态(例如，“压力”或“积极情绪平静”)相关联的生理参数可被存储为目标(在确定当前物理参数的数目超出目标情感状态的参数的预定距离时触发减小到所述状态的距离的刺激)或警报(在确定当前物理参数的数目在目标情感状态的参数的预定距离内时触发增大离所述状态的距离的刺激)以供稍后再调用。
本发明的另一方面包含如下软件：其允许基于主观和生理而存储最优地实现接近或脱离目标或警报状态的刺激参数。
本发明的另一方面包含如下软件：其允许用户指定可能新的或特殊的目标或警报情绪状态以存储在包含相关联生理分布和刺激参数的库中。
本发明的另一方面在于，可使用生理分布通过当前生理参数与所校准状态的生理参数的余弦来估量离赋范和特殊命名的类别的距离，(例如)从而得到每一参数的“接近度”值C，例如，CGSR＝(GSRcurrent-GSRsession_mean)*(GSR_calibration state-GSR_calibration session mean)并将“接近度”导出为如下状态：BGSR*CGSR+BHRV*CHRV+BVocal Pitch*CVocal Pitch其中相关联的B权重经由如本文中先前所描述的神经网络分类器导出。
此算法提供离目标状态的距离。在校准之前，使用先验规则来指定输出转换以经由使来自如本文中先前所描述的模板向量的当前数据的距离最小化(例如，欧几里得)来最优地恢复状态。
本发明的另一方面包含允许用户共享情绪状态名称、相关联生理分布和刺激参数以供接近或避免他们的软件。
可能的实际应用
用于产生生理反应振荡模式的来源(例如，智能手机)，其中振荡模式是在由0.01到10Hz的频率调制的20到300Hz范围内的频率。
所述来源产生振荡并经由蓝牙将其传输。
使用软件来校准并存储最大限度地产生特定情感状态的那些振动模式，所述情感状态包含由用户指定的那些情感状态，例如唤醒，或某一个体的积极情绪平静，或所述个体希望在未来会恢复到的某一天的状态。
此软件可存储个体使用的振动模式，并在用户选择使用先前校准未建议的模式的情况下，将其校准动态地更新为“学习”
用于由所述来源产生的振荡模式的蓝牙接收器。
用以确定何时递送振荡模式的开关、软件控制或生理/声音测量装置。
软件在本地窗口(0.5到30秒)内计算生理或声音度量的量值和斜率以确定偏离中间状态(例如，压力、疲劳)的情绪状态偏差的发作。
软件将入局生理测量结果与个别校准分布进行比较以确定情绪状态和适当反应发作的可能性。
软件具有校准例程，所述校准例程需要个体达到放松/中性、压力(例如，经由有压力的认知任务)或疲劳状态，并记录数据以用于分布导出。
软件使用机器学习算法(例如，神经网络)从被用作训练集的校准数据导出个别校准情绪状态(例如，压力)指数。
软件将习得的生理模式存储在库中，所述生理模式可与如所描述的相关联刺激模式组合地调用以允许“恢复”“已保存”状态。
用以对放大器供电的电池。
将接收到的振荡模式升高到不可忽略级别的放大器。
提供振动和电刺激中的一个的换能器。
用于振动换能器的可去除和洗涤的套筒。
套筒可以允许装置(例如)经由条带或用于将装置紧固到主体部分而不妨碍换能器的功能性的其它构件附接到个体。
在权利要求书中，放置在圆括号之间的任何附图标记不应被解释为限制维生素权利要求。词语“包括”或“包含”并不排除除了权利要求中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在列出若干构件的装置权利要求中，可以通过硬件中的同一个物件实施若干这些构件。元件之前的词语“一”不排除多个此类元件的存在。在列出若干构件的任何装置权利要求中，可以通过硬件中的同一个物件实施若干这些构件。仅凭在彼此不同的从属权利要求中叙述某些元件的这一实情不能指示无法使用这些元件的组合。尽管已出于说明的目的而基于当前被视为是最实际且优选的实施例详细地描述本发明，但应理解，此类细节仅用于所述目的，且本发明不限于所公开实施例，而相反，意图涵盖在所附权利要求书的精神和范围内的修改和等效布置。举例来说，应理解，本发明尽可能地预期任何实施例的一或多个特征可与任何其它实施例的一或多个特征组合。

Claims (21)

1.一种使用监管装置向用户提供刺激疗法的方法，其包括：
在所述监管装置上检测预定输入；以及
响应于所述预定输入，用所述监管装置产生治疗刺激，所述治疗刺激呈施加到所述用户的身体的振动输出和作为电压施加到所述用户的皮肤的电输出中的至少一个的形式，所述治疗刺激包括振荡的组合，所述振荡至少包含在约20到300Hz范围内的第一频率下的主振荡和在约0.05到10Hz范围内的不同于所述第一频率的第二频率下的调制振荡，所述主振荡和所述调制振荡一起形成差拍输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述治疗刺激包括呈脉宽调制波形的形式的电输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定输入是在所述监管装置上接收到的由所述用户进行的手动输入和所述用户的预定状况的检测中的一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定输入是所述用户的预定状况的检测，且其进一步包括：
用所述监管装置检测所述用户的数个当前物理参数；以及
至少部分地基于所述数个当前物理参数而确定在所述用户中存在所述预定状况。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括：
用所述监管装置将表示所述用户的心跳的心跳信号检测为所述数个当前物理参数的至少一部分；
确定所述用户的数个值，所述数个值表示所述用户的交感神经和副交感神经系统活跃度中的至少一个且至少部分地基于所述心跳信号；以及
至少部分地基于从所述心跳信号导出的所述数个值而确定在所述用户中存在所述预定状况。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：
用所述监管装置将表示所述用户的所述皮肤的皮肤电反应的皮肤电反应GSR信号检测为所述数个当前物理参数的至少一部分；以及
当结合从所述心跳信号导出的值检测到所述GSR信号的变化时，确定在所述用户中存在所述预定状况。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：
用所述监管装置将表示所述用户的声调的一或多个音频参数检测为所述数个当前物理参数的至少一部分；以及
当结合所述GSR信号的变化和从所述心跳信号导出的值检测到声音参数的变化时，确定在所述用户中存在所述预定状况。
8.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括：
用所述监管装置将表示所述用户的声音输出的声音信号检测为所述数个当前物理参数的至少一部分；
确定所述用户的数个值，所述数个值表示所述用户的交感神经和副交感神经系统活跃度中的至少一个且至少部分地基于所述声音信号；以及
至少部分地基于从所述声音信号导出的所述数个值而确定在所述用户中存在所述预定状况。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过以下操作来执行校准操作：
经由所述用户的多个状态导引所述用户，所述状态包含休息状态、压力状态和疲劳状态中的至少两个；
用所述监管装置检测所述用户在所述多个状态中的每一状态中的数个校准物理参数；以及
至少部分地基于所述数个校准物理参数中的至少一些所述校准物理参数而导出所述用户的个别校准分布。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述导出所述个别校准分布包括使所述校准物理参数中的至少一些经受机器学习算法以导出作为所述个别校准分布的一部分的数个系数。
11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
用所述监管装置检测所述用户的数个当前物理参数；
至少部分地基于所述数个当前物理参数和所述个别校准分布而确定在所述用户中存在预定状况；以及
响应于所述确定，执行以下操作中的至少一项：
将所述确定用作所述预定输入，以及
输出在所述用户中存在所述预定状况的可见指示、可听指示和触觉指示中的至少一个，并在发起所述产生之前等待来自所述用户的手动输入。
12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括通过使用部署在所述监管装置和单独计算机化装置中的至少一个上的应用程序而经由所述多个状态执行所述用户的所述导引。
13.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过以下操作来执行定制操作：
用所述监管装置输出多个定制刺激，每一定制刺激呈施加到所述用户的身体的振动输出和作为电压施加到所述用户的皮肤的电输出中的至少一个的形式，所述定制刺激包括振荡的组合，所述振荡至少包含在约20到300Hz范围内的第一频率下的主振荡和在约0.01到10Hz范围内的不同于所述第一频率的第二频率下的调制振荡，所述主振荡和所述调制振荡一起形成差拍输出；
对于所述多个定制刺激中的每一定制刺激，从所述用户接收表示用户如何以极平静与极激动之间的唤醒程度感知到所述定制刺激的输入，并从所述用户接收表示用户如何以极消极与极积极之间的效价程度忍受所述定制刺激的另一输入。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
将来自所述多个定制刺激的特定定制刺激识别为具有最接近所述唤醒程度上的极平静和所述效价程度上的极积极的最大组合；以及
将所述特定定制刺激输出为所述治疗刺激。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定输入是所述用户的压力状况的检测，且其进一步包括：
用所述监管装置检测所述用户的数个当前物理参数；以及
至少部分地基于所述数个当前物理参数而确定在所述用户中存在所述压力状况。
16.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
将来自所述多个定制刺激的特定定制刺激识别为最接近所述唤醒程度上的极激动；以及
将所述特定定制刺激输出为所述治疗刺激。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述预定输入是所述用户的疲劳状况的检测，且其进一步包括：
用所述监管装置检测所述用户的数个当前物理参数；以及
至少部分地基于所述数个当前物理参数而确定在所述用户中存在所述疲劳状况。
18.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
用所述监管装置检测所述用户的数个基本物理参数；
将所述数个基本物理参数记录为目标情感状态；以及
用所述监管装置检测所述用户的数个当前物理参数；
确定所述数个当前物理参数与所述目标情感状态超出预定距离；以及
将所述确定用作所述预定输入。
19.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
用所述监管装置检测所述用户的数个基本物理参数；
将所述数个基本物理参数记录为目标情感状态；以及
用所述监管装置检测所述用户的数个当前物理参数；
确定所述数个当前物理参数在所述目标情感状态的预定距离内；以及
将所述确定用作所述预定输入。
20.一种经结构化以向用户提供刺激疗法的监管装置，所述监管装置包括具有处理器和存储装置的处理器设备，所述存储装置在其中存储有一或多个例程，所述一或多个例程当在所述处理器上执行时致使治疗设备执行包括以下各项的操作：
在所述监管装置上检测预定输入；以及
响应于所述预定输入，用所述监管装置产生治疗刺激，所述治疗刺激呈施加到所述用户的身体的振动输出和作为电压施加到所述用户的皮肤的电输出中的至少一个的形式，所述治疗刺激包括振荡的组合，所述振荡至少包含在第一频率下的主振荡和在不同于所述第一频率的第二频率下的调制振荡，所述主振荡和所述调制振荡一起形成差拍输出。
21.一种非暂时性机器可读存储媒体，在其中存储有指令，所述指令当在监管装置的处理器执行时致使所述监管装置执行包括以下各项的操作：
在所述监管装置上检测预定输入；以及
响应于所述预定输入，用所述监管装置产生治疗刺激，所述治疗刺激呈施加到所述用户的身体的振动输出和作为电压施加到所述用户的皮肤的电输出中的至少一个的形式，所述治疗刺激包括振荡的组合，所述振荡至少包含在第一频率下的主振荡和在不同于所述第一频率的第二频率下的调制振荡，所述主振荡和所述调制振荡一起形成差拍输出。
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