CN109414562A - 用于基于睡眠深度时延来调节睡眠段期间的听觉刺激音量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种被配置为调节在睡眠段期间递送给对象的听觉刺激的音量的系统。所述系统被配置为确定加深时间，所述加深时间指示在睡眠段期间对象的睡眠加深的速率。所述加深时间是基于(i)EEG信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)慢波密度或(iii)指示在睡眠段期间所述对象的睡眠深度的睡眠图来确定的。所述系统被配置为基于加深时间来确定在随后的睡眠段期间的听觉刺激的音量增加的速率；并且控制所述一个或多个感官刺激器，以基于所确定的音量增加的速率来调节在随后的睡眠期间提供给所述对象的听觉刺激的音量。

Description

用于基于睡眠深度时延来调节睡眠段期间的听觉刺激音量的 系统和方法
技术领域
本公开涉及一种被配置为调节在睡眠段期间递送给对象的听觉刺激的音量的系统。
背景技术
己知用于监测睡眠的系统。睡眠段期间的感官刺激是已知的。睡眠段期间的感官刺激通常强度连续地和/或间隔地应用，其不与对象的睡眠模式相对应。本公开克服了现有技术系统中的缺陷。
发明内容
因此，本公开的一个或多个方面涉及一种被配置为调节在睡眠段期间递送给对象的听觉刺激的音量的系统。所述系统包括一个或多个感官刺激器、一个或多个传感器、一个或多个硬件处理器、和/或其他部件。所述一个或多个感官刺激器被配置为向对象提供所述听觉刺激。所述一个或多个传感器被配置为生成输出信号，所述输出信号传达与所述对象的脑活动有关的信息。所述一个或多个硬件处理器能与所述一个或多个感官刺激器和所述一个或多个传感器通信。所述一个或多个硬件处理器通过计算机可读指令而被配置为：基于所述输出信号来确定针对第一睡眠段的对象的脑活动参数，所述脑活动参数包括指示在所述第一睡眠段中所述对象的睡眠加深的速率的加深时间，其中，所述加深时间是基于以下来确定的：(i)脑电图(EEG)信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)所述第一睡眠段的睡眠图，其指示所述对象在所述第一睡眠段中的睡眠深度；基于所述加深时间来确定在随后的睡眠段中提供给所述对象的听觉刺激的音量增加的速率；并且控制所述一个或多个感官刺激器，以基于所确定的音量增加的速率和随后的睡眠段期间的输出信号来调节在随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的音量。
本公开的又一方面涉及一种用于通过调节系统来调节在睡眠段期间递送给对象的听觉刺激的音量的方法。所述系统包括一个或多个感官刺激器、一个或多个传感器、一个或多个硬件处理器、和/或其他部件。所述方法包括：利用所述一个或多个感官刺激器提供对所述对象的所述听觉刺激；利用所述一个或多个传感器生成输出信号，所述输出信号传达与所述对象的脑活动有关的信息；利用所述一个或多个处理器，基于所述输出信号确定第一睡眠段中所述对象的脑活动参数，所述脑活动参数包括指示在所述第一睡眠段期间所述对象的睡眠加深的速率的加深时间，其中，所述加深时间是基于以下来确定的：(i)脑电图(EEG)信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)所述第一睡眠段的睡眠图，其指示所述对象在所述第一睡眠段中的睡眠深度；利用所述一个或多个处理器，基于所述加深时间确定在随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的音量增加的速率；并且利用所述一个或多个处理器来控制所述一个或多个感官刺激器，以基于所确定的音量增加的速率和随后的睡眠段期间的输出信号来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的音量。
本公开的又一方面涉及一种用于调节在睡眠段期间递送给对象的听觉刺激的音量的系统。所述系统包括：用于向所述对象提供所述听觉刺激的单元；用于生成输出信号的单元，所述输出信号传达与所述对象的脑活动有关的信息；用于基于所述输出信号来确定第一睡眠段中所述对象的脑活动参数的单元，所述脑活动参数包括指示在所述第一睡眠段中所述对象的睡眠加深的速率的加深时间，其中，所述加深时间是基于以下来确定的：(i)脑电图(EEG)信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)所述第一睡眠段的睡眠图，其指示所述对象在所述第一睡眠段中的睡眠深度；用于基于所述加深时间来确定在随后的睡眠段中提供给所述对象的听觉刺激的音量增加的速率的单元；以及用于控制用于提供听觉刺激的所述单元以基于所确定的音量增加的速率和随后的睡眠段期间的输出信号来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的音量的单元。
本发明的这些和其他目的、特征和特性，以及相关结构元件的操作方法和功能以及部件组合和制造经济性将在参考附图理解本发明和权利要求后变得更加明显，所有附图均形成说明书的一部分，其中，在各个附图中，相同的附图标记指代对应的部件。然而，要明确理解，附图仅出于图示和说明的目的并且不旨在作为对本公开的限度的限制。
附图说明
图1图示了被配置为调节在睡眠段期间递送给对象的听觉刺激的音量的系统。
图2图示了在睡眠段期间对用户的EEG的典型监测以及递送听觉刺激以增强睡眠慢波而不引起觉醒。
图3图示了有风险引起觉醒的听觉刺激音量增加的速率。
图4图示了典型系统中的听觉刺激音量增加的速率，其对于用户而言太低，使得刺激的音量未达到增强用户中的慢波活动的水平。
图5图示了睡眠段期间的睡眠深度。
图6图示了通过将指数函数拟合到邻接的N3段的分布来估计幸存率。
图7总结了由本系统执行的操作。
图8图示了使用本系统收集的实验结果。
图9图示了用于利用调节系统来调节在睡眠段期间递送给对象的听觉刺激的音量的方法。
具体实施方式
本文中使用的单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括多个指代物，除非上下文中明确地另行规定。本文中所用的两个或多个零件或部件被“耦合”的表述将意味着所述零件直接或间接地(即，通过一个或多个中间零件或部件，只要发生连接)被结合到一起或一起工作。本文中所用的“直接耦合”意指两个元件彼此直接接触。本文中所用的“固定耦合”或“固定”意指两个部件被耦合以作为一体移动，同时维持相对于彼此的固定取向。
本文中所用的词语“一体的”意指部件被创建为单件或单个单元。亦即，包括单独创建并然后被耦合到一起成为单元的多件的部件不是“一体的”部件或体。本文中采用的两个或多个零件或部件相互“接合”的表述将意味着所述零件直接地或通过一个或多个中间零件或部件而相互施加力。本文中采用的术语“若干”将意味着一或大于一的整数(即，多个)。
本文中使用的方向短语，例如但不限于，顶部、底部、左、右、上、下、前、后以及它们的派生词涉及附图中所示的元件的取向，并且不对权利要求构成限制，除非在权利要求中明确记载。
图1是被配置为调节在睡眠段期间递送至对象12的听觉刺激的音量的系统10的示意性图示。通过在睡眠段期间使用听觉刺激来增加对象12中的慢波活动(SWA)，可以增强睡眠的恢复值。在低于睡眠-觉醒阈值音量的音量范围内，更高音量的听觉刺激在对象12中产生更高水平的SWA。从主观上选择的较低音量，可以逐渐增加刺激的音量以防止微觉醒。系统10被配置为使得音量增加的动态(下面进行描述)适应于对象12的睡眠深度，以防止使对象12觉醒的过快的音量增加，和/或避免刺激音量的缓慢增加，其可以是无效果的和/或导致在浅睡眠段期间施加最大刺激。
如上所述，睡眠段期间的听觉刺激增强了睡眠慢波并增加了睡眠的恢复值。已知在睡眠段期间监测用户的脑电图(EEG)并且传递听觉刺激以增强睡眠慢波而不引起觉醒。该过程在图2中示出。图2图示了与用户202耦合的EEG电极200。EEG电极200输出EEG信号204。典型的系统确定206睡眠觉醒事件的存在。使用关于较高α(8-12Hz)和β(15-30)频带中的EEG功率的阈值来检测觉醒事件。如果在刺激210期间检测到208觉醒，则刺激立即停止212。如果在刺激时段214之外检测到208觉醒，则延迟216下一刺激段的开始。如果没有检测到218觉醒，则典型的系统继续实时检测220慢波睡眠(例如，N3睡眠)的存在，其特征在于在EEG较低的δ频率范围(0.5至4赫兹)内的高的活动。如果持续足够长的时间段222检测到慢波睡眠，那么典型的系统递送听觉刺激224，其由50毫秒长音调序列组成，所述长音调序列彼此隔开恒定的1秒长音调间隔。逐渐增加听觉刺激的音量以增强用户的慢波。如果在时间“t”秒，时间窗口[t-15；t]中的SWA(例如，EEG的0.5至4Hz频带中的功率)低于时间窗口[t-30；t-15]中的SWA，则刺激的音量与当前音量成比例地以固定速率“r固定”增加。如果时间窗口[t-15；t]中的SWA大于或等于时间窗口[t-30；t-15]中的SWA，则音量保持不变。
如果音量增加的速率太高，则存在引起用户觉醒的风险。这在图3中进行了图示，其中，示出了EEG信号300和刺激音量302用于EEG记录，其中，音量增加的速率304被预先设定306为20％。在此示例中，音量增加ΔV与当前音量相关：ΔV＝+0.2·V。在该示例中，音量从0.02(～80+20·log(0.02))开始316，在8分钟达到310、312、3140.45(～80+20·log(0.45)＝73dB)307、308的归一化音量。对于图3所示的示例中的用户，音量增加的速率过高，因为它中断了用户的320慢波睡眠。
如果用户的音量增加的速率太低，则刺激的音量不会达到增强用户SWA的水平。图4示出了音量增加的速率400为0.1，使得ΔV＝+0.1·V，其防止刺激音量达到用户可以容忍更大声刺激的的更高水平(例如，根据对用户执行的实验感知测试)。对于该特殊情况，刺激在约13分钟内从45dB开始增加402至66.8dB。设置得太低的音量增加的速率的另一个缺点是当睡眠处于变浅过程中时音量可能达到更高的水平，这可能引起觉醒。虽然可以对信号的相对长的(例如，几分钟)时段进行评分(例如，在睡眠图上)作为睡眠阶段404 N3 406，但是该时段内的睡眠深度不是均匀地低，而是跟随U形动态而变化，其中较轻的睡眠发生在连续(例如，几分钟长)N3 408睡眠段的开始和结束时。
返回图1，系统10包括一个或多个感官刺激器16、传感器18、处理器20、电子存储设备22、用户接口24、和/或其他部件。在图1中，感官刺激器16，传感器18，处理器20，电子存储器22和用户接口24被示为分离的实体。这并不旨在进行限制。系统10和/或其他部件的一些和/或所有部件可以被分组成一个或多个单个的设备。例如，系统10的一些和/或所有部件可以被分组为对象12所穿的头带和/或其他服装的一部分。
感官刺激器16被配置为向对象12提供听觉(例如，音调)和/或其他感官刺激。感官刺激器16被配置为在睡眠段之前、睡眠段期间、睡眠段之后和/或其他时间向对象12提供听觉和/或其他感官刺激。例如，感官刺激器16可以被配置为在睡眠段中的慢波睡眠段期间向对象12提供听觉刺激。感官刺激器16可以被配置为在睡眠段期间向对象12提供听觉刺激，以诱导、维持和/或调节对象12中的慢波活动(由如下所述的0.5至4Hz频带中的EEG功率指示)。在一些实施例中,感官刺激器16可以被配置为使得调节包括对对象12中的慢波活动(SWA)的增强、降低、和/或其他调节。在一些实施例中，听觉刺激的递送被定时为对应于与SWA相关联的睡眠阶段，被定时为将对象12从睡眠中觉醒，和/或被定时为对应于对象12中的其他睡眠。
如上所述，感官刺激器16被配置为通过对象12的听觉刺激来诱导和/或调节SWA。在一些实施例中，感官刺激器16可以被配置为通过非侵入式脑刺激和/或其他方法来诱导和/或调节SWA。感官刺激器16可以被配置为使用听觉和/或其他感官刺激通过非侵入性脑刺激来诱导和/或调节SWA。其他感官刺激包括气味、视觉刺激、触觉、味道和/或其他刺激。例如，经颅磁刺激可以被应用到对象12以触发、增加和/或减少SWA。感官刺激器16的示例可以包括以下中的一个或多个：音乐播放器，音调发生器，一个或多个扬声器，对象12的头皮上的电极集合，递送振动刺激(也称为躯体感官刺激)的单元，生成磁场以直接刺激脑的皮层的线圈，发光器，香水散发器和/或其他设备。
传感器18被配置为生成输出信号，所述输出信号传达与对象12的脑活动和/或其他信息有关的信息。传感器18被配置为在对象12的睡眠段期间以持续的方式，在睡眠段期间、睡眠段之前、睡眠段之后和/或其他时间以规则的间隔生成输出信号。对象12的脑活动可以对应于睡眠深度、当前睡眠阶段、对象12中的SWA和/或对象12的其他特征。对象12的脑活动可以与快速眼动(REM)睡眠、非快速眼动(NREM)睡眠、和/或其他睡眠相关联。对象12的睡眠阶段可包括NREM阶段N1、阶段N2或阶段N3睡眠、REM睡眠和/或其他睡眠阶段中的一个或多个。在一些实施例中，N1对应于轻度睡眠状态，N3对应于深度睡眠状态。在一些实施例中，NREM阶段3或阶段2睡眠可以是慢波(例如，深度)睡眠。
传感器18可以包括直接测量这些参数的一个或多个传感器。例如，传感器18可以是和/或可以包括被配置为检测由对象12的脑内的电流造成的沿着对象12的头皮的电活动的电极。在一些实施例中，一个或多个传感器18是EEG电极和/或其他传感器。EEG在整个睡眠段期间表现出变化。例如，EEGδ功率(SWA)的显著变化通常是可见的。SWA对应于0.5-4.5Hz频带中的EEG信号的功率。在一些实施例中，所述频带被设置为0.5-4Hz。SWA具有遍及给定睡眠段的周期变化的典型的行为。在非快速眼动睡眠(NREM)期间，SWA增加，在快速眼动(REM)睡眠开始之前下降，并且在REM期间保持低。相继的NREM时相中的SWA从一个时相到下一个时相逐渐减少。可以估计SWA，和/或可在给定睡眠段期间根据对象12的EEG确定慢波睡眠(例如，阶段N3)。
传感器18可以包括生成间接传达与对象12的脑活动有关的信息的输出信号的一个或多个传感器。例如，一个或多个传感器18可以基于以下来生成输出：对象12的心率(例如，传感器18可以是定位于对象12的胸部上的心率传感器和/或被配置为对象12的手腕上和/或位于对象12的另一个肢体上的手环)，对象12的移动(例如，传感器18可以包括具有加速度计的围绕对象12的手腕和/或脚踝的手环，使得可以使用体动记录信号来分析睡眠)，对象12的呼吸和/或对象12的其他特征。
虽然传感器18被示出在对象12附近的单个位置处，但这并不旨在进行限制。传感器18可以包括设置在多个位置中的传感器，诸如，例如在与感官刺激器12(或与其通信)内，以可移除的方式与对象12的皮肤耦合，以可移除的方式与对象12的衣服耦合，由对象12穿戴(例如，作为头带、腕带等)，被定位为在对象12睡觉时指向对象12(例如，传达与对象12的移动相关的输出信号的相机)和/或在其他位置。
处理器20被配置为提供系统10中的信息处理能力。这样，处理器20可以包括以下中一个或多个：数字处理器、逻辑处理器、被设计为处理信息的数字电路、被设计为处理信息的逻辑电路、状态机、和/或用于电子地处理信息的其他机制。处理器20被配置为与一个或多个感官刺激器16、一个或多个传感器18和/或其他部件可操作地通信。虽然处理器20在图1中被示为单个实体，但是这仅出于说明目的。在一些实施例中，处理器20可包括多个处理单元。这些处理单元可在物理上位于同一设备(例如，感官刺激器16、传感器18)内，或处理器20可表示联合操作的多个设备的处理功能。
如图1中所示，处理器20被配置为通过机器可读指令来执行一个或多个计算机程序部件。所述一个或多个计算机程序部件包括一个或多个参数部件30、睡眠深度部件32、加深时间部件34、速率部件36、控制部件38、和/或其他部件。处理器20可以被配置为通过软件执行部件30、32、34、36、38和/或其他部件；硬件；固件；软件、硬件和/或固件的某种组合；和/或用于在处理器20上配置处理能力的其它机构。
应当理解，尽管部件30、32、34、36、和8在图1中被示出为共同定位于单个处理单元中，但是在处理器20包括多个处理单元的实施例中，部件30、32、34、36、38和/或其他部件中的一个或多个可以被定位为远离其他部件。以下描述的不由同部件30、32、34、36、38和/或其他部件提供的功能仅用于说明的目的，并不旨在作为限制，因为部件30、32、34、36和/或38可以提供比所描述的更多或更少的功能。例如，可以去除部件32、33、34、36和/或38中的一个或多个，并且其功能的一些或全部可以由其他部件32、33、34、36和/或38提供。作为另一示例，处理器20可以被配置为执行一个或多个额外的部件，其可以执行以下归属于部件32、33、34、36和/或38中的一个的功能的一些或全部。
参数部件30被配置为在睡眠段期间确定对象12中的脑活动参数。参数部件30被配置为基于输出信号和/或其他信息来确定脑活动参数。在一些实施例中，一个或多个脑活动参数包括EEG相关的参数，例如EEG的各种频带中的功率，高(例如，α，β)频带中的功率与低频带(例如，δ，θ)中的功率的比率和/或其他参数。在一些实施例中，参数部件30被配置为使得一个或多个脑活动参数是以下项或者与以下项有关：特定睡眠模式(例如，纺锤波，K-复合或睡眠慢波，α波和/或EEG信号的其他特征)的频率、幅度、相位和/或存在。在一些实施例中，确定一个或多个脑活动参数包括对与脑活动相关的各个振荡分量相加地组合和/或执行其他数学运算。例如，在一些实施例中，基于EEG信号的频率、幅度和/或其他特性来确定一个或多个脑活动参数。在一些实施例中，所确定的脑活动参数和/或EEG的特征可以是和/或指示对应于REM和/或NREM睡眠阶段的睡眠状态。在一些实施例中，确定的脑活动参数是上述REM和/或NREM睡眠阶段。
在一些实施例中，脑活动参数包括以下中的一个或多个：EEG信号的低频带(例如，大约0到大约6Hz)中的功率，高频(例如，大约8到大约40Hz)中的功率，EEG信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，这样的比率的对数，对象12中的慢波密度，对象12中的纺锤波频率，对象12中的慢波的峰值到峰值幅度和/或其他参数。参数部件30被配置为通过以下来检测个体慢波：检测在EEG信号中的负向过零并且随后是正向过零，其中负峰值的幅度低于预定阈值(例如，-40微伏和/或允许系统10如本文所述起作用的任何其他阈值)，并且过零点之间的时间段长于第二预定阈值(例如，200毫秒和/或允许系统10如本文所述起作用的任何其他阈值)。在一些实施例中，参数部件30被配置为在睡眠段期间以预定间隔在睡眠段期间和/或在其他时间以持续方式确定对象12中的脑活动参数。
在一些实施例中，脑活动参数包括睡眠深度。睡眠深度部件32被配置为在(例如，第一)睡眠段期间确定对象12的睡眠深度。在一些实施例中，睡眠段可以是校准和/或其他睡眠段。确定对象12的睡眠深度包括确定(i)EEG信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)对象12中的慢波密度，(iii)第一睡眠段的睡眠图，对象12中的纺锤波的频率，和/或指示对象12中的睡眠深度的其他参数。在一些实施例中，EEG信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率是和/或包括EEG信号的α(8-12Hz)或β(15-30Hz)频带与Δ(0.5-4Hz)或θ(4-8Hz)频带之间的功率的比率的对数。在一些实施例中，对象12中的慢波密度可以是和/或包括在给定时间段内检测到的睡眠慢波的密度(例如，在20秒内检测到的慢波的数量)。在一些实施例中，手动地确定(例如，由护理人员)和/或由睡眠深度部件32和/或处理器20的其他部件自动地确定的睡眠图。
在一些实施例中，睡眠深度部件32被配置为基于实时或接近实时地基于经滤波的EEG信号(例如，来自传感器18)确定的比率(例如，β-δ比(β/δ)和/或任何其他高频带功率与低频带功率比)来确定睡眠深度。在一些实施例中，睡眠深度部件32确定经平方的滤波信号的运行平均值(例如，为确保该比率的平滑变化，使用30秒长(这不是限制性的)的平均)并且基于该运行平均值来确定所述比率。在一些实施例中，睡眠深度部件32被配置为使得睡眠深度是比率的所确定的值。
如上所述，在一些实施例中，睡眠深度部件32被配置为基于对象12中的慢波密度来确定睡眠深度。睡眠深度部件32和参数部件30被配置为使得对象12中的慢波密度是在预定长度的时间窗(例如，20秒长的窗口和/或允许系统10如本文所述起作用任何其他长度的窗口)期间在对象12中的N3睡眠片段期间检测到的慢波的数量(例如，通过参数部件30)。预定长度的时间窗口可以在制造时设置，由睡眠深度部件32基于对象12的先前睡眠确定，由用户经由用户界面24设置，和/或通过其他方法确定。在一些实施例中，睡眠深度部件32被配置为使得睡眠深度由预定时间段中的慢波的数量指示。
在一些实施例中，脑活动参数包括加深时间。加深时间指示在(例如，第一)睡眠段期间对象12的睡眠加深的速率。加深时间部件34被配置为基于以下来确定加深时间：(i)EEG信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)对象12中的慢波密度，(iii)第一睡眠时段的睡眠图和/或由睡眠深度部件32(例如，如上所述地)确定的指示对象12的睡眠深度的其他参数。加深时间(例如，下面的公式中的“T”)是睡眠深度上两个预定义阈值之间的时间。睡眠深度的两个预定义阈值可以在系统10的制造时设置，由对象12和/或其他用户经由用户界面24设置，由加深时间部件34确定，和/或通过其他方法确定。
在睡眠深度部件32将睡眠深度确定为β与δ的比率的对数(log(β/δ))的实施例中，加深时间部件34被配置为使得在log(β/δ)曲线上设置两个预定义阈值(例如，“-2.5”和“-3”，但这不是限制性的)。随着睡眠加深，log(β/δ)曲线逐渐减小，并且曲线越过阈值的定时用于定义加深时间“T”。这在图5中图示。图5示出了(例如，校准)睡眠段500。log(β/δ)501曲线502随时间504减小。两个预定阈值506、508分别被设置为-2.5和-3。log(β/δ)曲线突破阈值506和阈值508(如图5中所示，阈值508低于阈值506)之间的时间是加深时间T(例如，7分钟)。在该示例中，加深时间分量34(图1)确定EEG信号的β频带(15至30Hz)中的功率与δ频带(0.5至4Hz)中的功率之间的比率的对数。根据Welch方法使用6秒长时相中的功率谱密度(例如，具有2秒长交叠的4秒长窗口)来确定这些频带中的功率(例如，通过图1中所示的参数部件30)。
回到图1所示，在睡眠深度部件32确定睡眠深度为给定时间段内对象12中的慢波密度的实施例中，加深时间部件34被配置为将预定阈值设置为针对给定的时间段(例如，5和10个慢波/20秒)的检测到的慢波的两个不同水平。随着睡眠加深，慢波密度增加，并且越过阈值的定时用于定义加深时间T。在睡眠深度部件32将睡眠深度确定为(例如，校准)睡眠段的睡眠图的实施例中，其提供了睡眠深度的离散化版本，加深时间部件34被配置为使得阈值关于标注第一N3时相的时间和从N3到N2的第一次转换的时间来定义。
在一些实施例中，加深时间部件34被配置为使得通过将指数函数拟合到对象12的(例如，第一)睡眠段中的邻接N3睡眠片段的分布来确定加深时间。在睡眠深度部件32将睡眠深度确定为(例如，校准)睡眠段的睡眠图的实施例中，加深时间部件34被配置为将N3幸存持续时间确定为邻接N3段的平均持续时间。还可以通过将指数函数拟合到邻接N3区段(或回合)的持续时间的分布来估计存活。这在图6中图示。图6图示了N3存活600，其提供了邻接N3段比给定时间持续更长的概率。图6中所示的曲线中的垂直轴是邻接N3段602比给定时间604长的部分。给定时间604显示在图6中所示的曲线图的横轴上。通过将指数递减函数拟合606到邻接N3睡眠片段的分布来确定加深时间。然后通过设定T＝τ来确定确定音量增加的速率(下面描述)所需的加深时间，其中，τ是指数递减函数606中的时间常数。
在一些实施例中，加深时间部件34被配置为基于上述方法中的一个或多个的组合来确定加深时间T(例如，基于log(β/δ)上的预定义阈值之间的一个或多个时间的组合，慢波密度和/或睡眠图；和/或指数函数拟合)。组合策略包括采用每种方法获得的加深时间的加权平均值。由于log(β/δ)曲线具有更好的时间分辨率来确定加深时间，因此用该方法获得的加深时间可以具有更高的平均权重。
速率部件36被配置为确定在随后(例如，第二)睡眠段期间提供给对象12的听觉刺激的音量增加的速率。速率部件36被配置为基于加深时间和/或其他信息来确定音量增加的速率。使用由上述任何实施例中的睡眠深度分量32和加深时间分量34确定的加深时间，使用公式(1)中的模型确定音量增加的速率：
其中，“V”是时间“t”的音量，“r”是音量增加的速率。这意味着：
其中，“VM”和“Vm”分别是针对每个用户主观选择的最大和最小音量(下面进行描述)，并且“T”是可以通过上述任何方法确定的加深时间(例如，基于以下中的一个或多个：log(β/δ)上的预定义阈值，慢波密度，和/或睡眠图；和/或指数函数拟合)。
在一些实施例中，速率部件36被配置为使得基于针对对象12选择的最小阈值音量和最大阈值音量来确定音量增加的速率。在一些实施例中，速率部件36被配置为使得最小阈值音量和最大阈值音量在睡眠段期间保持不变。最小阈值音量和最大阈值音量是基于与先前睡眠段的对象12的脑活动有关的信息，基于先前睡眠段期间的先前睡眠深度估计，基于针对人口统计学中相似的群体的对应的音量阈值和/或基于其他信息来选择的。在一些实施例中，基于对象12在清醒时能够感知的最大和/或最小频率和/或音量来确定最小和最大阈值音量。在一些实施例中，速率部件36被配置为使得通过例如将最小音量设置为对象12的听力阈值并且将最大音量设置为可以使对象12醒来的音量水平(例如，由对象12设置的起床闹钟的音量)来主观地设置音量限制。还可以通过分析来自校准之夜的睡眠EEG数据并识别敏感对象来设置音量限制。
控制部件38被配置为控制感官刺激器16以向对象12提供感官刺激。控制部件38被配置为控制感官刺激器16以调节在后续的(例如，第二)睡眠段期间提供给对象12的听觉刺激的音量。控制部件38被配置为基于所确定的音量增加的速率、后续睡眠时段期间的输出信号和/或其他信息来控制感官刺激器16。在一些实施例中，控制部件38被配置为使得控制感官刺激器16以基于所确定的音量增加的速率和在随后的睡眠段期间的输出信号来调节在后续(例如，第二)睡眠段期间提供给对象12的听觉刺激的音量，包括：在随后的睡眠段期间基于比率、慢波密度、或者随后的睡眠段期间的峰值到峰值慢波幅值中的一个或多个来确定所述对象12的睡眠深度；并且控制感官刺激器16，以基于在所述随后的睡眠段期间确定的睡眠深度和所确定的音量增加的速率来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象12的听觉刺激的音量。
图7总结了由系统10(图1中所示)执行的操作。图7示出了基于来自校准(例如，第一)睡眠段的EEG信号702的睡眠深度确定700(例如，通过睡眠深度部件32)。图7示出了将睡眠深度确定为700(a)log(β/δ)比，700(b)慢波密度，以及700(c)睡眠图。基于睡眠深度确定700和/或其他信息来确定702(例如，通过图1中所示的加深时间部件34)加深时间“T”。如702(a)所示，预定阈值被设置为-2.5和-3(这些不旨在进行限制)。log(β/δ)曲线随着睡眠加深而逐渐减小，并且在穿过阈值处的定时被用来定义加深时间“TL”。如702(b)所示，预定义阈值被设置为5和10个慢波/20秒(这不旨在进行限制)。随着睡眠加深，慢波密度增加，并且穿过阈值的定时用于定义加深时间“Tsw”。如702(c)所示，根据标注第一N3时期的时间和从N3到N2的第一次转变的时间来定义睡眠图阈值。这些用于定义加深时间“Th”。使用由上述任何方法确定的加深时间，使用公式(1)、(2)和/或(3)中的模型来确定704(例如，通过图1中所示的速率分量36)的音量增加的速率。最后，控制部件38(图1)被配置为控制一个或多个感官刺激器16(图1)以基于所确定的音量增加的速率，在随后的睡眠段期间的输出信号和/或其他信息来调节706在后续(例如，第二)睡眠段期间提供给对象12的听觉刺激的音量。
图8示出了使用系统10收集的实验结果。为了收集图8中所示的实验结果，在用户(例如，对象12)的第一睡眠之夜期间记录的EEG信号用于确定(如上所述)针对该用户的7分钟的加深时间(例如，如图5中所示)。使用7分钟的加深时间，音量增加的速率“r”为每秒0.01单位。如果每15秒增加一次，则增加速率为每15秒0.15个单位。然后在随后的睡眠段期间进行两次测试。首先，向用户提供使用以前系统典型的每15秒的默认音量增加的速率0.1单位的刺激。这在图8(a)中示出。其次，使用每15秒0.15个单位的经调整的音量增加的速率(由系统10确定)将刺激提供给用户。这在图8(b)中示出。图8(a)和图8(a)图8(b)示出了分别对应于0.1和0.15的音量增加的速率的EEG信号800和801。如在图8(a)和图8(b)中所示，当使用经调节的音量增加的速率(图8(b))而不引起使用者觉醒时，刺激802、804的音量达到更高(在增加SWA时更有效)水平。
返回图1，电子存储设备22包括电子地存储信息的电子存储设备介质。电子存储设备22的电子存储介质可以包括与系统10一体地(即，基本上不可移除)提供的系统存储器和/或可经由例如端口(例如，USB端口，火线端口等)或驱动器(例如，磁盘驱动器等)可移除地可连接到系统10的可移除存储器中的一个或两者。电子存储设备22可以包括以下中的一个或多个：光学可读存储介质(例如光盘等)、磁性可读存储介质(例如磁带、磁硬盘驱动器、软盘驱动器等)、基于电荷的存储介质(例如EPROM、RAM等)、固态存储介质(例如闪速驱动器等)、和/或其他电子地可读的存储介质。电子存储设备22可以存储软件算法、由处理器20确定的信息、经由用户接口24接收到的信息、和/或外部计算系统、和/或使得系统10能够正确工作的其他信息。电子存储设备22可以(整体地或部分地)是系统10内的分开的部件，或者电子存储设备22可以(整体地或部分地)与系统10的一个或多个其他部件(例如处理器20)被集成提供。
用户接口24被配置为提供系统10与对象12和/或其他用户之间的接口，通过用户接口对象12和/或其他用户可以向系统10提供信息并从系统10接收信息。这使得统称为“信息”的数据、线索、结果和/或指令以及任何其他可通信项能够在用户(例如对象12)与感官刺激器16、传感器18、处理器20和/或系统10的其他部分之间传送。例如，EEG可以经由用户接口24而被显示给护理提供者。
适合包括在用户接口24中的接口设备的范例包括小键盘、按钮、开关、键盘、旋钮、控制杆、显示屏、触摸屏、扬声器、麦克风、指示灯、可听警告、打印机、触觉反馈设备和/或其他接口设备。在一些实施例中，用户接口24可以包括多个单独的接口。在一些实施例中，用户接口24包括与感官刺激器16、和/或系统10的其他部件集成地提供的至少一个接口。
应该理解，本公开也预期其他通信技术、不管是硬连接线的还是无线的，作为用户接口。例如，本公开预期，用户接口24可以与由电子存储设备22提供的可移除存储接口集成。在该范例中，信息可以从可移除存储设备(例如，智能卡、闪速存储器、可移除磁盘等)加载到系统10中，其使得(一个或多个)用户能够定制系统10的操作。适于与系统10一起使用作为用户接口24的一个范例输入设备和技术包括但不限于，RS-232端口、RF链路、IR链路、调制解调器(电话、线缆或其他)。简言之，本公开预期用于与系统10交流信息的任何技术作为用户接口24。
图9图示了用于利用调节系统来调节在睡眠期间递送给对象的听觉刺激的音量的方法900。所述系统包括一个或多个感官刺激器、一个或多个传感器、一个或多个硬件处理器、和/或其他部件。以下呈现的方法900的操作旨在是说明性的。在一些实施例中，方法900可以利用一个或多个未描述的额外的操作来完成、或者在没有所讨论的操作中的一个或多个的情况下完成。另外，在图9中图示并且在以下描述的方法900的操作的顺序不旨在限制。
在一些实施例中，方法900可以在一个或多个处理设备(例如，数字处理器、逻辑处理器、被设计为处理信息的数字电路、被设计为处理信息的逻辑电路、状态机、和/或用于电子地处理信息的其他机构)中实施。所述一个或多个处理设备可以包括响应于电子地存储在电子存储设备介质中的指令来执行方法900的操作中的一些或全部的一个或多个设备。所述一个或多个处理设备可以包括通过硬件、固件、和/或软件被专门设计为执行方法900的操作中的一个或多个设备。
在操作902，在第一睡眠段期间向对象提供听觉刺激。在一些实施例中，操作902由与(在图1中所示并且在本文中描述的)感官刺激器16相同或相似的一个或多个感官刺激器来执行。如上所述，在一些实施例中，一个或多个感官刺激器包括音调发生器、扬声器和/或其他部件。
在操作904，生成传达在第一睡眠段期间与对象的脑活动有关的信息的输出信号。在一些实施例中，操作904由与(在图1中所示并且在本文中描述的)传感器18相同或相似的一个或多个传感器来执行在一些实施例中，如上所述，所述一个或多个传感器包括EEG电极和/或其他传感器。
在操作906，确定第一睡眠时段的睡眠深度。睡眠深度是以下项和/或是睡眠深度根据以下项确定的：基于(i)脑电图(EEG)信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)对象中的慢波密度，或(iii)第一睡眠段的睡眠图和/或其他参数。在一些实施例中，确定睡眠深度包括确定针对第一睡眠段的随时间的睡眠深度。睡眠深度随时间的确定基于(i)EEG信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)对象中的慢波密度，或(iii)第一睡眠段的睡眠图和/或其他信息。在一些实施例中，操作906由与(在图1中所示并且在本文中描述的)睡眠深度部件32相同或相似的一个或多个处理器部件来执行。
在操作908，确定加深时间。加深时间指示在第一睡眠段期间对象的睡眠加深的速率。在一些实施例中，加深时间是睡眠深度对时间的绘图上两个预定睡眠深度阈值之间的时间量。在一些实施例中，通过将指数函数拟合到所述对象的第一睡眠段中的邻接N3睡眠片段的分布来确定所述加深时间。在一些实施例中，操作908由与(在图1中所示并且在本文中描述的)加深时间部件34相同或相似的一个或多个处理器部件来执行。
在操作910，确定在随后的睡眠段期间提供给对象的听觉刺激的音量增加的速率。音量增加的速率是基于加深时间和/或其他信息来确定的。在一些实施例中，基于针对对象选择的最小阈值音量和最大阈值音量进一步确定音量增加的速率。最小阈值音量和最大阈值音量是基于与先前睡眠段的对象的脑活动有关的信息，基于先前睡眠段期间的先前睡眠深度估计，基于针对人口统计学中相似的群体的对应的音量阈值和/或基于其他信息来选择的。在一些实施例中，操作910由与(在图1中所示并且在本文中描述的)速率部件36相同或相似的一个或多个硬件处理器来执行。
在操作912，控制感官刺激器以调节在随后的睡眠段期间提供给对象的听觉刺激的音量。音量调节是基于所确定的音量增加的速率和随后的睡眠段期间的输出信号的。在一些实施例中，控制所述一个或多个感官刺激器，以基于所确定的音量增加的速率和随后的睡眠段期间的输出信号来调节在随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的音量，包括：在随后的睡眠段期间基于比率、慢波密度、或者随后的睡眠段期间的峰值到峰值慢波幅值中的一个或多个来确定所述对象的睡眠深度；并且控制一个或多个感官刺激器，以基于在所述随后的睡眠段期间确定的睡眠深度和所确定的音量增加的速率来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的音量。在一些实施例中，操作912由与(在图1中所示并且在本文中描述的)睡眠阶段部件38相同或相似的一个或多个硬件处理器来执行。
尽管以上提供的说明出于基于当前认为最优选和现实的实施例的提供了说明的目的细节，但是应理解，这样的细节仅用于该目的并且本公开不限于明确公开的实施例，而是相反，旨在涵盖在随附权利要求书的精神和范围之内的修改和等价布置。例如，应该理解，本公开预期，在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特征可以与任何其他实施例的一个或多个特征相组合。

Claims (21)

1.一种被配置为调节在睡眠期间递送给对象(12)的听觉刺激的音量的系统(10)，所述系统包括：
一个或多个感官刺激器(16)，其被配置为向所述对象提供所述听觉刺激；
一个或多个传感器(18)，其被配置为生成输出信号，所述输出信号传达与所述对象的脑活动有关的信息；以及
一个或多个硬件处理器(20)，其能与所述一个或多个感官刺激器和所述一个或多个传感器通信，所述一个或多个硬件处理器通过机器可读指令而被配置为：
基于所述输出信号来确定针对第一睡眠段的所述对象的脑活动参数，所述脑活动参数包括指示在所述第一睡眠段期间所述对象的睡眠加深的速率的加深时间，其中，所述加深时间是基于以下来确定的：(i)脑电图(EEG)信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)针对所述第一睡眠段的睡眠图，其指示所述对象在所述第一睡眠段期间的睡眠深度；
基于所述加深时间来确定在随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的音量增加的速率；并且
控制所述一个或多个感官刺激器，以基于所确定的音量增加的速率和所述随后的睡眠段期间的输出信号来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个硬件处理器被配置为使得音量增加的所述速率还基于针对所述对象选择的最小阈值音量和最大阈值音量来确定，所述最小阈值音量和所述最大阈值音量基于来自先前睡眠段的与所述对象的脑活动有关的信息、基于所述先前睡眠段期间的先前睡眠深度估计来选择；和/或基于人口统计学上相似的群体的对应音量阈值来选择。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个硬件处理器还被配置为确定针对所述第一睡眠段的随时间的睡眠深度，所述睡眠深度随时间的确定基于(i)所述EEG信号的所述高频带中的功率与所述低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)针对所述第一睡眠段的睡眠图，并且其中，所述加深时间是两个预定睡眠深度阈值之间的时间量。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个硬件处理器被配置为使得通过将指数函数拟合到所述对象的所述第一睡眠段中的邻接N3睡眠片段的分布来确定所述加深时间。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个硬件处理器被配置为使得控制所述一个或多个感官刺激器，以基于所确定的音量增加的速率和所述随后的睡眠段期间的输出信号来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量，包括：
基于所述随后的睡眠段期间的所述比率、所述慢波密度、或者峰值到峰值慢波幅值中的一个或多个来确定在所述随后的睡眠段期间所述对象的睡眠深度；并且
控制所述一个或多个感官刺激器，以基于在所述随后的睡眠段期间确定的睡眠深度和所确定的音量增加的速率来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个感官刺激器包括音调发生器和/或扬声器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个传感器包括EEG电极。
8.一种用于调节在睡眠期间通过调节系统(10)递送给对象(12)的听觉刺激的音量的方法，所述系统包括一个或多个感官刺激器(16)、一个或多个传感器(18)以及一个或多个硬件处理器(20)，所述方法包括：
利用所述一个或多个感官刺激器提供对所述对象的所述听觉刺激；
利用所述一个或多个传感器生成输出信号，所述输出信号传达与所述对象的脑活动有关的信息；
利用所述一个或多个处理器，基于所述输出信号确定针对第一睡眠段的所述对象的脑活动参数，所述脑活动参数包括指示在所述第一睡眠段期间所述对象的睡眠加深的速率的加深时间，其中，所述加深时间是基于以下来确定的(i)脑电图(EEG)信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)针对所述第一睡眠段的睡眠图，其指示所述对象在所述第一睡眠段中的睡眠深度；
利用所述一个或多个处理器，基于所述加深时间来确定在随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的音量增加的速率；并且
利用所述一个或多个处理器来控制所述一个或多个感官刺激器，以基于所确定的音量增加的速率和所述随后的睡眠段期间的输出信号来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，音量增加的所述速率还基于针对所述对象选择的最小阈值音量和最大阈值音量来确定，所述最小阈值音量和所述最大阈值音量基于来自先前睡眠段的与所述对象的脑活动有关的信息、基于所述先前睡眠段期间的先前睡眠深度估计来选择；和/或基于人口统计学上相似的群体的对应音量阈值来选择。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：确定针对所述第一睡眠段的随时间的睡眠深度，所述睡眠深度随时间的确定基于(i)所述EEG信号的所述高频带中的功率与所述低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)针对所述第一睡眠段的睡眠图，并且其中，所述加深时间是两个预定睡眠深度阈值之间的时间量。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，通过将指数函数拟合到所述对象的所述第一睡眠段中的邻接N3睡眠片段的分布来确定所述加深时间。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，控制所述一个或多个感官刺激器，以基于所确定的音量增加的速率和所述随后的睡眠段期间的输出信号来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量，包括：
基于所述随后的睡眠段期间的所述比率、所述慢波密度、或者峰值到峰值慢波幅值中的一个或多个来确定在所述随后的睡眠段期间所述对象的睡眠深度；并且
控制所述一个或多个感官刺激器，以基于在所述随后的睡眠段期间确定的睡眠深度和所确定的音量增加的速率来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述一个或多个感官刺激器包括音调发生器和/或扬声器。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述一个或多个传感器包括EEG电极。
15.一种用于调节在睡眠期间递送给对象(12)的听觉刺激的音量的系统(10)，所述系统包括：
用于向所述对象提供所述听觉刺激的单元(16)；
用于生成输出信号的单元(18)，所述输出信号传达与所述对象的脑活动有关的信息；
用于基于所述输出信号来确定针对第一睡眠期的所述对象的脑活动参数的单元(20)，所述脑活动参数包括指示在所述第一睡眠期期间所述对象的睡眠加深的速率的加深时间，其中，所述加深时间是基于以下来确定的：(i)脑电图(EEG)信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)针对所述第一睡眠段的睡眠图，其指示所述对象在所述第一睡眠段期间的睡眠深度；
用于基于所述加深时间来确定在随后的睡眠期期间提供给所述对象的听觉刺激的音量增加的速率的单元(20)；以及
用于控制用于提供听觉刺激的所述单元以基于所确定的音量增加的速率和所述随后的睡眠段期间的输出信号来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量的单元(20)。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，音量增加的所述速率还基于针对所述对象选择的最小阈值音量和最大阈值音量来确定，所述最小阈值音量和所述最大阈值音量基于来自先前睡眠段的与所述对象的脑活动有关的信息、基于所述先前睡眠段期间的先前睡眠深度估计来选择；和/或基于人口统计学上相似的群体的对应音量阈值来选择。
17.根据权利要求15所述的系统，还包括：用于确定针对所述第一睡眠段的随时间的睡眠深度的单元(20)，所述睡眠深度随时间的确定基于(i)所述EEG信号的所述高频带中的功率与所述低频带中的功率的比率，(ii)所述对象中的慢波密度，或(iii)针对所述第一睡眠段的睡眠图，并且其中，所述加深时间是两个预定睡眠深度阈值之间的时间量。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，通过将指数函数拟合到所述对象的所述第一睡眠段中的邻接N3睡眠片段的分布来确定所述加深时间。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，控制用于提供听觉刺激的所述单元以基于所确定的音量增加的速率和所述随后的睡眠段期间的输出信号来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量，包括：
基于所述随后的睡眠段期间的所述比率、所述慢波密度、或者峰值到峰值慢波幅值中的一个或多个来确定在所述随后的睡眠段期间所述对象的睡眠深度；以及
控制用于提供听觉刺激的所述单元，以基于在所述随后的睡眠段期间确定的睡眠深度和所确定的音量增加的速率来调节在所述随后的睡眠段期间提供给所述对象的听觉刺激的所述音量。
20.根据权利要求15所述的系统，其中，用于提供听觉刺激的所述单元包括音调发生器和/或扬声器。
21.根据权利要求15所述的系统，其中，用于生成输出信号的所述单元包括EEG电极。
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