CN110891473B - 管理大脑睡眠模式的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了管理大脑睡眠模式的方法和装置。该方法包括通过测量网状结构对由运动皮质发射的空闲脉冲朝向身体的至少一部分的下行起到的阻尼/阻挡水平来测量在睡眠模式下大脑的睡眠深度以及睡眠阶段。

Description

管理大脑睡眠模式的方法和设备
相关申请
本申请根据35 USC§119(e)要求于2017年10月29日提交的美国临时专利申请No.62/578,463的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
对于大脑睡眠模式管理系统，本申请总体涉及通过感测由运动皮质发射的从大脑下行到身体的一部分的空闲脉冲来感测大脑睡眠模式下的睡眠深度和所有睡眠阶段的方法和装置。
背景技术
大脑由提供大脑的各种功能的多个功能部位组成，其中运动皮质功能部位通过经由神经系统向身体部分发射神经元电脉冲来驱动身体各部分的运动。运动皮质分为多个功能簇。每个簇驱动身体中的特定肌肉运动，并且经由神经系统不断地发射具有或不具有从大脑到身体部分上的肌肉的运动起始信号的电脉冲，其中不具有运动起始信号的脉冲是导致用于身体部位姿势的肌肉紧张度的“空闲脉冲”，并且具有运动起始信号的脉冲导致使身体部分运动的肌肉收缩。通过使用具有放大电路的电极，可以在大脑清醒时从身体任何部分的神经、肌肉或皮肤检测到空闲脉冲。例如，当大脑清醒时，通过在左手腕的皮肤上放置带有信号放大系统的电极，当身体的该部分不进行任何活动时可以检测到与皮肤接触的电极之间的电势差随时间变化。检测到的电势差的变化是从运动皮质的右上部簇向左手腕发出的空闲脉冲的结果。
大脑具有两种工作模式：清醒模式和睡眠模式。在清醒模式下，从运动皮质的所有功能簇发射的空闲脉冲经由神经系统不断地到达全身的所有身体部分，并且可以从身体的任何部分的神经或皮肤测得空闲脉冲。在睡眠模式下，在大脑中释放睡眠激素，其抑制神经元活动。在睡眠激素释放的影响下，在大脑网状结构区域，特别是在下行网状结构的网状脊髓束中，由运动皮质发射的空闲脉冲朝向身体部分的下行受阻。
当大脑最初从其清醒模式转变为初始睡眠模式-所谓的睡眠起始阶段时，睡眠激素在网状结构中轻微释放，并且由运动皮质发射的空闲脉冲的下行轻微受阻。这可以被检测为在身体部分上测量的电势差变化幅度的减小。
当大脑进一步转变为其NRAM(非快速眼动)睡眠阶段时，睡眠激素进一步在网状结构中释放，并且由运动皮质发射的空闲脉冲的下行进一步受阻。这可以被检测为在身体部分上测量的电势差变化幅度的进一步减小。
在大脑转变为其NRAM(非快速眼动)睡眠阶段期间，大脑处于睡梦中并且可能发生睡眠麻痹，睡眠激素在网状结构中大量释放，使得由运动皮质发射的空闲脉冲的下行完全受阻。这可以被检测为在身体部分上测量的电势差变化的消失(直线而不是波形)。
通过测量在身体部分上的神经、肌肉或皮肤中测量的电势差变化幅度的减小，可以测量由运动皮质发射的空闲脉冲从网状结构到所有身体部分的下降水平，并且如此可以感测在所有阶段的相关大脑睡眠模式。
发明内容
在本发明中，大脑在其睡眠模式下的睡眠深度以及所有睡眠阶段通过如下来感测：感测网状结构、尤其是下行网状结构的网状脊髓束在睡眠激素释放的影响下对由运动皮质发射的空闲脉冲朝向身体的所有部分的下行起到的阻尼/阻挡水平。
在本发明中，用于通过感测网状结构、尤其是下行网状结构的网状脊髓束在睡眠激素释放的影响下对由运动皮质发射的空闲脉冲朝向身体的所有部分的下行起到的阻尼/阻挡水平来测量大脑在其睡眠模式下的睡眠深度以及所有睡眠阶段的方法之一是测量从大脑网状结构下行到身体的部分的由运动皮质发射的空闲脉冲。
在本发明中，用于测量从大脑网状结构下行至身体的部分的由运动皮质发射的空闲脉冲以测量大脑在其睡眠模式下的睡眠深度以及所有睡眠阶段的方法之一是测量在身体的一部分上测量的电势差的变化幅度。
在本发明中，例如，用于测量从大脑网状结构下行至身体的部分的由运动皮质发射的空闲脉冲以测量大脑在其睡眠模式下的睡眠深度以及所有睡眠阶段的方法之一是测量在身体的左手腕上测量的电势差的变化幅度。
特别地，提供了一种通过如下在三个阶段-睡眠开始阶段、NREM睡眠阶段和REM睡眠阶段-管理大脑睡眠模式的方法：感测与网状结构、尤其是下行网状结构的网状脊髓束在睡眠激素释放的影响下对由运动皮质发射的空闲脉冲朝向身体的所有部分的下行起到的阻尼/阻挡水平相关的睡眠深度，其中睡眠深度通过使用在大脑从其清醒模式转换到睡眠模式之前(即在网状结构、尤其是下行的网状结构的网状脊髓束对由运动皮质发射的空闲脉冲朝向身体的所有部分的下行起到的阻尼/阻挡水平接近于零时)在身体左手腕上测量的电势差的变化幅度的基线测量值来定义，其中睡眠深度以及所有睡眠阶段使用以下比值来定义和感测：
睡眠深度＝测量的幅度/基线值
其中，睡眠深度值越小，睡眠程度越深，并且睡眠模式的三个阶段在睡眠深度值方面的顺序为：
REM<NREM<睡眠开始
也就是说，REM睡眠是最深的睡眠。
在本发明的另一方面，提供了一种通过感测从大脑网状结构下行至身体的部分的由运动皮质发射的空闲脉冲来管理大脑睡眠模式的装置，包括：1)信号采集单元，其具有与身体部分的肌肉上的皮肤附接的电极，用于测量皮肤上两个位置之间的电势差；2)信号处理单元，其计算所有阶段的感测的睡眠深度以及大脑睡眠模式；3)数据存储单元，其存储经处理的结果；4)控制单元，其对接通或断开与该装置配对工作的睡眠调制设备作出决定并采取动作；5)发送单元，其向外部设备发送数据和控制命令。该装置通过附接到肌肉上的皮肤的其电极(其接收来自皮肤的电势信号)感测来自身体部分肌肉中的神经的由运动皮质发射的空闲电势；以及通过其信号处理单元收集来自电极的空闲电势信号；将睡眠时间间隔内的空闲电势的平均幅度计算为当前的睡眠深度，并将该值记录在其存储单元中，并根据变化斜率计算睡眠深度的变化趋势，其中正斜率和负斜率分别表示进入深度睡眠和进入非深度睡眠；并基于所计算的睡眠深度变化斜率进一步作出对睡眠干预的决定，以获得更深入的睡眠、保持睡眠深度或从睡眠中唤醒大脑；并且更进一步发送命令以控制协同工作的设备以使睡眠者获得更深的睡眠、维持睡眠深度或清醒。
例如，腕带包含具有多个电极的信号获取单元、信号处理单元、数据存储单元、控制单元和无线发送单元，其中电极附接到左腕带的皮肤，接收从大脑中的运动皮质的右上部发射的空闲脉冲，接收到的空闲脉冲信号被在信号处理单元中处理以用于整个睡眠持续时间内的睡眠深度以及睡眠深度的变化斜率，其中睡眠者在睡眠期间的特定时刻i的睡眠深度为SD(i)，按以下步骤计算：
Figure GDA0003609628950000041
其中
Figure GDA0003609628950000042
是在时刻i处的采样电势差的平均值，并且
Figure GDA0003609628950000043
是基线电势差，并且是当大脑仍处于其清醒模式下在睡眠开始时的采样电势差的平均值。
在睡眠期间特定时刻i的睡眠深度的变化趋势(斜率)ηi按以下步骤计算：
Figure GDA0003609628950000044
其中SD(i-1)和SD(i)分别是在Ti时刻之前测量的睡眠深度值和在Ti时刻测量的睡眠深度值，T(i-1)和T(i)分别是Ti时刻之前的时间和在Ti时刻的时间。
在本发明中，睡眠深度、睡眠阶段和睡眠深度的变化趋势的处理结果将被保存在数据存储单元中以被上传到外部数据库。此外，当ηi从大于零变成零并在一段时间内保持不变时，控制单元将触发以关闭协同工作的睡眠辅助装置；当ηi从零变为负时，控制单元将触发以打开协同工作的睡眠辅助设备。
附图说明
仅通过示例的方式，在本文中参考附图描述了本发明的一些实施方式。现在详细地具体参考附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于说明性讨论本发明的实施方式的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实施本发明的实施方式。
在附图中：
图1是示出通过感测通过网状结构下行到身体部分的由运动皮质发射的空闲脉冲来管理大脑睡眠模式的方法的示意图，其中装备有电极的装置被附接到左手腕，测量由于从网状结构下行到左手腕的右上部运动皮质簇发射的空闲脉冲所产生的电势差变化。
图2是示出通过感测通过网状结构下行到身体部分的由运动皮质发射的空闲脉冲来管理大脑睡眠模式的装置的示意图，该装置具有电势信号获取单元、信号处理单元、数据存储单元、控制单元和发送单元。
具体实施方式
在下文中将参考附图描述本发明的一些实施方式。
在一个实施方式中，如图1所示，感知大脑1中的睡眠深度和大脑睡眠模式的所有睡眠阶段的方法是用睡眠模式管理装置10，通过感测通过网状结构4下行到左手腕12的由运动皮质2的右上部簇3发射的空闲脉冲11，来感测大脑1中的网状结构4在大脑1中的睡眠激素释放的影响下对由运动皮质2的右上部簇3发射的空闲脉冲11的下行起到的阻尼/阻挡水平，睡眠模式管理装置10具有附接到左手腕12的电极8和9，以收集由运动皮质2的右上部簇3发射的空闲脉冲11所产生的电势信号，利用其信号处理单元16处理所收集的数据，并用于将处理结果传送到数据存储单元14和控制单元15，控制单元15用于通过发送单元7将结果发送到外部设备，外部设备包括通过接收单元6从控制单元15接收命令的协同工作的睡眠调制设备5。
在另一个实施方式中，如图2所示，通过感测通过网状结构下行到身体部分的由运动皮质发射的空闲脉冲来管理大脑睡眠模式的装置的功能块，具有电势信号获取单元17、信号处理单元16、数据存储单元14、控制单元15和发送单元7。信号获取单元17具有附接到身体的部分的皮肤上的电极8和9，以收集经网状结构下行的由运动皮质发射的空闲脉冲所产生的电势信号，以确定电势差，并将结果传送给信号处理单元16。信号处理单元16处理电势差随时间的变化以用于睡眠深度的结果、睡眠深度斜率(睡眠深度的变化趋势)，并将结果传送给数据存储单元14和控制单元15，控制单元15用于通过发送单元7向外部数据库发送并控制协同工作睡眠调制设备。

Claims (13)

1.一种管理大脑的睡眠模式的方法，包括：
通过测量大脑网状结构对由运动皮质发射的空闲脉冲朝向身体的至少一部分的下行起到的阻尼/阻挡水平来确定在所述睡眠模式下所述大脑的睡眠深度以及睡眠阶段，其中在清醒模式下，所述阻尼/阻挡水平接近于零，
其中测量所述阻尼/阻挡水平包括：测量在所述身体的所述至少一部分上测量的电势差的变化幅度。
2.根据权利要求1的方法，其中所述大脑网状结构是所述大脑网状结构的网状脊髓束。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述身体的所述至少一部分是所述身体的左手腕。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述睡眠阶段是包括睡眠开始阶段，NREM睡眠阶段和REM睡眠阶段的阶段中的一者。
5.根据权利要求4所述的方法，其中通过测量所述睡眠深度来测量所述睡眠阶段。
6.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用在所述大脑从所述清醒模式转换到所述睡眠模式之前在所述身体的所述至少一部分上测量的所述电势差的所述变化幅度的基线测量值来定义所述睡眠深度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述睡眠深度如下：所述睡眠深度＝所测量的幅度/所述基线测量值，其中所述睡眠深度值越小，睡眠程度越深。
8.根据权利要求4所述的方法，其中所述阶段在所述睡眠深度值方面的大小顺序如下：所述睡眠开始阶段>所述NREM睡眠阶段>所述REM睡眠阶段，其中所述REM睡眠阶段对应于最深睡眠。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定所述睡眠深度的变化斜率；以及基于所确定的所述睡眠深度的变化斜率来控制睡眠调制设备。
10.一种用于管理大脑的睡眠模式的装置，包括：
信号采集单元，其被配置为通过测量身体的至少一部分上的电势差来测量由运动皮质发射且经由大脑网状结构下行至所述身体的至少一部分的空闲脉冲；
信号处理单元，其被配置为通过计算所述电势差的变化幅度来确定所述大脑网状结构对由所述运动皮质发射的所述空闲脉冲朝向所述身体的至少一部分的下行起到的阻尼/阻挡水平，从而确定在所述睡眠模式下所述大脑的睡眠深度和睡眠阶段，并进一步确定所述睡眠深度的变化斜率；
数据存储单元，其被配置为接收和记录所述睡眠深度、以及所述睡眠深度的变化斜率；
控制单元，其被配置为从所述信号处理单元接收所述睡眠深度的变化斜率并控制协同工作的睡眠调制设备；以及
发送单元，其被配置为从所述数据存储单元和所述控制单元向外部数据库和协同工作的所述睡眠调制设备发送数据和控制命令。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述信号采集单元包括电势感测电路，所述电势感测电路具有与所述身体的所述至少一部分的肌肉上的皮肤附接的电极，所述电势感测电路被配置为测量所述身体的所述至少一部分上的电势差。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述信号处理单元被配置为通过使用在所述大脑从清醒模式转换到所述睡眠模式之前在所述身体的所述至少一部分上测量的所述电势差的所述变化幅度的基线测量值来定义所述睡眠深度。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述睡眠深度如下：所述睡眠深度＝所测量的幅度/所述基线测量值，其中所述睡眠深度值越小，睡眠程度越深。
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