CN111712190B - 检测人的睡眠阶段的方法、设备和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了检测人的睡眠阶段的方法和设备。该方法包括接收该人的温度数据和心率数据；基于温度数据确定温度变异性并基于心率数据确定心率变异性(HRV)；及基于温度变异性和心率变异性检测该人的睡眠阶段。

Description

检测人的睡眠阶段的方法、设备和系统

技术领域

本发明涉及监测人的睡眠，特别是检测人的睡眠阶段。

背景技术

人的睡眠遵循昼夜节律，即，年龄为18-74岁的女性的睡眠-清醒周期平均为24.09±0.2h(24h5min±12min)，年龄为18-74岁的男性为24.19±0.2h(24h11min±12min)。昼夜节律通常与日-夜周期(即，光亮-黑暗周期)同步。在昼夜节律的睡眠期间，自然睡眠周期会以固定间隔进行重复，该固定间隔反应了1-2个小时的次昼夜基本静息-活动周期。自然睡眠周期包括多个阶段，该些阶段在睡眠期间进行重复。这些阶段包括REM(快速眼动)睡眠和非REM(NREM)睡眠，NREM可进一步划分成浅睡眠和深度睡眠。

人们认为一个成年人平均需要至少4个完整的睡眠周期，这些睡眠周期被人类的昼夜节律系统控制和睡眠-觉醒周期指导。睡眠不足可对幸福健康产生各种不良影响。为了保证一个人具有充足的睡眠量，人们希望尝试监测睡眠并估计该人的自然睡眠周期的进程。

人们已经进行了各种尝试来估计自然睡眠周期的进程，例如，基于人的夜间活动。然而，没有科学依据表明这些活动与睡眠周期内的睡眠阶段有关。因此，对人的夜间活动的测定并不是用于追踪人的睡眠阶段的可靠信息源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法和用于实现该方法的设备，以便缓解上述缺陷。本发明的此目的通过特征在于独立权利要求所述的内容的方法和设备来实现。本发明的优选实施例公开于从属权利要求中。

本发明公开了一种用于检测人的睡眠阶段的方法。在人睡眠的REM(快速眼动)睡眠阶段和深度睡眠阶段，人的体温控制有效关闭，四肢上的远端皮肤温度变化可仅在约0.2℃内。在其它睡眠阶段期间，人的温度控制处于活动状态，远端皮肤温度变化要大得多。

因此，这两个睡眠阶段可与人的睡眠的其它阶段和觉醒(即，醒来的状态)区分开。然而，难以基于温度将这两个阶段与彼此区分开。

心率变异性(HRV)是受睡眠的不同阶段影响的另一参数。重要地，REM睡眠和深度睡眠显示不同的HRV特性。因此，可以使用HRV来将REM睡眠与深度睡眠与彼此区分开。通过将这两种测量(温度变异性和HRV)结合起来，可以识别睡眠的不同阶段。

本发明的方法提供了检测不同睡眠阶段的准确、有成本效益的手段。所述测量可以以对用户而言更舒适的非侵入方式来进行。所述方法可用于获取关于用户的睡眠的重要信息(例如，不同睡眠阶段的比率、睡眠周期的长度及昼夜节律)。

附图简要说明

下面将参照附图通过优选实施例对本发明作更详细的说明。

图1示出了一示例性实施例中的本发明的方法的简化图。

具体实施方式

本发明描述了一种用于检测人的睡眠阶段的方法。本发明的方法包括接收人的温度数据和心率数据；基于温度数据确定温度变异性；基于心率数据确定心率变异性(HRV)；及基于温度变异性和心率变异性检测人的睡眠阶段。在本申请的上下文中，术语“变异性(variability)”是指测量结果随时间的分散。此变异性可作为例如测量结果的方差、标准差和四分位距计算。

当所述温度变异性低于第一温度变异性极限且所述心率变异性高于第一心率变异性极限时，所述方法可检测该人处于REM(快速眼动)睡眠阶段。换言之，所述方法可包括将所述温度变异性与所述第一温度变异性极限进行比较；将所述心率变异性与所述第一心率变异性极限进行比较；及当检测到第一条件时认为该人处于REM睡眠阶段，所述第一条件为所述温度变异性低于所述第一温度变异性极限且所述心率变异性高于所述第一心率变异性极限。

额外地或替代地，当所述温度变异性低于第二温度变异性极限且所述心率变异性低于第二心率变异性极限时，所述方法可检测该人处于深度睡眠阶段。换言之，所述方法可包括将所述温度变异性与所述第二温度变异性极限进行比较；将所述心率变异性与所述第二心率变异性极限进行比较；及当检测到第二条件时认为该人处于深度睡眠阶段，所述第二条件为所述温度变异性低于所述第二温度变异性极限且所述心率变异性低于所述第二心率变异性极限。

图1示出了一示例性实施例中的本发明的方法的简化图。在图1中，第一温度变异性极限与第二温度变异性极限相同，并且，第一心率变异性极限与第二变异性极限相同。

图1中的方法始于初始步骤10，该方法自步骤10进入步骤11。在步骤11，确定温度变异性TV和心率变异性HRV，然后，该方法进入步骤12。

在步骤12，将温度变异性TV与预定温度变异性极限TV_max进行比较。如果温度变异性TV超过温度变异性极限TV_max，则认为睡眠阶段为浅睡眠阶段或觉醒，该方法进入最后一步14c，将睡眠阶段识别为浅睡眠或觉醒。然而，如果温度变异性TV等于或小于温度变异性极限TV_max，则该方法进入步骤13。

在步骤13，将心率变异性HRV与预定心率变异性极限HRV_max进行比较。如果心率变异性HRV超过心率变异性极限HRV_max，则认为睡眠阶段为REM睡眠，该方法进入最后一步14a，将睡眠阶段识别为REM睡眠。然而，如果心率变异性HRV等于或小于心率变异性极限HRV_max，则认为睡眠阶段为REM睡眠，该方法进入最后一步14b，将睡眠阶段识别为深度睡眠。

人在每晚的睡眠中通常有几个短暂的觉醒时间段。在这些时间段中，人通常会更加焦躁不安，其可被检测为更多的身体活动。因此，在一些实施例中，所述方法可进一步包括对身体活动的测定(即体动记录(actigraphy))。可基于例如附接到人身上的加速度传感器来评估对人的身体活动的测定。进而，对身体活动的测定可用于将觉醒时间段与睡眠周期区别开来。例如，在图1的步骤14c中，可基于身体活动将觉醒与浅睡眠区分开。可将身体活动的程度与预定身体活动极限进行比较，如果该程度超过该极限，则可认为睡眠阶段为觉醒。如果身体活动的程度没有超出该极限，则可认为睡眠阶段为浅睡眠。

尽管图1对温度变异性仅使用了一个极限，并且对心率变异性也仅使用了一个极限，但是本发明的方法也可对REM睡眠、深度睡眠和浅睡眠/觉醒使用不同的温度变异性极限。替代地或额外地，本发明的方法还可对REM睡眠、深度睡眠和浅睡眠/觉醒使用不同的心率变异性极限。

利用本发明的方法，可以获得关于人的睡眠质量的重要信息。例如，基于检测到的睡眠阶段，可以计算夜间不同睡眠阶段的比率的估值。该些比率可表示为例如夜间总睡眠的百分比或量(例如，以分钟为单位)。

人的睡眠的另一个重要参数是人的自然睡眠周期的间隔(即，长度)。通常，成人的自然睡眠周期的间隔(长度)大约为90分钟，但个体之间可有所不同。例如，取决于人的年龄，睡眠周期的长度可在40分钟至130分钟之间变化。然而，在一天或几天中，自然睡眠周期自身重复的间隔可被认为保持相当恒定。可认为一个成年人需要4-6个完整的睡眠周期。

利用本发明的方法，可以检测特定类型的睡眠周期(例如，REM睡眠周期或深度睡眠周期)发生(或开始)之间的间隔。通过确定这些睡眠周期之间的间隔，可以计算人的自然睡眠周期的长度的估值。例如，基于睡眠开始后第二和第三REM睡眠周期开始之间的间隔，可以计算睡眠周期的长度的良好估值。例如，睡眠周期的长度的估值可基于随后的相同类型的睡眠周期之间的间隔的平均值。

关于自然睡眠周期的长度和内容的信息可与昼夜节律结合，特别是与褪黑激素初始释放(夜间褪黑激素产生的开始)结合。褪黑激素初始释放与昼夜节律之间有直接联系。入睡的能力与褪黑激素初始释放有关。因此，褪黑激素初始释放在人的昼夜节律中提供了固定参考点。褪黑激素初始释放可从人的体温的变化方面观测到。例如，褪黑激素初始释放的估值可用远端皮肤温度测量和体动测定(actigraphymeasurement)进行检测。在一个人的睡眠开始时，他/她的远端皮肤温度会暂时快速升高。然而，与此同时，该人通常保持相对静止，这可以被检测为低体活动值，例如，来自加速度传感器的测定数据的较低值(例如，低于预定极限的值)的形式的低体活动值。

在本申请的上下文中，人的体温可以各种方式进行测量。例如，温度样本可源于用于测量远端皮肤温度的温度传感器。由此而论，远端皮肤温度是指身体末梢的皮肤温度，如，人的四肢和头部。例如，远端皮肤温度可从手指、手腕、脚踝、前额或耳垂处测得。远端皮肤温度可用例如MEMS温度传感器或红外线传感器测得。此外，上述现象(即，温度变异性的变化)也可在人的核心体温中检测到，尽管幅度很小。然而，可使用光学心率监测(例如，光电容积脉搏波描记法(PPG))来确定人的相对核心体温的估值。此外，可从记录了人的部分皮肤的视频的数字摄像机提供的图解数据中提取心率的估值。基于此估值，可计算相对温度变异性，进而，相对温度变异性的变化可用于检测睡眠的不同阶段和褪黑激素初始释放。

温度传感器可例如是穿戴式设备的一部分。温度传感器还可以集成到车辆上，例如，以摄像机的形式，记录汽车驾驶人员的面部表情、神情、动作等，本发明的方法可用于评估驾驶人员的警觉性。

为了能够检测温度变异性的变化，须以足够的频率对温度进行采样。例如，对远端温度可每分钟至少采样一次，例如，每30秒一次。可对温度进行周期性采样，并保存样本。样本可保存一个晚上或更长的时间，例如，从几天到几周不等。然后，可基于这些样本，例如通过使用已知的算法计算温度变异性。在测量时间段较长且数据量较大的情况下，可将数据从进行测量的穿戴式设备发送至较大的数据存储器，例如，计算机服务器或计算云。

关于检测到的睡眠阶段的信息可以各种方式进行使用。例如，在第一实施例的本发明的方法中，该方法包括基于检测到的睡眠阶段计算该人的不同睡眠阶段的比率。这种信息可为睡眠质量提供重要提示。睡眠质量可对人的幸福健康具有显著影响。因此，本发明的方法可被配置成向用户提供不同睡眠阶段的比率的信息。然后，可以将该信息用于例如评估用户的睡眠质量。

检测到的睡眠阶段还可用于确定睡眠的最佳时间窗。在第二实施例的本发明的方法中，该方法可包括基于检测到的睡眠阶段估计人醒来的最佳时刻。如果计划在自然睡眠周期中的浅睡眠阶段进行唤醒(例如，以警报形式)，则人醒来时会感到精神奕奕、神清气爽。最佳唤醒时刻的计算可包括确定人的睡眠周期的长度；基于检测到的睡眠阶段计算在夜间睡眠期间已观察到的特定睡眠阶段的数量；及基于睡眠周期的长度和已观察到的睡眠阶段的数量确定最佳唤醒时刻。例如，可将一个或多个长度的睡眠周期加到特定类型的最后观察到的睡眠阶段，以确定最佳唤醒时刻，使得该人在最佳唤醒时刻睡够所需数量(例如，4、5或6个)的睡眠周期。一旦到达最佳时刻，即可启动警报，以唤醒该人。在对人的身体活动进行测定的实施例中，增加的身体活动可用作从睡眠中醒来的指示。例如，检测到的身体活动的增加超出预定检测限达设定时间量可用作所述警报已执行其任务的指示。

额外地或替代地，在第二实施例中，还可以基于自然睡眠周期的长度和人的昼夜节律中的参考点(例如，褪黑激素初始释放)预先计算最佳唤醒时刻的估值。因此，所述方法可包括确定人的睡眠周期的长度；确定人的昼夜节律中的固定参考点；及基于睡眠周期的长度和固定参考点确定最佳唤醒时刻，使得该人在最佳唤醒时刻睡够所需数量的睡眠周期。例如，可通过将多个(例如，4、5或6个)确定长度的自然睡眠周期加到褪黑激素初始释放的已知时刻的时间来计算最佳唤醒时刻。一旦到达最佳时刻，即可启动警报，以唤醒该人。

额外地或替代地，本发明的方法还可用于确定上床睡觉的最佳时刻的估值。根据第三实施例的本发明的方法，该方法可基于人的昼夜节律中的参考点确定最佳入睡时间(即，上床睡觉的最佳时刻)。所述参考点可例如表示褪黑激素初始释放。在人错过入睡的任何先前的最佳时刻的情况下，该方法可基于睡眠周期的长度计算入睡的下一最佳时刻。

在测量远端皮肤温度的实施例中，远端皮肤温度数据中特定温度变化模式的检测可用于检测褪黑激素初始释放。夜间褪黑激素产生开始之后，可以观察到远端皮肤温度的快速、独特模式。温度变化模式的形式是先是远端皮肤温度下降，随后是远端皮肤温度升高，下降和升高发生在10分钟或更短的时间窗内，例如，5分钟。升高的量大于下降的量。例如，下降的量可以是约0.5℃，升高的量可以是约1.5℃。当在人的远端温度观察到特征温度变化模式时，他或她有大约20-30分钟的时间进入睡眠。因此，温度变化模式用作昼夜节律中的固定参考点。一旦人入睡，温度变化模式就停止出现。如果人在夜间醒来，温度变化模式会再次重新开始。当监测人的睡眠时，这可以用作睡眠的进一步指示。当她或他入睡后，在接下来的120分钟内远端皮肤温度开始不断升高约2℃。通过确定出现温度变化模式之间的间隔，可以计算人的自然睡眠周期的长度的另一估值。

此附加信息可用于提供关于昼夜节律、睡眠周期的长度和昼夜节律期间自然睡眠周期的阶段的其它/替代估计。通过将睡眠阶段的检测与温度模式的检测结合，可以提高本发明的检测方法的确定性和准确性。替代地，在一些实施例中，睡眠周期的长度可仅基于温度变化模式。例如，在上文所述的第二实施例中，睡眠周期的长度可基于温度变化模式之间的间隔，而不是检测到的睡眠阶段之间的间隔。在上述第三实施例中，睡眠周期的长度也可基于温度变化模式之间的间隔。

通过收集多天的数据并将此数据用于计算昼夜节律和睡眠周期的长度的估值，可以进一步提高估值的准确性。在一些实施例中，本发明的方法还可包括监测被监测人的活动，以提高对睡眠周期和昼夜节律的确定的准确性。

本发明还公开了用于检测人的睡眠阶段的检测单元和系统。该检测单元可包括被配置成接收人的温度和心率样本并执行上文所述的本发明的方法的各步骤的装置。所述检测单元可以是独立设备，也可以是较大系统的一部分。

例如，所述检测单元可以是独立设备，其包括用于测量人的远端皮肤温度和心率的传感器；及用于实现本发明的用于检测人的睡眠阶段的方法的装置。所述设备可包括控制单元，其包括计算装置(例如，处理器、FPGA或ASIC)和存储器，其可用作用于实现所述方法的所述装置。该独立设备可以是穿戴式设备的形式，例如，活动手镯或心率监测器，该穿戴式设备包括用于监测人的远端皮肤温度的温度传感器。穿戴式设备中的控制单元可被配置成从所述传感器接收测得的温度(例如，远端皮肤温度)和心率样本，并基于该些样本检测睡眠阶段。所述控制单元可被配置成基于所述样本计算不同睡眠阶段的百分比或量(例如，以分钟为单元)，并且，所述穿戴式设备可包括显示器，计算所得的百分比可显示在所述显示器上。

所述穿戴式设备的所述控制单元还可被配置成基于检测到的睡眠阶段估计唤醒的最佳时刻和/或上床睡觉的最佳时刻。所述穿戴式设备可执行定时或时钟功能，一旦到达最佳时刻，所述穿戴式设备可发出例如声音或可视化提示的形式的警报。所述穿戴式设备可被配置成还执行除本发明的方法外的其它功能。

在一些实施例中，所述检测单元也可以是较大的检测系统的一部分。例如，检测系统可包括单独的测量单元和单独的检测单元，该测量单元包括远端皮肤温度传感器和心率传感器，该检测单元被配置成从所述测量单元接收远端皮肤温度和心率的样本。替代地或额外地，所述测量单元可将基于远端皮肤温度和心率数据计算所得的温度变异性和/或心率变异性数据提供给所述检测单元。

所述测量单元可包括无线通信单元，所述温度和心率数据通过该无线通信单元发送至所述单独的检测单元。无线连接单元可经由例如蓝牙、ZigBee、近场通信(NFC)或红外协议传送温度和心率数据。所述测量单元可以是例如活动追踪器(activitytracker)、智能手表、耳塞、戒指、电子贴纸(e-sticker)(即，黏性传感器(adhesivesensor))的形式。所述单独的检测单元可以是例如通用计算装置或系统。本发明的方法可以以具有指令的计算机程序产品的形式来实现，所述指令在由所述计算装置或系统执行时可使所述计算装置或系统执行本发明的方法，其也包括上述第一、第二和第三实施例。例如，所述单独的检测单元可以是手持通信装置，例如，智能手机或平板电脑，甚至是信息娱乐装置或任何种类的医疗装置，所述计算机程序产品被下载到该手持通信装置上。用作单独的检测单元的所述手持通信装置可被配置成以无线方式接收源于所述测量单元的温度和心率数据和/或温度变异性和心率变异性数据，并基于所述数据检测和显示睡眠质量信息，例如，关于睡眠阶段的信息。所述通信装置还可基于接收到的数据确定人的睡眠的最佳时间窗。所述手持通信装置可被配置成基于所确定的最佳睡眠时间窗估计唤醒的最佳时刻和/或上床睡觉的最佳时刻，并基于所估计的最佳时刻发出警报。所述手持通信装置可在对最佳睡眠时间窗的估计中利用在装置中存储的用户的个人偏好。

替代地，可以使用云计算来实现本发明的方法，其也包括上述第一、第二和第三实施例。例如，用作单独的检测单元的云计算系统可被配置成接收人的温度和心率数据和/或温度变异性和心率变异性数据；基于所述数据检测睡眠的阶段和/或温度变化模式；及确定人的睡眠质量信息和/或最佳睡眠时间窗。所述云计算系统可被配置成基于所确定的最佳睡眠时间窗估计唤醒的最佳时刻和/或上床睡觉的最佳时刻，并基于所估计的最佳时刻发出警报。例如，所述云计算系统可向手持通信装置发送应发出警报的指示。然后，该手持通信装置基于此指示发出警报。

本发明方法的各功能还可在云计算系统和单独的决策单元之间进行划分。例如，云可以如上所述检测睡眠的阶段和/或温度变化模式，并将关于所检测到的睡眠阶段和/或温度变化模式的信息发送至决策单元，该决策单元基于定时信息(timinginformation)估计睡眠质量和/或计算和/或确定最佳睡眠时间窗。所述决策单元可以是例如手持通信装置。所述决策单元可以进一步被配置成计算唤醒的最佳时刻和/或上床睡觉的最佳时刻，并基于所估计的最佳时刻依据存储在决策单元上的用户的个人偏好发出警报。

本发明的方法(及实现该方法的检测单元和系统)可用于各种应用中。例如，除上述示例外，本发明的方法还可用于使时差最小化。对于人类而言，每天可以调节昼夜节律约1个小时。利用本发明的方法，此调节可以以系统的方式进行。

此外，由于运动后的肌肉恢复与深度睡眠在总睡眠中的比率密切相关，因此，在确定运动员的最佳睡眠窗时，可以利用关于不同睡眠阶段的比率的信息，使得例如她/他具有足够的深度睡眠用于肌肉恢复。此外，人类需要足够的REM睡眠时间以吸收认知和肌肉运动技能，其例如对于运动员而言是非常重要的技能。恢复算法基于HRV，并且可通过使用睡眠的数量和质量显著改善恢复算法。此外，例如，在患者抑郁和睡眠呼吸暂停的情况下，确定患者的症状和治愈时，医疗人员可使用该信息。

对本领域技术人员而言明显的是，本发明的方法和系统可以各种方式来实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (10)

1.一种检测人的睡眠阶段的方法，其中，该方法包括：

接收该人的温度数据和心率数据；

基于所述温度数据确定温度变异性，并基于所述心率数据确定心率变异性(HRV)，其中，所述变异性是指测量结果随时间的离散程度；

通过以下方式检测该人的睡眠阶段：

i)当所述温度变异性低于第一温度变异性极限且所述心率变异性高于第一HRV极限时，检测该人处于REM(快速眼动)睡眠阶段；和/或

ii)当所述温度变异性低于所述第一温度变异性极限且所述心率变异性低于第二HRV极限时，检测该人处于深度睡眠阶段。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：

基于检测到的睡眠阶段计算该人的不同睡眠阶段的比率。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法还包括：

基于检测到的睡眠阶段估计最佳唤醒时刻和/或上床睡觉的最佳时刻。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述方法包括：

确定该人的睡眠周期的长度；

基于检测到的睡眠阶段计算在夜间睡眠期间已观察到的特定睡眠阶段的数量；及

基于所述睡眠周期的长度和已观察到的睡眠阶段的数量确定所述最佳唤醒时刻，使得在所述最佳唤醒时刻该人睡够所需数量的睡眠周期。

5.如权利要求3所述的方法，其中，所述方法包括：

确定该人的睡眠周期的长度；

确定该人的昼夜节律中的固定参考点；

基于所述睡眠周期的长度和所述固定参考点确定所述最佳唤醒时刻，使得在所述最佳唤醒时刻该人睡够所需数量的睡眠周期。

6.如权利要求1-2和4-5任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：

用该人穿戴的测量带或手镯测量该人的温度数据和脉搏数据。

7.如权利要求5所述的方法，其中，昼夜节律的所述参考点的确定包括：

检测远端皮肤温度样本中的温度变化模式，其中，所述温度变化模式指示最佳睡眠时间窗的参考点；所述温度变化模式的形式是先是远端皮肤温度下降，随后远端皮肤温度升高，所述下降和升高发生在10分钟或更短的时间窗内。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述下降的量为0.5℃，所述升高的量为1.5℃。

9.一种检测单元，其包括被配置成执行如权利要求1-8任一项所述的方法的装置。

10.如权利要求9所述的检测单元，其中，所述检测单元为带或手镯形式的穿戴式设备，其包括：

温度传感器；

心率传感器；及

控制单元，被配置成执行如权利要求1-8任一项所述的方法。