JP2016517729A - 目覚めに好適な人の睡眠段階を決定するための方法 - Google Patents

目覚めに好適な人の睡眠段階を決定するための方法 Download PDF

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Abstract

人の脈波信号および手足の運動の発生が、人の身体に装着された脈波センサおよび加速度計の支援により睡眠中に測定される。RR間隔値および呼吸頻度が、指定された時間間隔Δtiで、脈波信号に基づいて測定される。生成された測定値は、RR間隔値の平均値P1、最小値P2および最大値P3と、RR間隔の二乗平均平方根偏差P4と、平均呼吸頻度値P5と、人の手足の運動の平均数P6とを決定するために使用される。さらに、関数F(Δti)の値が決定され、であり、K1〜K6は、関数F(Δti)の値に対し対応するパラメータによってなされる寄与を特徴づける重み係数であり、関数F(Δti)における増加に基づいて、目覚めに好適な睡眠相の始まりおよび終わりについての判定がなされる。本発明は、人を目覚めさせるのに好適な睡眠相を決定するための単純で信頼できる方法を生み出す問題を解決し、その方法の実現のために、人に容易に装着可能であり、睡眠中に上記人を妨害しない技術的手段を使用することが可能であろう。

Description

本発明は、診断目的のための人間の状態パラメータの測定の分野に関し、特に、人間の睡眠を特徴づけるパラメータの測定に関する。
知られているように、人間の睡眠は、いわゆるノンレム睡眠とレム睡眠の交互の相からなる。上記相は、健康な人間の睡眠中、周期的に(典型的には4周期から6周期で)交互に続く。経験によると、レム相が覚醒に最も好適であることを示している。しかしながら、大多数の人々は、特定の時間に設定されたアラーム時計の信号によるか、または他の偶然要因によって影響を及ぼされるか、のいずれかで目覚め、これは、彼らの覚醒が常に最適な睡眠相で発生するわけではないことを意味する。したがって、人々のためのより快適な生活条件を提供するために、覚醒に最適な睡眠相を決定するように設計され、目覚まし音または他の信号を発生させる目覚ましデバイスに対する制御を提供する、単純で、小型の、使いやすい技術的手段の開発が重要である。
覚醒に好適な睡眠相を含む人間の睡眠相を決定するためのさまざまな方法が知られている。
医学研究は、さまざまな生体電気信号、たとえば、脳の生体電気活動を特徴づけるEEG、筋活動を反映させる筋電図、または眼球運動中の生体電位の変化を特徴づけるEOGを登録することにより、特定の睡眠相が十分な確信をもって識別され得る、ということを見出している。しかしながら、これらの方法は、特に訓練された職員の援助を提供するヘルスケア施設においてのみ適用可能であり、日常生活で使用されることができない。さらに、数多くの内的および外的要因が人間の睡眠に影響を及ぼすので、1人のおよび同一の人の睡眠は異なる具合に進行し得る。したがって、覚醒に好適な相が所与の人について、彼/彼女の現在の精神心理学的状態および睡眠条件に基づいて決定されることが必要になる。
人を覚醒させるのに好適な睡眠相中に、睡眠中の人の生理学的パラメータの現在の測定値に基づいて、人を覚醒させるように設計された、さまざまな方法およびデバイスが知られている。
かくして、特許文献1は、所定の睡眠相中に人を目覚めさせるための方法を説明している。この目的のために、EEGが、現在のレム相を識別するためにセンサによって睡眠中に記録され、所定の時間間隔で発生させられる目覚まし信号が、上記EEGに同期させられる。レム睡眠時のEEGは、著者によると、18Hzから32Hzの範囲のベータ波の出現による脱同期と、存在するシータ波による低振幅の混合した活動とによって判別される。
特許文献2は、所定の最終的な起床時間の前の要求された睡眠相中に人を目覚めさせ、最良の就寝時間を識別するための方法およびデバイスを説明している。レム相は、人間の脚または腕に装着された加速度計によって登録された運動活動によって識別される。
特許文献3は、人を目覚めさせるのに最も好適な睡眠相において人を目覚めさせるための方法を説明している。著者によると、レム相は、心血流の増加、身体の良好でない体温調節(その温度は、周囲の温度に依存して上下動し得る)、末梢動脈血圧モニタによって測定され得る血管収縮および血管血流の減少、不安定で増加した心拍数、血圧、および呼吸数によって特徴づけられる。
特許請求される発明に最も近いのが、特許文献4に説明されている、予め設定された期間内の最適な時間に、および好適な睡眠相中に、人を目覚めさせるための方法である。レム相は、心拍数、呼吸数、身体または頭部の温度を測定することと、眼球運動および身体運動を検出することとによって識別される。上記方法を実現するデバイスは、アームバンド、イヤークリップ、チェストベルト、等の形態で作られ得る。
公知の従来技術の分析は、そのようなデバイスが十分な信頼度によってレム睡眠の始まりと終わりを識別できないこと、または、上記デバイスが、人に装着されるセンサの著しい数に起因して睡眠中の人にとっての実際的な不便さを生み出すこと、を示している。
ロシア特許第2061406号明細書 米国特許出願公開第2011/0230790号明細書 米国特許出願公開第2005/0190065号明細書 ドイツ特許第4,209,336号明細書
本発明によって解決される課題は、覚醒に好適な睡眠相、すなわち、レム睡眠を識別し、人に容易に装着されるデバイスとして具体化されることができ、人の睡眠を妨害しない、単純で信頼できる方法を提供することである。
本発明に係る方法は、脈波信号および人間の手足の運動を、それぞれ、睡眠中の人に装着された脈波センサおよび少なくとも1つの人感センサを使用して登録することにより、覚醒に好適な人間の睡眠相の識別を可能にし、上記脈波信号は、RR間隔の値および呼吸数を計算するための根拠としての役割を果たし、覚醒に好適な睡眠相の始まりおよび終わりが、関数F(Δt)の増分によって識別され、その値は、所与の時間間隔Δtにわたって決定され、iは、時間間隔の通し番号であり、上記関数の増分は、以下の式(1)として表される。
ここで、Pは、時間間隔ΔtにわたるRR間隔の平均値である。
は、時間間隔ΔtにわたるRR間隔の最小値である。
は、時間間隔ΔtにわたるRR間隔の最大値である。
は、3分から20分の先行する時間間隔にわたるRR間隔の標準偏差である。
は、時間間隔Δtにわたる呼吸数の平均値である。
は、0.5分から10分の先行する期間にわたる検出された手足の運動の平均数である。
〜Kは、関数F(Δt)の値に対する対応するパラメータP〜Pの寄与を特徴づける重み係数である。
覚醒に好適な睡眠相の識別の確実性および信頼度は、選択されたパラメータP〜Pが、組み合わせられたときに、レム相の始まりおよび終わりを識別するための情報を与え、レム相の始まりおよび終わりの識別を可能にするという、発明者によって実験的に確立された事実により定義される。一方、すべてのこれらのパラメータは、単に脈波信号および人間の手足の運動を登録することによって決定され、それは、人間の身体に装着されたときに人間の睡眠を妨害しないようなセンサを必要とする。選択されたパラメータが、同じく実験的に決定され得るある特定の重み係数K〜Kとともに式(1)の要素であり、かくして、人間の覚醒に好適な相の始まりおよび終わりの信頼できる識別を提供する関数F(Δt)の値を得ることを可能にする、という事実もまた重要である。
パラメータPの値(RR間隔の標準偏差)が測定される時間間隔の限度は、実験的に確立されている。
すなわち、時間間隔が3分未満である場合、いわゆるタイプI誤差(「誤ったアラーム」)の確率が許容できないほどに増し、時間間隔が20分より長い場合、いわゆるタイプII誤差(「目標を逸する」)の確率が許容できないほどに増す。
パラメータPの値が測定される時間間隔は、好ましくは4分から6分までの範囲で選択されるべきである。
パラメータPの値(呼吸数の平均値)が測定される時間間隔の限度もまた、実験的に確立されている。
すなわち、時間間隔が0.5分未満である場合、タイプI誤差の確率が許容できないほどに増し、時間間隔が10分より長い場合、タイプII誤差の確率が許容できないほどに増す。
パラメータPの値が決定される時間間隔は、好ましくは4分から6分の範囲で選択されるべきである。
特に、健康な人々のための重み係数の以下の値が実験的に決定されている。
msで測定されたパラメータPについて、重み係数Kの値は、0.6ms−1から3ms−1、好ましくは0.9ms−1から1.05ms−1の範囲で選択され得る。
msで測定されたパラメータPについて、重み係数Kの値は、0.1ms−1から0.7ms−1、好ましくは0.1ms−1から0.2ms−1の範囲で選択され得る。
msで測定されたパラメータPについて、重み係数Kの値は、0.01ms−1から0.3ms−1、好ましくは0.02ms−1から0.05ms−1の範囲で選択され得る。
msで測定されたパラメータPについて、重み係数Kの値は、0.5ms−1から3ms−1、好ましくは1.3ms−1から1.5ms−1の範囲で選択され得る。
min−1で測定されたパラメータPについて、重み係数Kの値は、1分から10分、好ましくは1.5分から2.3分の範囲で選択され得る。
パラメータPについて、重み係数Kの値は、5から50、好ましくは18から24の範囲で選択され得る。
方法の特定の実現において、脈波は、手首または前腕に固定された圧電センサ、歪みゲージまたは光学センサを使用して登録され得る一方で、動き検出器は、腕または脚に固定された加速度計によって代表され得る。
時間間隔Δtは、1分から6分までの範囲で選択され得る。
特に、覚醒に好適な睡眠相の始まりは、時間期間Δtにわたる関数F(Δt)の増分が第1の予め設定された閾値を超える場合に識別される。
特に、覚醒に好適な睡眠相の終わりは、時間期間Δtにわたる関数F(Δt)の増分が第2の予め設定された閾値未満になる場合に識別される。
本発明は、以下の図表材料によって示される。
図1aは、被験者の1人(8VAV)のためのレム睡眠相を識別する例を示し、登録されたレム相の1つについての関数F(Δt)のグラフである。 図1bは、被験者の1人(8VAV)のためのレム睡眠相を識別する例を示し、図1aに示された関数F(Δt)の増分ΔF(Δt)のグラフである。 図2は、図1aにおいてより詳細に示されたグラフの一部が丸で囲まれている、図1aおよび図1bにその睡眠が示されている同一の被験者(8VAV)のための睡眠持続時間全体にわたる関数F(Δt)のグラフである。 図3は、別の被験者(7ESA)のための睡眠持続時間全体にわたる関数F(Δt)のグラフである。 図4は、さらなる別の被験者(3SOR)のための睡眠持続時間全体にわたる関数F(Δt)のグラフである。 図5は、本発明に係る方法を実現するセンサを有するブレスレットの形態で作られた例示的なポータブルデバイスの設計を概略的に示し、手首に接触するその内側からのデバイスの図である。 図6は、本発明に係る方法を実現するセンサを有するブレスレットの形態で作られた例示的なポータブルデバイスの設計を概略的に示し、インジケータが設けられた外側からデバイスを示す図である。
覚醒に好適な睡眠相を決定するための方法は、2つのセンサ、すなわち、脈波センサ、および腕または脚の運動に応答することができるセンサ、すなわち、加速度計のような人感センサを使用して実現され得る。センサは、互いに別個に人間の身体に取り付けられ得る。たとえば、人感センサは、腕または脚に装着され得る一方で、脈波センサは、手首または前腕に装着され得る。脈波センサは、圧電センサ、歪みゲージおよび光学センサによって代表され得る。身体領域の血管血液充填に敏感な光学センサまたは光電脈波センサの使用が好ましい。たとえば、図5および図6に示され、手首に着けられるブレスレット1の形態で作られた単一のデバイスに、脈波センサと人感センサの両方が取り付けられれば、ユーザにとってより簡便である。
図5に示されているように、ブレスレット1の内側は、たとえば圧電セルに基づいた、脈波センサ2を保持する。脈波信号が検出される手首領域との信頼できる皮膚の接触を保証するために、いくつかの脈波センサが使用され得る。ブレスレット1(図6を参照)は、デバイスの初期設定と動作モードとを表示するインジケータ3を有し得る。デバイスはまた、たとえば、ブレスレット1に取り付けられたバイブレータ(図面には示されていない)により、好適な睡眠相中に目覚め信号を発生させ得る。加速度計(図面には示されていない)が、睡眠中の人の腕の運動を検出するためにブレスレット1の内側に取り付けられ得る。脈波センサ2および加速度計は、脈波信号および加速度計が発生させる信号を登録する、ブレスレット1の測定ユニットに接続される。登録された信号は、ブレスレット1において測定ユニットと共設され得るか、または、人間の身体に装着されるかもしくは人によって保持される別個のユニットとして作られ得る、CPUにおいて処理され、上記CPUは、無線または何らかの他の手段によって測定ユニットから送信される信号を受信する。
RR間隔の値および呼吸数が、登録された脈波信号に基づいて人間の睡眠において決定される。脈波信号は鼓動と同期して変動する周期的な信号であるので、パルソグラムにおける任意の特徴的なポイント(たとえば、信号またはその微分のピーク値)間の時間間隔は、RR間隔に厳密に対応する。脈波信号から心拍数またはRR間隔を決定するための、計器を用いた方法は、当業者に周知である。各々の心周期での血液充填の強弱の変化に対応する上述された周期的な変動とともに、脈波信号が呼吸周期に対応する低周波成分を含む、ということもまた知られている。脈波信号からの呼吸成分のローパスフィルタリングに基づいて呼吸数を決定する、計器を用いた方法は、当業者に周知である。
その後、得られたデータ、すなわち、RR間隔の値および呼吸数を使用して、以下のパラメータが、予め設定された時間間隔Δtで周期的に測定される。
−RR間隔の平均値。
−RR間隔の最小値。
−RR間隔の最大値。
−平均呼吸数。
上記パラメータが測定される時間間隔Δtは、1分から6分までの範囲で選択される。ここで、iは、i番目の時間間隔の通し番号である。
さらに、パラメータPが、3分から20分、好ましくは4分から6分の先行する時間間隔にわたるRR間隔の標準偏差として決定される。
0.5分から10分、好ましくは4分から6分の先行する時間間隔にわたる手足の運動の平均数Pは、レム睡眠相の最終的な識別のために必要とされる別のパラメータである。運動活動の発生は、レム睡眠の識別のためにそれ自体が情報を与えるので、10秒の期間にわたって加速度計により検出されるすべての手足の運動は、1つの運動とみなされる。
その後、関数F(Δt)の値が、以下の公式によって決定される。
ここで、K〜Kは、F(Δt)の値に対する対応するパラメータP〜Pの寄与を特徴づける重み係数である。
以下の表1は、重み係数K〜Kの値の範囲だけでなく、その最適な値を示す。
情報を与えるパラメータP〜Pが確立され、健康な人々のためのそれらの重み係数K〜Kは、睡眠ポリグラフの臨床研究に基づいて実験的に得られた。医療行為において受け入れられ、たとえば、「Polysonmography」(http://www.zonasna.ru/serv002.html)という記事において説明されている、統計的に有効な方法が、レム睡眠の識別の確度をチェックするために使用された。重み係数K〜Kは、レム相およびノンレム相における関数F(Δt)の値が互いとの最大の差を示すように選択された。
時間間隔Δtにわたる関数F(Δt)の増分ΔF(Δt)が、レム睡眠の始まりと終わりを識別するために使用される。現在の関数の値F(Δt)とその以前の値F(Δti−1)との間の差が第1の予め設定された閾値を超える場合、レム睡眠の始まりが識別される。上記差が第2の予め設定された閾値未満である場合、レム睡眠の終わりが識別される。
図1から図4は、異なる被験者の睡眠中に彼らについて得られた関数F(Δt)の例を示す。表1において与えられた最適な重み係数K〜Kが、関数F(Δt)の値を計算するために研究の過程で選択された。図1から図4は、関数F(Δt)の滑らかにされた形態を示す。
加速度計および脈波センサの信号の測定分解能は、検査工程において0.1という量になった。10秒の時間間隔にわたって検出されたすべての手足の運動が、単一の運動とみなされ、5分の期間にわたって平均された。関数の値F(Δt)が毎分計算され、すなわち、値Δtは、各々のi番目の時間間隔について1分とみなされた。第1の閾値Lは、20から30までの範囲で選択されたが、第2の閾値Lは、−30から−20までの範囲で選択された。
図1aは、被験者の1人(8VAV)の睡眠中に登録されたレム相の1つを含む関数F(Δt)の一部を示す。見られるように、関数F(Δt)の値は睡眠の202分目で急激に上昇し、これは、レム睡眠の始まりを示すが、210分目で上記関数F(Δt)の値は突如低下し、これは、レム睡眠の終わりを示す。
図1bは、図1aからの関数F(Δt)の増分ΔF(Δt)のグラフを示す。見られるように、増分値ΔF(Δt)は、レム睡眠の始まりとともに第1の閾値Lを大幅に超え、レム睡眠の終わりとともに第2の閾値Lよりも顕著に低くなる。
図1に示された例が、パラメータ値P〜P、関数の値F(Δt)、および関数の増分ΔF(Δt)の形態で表2に提示される。表2において太字で提示されたパラメータ値を有する行は、被験者におけるレム睡眠の始まりと終わりに対応する。
図2は、同一の被験者(8VAV)についての睡眠持続時間全体にわたる関数F(Δt)のグラフである。関数の値F(Δt)によると、被験者の睡眠中に4つのレム相が発生している。
図3は、別の被験者(7ESA)についての関数F(Δt)のグラフを示す。グラフによると、覚醒に好適な4つのレム相が、被験者の睡眠中に同様に登録された。被験者は、最後のレム相中に自ら目覚めた。
睡眠中のレム相の数は変動し得る。たとえば、図4は、3つのレム相が別の被験者(3SOR)の睡眠中に発生したことを示す。
グラフはまた、睡眠持続時間全体を通じた異なるレム相が、関数F(Δt)の異なる絶対値を特徴とすること、およびレム睡眠の始まりと終わりが、上記関数の増分によってのみ確実に識別され得ることを示す。
一連の検査は、本発明に係る方法が20人の被験者における76回のレム睡眠相のうち73回の識別を可能にしたことを示し、このことは、覚醒に好適な人間の睡眠相の識別のその高い信頼度の証拠となる。そこで選択された関数F(Δt)のパラメータはまた、快適な睡眠条件を提供するために手首に固定された最小数のセンサを使用する必要性により定義された。

Claims (15)

  1. 覚醒に好適な人間の睡眠相を決定するための方法であって、
    前記人間の身体に装着された脈波センサおよび少なくとも1つの人感センサを使用して、睡眠中の前記人間の脈波信号および手足の運動の発生を登録すること、
    RR間隔の値および呼吸数を測定すること、
    予め設定された時間間隔Δtにわたる関数F(Δt)の値を決定し、関数F(Δt)の増分に基づいて覚醒に好適な前記睡眠相の始まりおよび終わりを決定すること、を備え、
    iは、時間間隔の通し番号であり、
    であり、
    は、時間間隔Δtにわたる前記RR間隔の平均値であり、
    は、時間間隔Δtにわたる前記RR間隔の最小値であり、
    は、時間間隔Δtにわたる前記RR間隔の最大値であり、
    は、3分から20分の先行する時間間隔にわたる前記RR間隔の標準偏差であり、
    は、時間間隔Δtにわたる前記呼吸数の平均値であり、
    は、0.5分から10分までの範囲にわたる先行する時間期間にわたる人間の手足の運動の平均数であり、
    〜Kは、関数F(Δt)の値に対するパラメータP〜Pの寄与を特徴づける重み係数である、方法。
  2. パラメータ値Pが4分から6分までの範囲で測定される、時間間隔を選択することを備える、請求項1に記載の方法。
  3. パラメータ値Pが4分から6分までの範囲で測定される、時間間隔を選択することを備える、請求項1に記載の方法。
  4. msで測定されたパラメータPのための重み係数Kの値が、0.6ms−1から3ms−1までの範囲で選択され、
    msで測定されたパラメータPのための重み係数Kの値が、0.1ms−1から0.7ms−1までの範囲で選択され、
    msで測定されたパラメータPのための重み係数Kの値が、0.01ms−1から0.3ms−1までの範囲で選択され、
    msで測定されたパラメータPのための重み係数Kの値が、0.5ms−1から3ms−1までの範囲で選択され、
    min−1で測定されたパラメータPのための重み係数Kの値が、1分から10分までの範囲で選択され、
    パラメータPのための重み係数Kの値が、5から50までの範囲で選択される、請求項1に記載の方法。
  5. 0.9ms−1から1.05ms−1までの範囲において前記重み係数Kの値を選択することを備える、請求項4に記載の方法。
  6. 0.1ms−1から0.2ms−1までの範囲において前記重み係数Kの値を選択することを備える、請求項4に記載の方法。
  7. 0.02ms−1から0.05ms−1までの範囲において前記重み係数Kの値を選択することを備える、請求項4に記載の方法。
  8. 1.3ms−1から1.5ms−1までの範囲において前記重み係数Kの値を選択することを備える、請求項4に記載の方法。
  9. 1.5分から2.3分までの範囲で選択された前記重み係数Kの値を選択することを備える、請求項4に記載の方法。
  10. 18から24までの範囲で選択された前記重み係数Kの値を選択することを備える、請求項4に記載の方法。
  11. 前記脈波センサは、圧電センサ、歪みゲージまたは光学センサであり、手首または前腕に装着される、請求項1に記載の方法。
  12. 前記少なくとも1つの人感センサは、加速度計であり、腕または脚に装着される、請求項1に記載の方法。
  13. 前記時間間隔Δtは、1分から6分までの範囲で選択される、請求項1に記載の方法。
  14. 前記時間期間Δtにわたる関数F(Δt)の前記増分が第1の予め設定された閾値を超える場合、覚醒に好適な前記睡眠相の前記始まりを識別することを備える、請求項1に記載の方法。
  15. 前記時間期間Δtにわたる関数F(Δt)の前記増分が第2の予め設定された閾値より小さくなる場合、覚醒に好適な前記睡眠相の前記終わりを識別することを備える、請求項1に記載の方法。
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