JP4461388B2 - Sleep stage determination method and determination apparatus - Google Patents

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Description

【技術分野】
本発明は、生体信号検出手段から検出した生体信号から睡眠段階を判定する睡眠段階の判定方法および判定装置であって、被験者の年齢の違いや体調の変動などに影響をうけずに睡眠段階を正確に判定する睡眠段階判定方法および判定装置に関する。
技術背景
個人の健康状態について調べる際に、睡眠をその判定指標とすることが多く、睡眠と健康とが密接に関連していることはよく知られているところである。健康と夜間の睡眠の深さおよびその質が翌日の気分や気力と密接に関連しており、一方精神的なストレスや体調が不良である場合には、眠りの深さや睡眠段階の推移パターンに変化が起こり、快適な睡眠が得られない。
健康な睡眠では、入眠した後にノンレム睡眠段階とレム睡眠段階とが一定の間隔で繰り返し現われるが、体調を崩しているときや、精神的なストレスがかかっているときには、そのリズムが乱れることが知られている。したがって夜間の睡眠中の睡眠段階とその発生パターンを監視することにより、被験者の精神的なストレスや体調の不良を知ることが可能になる。
特に高齢者は、眠りが浅い等の睡眠の不調を訴える人が多く、睡眠の質が問題となる。睡眠の質を知るためには睡眠段階の推移を知ることによって改善する対処法や措置を見いだすことが可能になる。
従来からある睡眠段階を知る方法としては、睡眠ポリソムノグラフ(PSG)を用いる方法が一般的である。PSGを用いる方法では、睡眠中の脳神経系の活動を脳波、表面筋電位、眼球運動等から推定して睡眠に関する多くの情報を得ることができるが、被験者の顔や身体に多くの電極を装着して測定を行うために、自然な睡眠を得ることが困難であり、また慣れるまでに数日から1週間の日時を要する。したがって被験者に与えられる身体的および肉体的な負担は非常に大きなものであり、さらに、この測定は病院等特定の施設と取り扱いに習熟した専門家が実施する必要がある。従って、これに要する費用も多額になる。
このために、PSGは睡眠障害があることが明らかな患者等に使用するのは有効な治療法に成りえても、日常の健康管理に使用することは困難である。
そこで、被験者の日常の健康状態を知るためにPSGを用いずに、簡単に睡眠段階を知る方法を求める声が高い。しかし、いくつか提案されている睡眠段階を知る方法は、年齢による違いや、自律神経成分の個人差の差異等などによって判定基準を変える必要あったり、判定結果が個人差の変動によりばらついたりして、正確性に欠けるという問題があり、実用化されていない。
そこで本発明は、被験者の年齢による違いや、体調の変動などに関係なく安定した睡眠段階の判定が可能な睡眠段階の判定方法および判定装置を提供することを目的とする。
さらに、取扱が容易であり、さらに価格および維持費用の点で日常的に使用可能で、かつ身体的および精神的な負担を被験者にかけることなく被験者の睡眠段階を判定できる方法および装置を提供することを目的としている。
【発明の開示】
本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、生体信号検出手段で検出した信号から抽出した心拍信号及び呼吸信号から自律神経成分の交感神経成分(LF)と副交感神経成分(HF)を算出し、交感神経成分(LF)と副交感神経成分(HF)及びこれらの信号から導出したパラメータを指標信号とし、これらの指標信号の中の少なくとも1つの指標信号の所定時間の平均値m及び分散値sを用いて下記の式から閾値を算出し、この閾値を用いて睡眠段階を判定することを特徴とする睡眠段階判定装置である。
生体信号検出手段で検出した信号から抽出した心拍信号あるいは呼吸信号、並びにこれらの信号から導出したパラメータのうち、少なくも1つの信号を指標信号とし、前記指標信号の所定時間の平均値と分散値とを用いて睡眠段階を判定する閾値を算出し、この閾値を用いて睡眠段階を判定することを特徴とする睡眠段階判定方法である。
前記指標信号の閾値は、前記指標信号の所定時間の平均値と分散値とを用いて算出するものとすることができ、直近の指標信号の統計値を用いるので、被験者の状態に対応した閾値を得ることが可能となり、年齢差や体調の違いによる影響を避けることが可能となる。
請求項1において、前記生体信号検出手段で検出した信号の信号強度値を加えた中から、少なくとも1つの信号を指標信号とすることができる。
請求項2において、前記睡眠段階の各段階の判定には、前記指標信号のうち少なくとも2つ以上の指標信号の判定情報の論理積を用いて判定することができ、これにより判定の信頼性を向上させることができる。
請求項1において指標信号となるパラメータとして前記LF及とHFの比(LF/HF)あるいはその対数値及び式(LF/(HF+LF)あるいはその対数値を用いることができる。
請求項2において、前記信号強度値の信号は、生体信号検出手段で検出した信号をゲインコントロールして得られる係数に反比例するように設定された信号とすることができる。
請求項1において、前記パラメータは、交感神経成分(LF)と副交感神経成分(HF)及びこれらの信号から導出した信号の長時間の移動平均と短時間移動平均の差の信号とすることができる。
請求項1において、前記生体信号検出手段は、圧力検出チューブと圧力検出センサと生体信号抽出手段とから成り、圧力検出センサで検出した圧力変動から生体信号を抽出することができる。
請求項1において、前記生体信号検出手段は、心電計、脈拍計等の心拍信号検出手段と呼吸数あるいは呼吸状態を検出する呼吸状態検出手段であるものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)は本発明の睡眠段階判定方法における睡眠段階を判定する流れを示すブロック図であり、(B)は図1(A)のX−X断面図である。
第2図は、交感神経が優位な場合のパワースペクトル密度を示す説明図である。
第3図は、副交感神経が優位な場合のパワースペクトル密度を示す説明図である。
第4図は、1つの指標信号を用いて睡眠段階を判定するフロー図である。
第5図は、2つの指標信号を用いて睡眠段階を判定するフロー図である。
第6図は、覚醒・レム睡眠段階とノンレム睡眠段階とを判定する判定用のパラメータの処理結果を示すフロー図である。
第7図(A)、(B)は覚醒・レム睡眠段階とノンレム睡眠段階との判定に使用した指標信号の出力グラフである。
第8図は、覚醒・レム睡眠段階とノンレム睡眠段階との判定結果を示すグラフである。
第9図(A)、(B)は覚醒状態とレム睡眠段階との判定に使用した指標信号の出力グラフである。
第10図は、覚醒状態とレム睡眠段階との判定結果を示すグラフである。
第11図(A)、(B)は浅いノンレム睡眠段階と深いノンレム睡眠段階との判定に使用した指標信号の出力グラフである。
第12図は、浅いノンレム睡眠段階と深いノンレム睡眠段階との判定結果を示すグラフである。
第13図(A)、(B)は、本実施の形態の睡眠判定結果と従来の睡眠ポリソムノグラフ(PSG)を用いた方法の結果とを比較したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の実施の形態について図をもって詳細に説明する。
第1図(A)は本発明の実施の形態にかかる睡眠段階を判定する流れを示すブロック図であり、第1図(B)はブロック図に示された生体信号検出手段1を一部断面で示す矢印方向からみた側面図である。
第1図(A)に示す無侵襲センサ1は、睡眠中の被験者の微細な生体信号を検出する生体信号検出手段であり、この生体信号から心拍信号検出手段2および呼吸信号検出手段7においてフィルタ等を介して呼吸信号および心拍信号を抽出する。
無侵襲センサ1は圧力センサ1aと圧力検出チューブ1bとから構成されている。圧力センサ1aは、微小な圧力の変動を検出するセンサであり、本実施の形態では、低周波用のコンデンサマイクロホンタイプを使用するが、これに限るものではなく、適切な分解能とダイナミックレンジを有するものであればよい。
本実施の形態で使用した低周波用のコンデンサマイクロフォンは、一般の音響用マイクロフォンが低周波領域に対して配慮されていないのに引き替え、受圧面の後方にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を大幅に向上させたものであり、圧力検出チューブ1b内の微小圧力変動を検出するのに好適なものである。また、微小な差圧を計測するのに優れており、0.2Paの分解能と約50Paのダイナミックレンジを有し、通常使用されるセラミックを利用した微差圧センサと比較して数倍の性能を持つものであり、生体信号が体表面に通して圧力検出チューブ1bに加えた微小な圧力を検出するのに好適なものである。また周波数特性は0.1Hz 20Hzの間でほぼ平坦な出力値を示し、心拍および呼吸数等の微少な生体信号を検出するのに適している。
圧力検出チューブ1bは、生体信号の圧力変動範囲に対応して内部の圧力が変動するように適度の弾力を有するものを使用する。また圧力変化を適切な応答速度で微差圧センサ1aに伝達するためにチューブの中空部の容積を適切に選ぶ必要がある。圧力検出チューブ1bが適度な弾性と中空部容積を同時に満足できない場合には、圧力検出チューブ1bの中空部に適切な太さの芯線をチューブ長さ全体にわたって装填し、中空部の容積を適切にとることができる。
圧力検出チューブ1bは寝台15上に敷かれた硬質シート16の上に配置され、その上に弾性を有するクッションシート17が敷かれており、圧力検出チューブ1bの上には被験者が横臥する。なお、圧力検出チューブ1bは、クッションシート17などに組み込んだ構成にすることにより、圧力検出チューブ1bの位置を安定させる構造としてもよい。
本実施の形態では、2組の無侵襲センサ1が設けられており、一方が被験者の胸部の部位の生体信号を検出し、他方が被験者の臀部の部位を検出することで、被験者の就寝の姿勢に関わらず生体信号を検出するように構成されている。
無侵襲センサ1によって検出された生体信号は、人の体から発する様々振動が混ざりあった信号でありその中に心拍信号を始めとして呼吸信号や寝返り等の信号が含まれている。そこで、生体信号検出手段によりフィルタや統計処理等の手段を用いて心拍信号や呼吸信号などの生体信号を抽出する。言うまでもなく寝返りの信号も検出することが可能である。
本実施の形態では、心拍信号を無侵襲センサ1の検出信号から抽出したが、これに限るものではなく、例えば、専用の心拍計を装着することや、脈拍を検出することでも心拍信号を得ることが可能であり、マイクや撮像手段を用いることにより呼吸あるいは寝返りの情報を得ることが可能である。
生体信号検出手段1により検出した心拍信号から心拍数検出手段3により心拍数を検出するとともにR−R間隔信号演算手段4により、心拍信号のR波の隣り合うピークの間隔、すなわちR−R間隔信号を検出する。
上述のR−R間隔信号は、心拍信号の強さがピークとなる付近の波形(R波)の間隔を変数とする信号であり、心拍変動解析によく使用される。R−R間隔信号演算手段4において検出されたR−R間隔信号はパワースペクトル密度演算手段5に送られる。
ここでR−R間隔信号のパワースペクトル密度について説明する。
第2図は、交感神経が優位な場合のパワースペクトル密度を示し、第3図は副交感神経が優位な場合のパワースペクトル密度を示している。これから分かるようにパワースペクトル密度は、自律神経系の状態により、異なる様相を示すことが分かる。
すなわち、略0.05〜0.15Hzの帯域と、略0.2〜0.4Hzの帯域に顕著な極大値が現れる。ここで、略0.05〜0.15Hzの低い周波数域側に発現する極大値帯域の積分値信号をLF値信号と呼び、略0.2〜0.4Hzの高い周波数域側に発現する極大値帯域の積分値信号をHF値信号と呼ぶことにする。LF値が大きく、HF値が小さい場合には、交感神経が活発で緊張時であることを示し、LF値が小さくHF値が大きい場合には、副交感神経が活発であることを示している。
睡眠中は心拍数が減少するが、これは緊張時に活発となる交感神経活動が低下し、弛緩時に活発となる副交感神経活動が増加することによるものである。即ち睡眠の深さの状態によりHFおよびLFの値は顕著に変動する。
HF/LF検出手段6は、上記のHFおよびLFの値をパワースペクトル密度から検出する手段であり、HF/LF検出手段6により検出されたHF値およびLF値は、睡眠段階に応じて変動する。このデータが睡眠段階を判定するための判定パラメータ生成手段13に送られる。
呼吸信号検出手段7は、生体信号検出手段から検出した信号から呼吸信号を抽出する手段であり、呼吸数検出手段8で呼吸数を検出し、呼吸間隔信号演算手段9で呼吸間隔を演算してその値を呼吸間隔値信号とする。
呼吸も信号も自律神経系である交感神経系および副交感神経系の影響を顕著にうける信号であり、睡眠段階と密接な相関がある。
次に生体信号の信号強度の処理について説明する。
信号増幅整形部10は、生体信号の主要な周波数帯のみ増幅し、それ以外のノイズに当たる周波数帯を低減させるように増幅回路の特性を設定してあり、さらにバンドパスフィルタ備えてさらにノイズ分を低減させる構成としてもよい。
自動利得制御部11は、信号制御整形部10の出力を所定の信号レベルの範囲に入るように自動的にゲイン制御を行ういわゆるAGC回路であり、この際のゲインの値を信号強度演算部12に出力する。ゲイン制御は、例えば信号のピーク値が上限閾値を超えた場合に出力信号の振幅が小さくなるようにゲインを設定し、ピーク値が下限閾値を下回った場合に振幅が大きくなるようにゲインを設定している。
信号強度演算部12は、自動利得制御部11において生体信号に対して施したゲイン制御の係数から信号の強度を演算する。上述のAGC回路から得られるゲインの値は信号の大きさが大なるときには小さく、また信号の大きさが小なるときは大きく設定されるために、ゲインの値を用いて信号強度を示すには、ゲインの値と反比例するように信号強度を示す関数を設定するようにするのがよい。
一方、無侵襲センサ1の出力値が自動利得制御の上限を超えることが所定時間内に継続して起こる場合には、寝返りなどの体動があったと判断できる。
このように体動などを含めた生体信号の強度は、睡眠状態と密接な関係があると考えられるので、睡眠段階を判定するためのパラメータとして用いている。
判定パラメータ生成手段13においては、心拍信号あるいはHF値信号およびLF値信号を用いて判定に用いるパラメータを演算して求める。判定パラメータとしては、例えば心拍数信号、HF値信号およびLF値信号、HF値信号とLF値信号の比の値の信号などのパラメータを演算により生成する。
睡眠段階判定手段14において、判定パラメータ生成手段13で生成したパラメータを用いて覚醒・レム睡眠とノンレム睡眠との判定、覚醒とレム睡眠との判定及びノンレム睡眠のうち深い睡眠段階と浅い睡眠段階との判定を行うことで睡眠段階を判定する。
ノンレム判定手段においては、ノンレム睡眠状態であるか否かを判定する。すなわち、ノンレム睡眠状態でないことが確認されると、レム睡眠状態かあるいは覚醒状態のいずれかであることが分かる。
レム睡眠判定手段は、ノンレム状態でないことを確認した後に、即ちレム睡眠状態か又は覚醒状態であることを確認した後に、レム睡眠状態か覚醒状態を判定する手段である。
ノンレム睡眠段階は通常第1から第4までの4段階の睡眠段階に分類されており、第1のノンレム睡眠段階が最も浅く、順に深くなり、第4の睡眠段階が最も深い睡眠段階である。ここでは第1および第2の睡眠段階を浅い睡眠段階とし、第3および第4を深い睡眠段階とする。ノンレム睡眠深浅判定手段は、ノンレム睡眠状態であることが確認された後に、浅い睡眠段階かそれとも深い睡眠段階か判定する。
以上の3段階の判定により、覚醒状態、レム睡眠状態、浅いノンレム睡眠状態、深いノンレム睡眠段階の4段階の睡眠段階を判定することができる。
次に指標信号の生成の例としてHF値信号およびLF値信号ついて説明する。
心拍信号検出手段2から送られた心拍信号により、R−R間隔信号演算手段4においてR−R間隔信号を検出する。検出されたR−R間隔信号をフーリエ展開し、R−R間隔信号のパワースペクトル密度を求める。
R−R間隔信号のパワースペクトル密度信号からHF/LF検出手段6によって時々刻々HFおよびLFを検出する。このHFおよびLFを用いて睡眠段階判定に有効な睡眠段階判定用パラメータを生成することができる。
指標信号として使用できるその他のパラメータについて次に説明する。
心拍数信号は心拍数検出手段3により抽出した心拍数をそのまま採用するものであり、交感神経および副交感神経の変化の影響を受けるものである。呼吸数信号についてもまた同様に交感神経および副交感神経の変化の影響を受けるので、睡眠段階を判定する指標信号として採用することが可能である。また、RNLF信号はLF値の値をそのまま取り込んだものである。また、RNLFRはLF値とHF値との比である。さらに、RNLOGはLF/HFで示される値の対数値である。
次に実際の睡眠段階の判定手順について説明する。
第4図は生体信号から導出された指標信号のうち、1つの指標信号を用いて睡眠段階を判定するフロー図である。判定パラメータ生成手段13で生成されたパラメータの一つを指標関数として選択し、睡眠段階判定手段14ではこのフロー図にしたがって判定を行う。
指標信号には、多くの高周波成分すなわち、微細な変動を含むので、所定時間の移動平均処理を施して高周波成分を取り除く。この指標信号が長時間に亙る変動がある場合を考慮して長期の移動平均と短期の移動平均の差をとり、指標信号の純粋な変動値を求める。すなわちこれは、パラメータ信号の長期の変動を補正して純粋な変動分を取り出すためである。この操作に使用する移動平均のデータ数を短期移動平均で500点、長期移動平均で1000点としているがこれに限るものではなく、多数回の実験結果から、パラメータに応じて適切に選択される。
採用した指標信号について睡眠段階を判定する閾値を設定する。このとき、異なる睡眠段階に対しては異なる閾値を設定することになる。
第5図は2つの指標信号を用いて睡眠段階を判定する例を示している。採用する組み合わせについては、睡眠段階に応じて選択することができる。例えば、覚醒・レム睡眠段階とノンレム睡眠とのいずれの睡眠段階かの判定では、指標信号の一つとしてLF値信号を採用すると良好な判定結果が得られる。しかし、これに限るものではなく、他のパラメータを用いても次善の結果を得ることができる。
2つの信号を組み合わせるのは、判定精度をより信頼性の高いものにするための手段であり、使用目的によっては1つのパラメータのみを指標信号としても差し支えない。
第4図および第5図における睡眠段階を判定するための閾値生成は次のようにして行う。指標信号の移動平均処理を行い、指標信号の長期の変動を補正して純粋な変動分を取り出した信号について所定時間のデータの平均mと標準偏差s(分散)を求める。
ついでこの値を用いて、覚醒・レム睡眠状態とノンレム睡眠状態とを判定するために指標信号の差信号を2値化を行うが、閾値は例えば、次にしめす(イ)式で、求める。
α・m+β・s (イ)
ここでmは平均値、sは標準偏差であり、αおよびβは多数回の実験データを用いて、本実施の形態の睡眠段階の判定とPSGによる睡眠段階の判定との一致率が最大になるように最適値計算して定められる。
また、平均値mは算術平均値に限るものではなく、中央値などを用いてもよい。一方ばらつきを示すパラメータとして標準偏差sを用いたが、これに代わるものとして分散などのバラつきを示す値を用いることができる。
(イ)式のαおよびβの定数は、指標として用いるパラメータがどの睡眠段階に用いるかによって異なる。例えば、覚醒・レム睡眠段階とノンレム睡眠段階との判定に用いる場合と、浅いノンレム睡眠と深いノンレム睡眠との判定に用いる場合とでは異なる値となる。
本発明の睡眠段階判定方法および判定装置では、判定に使用するパラメータの閾値を定めるのにパラメータの平均値mおよび標準偏差sを用いるために、被験者の被験時の状態に応じた閾値を採用することになり、個人差や年齢差あるいは、被験者の被験時の状態に影響されない判定を行うことができる。
図6に各睡眠段階の判定を行い、睡眠段階を確定する手順を示す。睡眠段階の判定は、睡眠段階判定手段14において、判定パラメータ生成手段13で生成したパラメータを用いて覚醒・レム睡眠とノンレム睡眠との判定、覚醒とレム睡眠との判定及びノンレム睡眠のうち深い睡眠段階と浅い睡眠段階との判定を行うことで睡眠段階を判定する。すなわち上記の3種類の判定を行うことでいずれの睡眠段階に属するか判定を行う。その手順は、まずノンレム睡眠段階であるか否かの判定を行う。このときノンレム睡眠であるとの判定が出た場合は、ノンレム睡眠のうち浅いノンレム睡眠段階か深いノンレム睡眠段階かの判定を行う。ノンレム睡眠でないと判定された場合には、レム睡眠段階か覚醒状態かの判定を行う。以上の3つの判定ステップにより、各時点での睡眠段階が覚醒段階、レム睡眠段階、浅いノンレム睡眠段階、深い睡眠段階の4つの段階のいずれに当たるか判定することができる。
第7図に覚醒・レム睡眠状態であるかノンレム睡眠であるか判定するための信号として、RNLF信号およびRNLOG信号の測定結果を示す。第7図(A)にはRNLF信号の短期および長期の移動平均をとった後に差分処理したデータが示され、第7図(B)にはRNLOG信号の短期および長期の移動平均をとった後に差分処理した信号が示されている。また(イ)式により算出した閾値も同時に表示されており、この閾値で2値化される。第6図のフロー図でもって説明したように覚醒・レム睡眠状態であるかノンレム睡眠であるか判定は、2つの信号ともにそれぞれの閾値以上である場合であれば、覚醒・レム睡眠状態であると判定する。
第8図は、上記の手順にしたがって覚醒・レム睡眠状態であるかノンレム睡眠であるか判定した結果を、従来の睡眠ポリソムノグラフ(PSG)を用いる方法の結果と一緒に示す。波形が高い位置を示していれば、覚醒・レム睡眠状態であり、波形が低い位置を示していれば、ノンレム睡眠であることを示している。
第9図に覚醒状態であるかレム睡眠であるか判定するためのパラメータ、RNLF信号およびRNLFR信号の測定結果を示す。第9図(A)にはRNLF信号の移動平均処理済みのデータが示され、第9図(B)にはRNLFR信号の移動平均処理済みの信号が示されている。また(イ)式により算出した閾値も同時に表示されており、この閾値で2値化される。第4図の流れ図でもって説明したようにこの閾値を用いて2値化した後に2つの信号の論理積をとり、覚醒状態であるかレム睡眠であるか判定する。第10図に上記の手順にしたがって覚醒状態であるかレム睡眠であるか判定した結果を示す。
第11図に浅いノンレム睡眠であるか深いノンレム睡眠であるか判定するためのパラメータ、RNLF信号およびRNLOG信号の測定結果を示す。第11図(A)にはRNLF信号の短期および長期の移動平均をとった後に差分処理したデータが示され、第11図(B)にはRNLOG信号の短期および長期の移動平均をとった後に差分処理したデータが示されている。また(イ)式により算出した閾値も同時に表示されており、この閾値で2値化される。第6図のフロー図でもって説明したようにこの閾値を用いて2値化した後に2つの信号の論理積をとり、覚醒状態であるかレム睡眠であるか判定する。第12図に上記の手順にしたがって浅いノンレム睡眠であるか深いノンレム睡眠であるか判定した結果を示す。
第13図は、本実施の形態の睡眠段階判定方法および判定装置を用いて判定した上記の3段階の判定を総合し睡眠段階の推移を示すグラフである。同時に従来の睡眠ポリソムノグラフ(PSG)を用いる方法の結果と一緒に示す。
ところで、本発明の睡眠段階判定方法および判定装置は自律神経系の挙動からみた判定方法および判定装置であり、従来の睡眠ポリソムノグラフ(PSG)を用いた従来判定方法および判定装置は主として脳波の挙動を用いた判定方法および判定装置である。脳波は大脳皮質の神経活動でその同調の度合いで各種の睡眠段階に応じて特徴ある波形が出ることを利用して睡眠段階を判定している。一方、本方式の睡眠段階判定方法および判定装置は脳幹の神経活動である自律神経系の挙動から見た睡眠深さの判定であり、自律神経系の挙動は心拍や呼吸に深い影響を与えている。この結果従来の主として脳波を利用した睡眠判定と自律神経系からの睡眠判定は時間的に若干のずれが生ずる。このことから次に説明する判定結果の一致率は、時間的一致率ではなく、1日の睡眠深さ各段階の比率の一致率であることに注意する必要がある。
第13図(A)は覚醒状態、レム睡眠段階、ノンレム睡眠段階の3段階で比較した結果であり、判定結果は従来の睡眠ポリソムノグラフ(PSG)を用いる方法と93.3%の一致率を示している。また、第13図(B)は覚醒状態、レム睡眠段階、浅いノンレム睡眠段階、深いノンレム睡眠段階の4段階で比較した結果であり、判定結果は従来の睡眠ポリソムノグラフ(PSG)を用いる方法と90.3%の一致率を示している。このことから、本発明の睡眠段階判定装置は、実用上問題ない判定精度を有する。
本実施の形態では被験者の生体信号を無侵襲で検出できる検出手段としてチューブと圧力センサを組合せて圧力変動を検出する方法と採ったがこれに限るものではなく、微細な生体信号を検出できる検出手段であればよい。たとえば、心電計、脈拍計等などの身体の一部に装着する検出手段であっても、睡眠を妨げるものでなければ使用することは可能である。
【産業上の利用可能性】
睡眠の状態やその質を知ることにより被験者の日常の健康状態を知るために有効であることはよく知られているが、個人の健康管理の目的に簡単に利用できる睡眠段階の判定方法および判定装置が見当たらないのが現状である。
本発明の睡眠段階判定方法および判定装置は、適切な検出手段を用いて心拍信号を検出し、この心拍信号の出力を演算処理することにより被験者の睡眠段階を判定するものであり、特に心拍信号から検出したR−R間隔信号から求めたパワースペクトル密度は、自律神経の状態を示す良好な指標であるので、睡眠時の睡眠段階の指標に公的であり、高い信頼性を備えている。
また、本発明の睡眠段階判定方法および判定装置は、心拍信号さえ検出できれば睡眠段階を判定することが可能であり、使用にかかる費用および維持に要する費用は低廉であり、日常的に使用するのに好適な睡眠段階判定装置を提供することができる。
【Technical field】
  The present invention relates to a sleep stage determination method and a determination apparatus for determining a sleep stage from a biological signal detected by a biological signal detection means, wherein the sleep stage is determined without being affected by a difference in age of a subject or a change in physical condition. The present invention relates to a sleep stage determination method and a determination apparatus that accurately determine.
Technical background
  When examining an individual's health condition, sleep is often used as a determination index, and it is well known that sleep and health are closely related. If the depth and quality of health and nighttime sleep are closely related to the mood and energy of the next day, while mental stress and physical condition are poor, the transition pattern of sleep depth and sleep stage Change occurs and comfortable sleep is not obtained.
  In healthy sleep, the non-REM sleep stage and the REM sleep stage appear repeatedly at regular intervals after falling asleep, but it is known that the rhythm is disturbed when the patient feels sick or is stressed. It has been. Therefore, it is possible to know the subject's mental stress and poor physical condition by monitoring the sleep stage and its generation pattern during nighttime sleep.
  In particular, many elderly people complain of poor sleep such as light sleep, and the quality of sleep is a problem. In order to know the quality of sleep, it becomes possible to find countermeasures and measures that improve by knowing the transition of the sleep stage.
  As a conventional method for knowing a sleep stage, a method using a sleep polysomnograph (PSG) is generally used. In the method using PSG, the activity of the cranial nervous system during sleep can be estimated from brain waves, surface myoelectric potential, eye movement, etc., but much information about sleep can be obtained, but many electrodes are attached to the face and body of the subject Therefore, it is difficult to obtain natural sleep, and it takes several days to one week before getting used. Therefore, the physical and physical burden imposed on the subject is very large, and this measurement needs to be performed by a specialist who is familiar with specific facilities such as hospitals and handling. Therefore, the cost required for this also becomes large.
  For this reason, PSG is difficult to use for daily health management even if it can be an effective treatment method for patients who have obvious sleep disorders.
  Therefore, there is a high demand for a method for easily knowing the sleep stage without using PSG in order to know the daily health condition of the subject. However, some proposed methods for knowing the sleep stage require changing the judgment criteria due to differences in age, differences in individual differences in autonomic nerve components, etc., and judgment results may vary due to variations in individual differences. However, there is a problem of lack of accuracy, and it has not been put into practical use.
  SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a sleep stage determination method and a determination apparatus that can determine a stable sleep stage regardless of differences in the age of a subject or changes in physical condition.
  Furthermore, the present invention provides a method and an apparatus that are easy to handle, can be used on a daily basis in terms of price and maintenance cost, and can determine the sleep stage of a subject without putting a physical and mental burden on the subject. The purpose is that.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
The present invention was created for the purpose of solving these problems in view of the above circumstances,The autonomic component sympathetic nerve component (LF) and parasympathetic nerve component (HF) are calculated from the heartbeat signal and respiratory signal extracted from the signal detected by the biological signal detection means, and the sympathetic nerve component (LF) and parasympathetic nerve component (HF). ) And parameters derived from these signals are used as index signals, and a threshold value is calculated from the following equation using an average value m and a variance value s of at least one index signal of these index signals for a predetermined time,The sleep stage is determined using this threshold value.Sleep stage determination deviceIt is.
Among the heartbeat signal or respiratory signal extracted from the signal detected by the biological signal detection means, and parameters derived from these signals, at least one signal is used as an index signal,Using an average value and a variance value of the index signal for a predetermined timeA sleep stage determination method characterized by calculating a threshold for determining a sleep stage and determining the sleep stage using the threshold.
The threshold value of the index signal can be calculated using an average value and a variance value of the index signal for a predetermined time, and since the statistical value of the latest index signal is used, the threshold value corresponding to the state of the subject It becomes possible to avoid the influence by the difference in age and physical condition.
In Claim 1, at least 1 signal can be made into an index signal from the signal strength value of the signal detected by the said biological signal detection means.
In Claim 2, in the determination of each stage of the sleep stage, determination can be made by using a logical product of determination information of at least two or more index signals among the index signals, thereby improving the reliability of the determination. Can be improved.
As a parameter serving as an index signal in claim 1The ratio of LF and HF (LF / HF) or its logarithmic value and the formula (LF / (HF + LF) or its logarithmic value can be used.
3. The signal according to claim 2, wherein the signal intensity value signal is obtained by gain control of the signal detected by the biological signal detection means.Signal set to be inversely proportional toIt can be.
Claim 1In the aboveThe parameters are the sympathetic nerve component (LF), the parasympathetic nerve component (HF), and signals derived from these signals.The signal of the difference between the long-time moving average and the short-time moving average can be obtained.
Claim 1The biological signal detection means comprises a pressure detection tube, a pressure detection sensor, and a biological signal extraction means, and can extract a biological signal from pressure fluctuations detected by the pressure detection sensor.
Claim 1The biological signal detecting means may be a heartbeat signal detecting means such as an electrocardiograph or a pulse meter and a respiratory state detecting means for detecting a respiratory rate or a respiratory state.
[Brief description of the drawings]
  FIG. 1 (A) is a block diagram showing a flow of determining a sleep stage in the sleep stage determination method of the present invention, and (B) is an XX cross-sectional view of FIG. 1 (A).
  FIG. 2 is an explanatory diagram showing the power spectral density when the sympathetic nerve is dominant.
  FIG. 3 is an explanatory diagram showing the power spectral density when the parasympathetic nerve is dominant.
  FIG. 4 is a flowchart for determining a sleep stage using one index signal.
  FIG. 5 is a flowchart for determining a sleep stage using two index signals.
  FIG. 6 is a flowchart showing processing results of determination parameters for determining the awake / REM sleep stage and the non-REM sleep stage.
  FIGS. 7A and 7B are output graphs of the index signal used for the determination of the awakening / REM sleep stage and the non-REM sleep stage.
  FIG. 8 is a graph showing the determination results of the awakening / REM sleep stage and the non-REM sleep stage.
  FIGS. 9A and 9B are output graphs of the index signal used for the determination of the awake state and the REM sleep stage.
  FIG. 10 is a graph showing the determination results of the awake state and the REM sleep stage.
  FIGS. 11A and 11B are output graphs of index signals used for the determination of the shallow non-REM sleep stage and the deep non-REM sleep stage.
  FIG. 12 is a graph showing determination results of a shallow non-REM sleep stage and a deep non-REM sleep stage.
  FIGS. 13A and 13B are graphs comparing the sleep determination result of the present embodiment with the result of the method using the conventional sleep polysomnograph (PSG).
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
  FIG. 1 (A) is a block diagram showing a flow for determining a sleep stage according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (B) is a partial cross-sectional view of the biological signal detection means 1 shown in the block diagram. It is the side view seen from the arrow direction shown.
  A non-invasive sensor 1 shown in FIG. 1 (A) is a biological signal detecting means for detecting a minute biological signal of a sleeping subject, and a filter is used in the heartbeat signal detecting means 2 and the respiratory signal detecting means 7 from this biological signal. The respiratory signal and the heartbeat signal are extracted through the above.
  The noninvasive sensor 1 includes a pressure sensor 1a and a pressure detection tube 1b. The pressure sensor 1a is a sensor that detects minute fluctuations in pressure. In this embodiment, a low-frequency condenser microphone type is used. However, the pressure sensor 1a is not limited to this, and has an appropriate resolution and dynamic range. Anything is acceptable.
  The low-frequency condenser microphone used in the present embodiment is replaced with a general acoustic microphone that does not consider the low-frequency region, and a low-frequency region characteristic is provided by providing a chamber behind the pressure-receiving surface. And is suitable for detecting minute pressure fluctuations in the pressure detection tube 1b. In addition, it is excellent for measuring minute differential pressure, has a resolution of 0.2 Pa and a dynamic range of about 50 Pa, and is several times the performance of a fine differential pressure sensor using a ceramic that is normally used. It is suitable for detecting a minute pressure applied to the pressure detection tube 1b through a biological signal through the body surface. The frequency characteristic shows an almost flat output value between 0.1 Hz and 20 Hz, and is suitable for detecting minute biological signals such as heartbeat and respiration rate.
  As the pressure detection tube 1b, a tube having an appropriate elasticity so that the internal pressure fluctuates corresponding to the pressure fluctuation range of the biological signal is used. Further, in order to transmit the pressure change to the fine differential pressure sensor 1a at an appropriate response speed, it is necessary to appropriately select the volume of the hollow portion of the tube. When the pressure detection tube 1b cannot satisfy the appropriate elasticity and the volume of the hollow portion at the same time, the hollow portion of the pressure detection tube 1b is loaded with a core wire having an appropriate thickness over the entire length of the tube, and the volume of the hollow portion is appropriately set. Can take.
  The pressure detection tube 1b is disposed on a hard sheet 16 laid on a bed 15, and a cushion sheet 17 having elasticity is laid on the pressure detection tube 1b. A subject lies on the pressure detection tube 1b. Note that the pressure detection tube 1b may have a structure in which the position of the pressure detection tube 1b is stabilized by being incorporated in the cushion sheet 17 or the like.
  In the present embodiment, two sets of non-invasive sensors 1 are provided, one of which detects a biological signal of a part of the subject's chest and the other of which detects a part of the subject's buttocks, A biological signal is detected regardless of the posture.
  The biological signal detected by the non-invasive sensor 1 is a signal in which various vibrations emitted from a human body are mixed, and includes a heartbeat signal, a respiratory signal, a turn signal, and the like. Therefore, a biological signal such as a heartbeat signal and a respiratory signal is extracted by the biological signal detection means using means such as a filter and statistical processing. Needless to say, it is also possible to detect a turning signal.
  In the present embodiment, the heartbeat signal is extracted from the detection signal of the non-invasive sensor 1. However, the present invention is not limited to this. For example, the heartbeat signal can be obtained by wearing a dedicated heart rate monitor or detecting the pulse. It is possible to obtain information on breathing or turning over by using a microphone or imaging means.
  The heart rate is detected by the heart rate detection unit 3 from the heart rate signal detected by the biological signal detection unit 1 and the R-R interval signal calculation unit 4 detects the interval between adjacent peaks of the R wave of the heart rate signal, that is, the R-R interval. Detect the signal.
  The above-described RR interval signal is a signal having the interval of a waveform (R wave) in the vicinity where the intensity of the heartbeat signal reaches a peak as a variable, and is often used for heartbeat fluctuation analysis. The RR interval signal detected by the RR interval signal calculation means 4 is sent to the power spectrum density calculation means 5.
  Here, the power spectral density of the RR interval signal will be described.
  FIG. 2 shows the power spectral density when the sympathetic nerve is dominant, and FIG. 3 shows the power spectral density when the parasympathetic nerve is dominant. As can be seen, the power spectral density shows different aspects depending on the state of the autonomic nervous system.
  That is, remarkable maximum values appear in a band of about 0.05 to 0.15 Hz and a band of about 0.2 to 0.4 Hz. Here, the integral value signal of the maximum value band that appears on the low frequency range side of about 0.05 to 0.15 Hz is called the LF value signal, and the maximum value that appears on the high frequency range side of about 0.2 to 0.4 Hz. The integrated value signal in the value band is called an HF value signal. When the LF value is large and the HF value is small, it indicates that the sympathetic nerve is active and in tension, and when the LF value is small and the HF value is large, the parasympathetic nerve is active.
  During sleep, the heart rate decreases due to a decrease in sympathetic nerve activity that becomes active during tension and an increase in parasympathetic nerve activity that becomes active during relaxation. That is, the values of HF and LF vary significantly depending on the state of sleep depth.
  The HF / LF detection means 6 is means for detecting the above HF and LF values from the power spectral density, and the HF value and LF value detected by the HF / LF detection means 6 vary depending on the sleep stage. . This data is sent to the determination parameter generation means 13 for determining the sleep stage.
  The respiration signal detection means 7 is a means for extracting a respiration signal from the signal detected by the biological signal detection means. The respiration rate detection means 8 detects the respiration rate and the respiration interval signal calculation means 9 calculates the respiration interval. The value is used as a breath interval value signal.
  Both respiration and signals are signals that are significantly affected by the sympathetic and parasympathetic nervous systems, which are the autonomic nervous system, and have a close correlation with the sleep stage.
  Next, the processing of the signal strength of the biological signal will be described.
  The signal amplification shaping unit 10 amplifies only the main frequency band of the biological signal and sets the characteristics of the amplification circuit so as to reduce the frequency band other than the noise, and further includes a band-pass filter to further reduce noise. It is good also as a structure to reduce.
  The automatic gain control unit 11 is a so-called AGC circuit that automatically performs gain control so that the output of the signal control shaping unit 10 falls within a predetermined signal level range. The gain value at this time is converted into a signal strength calculation unit 12. Output to. For gain control, for example, the gain is set so that the amplitude of the output signal decreases when the peak value of the signal exceeds the upper threshold, and the gain is increased when the peak value falls below the lower threshold. is doing.
  The signal strength calculation unit 12 calculates the signal strength from the gain control coefficient applied to the biological signal in the automatic gain control unit 11. The gain value obtained from the above AGC circuit is set to be small when the signal size is large and large when the signal size is small. It is preferable to set a function indicating the signal intensity so as to be inversely proportional to the gain value.
  On the other hand, when the output value of the non-invasive sensor 1 continuously exceeds the upper limit of the automatic gain control within a predetermined time, it can be determined that there has been a body movement such as turning over.
  As described above, the strength of the biological signal including the body movement is considered to be closely related to the sleep state, and is used as a parameter for determining the sleep stage.
  The determination parameter generation means 13 calculates and uses parameters used for determination using the heartbeat signal or the HF value signal and the LF value signal. As the determination parameter, parameters such as a heart rate signal, an HF value signal and an LF value signal, and a signal of a ratio value of the HF value signal and the LF value signal are generated by calculation.
  In the sleep stage determination means 14, using the parameters generated by the determination parameter generation means 13, determination of wakefulness / REM sleep and non-REM sleep, determination of wakefulness and REM sleep, and deep sleep stage and shallow sleep stage of non-REM sleep The sleep stage is determined by performing the determination.
  In the non-rem determining means, it is determined whether or not the non-REM sleep state. That is, when it is confirmed that the sleep state is not a non-REM sleep state, it is found that the state is either a REM sleep state or an awake state.
  The REM sleep determination means is a means for determining the REM sleep state or the awake state after confirming that it is not in the non-REM state, that is, after confirming the REM sleep state or the awake state.
  The non-REM sleep stage is usually classified into four sleep stages from first to fourth. The first non-REM sleep stage is the shallowest, the deepest in order, and the fourth sleep stage is the deepest sleep stage. Here, the first and second sleep stages are shallow sleep stages, and the third and fourth stages are deep sleep stages. The non-REM sleep depth determination means determines whether the sleep state is shallow or deep after the non-REM sleep state is confirmed.
  With the above three-stage determination, it is possible to determine four stages of sleep, which are an awake state, a REM sleep state, a shallow non-REM sleep state, and a deep non-REM sleep stage.
  Next, an HF value signal and an LF value signal will be described as an example of generation of an index signal.
  Based on the heartbeat signal sent from the heartbeat signal detection means 2, the RR interval signal calculation means 4 detects the RR interval signal. The detected RR interval signal is Fourier expanded to determine the power spectral density of the RR interval signal.
  HF and LF are detected momentarily by the HF / LF detection means 6 from the power spectral density signal of the RR interval signal. Using these HF and LF, a sleep stage determination parameter effective for sleep stage determination can be generated.
  Next, other parameters that can be used as the index signal will be described.
  The heart rate signal employs the heart rate extracted by the heart rate detecting means 3 as it is, and is affected by changes in the sympathetic nerve and the parasympathetic nerve. Similarly, since the respiratory rate signal is also affected by changes in the sympathetic nerve and the parasympathetic nerve, it can be adopted as an index signal for determining the sleep stage. Further, the RNLF signal is obtained by taking the value of the LF value as it is. RNLFR is a ratio between the LF value and the HF value. Furthermore, RNLOG is a logarithmic value of a value indicated by LF / HF.
  Next, an actual sleep stage determination procedure will be described.
  FIG. 4 is a flowchart for determining a sleep stage using one index signal among index signals derived from a biological signal. One of the parameters generated by the determination parameter generation unit 13 is selected as an index function, and the sleep stage determination unit 14 performs determination according to this flowchart.
  Since the index signal includes many high-frequency components, that is, minute fluctuations, a high-frequency component is removed by performing a moving average process for a predetermined time. Considering the case where the index signal has a long-term fluctuation, the difference between the long-term moving average and the short-term moving average is taken to obtain a pure fluctuation value of the index signal. That is, this is to correct the long-term fluctuation of the parameter signal and extract a pure fluctuation. The number of moving average data used for this operation is 500 points for the short-term moving average and 1000 points for the long-term moving average. However, the number of moving average data is not limited to this. .
  A threshold for determining the sleep stage is set for the adopted index signal. At this time, different threshold values are set for different sleep stages.
  FIG. 5 shows an example of determining the sleep stage using two index signals. About the combination to employ | adopt, it can select according to a sleep stage. For example, in the determination of the sleep stage of the awakening / REM sleep stage or the non-REM sleep stage, if an LF value signal is adopted as one of the index signals, a good determination result can be obtained. However, the present invention is not limited to this, and suboptimal results can be obtained using other parameters.
  Combining the two signals is a means for making the determination accuracy more reliable, and depending on the purpose of use, only one parameter may be used as the index signal.
  The threshold value generation for determining the sleep stage in FIGS. 4 and 5 is performed as follows. A moving average process of the index signal is performed, and an average m and standard deviation s (variance) of data for a predetermined time are obtained for a signal obtained by correcting a long-term variation of the index signal and extracting a pure variation.
  Then, using this value, the difference signal of the index signal is binarized in order to determine the wakefulness / REM sleep state and the non-REM sleep state, and the threshold value is obtained by, for example, the following equation (A).
          α ・ m + β ・ s (I)
  Here, m is an average value, s is a standard deviation, and α and β are obtained using a large number of experimental data, and the coincidence rate between the determination of the sleep stage of this embodiment and the determination of the sleep stage by PSG is maximized. It is determined by calculating the optimum value so that
  The average value m is not limited to the arithmetic average value, and a median value or the like may be used. On the other hand, the standard deviation s is used as a parameter indicating variation, but a value indicating variation such as dispersion can be used instead.
  The constants α and β in the formula (a) differ depending on which sleep stage the parameter used as an index is used. For example, different values are used when used for determination of the awakening / REM sleep stage and non-REM sleep stage and when used for determination of shallow non-REM sleep and deep non-REM sleep.
  In the sleep stage determination method and determination apparatus according to the present invention, the threshold value corresponding to the condition at the time of the test of the subject is employed in order to use the parameter average value m and the standard deviation s to determine the parameter threshold value used for the determination. In other words, it is possible to make a determination that is not influenced by individual differences, age differences, or the test subject's state.
  FIG. 6 shows a procedure for determining each sleep stage and determining the sleep stage. In the sleep stage determination, the sleep stage determination means 14 uses the parameters generated by the determination parameter generation means 13 to determine wakefulness / REM sleep and non-REM sleep, wakefulness and REM sleep, and deep sleep among non-REM sleep. The sleep stage is determined by determining the stage and the shallow sleep stage. That is, it is determined which sleep stage it belongs to by performing the above three types of determination. The procedure first determines whether or not it is a non-REM sleep stage. At this time, when it is determined that it is non-REM sleep, it is determined whether the non-REM sleep is a shallow non-REM sleep stage or a deep non-REM sleep stage. When it is determined that it is not non-REM sleep, it is determined whether it is a REM sleep stage or an awake state. With the above three determination steps, it can be determined whether the sleep stage at each time point corresponds to one of the four stages of the awakening stage, the REM sleep stage, the shallow non-REM sleep stage, and the deep sleep stage.
  FIG. 7 shows the measurement results of the RNLF signal and the RNLOG signal as signals for determining whether the wakefulness / REM sleep state or the non-REM sleep state. FIG. 7 (A) shows the data obtained by differential processing after taking the short-term and long-term moving averages of the RNLF signal, and FIG. 7 (B) shows the data after taking the short-term and long-term moving averages of the RNLOG signal. A differentially processed signal is shown. Further, the threshold value calculated by the equation (a) is also displayed at the same time and is binarized by this threshold value. As described with reference to the flowchart of FIG. 6, whether the wakefulness / REM sleep state or the non-REM sleep state is determined is the wakefulness / REM sleep state if both signals are equal to or greater than the respective threshold values. Is determined.
  FIG. 8 shows the result of determining whether it is awake / REM sleep state or non-REM sleep according to the above procedure together with the result of the method using the conventional sleep polysomnograph (PSG). If the waveform indicates a high position, it is an awakening / REM sleep state, and if the waveform indicates a low position, it indicates non-REM sleep.
  FIG. 9 shows the parameters for determining whether the patient is awake or REM sleep, and the measurement results of the RNLF signal and the RNLFR signal. FIG. 9A shows data that has been subjected to the moving average processing of the RNLF signal, and FIG. 9B shows a signal that has been subjected to the moving average processing of the RNLFR signal. Further, the threshold value calculated by the equation (a) is also displayed at the same time, and binarized by this threshold value. As described with reference to the flowchart of FIG. 4, binarization is performed using this threshold value, and the logical product of the two signals is taken to determine whether the person is awake or REM sleep. FIG. 10 shows the result of determining whether the patient is awake or REM sleep according to the above procedure.
  FIG. 11 shows the parameters for determining whether the sleep is shallow non-REM sleep or deep non-REM sleep, and the measurement results of the RNLF signal and the RNLOG signal. FIG. 11 (A) shows the difference-processed data after taking the short-term and long-term moving averages of the RNLF signal, and FIG. 11 (B) shows the data after taking the short-term and long-term moving averages of the RNLOG signal. The differentially processed data is shown. Further, the threshold value calculated by the equation (a) is also displayed at the same time and is binarized by this threshold value. As described with reference to the flowchart of FIG. 6, after binarization using this threshold value, the logical product of the two signals is taken to determine whether the person is awake or REM sleep. FIG. 12 shows the result of determining whether it is shallow non-REM sleep or deep non-REM sleep according to the above procedure.
  FIG. 13 is a graph showing the transition of the sleep stage by integrating the above three-stage determinations determined using the sleep stage determination method and determination apparatus of the present embodiment. At the same time, the results are shown together with the results of a method using a conventional sleep polysomnograph (PSG).
  By the way, the sleep stage determination method and determination apparatus according to the present invention are a determination method and determination apparatus from the viewpoint of the behavior of the autonomic nervous system. It is the determination method and determination apparatus used. The electroencephalogram determines the sleep stage using the neural activity of the cerebral cortex and the fact that a characteristic waveform appears according to various sleep stages depending on the degree of synchronization. On the other hand, the sleep stage determination method and determination device of this method is the determination of sleep depth from the viewpoint of the behavior of the autonomic nervous system, which is the brainstem nerve activity. The behavior of the autonomic nervous system has a profound effect on heart rate and respiration Yes. As a result, the conventional sleep determination mainly using an electroencephalogram and the sleep determination from the autonomic nervous system are slightly different in time. Therefore, it should be noted that the coincidence rate of the determination results described below is not the temporal coincidence rate, but the coincidence rate of the ratios of the sleep depth stages of the day.
  FIG. 13 (A) shows the result of comparison between the awake state, the REM sleep stage, and the non-REM sleep stage, and the determination result shows a 93.3% agreement rate with the method using the conventional sleep polysomnograph (PSG). ing. FIG. 13B is a result of comparison in four stages of awake state, REM sleep stage, shallow non-REM sleep stage, and deep non-REM sleep stage, and the determination result is a method using a conventional sleep polysomnograph (PSG) and 90. .3% match rate. For this reason, the sleep stage determination apparatus of the present invention has a determination accuracy with no practical problem.
  In this embodiment, the detection method capable of detecting a biological signal of a subject non-invasively is adopted as a method of detecting pressure fluctuation by combining a tube and a pressure sensor. However, the present invention is not limited to this. Any means may be used. For example, detection means attached to a part of the body such as an electrocardiograph and a pulse meter can be used as long as they do not disturb sleep.
[Industrial applicability]
  It is well known that it is effective to know the daily health status of the subject by knowing the sleep status and its quality, but it can be easily used for the purpose of personal health management. The current situation is that no device is found.
  The sleep stage determination method and determination apparatus of the present invention detect a heartbeat signal by using an appropriate detection means, and determine the sleep stage of the subject by calculating the output of the heartbeat signal. Since the power spectral density obtained from the RR interval signal detected from the above is a good index indicating the state of the autonomic nerve, it is public as a sleep stage index during sleep and has high reliability.
  Further, the sleep stage determination method and determination apparatus of the present invention can determine the sleep stage as long as even a heartbeat signal can be detected, and the cost for use and the cost for maintenance are low and are used on a daily basis. It is possible to provide a suitable sleep stage determination apparatus.

Claims (8)

生体信号検出手段で検出した信号から抽出した心拍信号及び呼吸信号から自律神経成分の交感神経成分(LF)と副交感神経成分(HF)を算出し、
交感神経成分(LF)と副交感神経成分(HF)及びこれらの信号から導出したパラメータを指標信号とし、
これらの指標信号の中の少なくとも1つの指標信号の所定時間の平均値m及び分散値sを用いて下記の式から閾値を算出し、
この閾値を用いて睡眠段階を判定することを特徴とする睡眠段階判定装置。
閾値=α・m+β・s
ただし、α及びβは睡眠段階に応じて定められる係数である。
Calculating the sympathetic nerve component (LF) and the parasympathetic nerve component (HF) of the autonomic nerve component from the heartbeat signal and the respiratory signal extracted from the signal detected by the biological signal detection means;
The sympathetic nerve component (LF) and the parasympathetic nerve component (HF) and parameters derived from these signals are used as index signals,
A threshold value is calculated from the following equation using an average value m and a variance value s of a predetermined time of at least one of these indicator signals:
A sleep stage determination apparatus characterized by determining a sleep stage using this threshold value.
Threshold = α · m + β · s
However, α and β are coefficients determined according to the sleep stage.
前記生体信号検出手段で検出した信号の信号強度値を加えた中から、少なくとも1つの信号を指標信号とすることを特徴とする請求項1記載の睡眠段階判定装置。The sleep stage determination device according to claim 1, wherein at least one signal is used as an index signal from among signal intensity values of signals detected by the biological signal detection means. 前記睡眠段階の各段階の判定には、前記指標信号のうち少なくとも2つ以上の指標信号の判定情報の論理積を用いて判定することを特徴とする請求項2記載の睡眠段階判定装置The sleep stage determination device according to claim 2, wherein the determination of each stage of the sleep stage is performed using a logical product of determination information of at least two or more index signals among the index signals. 前記パラメータは前記LF及とHFの比(LF/HF)あるいはその対数値及び式(LF/(HF+LF)あるいはその対数値の少なくとも1つであることを特徴とする請求項1記載の睡眠段階判定装置。2. The sleep stage determination according to claim 1, wherein the parameter is at least one of the ratio of LF and HF (LF / HF) or a logarithmic value thereof and an expression (LF / (HF + LF) or a logarithmic value thereof. apparatus. 前記パラメータは、交感神経成分(LF)と副交感神経成分(HF)及びこれらの信号から導出した信号の長時間の移動平均と短時間移動平均の差の信号であることを特徴とする請求項1記載の睡眠段階判定装置。The parameter claim 1, characterized in that a signal of the difference between the long moving average and a short moving average of the derived signal sympathetic component and (LF) from the parasympathetic component (HF) and these signals The sleep stage determination device described. 前記信号強度値の信号は、生体信号検出手段で検出した信号をゲインコントロールして得られる係数に反比例するように設定された信号であることを特徴とする請求項2記載の睡眠段階判定装置。 3. The sleep stage determination apparatus according to claim 2, wherein the signal intensity value signal is a signal set to be inversely proportional to a coefficient obtained by gain control of the signal detected by the biological signal detection means. 前記生体信号検出手段は、圧力検出チューブと圧力検出センサと生体信号抽出手段とから成り、圧力検出センサで検出した圧力変動から生体信号を抽出することを特徴とする請求項1記載の睡眠段階判定装置。The sleep stage determination according to claim 1, wherein the biological signal detection means includes a pressure detection tube, a pressure detection sensor, and a biological signal extraction means, and extracts a biological signal from pressure fluctuation detected by the pressure detection sensor. apparatus. 前記生体信号検出手段は、心電計、脈拍計等の心拍信号検出手段と呼吸数あるいは呼吸状態を検出する呼吸状態検出手段であることを特徴とする請求項1記載の睡眠段階判定装置。2. The sleep stage determination device according to claim 1, wherein the biological signal detection means is a heart rate signal detection means such as an electrocardiograph or a pulse meter and a respiratory state detection means for detecting a respiratory rate or a respiratory state.
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