УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СНА С ФУНКЦИЕЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМФОРТНОГО ПРОБУЖДЕНИЯ

Устройство для контроля сна с функцией обеспечения комфортного пробуждения
Полезная модель относится к электронной технике и специализированным устройствам вычислительной техники и может быть использована для создания устройств, обеспечивающих контроль параметров, характеризующих сон человека, и определение на этой основе времени комфортного пробуждения. Предложенное техническое решение представляет собой специализированное устройство электронной и вычислительной техники, содержащее элементы (блоки) и связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в ограниченном пространстве с возможностью выполнения в едином корпусе.
Известно, что сон здорового человека представляет собой чередование так называемых фаз "медленного" и "быстрого" сна (REM-фазы сна), которые повторяются в течение сна здорового человека от 4 до 6 раз. Экспериментально подтверждено, что именно REM-фаза является наиболее благоприятной для пробуждения. Для обеспечения комфортных условий сна актуальной является задача разработки технических средств, предназначенных для определения непосредственно в процессе сна человека благоприятной для пробуждения фазы в предварительно установленный интервал времени с возможностью управления средствами пробуждения, генерирующими звуковой или иной сигнал, по которому человек просыпается.
Δ
Δ
i
i
Известен способ и соответствующее ему устройство определения фазы сна человека, благоприятной для пробуждения [RU 2522400, C1, А61В 5/08, А61В 5/103, А61В 8/02, 10.072014], характеризующиеся тем, что во время сна с помощью датчика пульсовой волны и по меньшей мере одного датчика движения, закрепленных на теле человека, регистрируют сигнал пульсовой волны и наличие движений конечностей человека, на основе сигнала пульсовой волны определяют значения RR-интервалов и частоту дыхания, а о наступлении и окончании фазы сна, благоприятной для пробуждения, судят по приращению функции F(t), значения которой определяют за заданные интервалы времени t, где i -порядковый номер интервала времени, как:
Δ
i
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
F(t)=-KP-KP-KP+KP+KP+KP,
1
i
Δ
где: Р - среднее значение RR-интервалов за интервал времени t;
2
i
Δ
Р- минимальное значение RR-интервалов за интервал времени t;
3
i
Δ
Р - максимальное значение RR-интервалов за интервал времени t;
4
Р - среднеквадратичное отклонение RR-интервалов за предшествующий интервал времени от 3 мин до 20 мин;
5
i
Δ
Р - среднее значение частоты дыхания за интервал времени t;
6
Р - среднее число движений конечностей человека за предшествующий интервал времени от 0,5 мин до 10 мин;
1
6
1
6
i
Δ
K-K весовые коэффициенты, характеризующие вклад соответствующего параметра P -Р в значение функции F(t).
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В этом способе для параметра Р, измеренного в мс, значение весового коэффициента K выбирают в диапазоне от 0,6 мс до 3 мс, для параметра Р, измеренного в мс, значение весового коэффициента K выбирают в диапазоне от 0,1 мс до 0,7 мс, для параметра Р, измеренного в мс, значение весового коэффициента K выбирают в диапазоне от 0,01 мс до 0,3 мс, для параметра Р, измеренного в мс, значение весового коэффициента K выбирают в диапазоне от 0,5 мс до 3 мс, для параметра Р, измеренного в мин, значение весового коэффициента K выбирают в диапазоне от 1 мин до 10 мин, а для параметра Р значение весового коэффициента K выбирают в диапазоне от 5 до 50.
Определение благоприятной для пробуждения фазы сна реализуется в подобных устройствах с помощью двух датчиков: датчика пульсовой волны и датчика, способного реагировать на движение руки или ноги, - датчика движения, например акселерометра. Датчики могут быть установлены на теле человека отдельно друг от друга. Например, датчик движения может быть закреплен на руке или ноге, а датчик пульсовой волны - на запястье или предплечье. В качестве датчиков пульсовой волны могут быть использованы пьезоэлектрический, тензометрический или оптический датчики.
Во время сна человека на основе зарегистрированного сигнала пульсовой волны определяют значения RR-интервалов и частоту дыхания. Поскольку сигнал пульсовой волны представляет собой периодический сигнал, меняющийся синхронно с сердечными сокращениями, то временные интервалы между любой характерной точкой пульсограммы (например, пиковое значение сигнала или его производной) в точности соответствуют RR-интервалам. Сигнал пульсовой волны, помимо упомянутых периодических изменений, соответствующих динамике кровенаполнения за каждый сердечный цикл, включает низкочастотную составляющую, соответствующую дыхательному циклу. Инструментальные методы определения частоты дыхания, основанные на низкочастотной фильтрации дыхательной составляющей сигнала пульсовой волны, также хорошо известны специалистам.
Недостатком способа и соответствующего ему устройства, является крайне ограниченная область применения, поскольку предполагает использование датчиков, размещаемых на теле спящего человека, а также относительно низкая точность, вызванная субъективным характером выбора весовых коэффициентов из широкого диапазона рекомендуемых значений.
Известно также устройство для настройки типа сна [RU 2340365, С2, А61М 21/00, 10.12.2008], содержащее монитор физиологической характеристики, генератор сенсорного стимула, процессор, функционально связанный с монитором физиологической характеристики и генератором сенсорного стимула, причем, процессор предназначен для приема входящего сигнала от монитора физиологической характеристики, указывающего первую стадию сна спящего, и обеспечения выходного сигнала для генератора сенсорного стимула, чтобы вызвать генерирование генератором сенсорного стимула, по меньшей мере, первого сенсорного стимула в ответ на входной сигнал, принятый от монитора физиологической характеристики, для навязывания спящему ритма сна и для изменения первого сенсорного стимула для перевода спящего из первой стадии сна во вторую стадию сна, при этом, монитор физиологической характеристики предназначен для мониторинга, по меньшей мере, одной физиологической характеристики спящего, которая содержит по меньшей мере один показатель, выбранный из группы, состоящей из частоты сердечных сокращений, артериального давления, типа волн мозга, мышечного напряжения, движения глаз, дыхания, температуры тела, кровотока, уровня кислорода крови, биохимии крови, усилия при дыхании, положения тела и движения тела.
Недостатком этого устройства является относительно высокая сложность, исключающая возможность массового производства, а также относительно узкая область применения, поскольку может быть использована для навязывания типа сна и не позволяет определить и реализовать комфортные условия пробуждения человека.
Кроме того, известно устройство «Withings Aura смарт-система для сна», http://medgadgets.ru/shop/withings-aura-smart-sistema-dlja-sna-umnyj-bidil-nik.html, 07.01.2014], содержащее последовательно соединенные блок регистрации данных от датчиков, выполненный с возможностью приема и регистрации сигналов от датчика движения спящего человека, датчика дыхания спящего человека, датчика частоты сердечного ритма спящего человека, а также датчиков звука, температуру и уровня освещенности в спальном помещении, блок обработки данных и блок формирования сигналов пробуждения.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, поскольку, сигнал пробуждения человека формируется исключительно на основе данных, полученных в период сна человека, и при этом не учитываются социально-бытовые условия, в соответствии с которыми, как правило, имеются требования к возможному периоду пробуждения, связанному с графиком работы, учебы и семейных обстоятельств. Все это снижает точность работы устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является устройство [US 7248915, 01.09.2005], содержащее последовательно соединенные блок регистрации данных от датчиков, выполненный с возможностью приема и регистрации сигналов от датчика дыхательного цикла и датчика движения спящего человека, блок обработки данных, блок формирования сигнала пробуждения, блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом блока обработки данных, а выход соединен с входом блока формирования сигналов пробуждения, и блок задания минимального и максимального времени пробуждения, выход которого соединен со вторым входом блок сравнения.
Недостатком этого устройства является относительно низкая точность, поскольку решение о возникновении фазы «быстрого» сна и формирование сигнала для включения средств пробуждения производится только на основе данных от датчиков, выполненных с возможностью приема и регистрации сигналов от датчика дыхательного цикла и датчика движения спящего человека. При этом не учитывается сигнал от датчиков движений нижних конечностей спящего человека и особенности формирования сигналов датчиков в различные фазы сна. Это снижает точность работы устройства и может привести к ошибочному срабатыванию.
Задача, которая решается в предложенной полезной модели, заключается в разработке устройства, удобного для применения и обладающего высокой точностью работы за счет возможности учета при формировании сигнала пробуждения не только данных, полученных от датчиков, выполненных с возможностью приема и регистрации сигналов от датчика дыхательного цикла и датчика движения спящего человека, но и от датчиков движений нижних конечностей спящего человека с учетом особенностей формирования сигналов этих датчиков в различные фазы сна.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности работы устройства.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее последовательно соединенные блок регистрации данных от датчиков и блок обработки данных, а также блок формирования сигналов пробуждения, блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом блока обработки данных, а выход соединен с входом блока формирования сигналов пробуждения, и блок задания минимального и максимального времени пробуждения, выход которого соединен со вторым входом блока сравнения, при этом, блок регистрации данных от датчиков выполнен с возможностью приема и регистрации сигналов от датчика дыхательного цикла спящего человека, согласно полезной модели, блок регистрации данных от датчиков выполнен с возможностью приема и регистрации сигналов от движений нижних конечностей спящего человека, а блок обработки данных выполнен с возможностью сравнения с определенными предварительно признаками фазы медленного сна по дыхательному циклу и с признаками фазы медленного сна по динамике движений нижних конечностей и при условии их заметного отличия фиксации возникновении фазы «быстрого» сна и формирования предварительного сигнала для включения средств пробуждения.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, блок задания минимального и максимального времени пробуждения оснащен модулем беспроводной связи Bluetooth с возможностью обеспечения ввода уставок с внешних мобильных устройств с приложениями на базе iOS или Android.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства для контроля сна с функцией обеспечения комфортного пробуждения;
на фиг. 2 - пример применения устройства для контроля сна с функцией обеспечения комфортного пробуждения совместно с матрасом и с датчиками, размещенными в матрасе.
Устройство для контроля сна с функцией обеспечения комфортного пробуждения (фиг. 1) содержит последовательно соединенные блок 1 регистрации данных от датчиков, который выполнен с возможностью приема и регистрации сигналов от датчика дыхательного цикла спящего человека и датчика движений нижних конечностей спящего человека, и блок 2 обработки данных, а также блок 3 формирования сигналов пробуждения.
Кроме того, устройство для контроля сна с функцией обеспечения комфортного пробуждения содержит блок 4 сравнения, первый вход которого соединен с выходом блока 2 обработки данных, а выход соединен с входом блока 3 формирования сигналов пробуждения, а также блок 5 задания минимального и максимального времени пробуждения, выход которого соединен со вторым входом блока 4 сравнения.
Блок 5 задания минимального и максимального времени пробуждения может быть оснащен модулем беспроводной связи Bluetooth с возможностью обеспечения ввода уставок с внешних мобильных устройств с приложениями на базе iOS или Android.
На фиг. 2 показан пример использования на практике заявленного устройства для контроля сна с функцией обеспечения комфортного пробуждения, где представлено изображение комплексного устройства, в котором заявленное устройство является одним из элементов (блок 9) под своим заявленным названием, а остальные элементы - матрас и датчики, не входят в заявленное устройство и служат для пояснения использования заявленного устройства.
На фиг. 2 представлены матрас 6 с внешней оболочкой, например, в виде наматрасника или слоя внутреннего материала матраса, под которой размещены датчик 7 дыхательного цикла спящего человека, размещенный в верхней части матраса 6 в области нахождения грудной клетки спящего человека, датчик 8 движений нижних конечностей спящего человека, размещенный в нижней части матраса 6 в области нахождения ног спящего человека, и устройство 9 для контроля сна с функцией обеспечения комфортного пробуждения, которое может быть размещено или в матрасе 6 или возле него.
Блок 2 обработки данных может быть выполнен в виде программируемого специализированного вычислительного средства, основные функции которого детально описаны ниже, что позволяет произвести его программирование (настройку) и внести необходимые уставки.
Датчик 7 дыхательного цикла спящего человека может быть выполнен в виде чувствительного к изменению давления пьезоэлектрического датчика, тензометрического датчика или чувствительного к внешнему воздействию резистора (sensitive resistor), сигнал на выходе которого с помощью фильтра нижних частот выделяет низкочастотную составляющую, характеризующую дыхательный цикл спящего человека.
Аналогичным образом может быть изготовлен и датчик 8 движений нижних конечностей спящего человека, т.е в виде либо пьезоэлектрического датчика, либо тензометрического датчика, либо чувствительного к внешнему воздействию резистора (sensitive resistor), сигнал на выходе которого с помощью фильтра нижних частот выделяет низкочастотную составляющую, характеризующую динамику движений нижних конечностей спящего человека.
Блок 3 формирования сигналов пробуждения могут быть выполнены в виде звукового генератора, вибратора или иного удобного для пробуждения человека устройства.
Блок 4 сравнения является стандартным элементом электронной и вычислительной техники, а блок 5 задания минимального и максимального времени пробуждения и блок 1 регистрации данных от датчиков могут быть выполнены в виде блоков оперативной памяти.
Работает устройство для контроля сна с функцией обеспечения комфортного пробуждения следующим образом.
Предполагается, что блок 1 регистрации данных выполнен с возможностью приема и регистрации сигналов от датчика 7 дыхательного цикла спящего человека и датчика 8 движений нижних конечностей спящего человека, которые могут быть размещены в матрасе 6 с внешней оболочкой, например, в виде наматрасника или слоя внутреннего материала матраса, под которой размещены датчик 7 дыхательного цикла спящего человека, размещенный в верхней части матраса 6 в области нахождения грудной клетки спящего человека, и датчик 8 движений нижних конечностей спящего человека, размещенный в нижней части матраса 6 в области нахождения ног спящего человека.
В память блока 5 задания минимального и максимального времени пробуждения вводится уставка минимального и максимального времени пробуждения, в пределах которого определяется фаза сна, которая является комфортной для пробуждения, что обеспечивает включение блока 3 формирования сигналов пробуждения.
Кроме того, в блок 2 обработки данных вводится уставка момента времени, начиная с которого определяются фазы сна, который, как правило, не относится к началу засыпания, но и не является близким к минимальному времени пробуждения исходя из того, что число смен фаз сна происходит в течение сна 4-6 раз.
Датчик 7 дыхательного цикла формирует картину дыхания спящего человека и подает формируемый сигнал в блок 1 регистрации данных от датчиков, в котором производится усреднение сигнала по фазам медленного сна (т.е. отсекаются высокочастотные составляющие сигнала в низкочастотной части спектра дыхательного цикла), что позволяет сформировать признаки фазы медленного сна по дыхательному циклу. Аналогично используется и сигнал датчика 8 движений нижних конечностей, что позволяет сформировать признаки фазы медленного сна по динамике движений нижних конечностей.
В блоке 2 обработки данных сигналы от датчика 3 дыхательного цикла и от датчика 4 движений нижних конечностей сравниваются с определенными предварительно признаками фазы медленного сна по дыхательному циклу и с признаками фазы медленного сна по динамике движений нижних конечностей.
Если текущие сигналы от этих одновременно заметно отличаются от них, например, увеличивается частота дыхательного цикла и частота и динамика движений нижних конечностей, то блок 2 обработки данных условно принимает решение о возникновении фазы «быстрого» сна и формирует предварительный сигнал для включения средств пробуждения. Этот предварительный сигнал сравнивается в блоке 4 сравнения с минимальным и максимальным временем пробуждения. Если предварительный сигнал входит в интервал между минимальным и максимальным временем пробуждения, то на выходе блока 4 сравнения формируется сигнал логической единицы, по которому включаются средства пробуждения блока 3. Это обеспечивает пробуждение спящего человека в комфортной фазе «быстрого» сна.
Если в пределах уставок между минимальным и максимальным временем пробуждения фаза «быстрого» сна не наступает, то одним из возможных исходов является включение средств пробуждения по уставке максимального времени.
Перенастройка уставок в блоке 5 может происходить с использованием внешних мобильных устройств с приложениями на базе операционных систем iOS или Android, для чего блок 5 управления оснащается модулем беспроводной связи Bluetooth.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности его работы за счет обеспечения возможности учета при формировании сигнала пробуждения не только данных, полученных от датчиков, выполненных с возможностью приема и регистрации сигналов от датчика дыхательного цикла и датчика движения спящего человека, но и от датчиков движений нижних конечностей спящего человека с учетом особенностей формирования сигналов этих датчиков в различные фазы сна.