СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗЫ СНА ЧЕЛОВЕКА, БЛАГОПРИЯТНОЙ ДЛЯ ПРОБУЖДЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING HUMAN SLEEP PHASE FAVOURABLE TO AWAKENING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области измерений параметров состояния человека для диагностических целей, в частности к измерениям параметров, характеризующих сон человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, сон здорового человека представляет собой чередование так называемых фаз "медленного" и "быстрого" сна. Фазу "быстрого" сна называют также REM-фазой сна или REM-сном (Rapid Eye Movement). Различные фазы сна повторяются в течение сна здорового человека несколько раз (обычно от 4 до 6 раз). Экспериментально выяснено, что именно REM-фаза является наиболее благоприятной для пробуждения фазой сна. В то же время, большинство людей просыпается либо по звонку будильника, установленного на определенное время, либо в результате воздействия иных - случайных факторов, и это вовсе не означает, что пробуждение человека совпадет с благоприятной для этого фазой сна. Соответственно, для обеспечения более комфортных условий жизни человека актуальной является задача разработки простых, малогабаритных, не создающих неудобств при использовании технических средств, предназначенных для определения благоприятной для пробуждения фазы сна с возможностью управления средствами пробуждения, генерирующими звуковой или иной сигнал, по которому человек просыпается.
Известны различные способы определения фаз сна человека, в том числе фазы сна, благоприятной для его пробуждения.
Медицинскими исследованиями установлено, что различные фазы сна достаточно уверенно определяются путем регистрации различных биоэлектрических сигналов, например, по электроэнцефалограмме, отражающей биоэлектрическую активность мозга, электромиограмме, отражающей мышечную активность, или электроокулограмме, характеризующей изменения биопотенциалов во время движения глаз. Однако указанные методы применимы в условиях медицинских учреждений со специально подготовленным персоналом и не могут быть использованы в обычных условиях жизни человека. Кроме того, на сон влияют многочисленные факторы внутреннего и внешнего характера, и даже у одного человека течение сна может проходить по-разному. Поэтому благоприятная для пробуждения фаза сна должна определяться для конкретного человека с учетом его текущего психофизиологического состояния и условий сна.
Известны различные способы и устройства, предназначенные для пробуждения человека во время благоприятной для этого фазы сна, которые основаны на текущих измерениях физиологических параметров спящего человека.
Так, в патенте RU 2061406 описан способ пробуждения человека в фиксированную фазу сна. Во время сна с помощью датчиков регистрируют электроэнцефалограмму, по которой определяют REM-фазу сна, с которой синхронизируют пробуждающий сигнал в заданный интервал времени пробуждения. REM-фаза сна, по мнению авторов, характеризуется на электроэнцефалограмме десинхронизацией с появлением бета-ритма в диапазоне от 18 Гц до 32 Гц и низкоамплитудной смешанной активностью с присутствием тета-ритма.
В заявке US 20110230790 описаны способ и устройство, предназначенные для пробуждения человека в требуемую фазу сна с учетом заданного самого позднего времени пробуждения, а также для определения лучшего времени отхода ко сну. Выявление REM-фазы сна производят по двигательной активности, регистрируемой акселерометром, закрепленным на ноге или руке человека.
В заявке US 20050190065 описан способ пробуждения человека в наилучший для этого момент времени с учетом фазы сна. Индикаторами REM-фазы, по мнению авторов, являются: рост кровотока сердца; плохое регулирование температуры тела (может расти или снижаться в зависимости от температуры окружающей среды); сужение сосудов и снижение кровотока в них, что может быть измерено периферийным артериальным тонометром; меняющиеся и высокие значения частоты сердечных сокращений, артериального давления и частоты дыхания.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ пробуждения человека в оптимальный для этого момент времени с учетом заданного времени и определенной фазы сна, описанный в патенте DE 4209336. REM-фаза сна определяется путем измерения пульса, частоты дыхания, температуры тела или головы, регистрации движения глаз, движений тела. Устройство, реализующее способ, может быть выполнено наподобие нарукавной повязки, ушных клипс, нагрудной повязки и т.д.
Анализ указанных известных технических решений показывает, что они либо не обеспечивают достаточную надежность определения начала и окончания REM-фазы сна, либо создают осуществленные неудобства спящему человеку за счет значительного числа закрепленных на нем датчиков.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание простого и надежного способа определения благоприятной для пробуждения человека фазы сна - REM-фазы, при осуществлении которого могли бы быть использованы технические средства, легко закрепляемые на человеке и не мешающие ему во время сна.
i
i
В соответствии с настоящим изобретением способ определения фазы сна человека, благоприятной для пробуждения, характеризуется тем, что во время сна с помощью датчика пульсовой волны и по меньшей мере одного датчика движения, закрепленных на теле человека, регистрируют соответственно 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(Δt), значения которой определяют за заданные интервалы времени Δt, где i - порядковый номер интервала времени, как:
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>5</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>P</mi><mn>6</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
i
где P - среднее значение RR-интервалов за интервал времени Δt;
2
i
Р - минимальное значение RR-интервалов за интервал времени Δt;
3
i
P - максимальное значение RR-интервалов за интервал времени Δt;
4
Р - среднеквадратичное отклонение RR-интервалов за предшествующий интервал времени от 3 мин до 20 мин;
5
i
Р - среднее значение частоты дыхания за интервал времени Δt;
6
Р - среднее число регистрируемых движений конечностей человека за предшествующий интервал времени от 0,5 мин до 10 мин;
1
6
1
6
i
К-К - весовые коэффициенты, характеризующие вклад соответствующего параметра Р-Р в значение функции F(Δt).
1
6
1
6
i
Надежность и однозначность оценки определения фазы сна, благоприятной для пробуждения, определяется тем, что выбранные параметры Р-P являются информативными, что установлено экспериментально изобретателями, и в совокупности позволяют надежно определять наступление и окончание REM-фазы сна. С другой стороны, все эти параметры определяются на основе только регистрации сигнала пульсовой волны и движений конечностей человека, что позволяет закреплять на теле человека датчики, которые не мешают ему во время сна. Важным является также то, что выбранные параметры входят в уравнение (1) с определенными весами -коэффициентами К-K, которые также могут быть определены экспериментально, в том числе для конкретного человека, что позволяет получать значения функции F(Δt), надежно определяющие наступление и окончание благоприятной для пробуждения человека фазы сна.
4
Границы интервала времени, за который определяют значение параметра Р (среднеквадратичное отклонение RR-интервалов), установлены экспериментально:
если данный интервал времени меньше 3 мин, то недопустимо возрастает вероятность так называемой ошибки первого рода ("ложная тревога"),
если данный интервал времени больше 20 мин, то недопустимо возрастает вероятность так называемой ошибки второго рода ("пропуск цели").
4
Предпочтительно интервал времени, за который определяют значение параметра Р, выбирать в диапазоне от 4 мин до 6 мин.
6
Границы интервала времени, за который определяют значение параметра Р,
(среднее значение частоты дыхания), также установлены экспериментально:
если данный интервал времени меньше 0,5 мин, то недопустимо возрастает вероятность ошибки первого рода,
если данный интервал времени больше 10 мин, то недопустимо возрастает вероятность ошибки второго рода.
6
Предпочтительно интервал времени, за который определяют значение параметра P, выбирать в диапазоне от 4 мин до 6 мин.
В частности, для здоровых людей экспериментально определены следующие значения весовых коэффициентов:
1
1
-1
-1
-1
-1
для параметра P, измеренного в мс, значение весового коэффициента К может быть выбрано в диапазоне от 0,6 мс до 3 мс, преимущественно от 0,9 мс до 1,05 мс;
2
2
-1
-1
-1
-1
для параметра Р, измеренного в мс, значение весового коэффициента К может быть выбрано в диапазоне от 0,1 мс до 0,7 мс, преимущественно от 0,1 мс до 0,2 мс;
3
3
-1
-1
-1
-1
для параметра Р, измеренного в мс, значение весового коэффициента К может быть выбрано в диапазоне от 0,01 мс до 0,3 мс, преимущественно от 0,02 мс до 0,05 мс;
4
4
-1
-1
-1
-1
для параметра Р, измеренного в мс, значение весового коэффициента К может быть выбрано в диапазоне от 0,5 мс до 3 мс, преимущественно от 1,3 мс до 1,5 мс;
5
5
-1
для параметра P, измеренного в мин, значение весового коэффициента К может быть выбрано в диапазоне от 1 мин до 10 мин, преимущественно от 1,5 мин до 2,3 мин;
6
6
для параметра Р, значение весового коэффициента К может быть выбрано в диапазоне от 5 до 50, преимущественно от 18 до 24.
В частных случаях реализации способа в качестве датчика пульсовой волны может быть использован пьезоэлектрический датчик, тензодатчик или оптический датчик, закрепляемый на запястье или предплечье, а в качестве датчика движения может быть использован акселерометр, закрепляемый на руке или ноге.
i
i
i
Интервалы времени Δt могут быть выбраны в диапазоне от 1 мин до 6 мин. В частности, о наступлении фазы сна, благоприятной для пробуждения, судят, если приращение функции F(Δt) за время Δt превышает заданное первое пороговое значение.
i
i
В частности, об окончании фазы сна, благоприятной для пробуждения, судят, если приращение функции F(Δt) за время Δt меньше второго заданного порогового значения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
i
i
i
Фиг.1 иллюстрирует пример определения REM-фазы сна для одного из испытуемых (8VAV), при этом на Фиг.1а показан график функции F(Δt) одной из зафиксированных REM-фаз сна, а на Фиг.1b показан график ΔF(Δt) - приращения функции F(Δt), показанной на Фиг.1а.
i
На Фиг.2 приведен график функции F(Δt,) за время всего сна для того же испытуемого (8VAV), чей сон проиллюстрирован на Фиг.1, при этом окружностью выделен фрагмент графика, более детально представленный на Фиг.1а.
i
На Фиг.3 приведен график функции F(Δt) за время всего сна для другого испытуемого (7ESA).
i
На Фиг.4 приведен график функции F(Δt) за время всего сна для другого испытуемого (3SOR).
На Фиг.5 и Фиг.6 схематично показана конструкция примерного портативного устройства в виде наручного браслета с датчиками, предназначенного для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, при этом на Фиг.5 устройство показано с внутренней стороны, прилегающей к руке, а на Фиг.6 устройство показано с внешней стороны - со стороны индикатора.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ определения благоприятной для пробуждения человека фазы сна может быть реализован 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. Предпочтительно использовать оптический или фотоплетизмографический датчик, чувствительный к кровенаполнению сосудов участка тела. Более удобно для пользователя, если оба датчика - датчик пульсовой волны и датчик движения - помещены в единое устройство, например, как это показано на Фиг.5 и Фиг.6, выполненное в виде браслета 1, надеваемого на запястье.
Как показано на Фиг.5, на внутренней стороне браслета 1 размещен датчик пульсовой волны 2, выполненный, например, на основе пьезоэлемента. Для обеспечения надежного контакта с зоной запястья, в которой регистрируется сигнал пульсовой волны, датчиков пульсовой волны может быть несколько. Браслет 1 (см. Фиг.6) может иметь индикатор 3, на котором отображаются начальные установки и режим работы устройства. Устройство может также подавать сигнал для пробуждения в благоприятную для этого фазу сна, например, с помощью вибратора (на фигурах не показан), вмонтированного в браслет 1. Внутри браслета 1 также может быть размещен акселерометр (не показан) для фиксации движений руки человека во сне. Датчик пульсовой волны 2 и акселерометр соединены с измерительным блоком браслета 1, в котором выполняется регистрация сигнала пульсовой волны и сигнала с акселерометра. Обработка зарегистрированных сигналов производится в вычислительном блоке, который может быть размещен вместе с измерительным блоком в браслете 1 или выполнен в виде отдельного устройства, размещаемого на человеке, или носимого им, и в который сигналы от измерительного блока передаются по радиоканалу или другим способом.
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. Инструментальные методы определения частоты сердечных сокращений или RR-интервалов по сигналу пульсовой волны хорошо известны специалистам. Также известно, что 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.
i
Затем, используя полученные данные (значения RR-интервалов и частоту дыхания), периодически за установленные интервалы времени Δt, определяют следующие параметры:
1
P - среднее значение RR-интервалов;
2
Р - минимальное значение RR-интервалов;
3
P - максимальное значение RR-интервалов;
5
Р - среднее значение частоты дыхания.
i
Интервал времени Δt, за который определяют указанные параметры, выбирают в диапазоне от 1 мин до 6 мин. Здесь i - порядковый номер i-го интервала времени.
4
Кроме того, определяют параметр Р как среднеквадратичное отклонение RR-интервалов за предшествующий интервал времени от 3 мин до 20 мин, преимущественно от 4 мин до 6 мин.
6
Еще одним параметром для итогового определения REM-фазы сна служит Р - среднее число движений конечностей человека за предшествующий интервал времени от 0,5 мин до 10 мин, преимущественно от 4 мин до 6 мин. Поскольку информативным для определения REM-фазы сна является сам факт двигательной активности, то все зафиксированные акселерометром движения конечностей за 10 секунд считались как одно движение.
i
Далее определяют значение функции F(Δt) как:
i
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
F(Δt)=-KP-KP-KP+KP+KP+KP,
1
6
1
6
i
где К-K - весовые коэффициенты, характеризующие вклад соответствующего параметра Р-Р в значение функции F(Δt).
1
6
Ниже в Таблице 1 приведены диапазоны значений весовых коэффициентов К-K, а также их оптимальное значение.
Таблица 1
Значения весовых коэффициентов
Параметры, размерность
Весовые коэффициенты
Обозначение
Значения весовых коэффициентов
мин.
макс.
оптимальный
Р<sub>1</sub>, мс
K<sub>1</sub>
0,6 мс<sup>-1</sup>
3 мс<sup>-1</sup>
1 мс<sup>-1</sup>
Р<sub>2</sub>, мс
К<sub>2</sub>
0,1 мс<sup>-1</sup>
0,7 мс<sup>-1</sup>
0,14 мс<sup>-1</sup>
Р<sub>3</sub>, мс
K<sub>3</sub>
0,01 мс<sup>-1</sup>
0,3 мс<sup>-1</sup>
0,03 мс<sup>-1</sup>
Р<sub>4</sub>, мс
К<sub>4</sub>
0,5 мс<sup>-1</sup>
3 мс<sup>-1</sup>
1,4 мс<sup>-1</sup>
Р<sub>5</sub>, мин<sup>-1</sup>
k<sub>5</sub>
1 мин
10 мин
2 мин
Р<sub>6</sub>
К<sub>6</sub>
5
50
22
1
6
1
6
1
6
i
Информативные параметры Р-Р были установлены, а их весовые коэффициенты K-К были получены экспериментально для здоровых людей на основе полисомнографических исследований в клинических условиях. В качестве контрольного для определения REM-фазы сна использовали статистически достоверные методы, принятые в медицинской практике и описанные, например, в статье "Полисонмография" (http://www.zonasna.ru/serv002.html). Весовые коэффициенты K-К подбирались так, чтобы значения функции F(Δt) в REM-фазе и в NREM-фазе (не REM-фазе сна) максимально отличались друг от друга.
i
i
i
i
i-1
О наступлении или окончании REM-фазы сна судят по приращению ΔF(Δt) функции F(Δt) за время Δt. Если разница между текущим значением функции F(Δt) и ее предыдущим значением функции F(Δt) превышает заданное первое пороговое значение, то фиксируют наступление REM-фазы сна. Если указанная разница меньше заданного второго порогового значения, то фиксируют окончание REM-фазы сна.
i
i
1
6
i
На Фиг.1-Фиг.4 приведены примеры функции F(Δt), полученной во время сна для разных испытуемых. В процессе исследований для вычисления значений функции F(Δt) выбирались оптимальные значения весовых коэффициентов К-К, представленные в Таблице 1. На Фиг.1-Фиг.4 для наглядности показана сглаженная форма функции F(Δt).
i
i
1
2
При проведении испытаний способа дискретность измерения сигналов акселерометра и датчика пульсовой волны составляла 0,1 с. Все зафиксированные движения конечностей в течение 10 с считались как одно движение и усреднялись за время 5 мин. Значения функции F(Δt) вычислялись каждую минуту, то есть значение Δt выбиралось равным 1 мин для каждого i-го интервала времени. Первое пороговое значение L выбиралось в диапазоне от 20 до 30, а второе пороговое значение Lвыбиралось в диапазоне от -30 до -20.
i
i
i
На Фиг.1а показан фрагмент функции F(Δt), включающий одну из REM-фаз, зарегистрированных во время сна одного из испытуемых (8VAV). Видно, что на 202 минуте сна значение функции F(Δt) резко увеличивается, что свидетельствует о наступлении REM-фазы сна, а на 210 минуте сна значение функции F(Δt) резко уменьшается, что свидетельствует об окончании REM-фазы сна.
i
i
i
1
2
На Фиг.1b показан график приращения ΔF(Δt) функции F(Δt), показанной на Фиг.1а. Видно, что значение приращения ΔF(Δt) при наступлении REM-фазы сна заметно превышает первое пороговое значение L, а при прекращении REM-фазы сна заметно ниже второго порогового значения L.
1
6
i
i
В Таблице 2 этот пример, проиллюстрированный Фиг.1, представлен в виде значений параметров Р -Р, а также значений функции F(Δt) и ее приращения ΔF(Δt). В таблице 2 также жирным шрифтом отмечены строки значений параметров, соответствующих наступлению и окончанию REM-фазы сна испытуемого.
Таблица 2
Время сна, в мин
P<sub>1</sub>, мс
P<sub>2</sub>, мс
Р<sub>3</sub>, мс
P<sub>4</sub>, мс
P<sub>5</sub>, мин
Число движений
Р<sub>6</sub> за 5 мин
F(Δt<sub>i</sub>)
ΔF(Δt<sub>i</sub>)
185
92
1201
1422
-
14
0
-
-
186
1273
1200
1421
-
15
1
-
-
187
1272
1199
1420
-
15
0
-
-
188
1272
1198
1418
-
15
0
-
-
189
1272
1199
1418
92
15
0
0,2
-1319
190
1274
1198
1419
92
15
0
0,2
-1321
-1,9
191
1273
1201
1419
94
14
0
0
-1324
-3,0
192
1272
1202
1421
92
14
0
0
-1326
-2,0
193
1272
1200
1422
92
14
0
0
-1326
0,3
194
1271
1202
1421
92
14
0
0
-1325
0,8
195
1272
1201
1421
92
14
0
0
-1326
-0,9
196
1272
1202
1422
92
15
0
0
-1324
1,8
197
1272
1202
1420
93
15
0
0
-1323
1,5
198
1271
1198
1422
92
15
0
0
-1323
0,1
199
1272
1199
1421
92
15
0
0
-1324
-1,1
200
1272
1200
1418
92
15
0
0
-1324
0,0
201
1273
1197
1418
92
16
0
0
-1322
1,4
202
1206
1015
1290
89
18
0
0
-1226
96,1
203
1207
1011
1290
88
19
0
0
-1226
0,2
204
1207
1012
1290
89
19
0
0
-1225
1,3
205
1208
1012
1290
89
19
0
0
-1226
-1,0
206
1207
1010
1290
90
18
0
0
-1225
0,7
207
1207
1012
1290
89
19
0
0
-1225
0,3
208
1206
1013
1290
88
19
0
0
-1225
-0,5
209
1207
1012
1290
89
19
0
0
-1225
0,5
210
1367
1290
1500
97
14
1
0,2
-1424
-199,6
211
1369
1300
1505
98
16
0
0,2
-1422
1,9
212
1369
1290
1501
99
15
0
0,2
-1421
0,9
213
1367
1290
1498
100
14
0
0,2
-1420
1,5
214
1367
1285
1498
99
13
0
0,2
-1422
-2,7
215
1367
1290
1500
100
15
0
0
-1422
0,2
i
i
На Фиг.2 приведен график функции F(Δt) за время всего сна для того же испытуемого (8VAV). Из значений функции F(Δt) видно, что в течение сна испытуемый имел четыре REM-фазы.
i
На Фиг.3 показан график функции F(Δt) для другого испытуемого (7ESA). Из графика видно, что за время сна было зафиксировано также четыре REM-фазы, благоприятных для пробуждения. На последней REM-фазе испытуемый самостоятельно проснулся.
REM-фаз сна может быть как больше, так и меньше. Например, на Фиг.4 показано, что испытуемый (3SOR) за время сна имел три REM-фазы.
i
Из графика также видно, что различные REM-фазы в течение сна характеризуются разными абсолютными значениями функции F(Δt) и только по ее приращению можно надежно судить о наступлении и окончании REM-фазы сна.
i
Проведенная серия испытаний показала, что способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет определить 73 из 76 REM-фаз сна у 20 испытуемых, что свидетельствует о высокой достоверности определения благоприятной для пробуждения человека фазы сна. При этом выбор параметров функции F(Δt) определялся также задачей использования минимального числа датчиков, удобно закрепляемых на запястье и обеспечивающих комфортные условия для человека.