СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИРКАДНОГО РИТМА СУБЪЕКТА
METHOD OF DETERMINING CHARACTERISTICS OF CIRCADIAN RHYTHM OF SUBJECT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к способу определения характеристики циркадного ритма субъекта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Документ "Scale-invariant Aspects of Cardiac Dynamics Across Sleep Stages and Circadian Phases", Plamen Ch. Invanov, 2006, содержит описание измерения входного сигнала, показывающего сердечную функцию субъекта, и определения характеристики полученного периодического выходного сигнала.
Документ WO-А-98/46128 содержит описание измерения первого входного сигнала, показывающего сердечную функцию субъекта, и второго входного сигнала, показывающего активность субъекта, для сравнения обоих сигналов по характеру изменения, чтобы подавить эффект шумов.
Документ WO-А-2007/143535 содержит описание способа контроля физиологических признаков, например сердечной функции и двигательной функции, и комбинирования упомянутых признаков в математической модели.
Факт наличия суточных изменений сердечно-сосудистой и метаболической функции общеизвестен. Однако только недавно показано, что сердечно-сосудистые и метаболические процессы испытывают влияние не только поведенческого цикла сна/бодрствования, но, частично, непосредственно регулируются центральным водителем циркадного ритма. Данная связь между центральным водителем циркадного ритма и минутным сердечным выбросом предполагает, что последний можно использовать для надежного вывода параметров колебаний первого, например амплитуды и акрофазы, т.е. времени максимума колебаний. Эти параметры имеют важные применения для улучшения сна и повышения физической и умственной производительности человека.
Знание фазы циркадного цикла человека помогает оптимизировать время небольших воздействий, которые позволяют сдвинуть циркадный ритм. Такой сдвиг циркадных ритмов полезен для лечения нарушения суточного ритма организма, облегчения адаптации сменных рабочих к графикам с работами в ночную смену и приведения людей с такими нарушениями сна, как синдром задержки фазы сна или синдром опережения фазы сна, к более нормальной временной диаграмме их режимов сна/бодрствования. Оптимизация циркадной фазы человека позволяет скорректировать биоритм человека таким образом, чтобы максимальные внимательность и производительность имели место в требуемое время. От решения данной задачи можно ожидать улучшений для повседневной жизни, повышения производительности труда, спортивных результатов и т.п.
Главное преимущество использования минутного сердечного выброса в качестве средства для оценки динамических характеристик центрального водителя циркадного ритма состоит в том, что минутный сердечный выброс можно надежно измерять с использованием датчиков, не занимающих много места. Данные, которые упомянутые датчики формируют, можно использовать для сбора сигналов, которые содержат небольшие эндогенные циркадные изменения. При условии небольшой амплитуды упомянутых изменений они часто маскируются влиянием конкурирующих процессов, например влиянием физического или нервно-психического напряжения на активность сердца. Многие из упомянутых маскирующих эффектов создают возмущения, которые легко отфильтровать, так как данные эффекты вводят частотные составляющие за пределами нормального циркадного диапазона. Однако другие маскирующие эффекты также являются циркадными по своему характеру и нуждаются в более сложных способах фильтрации. Недавние исследования подсказали, что циркадная модуляция активности сердца испытывает влияние предыдущих периодов бодрствования. Цикл сна/бодрствования следует циркадному циклу, который влияет на активность сердца в диапазоне частот, аналогичном диапазону частот центрального водителя циркадного ритма.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В связи с вышеизложенным целью настоящего изобретения является создание способа определения характеристики циркадного ритма субъекта, что позволяет получить оценку параметров колебаний центрального водителя циркадного ритма посредством анализа сердечной функции субъекта, исключения маскирующих эффектов эндогенного циркадного ритма, присутствующего в сердечной функции.
Данная цель достигается с помощью способа, содержащего признаки п.1 формулы изобретения.
В соответствии с упомянутым способом измеряют первый входной сигнал, который связан с сердечной функцией субъекта, в течение некоторого периода времени. Кроме того, измеряют второй входной сигнал, который показывает физиологическую активность субъекта, в течение периода времени, накладывающегося на упомянутый первый период времени, в течение которого измеряют первый входной сигнал.
Первый входной сигнал и второй входной сигнал комбинируют для получения в результате периодического выходного сигнала, представляющего циркадный ритм субъекта. Из данного выходного сигнала выводят требуемую характеристику циркадного ритма.
Концепция комбинирования первого входного сигнала и второго входного сигнала состоит в том, что последний содержит информацию об эффектах, которые маскируют информацию об эндогенном циркадном ритме, которая присутствует в первом сигнале. Комбинирование позволяет исключать нежелательные характеристики из первого входного сигнала (представляющего сердечную функцию), так что параметры колебаний, описывающие динамические характеристики циркадного ритма, можно вывести непосредственно из периодического выходного сигнала.
Комбинирование первого входного сигнала и второго входного сигнала можно выполнять методами авторегрессии, обесцвечивания, анализа независимых компонент или (нелинейного) анализа главных компонент, что приводит к улучшенному представлению циркадного ритма периодическим выходным сигналом. Затем упомянутый более информативный сигнал можно использовать для вывода оценки параметров колебаний, например, применение метода гармонической регрессии.
В то время как первый входной сигнал может быть любым признаком сердечной функции, второй сигнал может быть представлен физиологическими, поведенческими данными от субъекта, которые обеспечивают показание предыдущего периода бодрствования субъекта, например данными регистрируемой на запястье активности, журналами регистрации сна, ответами на вопросы опросного листа, температурой кожи, интенсивностью света и т.п., в течение периода времени, который совмещен с периодом времени, в течение которого измеряют сердечную функцию.
В предпочтительном варианте подлежащая определению характеристика циркадного ритма является акрофазой периодического выходного сигнала.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, упомянутая характеристика является амплитудой выходного периодического сигнала.
В другом предпочтительном варианте первый входной сигнал и второй входной сигнал получают посредством выборки для получения в результате ряда значений первого входного сигнала и значений второго входного сигнала, соответственно, и ряд значений выходного сигнала вычисляют из полученных выборкой значений первого входного сигнала и значений второго входного сигнала.
В данном варианте осуществления первый и второй входные сигналы являются дискретными значениями входных сигналов, полученными посредством выборки параметров сердечной функции и контролем активности субъекта, соответственно. Данный подход дает в результате первый набор значений первого входного сигнала и второй набор значений второго входного сигнала. Из данных наборов можно вывести набор значений выходного сигнала, например, решением системы уравнений, которая содержит значения первого и второго входных сигналов в качестве входных переменных, для получения значений выходного сигнала в качестве решений.
В предпочтительном варианте периодический выходной сигнал выводят из вычисленного ряда значений выходного сигнала методом регрессионного анализа.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения ряд значений выходного сигнала вычисляют из значений первого входного сигнала и значений второго входного сигнала в соответствии с моделью авторегрессионного скользящего среднего (ARMAX), при этом значения первого входного сигнала и значения второго входного сигнала служат экзогенными входными данными.
Модели авторегрессионного скользящего среднего широко известны в области обработки сигналов, при обработке автокоррелированных данных временных рядов. Модель состоит из двух частей, а именно авторегрессионной части и части скользящего среднего. Математической основой модели является система линейных уравнений, задающих зависимость между двумя временными рядами, представленными в настоящем случае значениями первого входного сигнала и значениями второго входного сигнала. Решение упомянутой системы линейных уравнений дает в результате последовательность значений выходного сигнала, представляющую циркадный ритм субъекта.
В предпочтительном варианте, значения первого входного сигнала и значения второго входного сигнала получают посредством выборки с частотой выше 1 Гц.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, значения первого входного сигнала или значения второго входного сигнала получают посредством выборки из значений исходного сигнала с первой частотой, при этом упомянутые значения исходного сигнала получают посредством выборки со второй частотой, превышающей первую частоту.
На практике вышеизложенное означает, что один из временных рядов, представленных значениями первого входного сигнала или значениями второго входного сигнала, получают посредством выборки из значений исходного (необработанного) сигнала, которые, в свою очередь, получают посредством выборки измеряемого параметра с относительно высокой частотой. Только в одном примере значения исходного сигнала являются исходными значениями, получаемыми посредством выборки параметра сердечной деятельности с частотой 512 Гц. Упомянутые значения исходного сигнала невозможно вычислять непосредственно вместе со вторым временным рядом значений второго входного сигнала, которые получают посредством выборки с частотой 60 Гц. Поэтому отсчеты значений исходного сигнала отбирают со сравнительно низкой частотой 60 Гц, чтобы получить значения первого входного сигнала, которые затем можно комбинировать со значениями второго входного сигнала, например, с помощью вышеупомянутой модели ARMAX.
В предпочтительном варианте первый входной сигнал является интервалом между ударами сердца (IBI) субъекта.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, значения исходного сигнала ЭКГ (электрокардиограммы) получают посредством выборки исходного сигнала ЭКГ со второй частотой 512 Гц, сигнал IBI (интервала между ударами сердца) выводят из полученных значений сигнала ЭКГ, и значения сигнала IBI, представляющие значения первого входного сигнала, получают посредством выборки выведенного сигнала IBI с первой частотой 60 Гц.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения второй входной сигнал является сигналом активности субъекта, регистрируемой на запястье.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления второй входной сигнал является сигналом, показывающим интенсивность света, действующего на субъект.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенные и другие аспекты изобретения наглядно поясняются в дальнейшем на примере нижеописанных вариантов осуществления.
Единственная фигура на чертежах является блок-схемой последовательности операций для иллюстрации одного варианта осуществления способа для определения характеристики циркадного ритма субъекта в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В способе, представленном блок-схемой последовательности операций на фигуре, с субъекта 10 снимают физиологические сигналы. Сигналы ЭКГ получают подходящим датчиком, встроенным в носимое устройство ЭКГ в форме обвязочного ремня или подобного приспособления. Значения исходного сигнала ЭКГ получают посредством выборки с частотой 512 Гц (этап 12). Выборку отсчетов производят в течение предварительно заданного периода T времени, чтобы получить в результате набор значений исходного сигнала ЭКГ. Вторые дополнительные физиологические данные собирают с субъекта 10 посредством другого подходящего датчика. Упомянутые вторые данные показывают физиологическую активность субъекта 10 в течение периода времени, накладывающегося на вышеупомянутый период T времени выборки исходного сигнала ЭКГ. Упомянутую выборку сигнала, связанного с активностью, выполняют со сниженной частотой 60 Гц (этап 14). Подходящий датчик может быть встроен в браслет или подобное приспособление, для измерения сигнала активности на запястье субъекта 10. Следует отметить, что упомянутые вторые физиологические данные, которые показывают активность субъекта 10, могут быть также другими данными, основанными на журналах регистрации сна, температуре кожи, интенсивности света и т.п. Предполагается, что упомянутые данные содержат информацию о предыдущем периоде бодрствования субъекта 10. В дальнейшем будет показано, что упомянутые данные можно комбинировать с данными, связанными с сердечной функцией субъекта 10, для исключения маскирующих эффектов из сигналов сердечной функции, с получением, в результате, сигнальной функции, представляющей циркадную активность субъекта 10.
Из исходных сигналов ЭКГ выводят сигнал IBI (интервала между ударами сердца) посредством вычисления интервалов зубцов R-R. На этапе 16 из полученного сигнала IBI дополнительно отбирают отсчеты с частотой 60 Гц. Результатом этапа 16 является набор значений первого входного сигнала, зависящих от интервала между ударами сердца (IBI) субъекта 10 в интервале T времени. С другой стороны, результатом этапа 14 является набор из такого же числа значений второго входного сигнала, показывающих активность субъекта 10 в течение периода времени, накладывающегося на период T времени. Из первого и второго сигналов удаляют тренды для исключения составляющих нулевых частот.
n
n
n
n
n
n
n
n
n
На следующем этапе 18 значения первого входного сигнала и значения второго входного сигнала математически комбинируют с помощью модели авторегрессионного скользящего среднего (ARMAX), в которой значения первого входного сигнала и значения второго входного сигнала представляют экзогенные входные данные. Пусть x представляют значения второго входного сигнала и x' представляют значения первого входного сигнала, тогда в рамках модели ARMAX можно вычислить последовательность y значений выходного сигнала, представляющих линейную функцию от x и x'. Данная функция y является расширенным представлением циркадного ритма, содержащим информацию об акрофазе циркадного ритма. Значение y для любого n может быть вычислено по x, x' посредством линейной комбинации предшествующих значений.
n
n
n
При более подробном рассмотрении, значения x и x' первого и второго входных сигналов можно комбинировать для получения расширенного представления y циркадного ритма посредством следующей линейной модели:
<img file="00000001.tif" he="12" wi="49" img-content="undefined" img-format="tif" />
(1)
n
n-1
n
где n является неотрицательным целым числом, q означает оператор сдвига назад, т.е. qy=y, w означает процесс гауссова белого шума со средним значением 0 и стандартным отклонением σ, и A(q), B(q) и C(q) являются многочленами, заданными следующим образом:
A(q)=1+a<sub>1</sub>q+a<sub>2</sub>q<sup>2</sup>+…+a<sub>r</sub>q<sup>r</sup>
(2)
<img file="00000002.tif" he="16" wi="62" img-content="undefined" img-format="tif" />
(3)
C(q)=1+c<sub>1</sub>q+c<sub>2</sub>q<sup>2</sup>+…+c<sub>u</sub>q<sup>u</sup>
(4)
1
2
i
ij
i
n
T
В приведенных выражениях, значения r, [s s], u, a b, c и σ являются заданными постоянными модели. Затем расширенное представление y ритма подвергают регрессионному косинор-анализу (этап 20) вида:
μ+αcos(2πnΔt+Φ)
(5)
Регрессия коэффициента ϕ является требуемой оценочной функцией циркадного ритма.
Коэффициент ϕ представляет акрофазу, т.е. время максимума колебаний функции циркадного ритма, которую можно вывести из структуры вышеприведенного уравнения (5) (этап 22). После вывода коэффициента ϕ его можно применить для регулирования времени воздействия светом, которое позволяет сдвигать циркадный ритм субъекта 10 и помогает оптимизировать время циркадной активности. Например, ближе ко времени, в которое внутренняя температура тела является минимальной (приблизительно за два часа перед самопроизвольным пробуждением в нерабочий день), воздействия светом дают больший эффект, и применяемые длительности воздействия могут быть короче.
n
Следует отметить, что коэффициент ϕ, представляющий акрофазу функции циркадного ритма, является всего лишь одним примером характеристики циркадного ритма, представленного периодическим выходным сигналом x. Например, амплитуда данного сигнала может быть другой характеристикой, которую можно использовать для управления воздействия светом с целью оптимизации циркадной фазы субъекта 10. В общем, в качестве первого входного сигнала можно воспользоваться другой сердечной функцией, кроме интервала между ударами сердца (IBI) субъекта 10, а для представления активности субъекта 10 можно воспользоваться другим вторым входным сигналом, отличающимся от сигнала регистрируемой на запястье активности, как уже упоминалось выше.
Выше изобретение представлено на чертежах и подробно описано в вышеприведенном описании, однако, приведенные изображение и описание следует считать наглядными и примерными, а не ограничивающими; настоящее изобретение не ограничено приведенными вариантами осуществления. В процессе практического внедрения заявленного изобретения специалистами в данной области техники, после изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения, могут быть созданы и внесены другие изменения вышеописанных вариантов осуществления. В формуле изобретения формулировка «содержащий» не исключает других элементов или этапов, и признак единственного числа не исключает множественного цикла. Очевидное обстоятельство, что некоторые признаки упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что в подходящих случаях нельзя использовать сочетание упомянутых признаков. Никакие позиции в формуле изобретения нельзя истолковывать в смысле ограничения объема изобретения.