一種基于腦電信號的睡眠檢測及睡眠輔助方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及輔助睡眠研究的技術領域，特別設及一種基于腦電信號的睡眠檢測及 睡眠輔助方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 睡眠是一種非常重要的生理活動。通過睡眠活動，人體可W消除疲勞恢復體力，可 W提高自身免疫力、提高脾臟和骨髓的造血能力，可W保持大腦清晰和反應敏捷。睡眠質量 的好壞直接影響了人的健康、學習、生活W及工作。然而，現(xiàn)代人的生活節(jié)奏日益加快，承受 著工作和生活上越來越大的壓力，各種睡眠疾病的發(fā)病率也隨之增加。其中，失眠是最常見 的一種睡眠疾病。長期的睡眠不足容易造成人精神狀態(tài)不佳、注意力不集中，還可能引發(fā)焦 慮、抑郁等屯、理疾病。
[0003]自從德國精神病學家伯格(Berger)于1924年第一次記錄頭皮腦電信號W來，腦電 信號就被用于大腦活動的研究。睡眠研究是大腦活動研究中最重要的課題之一。1968年， Rechtschaffen A和Kales A提出了人體睡眠情況分為S個階段:清醒狀態(tài)、非快速眼動狀 態(tài)和快速眼動狀態(tài)。實驗人員通過多導睡眠圖（PoIysomnogram，PSG)記錄儀記錄腦電圖 (Electroencephalogram,EEG)、眼動圖（Electrooculogram)EOG)和肌電圖 化lec1:;romyogram，EMG)，然后由專家依據(jù)美國睡眠醫(yī)學會（American Academy of Sleep M e d i C i n e，A A SM)制定的規(guī)則分析出睡眠結構和睡眠質量。
[0004] 然而，對于一個睡眠輔助系統(tǒng)而言，入睡之前的睡眠分析中才是核屯、任務。因為如 果輔助系統(tǒng)一直工作，就會在人體進入睡眠狀態(tài)之后變成了睡眠干擾。另外，由于清醒到睡 眠狀態(tài)的過渡時間較短，所W和睡眠分期（Sleep Stage Scoring)相比，入睡開始檢測 (Sleep Onset Detection)對檢測算法的靈敏性和精確性有更高的要求，在難度上也高于 睡眠分期。目前，關于入睡開始檢測的研究還比較少，現(xiàn)有的算法可分為規(guī)則主導和模式識 別主導的分析方法。前者對信號幅度、均值、峭度、頻率功率等指標設定闊值，原理簡單，但 是實際操作很繁瑣。后者先提取EEG波形特征，然后轉化為分類問題，雖然在個體上可W取 得較高準確率，但是不同個體需要分別獨立訓練得到不同模型，在通用性上有很大的局限 性。
[0005] 在睡眠輔助手段上，有針灸療法、催眠療法等專業(yè)醫(yī)學治療W及按摩療法、音樂療 法，環(huán)境溫度調節(jié)等自主輔助睡眠手段。由于醫(yī)療資源有限，所W使用成本較高，而自主輔 助的方法不但成本低，使用起來還特別方便，適合用于長期修復睡眠結構。關于音樂和睡眠 質量的關系在科學研究上還沒有確切的結論，但是屯、理研究表明，音樂對人具有暗示調節(jié)、 放松調節(jié)、呼吸調節(jié)和想象調節(jié)等作用。適當?shù)囊粽{傳入人的大腦中時，可W使他們的屯、律 減慢，體溫下降，人的情緒也因此變得比較平靜，更快進入睡眠。運也說明了音樂在調節(jié)使 用者睡前情緒上是有很大作用的。
[0006] 1、現(xiàn)有技術一的技術方案
[0007] 目前，楊純等人公開了一種基于聲音檢測技術的睡眠輔助系統(tǒng)。通過在用戶枕頭 兩端防止聲音傳感器，然后對聲音信號進行特征提取并分析睡眠狀態(tài)。然后根據(jù)用戶的睡 眠狀態(tài)控制室內(nèi)空調和通風扇，調節(jié)溫度從而輔助睡眠。該方案采集的是用戶睡眠韓聲，對 用戶的輔助措施是通過溫度調節(jié)的方式。
[0008] 運類方法簡單易行，但是成本較高，通用性不高，對環(huán)境依賴性比較強，而且輔助 效果有限。因為并不是所有用戶的呼吸聲都會很明顯，很可能會被環(huán)境噪聲所淹沒。另外， 從生物信號本身來講，呼吸韓聲并不能很好的體現(xiàn)睡眠狀態(tài)，不同個體韓聲特征區(qū)別很大。 從睡眠輔助方法來講，溫度的調節(jié)很難把握，設備成本較高，輔助效果也有限。基于腦電信 號的音樂輔助系統(tǒng)，可W從大腦活動的本質上準確檢測用戶的狀態(tài)，輔助設備成本也很低。
[0009] 2、現(xiàn)有技術二的技術方案
[0010] 可穿戴式設備(Wearable Device)的成為目前的研發(fā)熱點之一，也出現(xiàn)了一些輕 便的傳感器。有采用人體活動記錄判斷人體睡眠狀態(tài)的發(fā)明，其依據(jù)的原理是人體在清醒 狀態(tài)和睡眠狀態(tài)下的肢體的運動規(guī)律。使用者在手腕上佩戴有內(nèi)置加速度傳感器的體動計 (Actigraphy)，通過采集人體手腕在床上的運動信息，對加速度信息進行實時處理，按照特 定的模式，分析出人體是在清醒狀態(tài)還是在睡眠狀態(tài)。
[0011] 運種技術方案雖然輕便，對使用者的干擾很少，但是對于人體睡眠狀況的判斷準 確性行有所欠缺。首先，不同人的運動情況和運動加速度有所不容，難W統(tǒng)一標準;其次，由 于運動信息滯后于真實的大腦狀態(tài)，所W對入睡開始階段的判斷也比較遲純，錯誤率比較 局。
[0012] 3、現(xiàn)有技術=的技術方案
[0013] 近幾年來，利用腦電信號判斷人體睡眠狀態(tài)是比較流行的，也是最能從本質上研 究睡眠的方法。美國授權專利US6272378B1將電極放置在前額上，然后根據(jù)信號頻率、幅度 W及傅里葉變換后的不同頻段信號情況判斷人體的睡眠狀態(tài)，從而進行睡眠輔助。中國授 權發(fā)明專利201010180030.7采集了前額的腦電波信號和人體運動的加速度信息，然后利用 多項判斷規(guī)則進行睡眠檢測。
[0014] 運種技術方案由于需要部署較多的電極，繁重的設備給使用者造成不良的屯、理負 擔，很可能影響使用者正常休息。另外，對于狀態(tài)的評估是用了較多的規(guī)則，通用性不強。根 據(jù)使用者的反饋，經(jīng)常出現(xiàn)尚未入睡就判斷為入睡的狀況。
[0015] 綜上所述，設計出使用方便，檢測效果良好，通用性比較高的睡眠輔助方法是十分 必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種電極數(shù)量少，時間把握 準確，通用性強，使用方便的睡眠檢測及睡眠輔助方法及裝置。該方法使用兩個電極采集腦 電信號，然后實時評估腦電信號能量變化，當檢測到入睡開始階段，逐漸降低音樂音量，當 使用者完全進入睡眠之后，輔助系統(tǒng)停止工作。
[0017] 根據(jù)公開的實施例，本發(fā)明的第一方面提出了一種基于腦電信號的睡眠檢測及睡 眠輔助方法，包括下列步驟：
[0018] Sl、采集人體單個通道的腦電信號；
[0019] S2、對所述腦電信號進行處理，包括成分提取W及特征提取，其中所述成分提取為 對所述腦電信號進行不同成分的提取，所述特征提取為針對不同的成分分別進行特征提 取，所述特征是腦電信號中不同成分的能量，每種成分的能量定義為信號幅值的平方和：
[0021] 其中，Xi表示第i個采樣點的信號幅值，N表示信號長度，生成不同成分的能量值構 成的能量向量島；
[0022] S3、利用前后兩個能量向量的向量夾角作為對能量變化的評估指標，即
[0024] 其中，島表示當前的能量向量，01表示當前的能量變化評估結果；
[0025] S4、通過評估控制準則對狀態(tài)變化進行評估來實時檢測睡眠狀態(tài)，形成應用控制 決策對音樂播放系統(tǒng)進行控制。
[00%]進一步地，所述評估控制準則具體為：
[0027] S41、對前期的所有能量變化01進行平均，作為前期的變化基準，記為Tt,
[0029] S42、當0i出現(xiàn)極大值點0max，并且符合0max〉2XTt-5(記Tt-S為B)，則判斷為開始向睡 眠狀態(tài)過渡，逐漸調低音樂播放系統(tǒng)的音樂音量；
[0030] S43、當目1符合目1<8時，則判斷為進入睡眠，繼續(xù)降低音樂播放系統(tǒng)的音樂音量直至 關閉。
[0031] 進一步地，所述步驟S1、采集人體的腦電信號的具體過程為：
[0032] 使用兩個電極，一個位于左耳垂后方作為參考電極，另一個位于中央中線的Cz位 置，用導電膠水填充頭皮和電極之間的空隙，并把阻抗控制在化Q W下，然后使用便攜式放 大器W250HZ的頻率采集頭皮腦電信號。
[0033] 進一步地，所述成分提取的具體過程為：
[0034] 把采集到的所述Cz位置的通道信號減去所述參考電極信號作為原始信號，截取時 間長度為30s的原始信號，先經(jīng)過一個加漢明窗的濾波器在0.1至20化的范圍內(nèi)進行帶通濾 波，然后進行倍數(shù)為1/5的下采樣