一种基于摇晃刺激的睡眠调控系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及人体脑电信号处理与脑调控技术领域，公开了一种基于摇晃刺激的睡眠调控系统及方法，旨在解决现有刺激入眠的方法存在刺激效果差的问题，方案主要包括：脑电信号采集模块，用于采集用户的脑电信号，并将所述脑电信号进行预处理后发送至数据计算处理模块；数据计算处理模块，用于接收预处理后的脑电信号，根据所述预处理后的脑电信号确定用户的睡眠状态，根据所述睡眠状态确定摇晃刺激参数，并将所述摇晃刺激参数发送至电机控制模块；电机控制模块，用于接收摇晃刺激参数，并根据所述摇晃刺激参数带动摇床摇晃。本发明专利技术提高了摇晃刺激的效率，优化了刺激入眠效果，特别适用于失眠用户。于失眠用户。于失眠用户。

【技术实现步骤摘要】
一种基于摇晃刺激的睡眠调控系统及方法


[0001]本专利技术涉及人体脑电信号处理与脑调控
，具体来说涉及一种基于摇晃刺激的睡眠调控系统及方法。

技术介绍

[0002]现代社会节奏快压力大，睡眠问题长期困扰大家，普遍表现睡眠不足、入睡困难。同时睡眠质量差的人，存在着诸多健康隐患。不仅如此，睡眠质量差还会严重影响日常的经济生产活动，造成大量的经济损失，而采取药物治疗，往往会带来药物依赖性增强，内分泌紊乱等毒副作用。探索无创有效安全的物理调控睡眠手段就显得尤为重要。
[0003]在睡眠中，大脑高级执行功能活动降低对外部刺激反应减弱，然而，中枢神经系统的感觉处理在睡眠期间并没有停止。研究表明，摇晃能够促进慢波睡眠的脑活动。施以固定频率、幅度的摇晃能够缩短睡眠潜伏期，增强整夜的深度睡眠，减少觉醒次数。研究表明，生理机制上，摇晃刺激由前庭系统感知，作用于前庭核。前庭核对与几个睡眠调节有关的脑干结构产生直接影响，如脑下垂体核、脑室、孤束核等，前庭系统对丘脑和下丘脑都有广泛地神经元投射，摇晃刺激是一种潜在的无创物理调控睡眠的手段，间接得调节睡眠稳态环路，安全性高，具有很大的发展潜力。
[0004]由于个体脑结构特异性，睡眠习惯的差异性，睡眠过程的不确定性，目前使用固定的频率和幅度产生的摇晃刺激，达到的助眠效果大打折扣，有效性也无法评估。针对成人睡眠障碍的摇床促眠技术未全面完善，普通公开的技术均是以固定频率和幅度进行摇晃刺激，其刺激效果较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决现有物理刺激促进睡眠的方法存在刺激效果差的问题，提出一种基于摇晃刺激的睡眠调控系统及方法。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一方面，提供一种基于摇晃刺激的睡眠调控系统，包括：
[0008]脑电信号采集模块，用于采集用户的脑电信号，并将所述脑电信号进行预处理后发送至数据计算处理模块；
[0009]数据计算处理模块，用于接收预处理后的脑电信号，根据所述预处理后的脑电信号确定用户的睡眠状态，根据所述睡眠状态确定摇晃刺激参数，并将所述摇晃刺激参数发送至电机控制模块；
[0010]电机控制模块，用于接收摇晃刺激参数，并根据所述摇晃刺激参数带动摇床摇晃。
[0011]进一步地，所述数据计算处理模块，具体用于：
[0012]通过滑动时间窗对脑电信号进行分割，得到多个片段的脑电信号；
[0013]分别通过状态向量表示各个片段的脑电信号对应的状态，得到多变量脑电信号，并将所述多变量脑电信号映射到一个多维的状态空间；
[0014]根据所述多维状态空间重建状态空间轨迹，通过递归图表示重建状态空间轨迹中系统状态间的邻接关系，并将每个递归图重新解释为邻接矩阵来构建递归网络；
[0015]从所述递归网络中提取全局拓扑特征，并基于提取全局拓扑特征确定用户的睡眠状态。
[0016]进一步地，所述对脑电信号进行预处理，具体包括：
[0017]依次对脑电信号进行放大、滤波和模数转换处理。
[0018]进一步地，所述多维状态空间中，系统的第i个状态由列向量x
i
表示，即：
[0019]x
i
＝(v
1+(i
‑
1)τ
,v
2+(i
‑
1)τ
,
…
,v
m+(i
‑
1)τ
)，i∈1,2,
…
,T；
[0020]其中，m表示嵌入维数参数，τ表示时间延迟参数，T表示脑电信号的片段，v表示各时刻对应的观测值；
[0021]所述递归图中，多变量脑电信号的递归模式由以下公式表示：
[0022]R
i,j
＝Θ(ε
‑
||x
i
‑
x
j
||)，x
i
,x
j
∈R
m
，i,j∈1,2,
…
T；
[0023]其中，Θ()表示赫维赛德函数，ε表示邻接关系的阈值，|| ||表示量化状态空间轨迹上任意两点之间距离的函数，R
m
表示m维的向量空间；
[0024]所述邻接矩阵由以下公式表示：
[0025]A
i,j
(ε)＝R
i,j
(ε)
‑
I(T)；
[0026]其中，R
i,j
(ε)表示邻接关系的阈值为ε的递归图，I(T)表示T维单位矩阵。
[0027]进一步地，从所述递归网络中提取全局拓扑特征，并基于提取全局拓扑特征确定用户的睡眠状态，具体包括：
[0028]对所述递归网络的拉普拉斯矩阵进行特征值分解得到特征值和特征向量；
[0029]将得到的特征值以原始时间序列进行连接，并采用五点移动平均滤波器进行平滑得到新的时间序列对应的特征值；
[0030]根据特征值类型确定控制上限和控制下限，并根据新的时间系列对应的特征值与控制上限或控制下限的大小确定用户的睡眠状态。
[0031]进一步地，所述递归网络的拉普拉斯矩阵由以下公式表示：
[0032]L＝D
‑
A
i,j
(ε)；
[0033]其中，D表示对角线矩阵，D＝d
i,j
，d表示节点的阶数。
[0034]进一步地，所述根据特征值类型确定控制上限和控制下限，具体包括：
[0035]根据特征值类型确定特征值对应的估计平均值和估计标准差，根据估计平均值和估计标准差确定控制上限和控制下限；
[0036]控制上限定义如下：
[0037]控制下限定义如下：
[0038]其中，表示特征值对应的估计平均值，表示特征值对应的估计标准差，k表示控制参数。
[0039]进一步地，所述根据新的时间系列对应的特征值与控制上限或控制下限的大小确定用户的睡眠状态，具体包括：
[0040]获取最近k个时间节点对应的特征值，若其中超过预设数量的时间节点对应的特征值均小于控制下限，则判定用户处于深睡眠状态，若其中超过预设数量的时间节点对应
的特征值均大于控制上限，则判定用户处于觉醒状态，其余情况则判定用户处于浅睡眠状态。
[0041]进一步地，所述摇晃刺激参数至少包括摇晃频率和摇晃幅值。
[0042]另一方面，提供一种基于摇晃刺激的睡眠调控方法，包括以下步骤：
[0043]采集用户的脑电信号，并对所述脑电信号进行预处理；
[0044]根据所述预处理后的脑电信号确定用户的睡眠状态，根据所述睡眠状态确定摇晃刺激参数；
[0045]根据所述摇晃刺激参数带动摇床摇晃。
[0046]本专利技术的有益效果是：本专利技术所述的基于摇晃刺激的睡眠调控系统及方法，可以根据检测到的脑电信号的特定特征本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于摇晃刺激的睡眠调控系统，其特征在于，包括：脑电信号采集模块，用于采集用户的脑电信号，并将所述脑电信号进行预处理后发送至数据计算处理模块；数据计算处理模块，用于接收预处理后的脑电信号，根据所述预处理后的脑电信号确定用户的睡眠状态，根据所述睡眠状态确定摇晃刺激参数，并将所述摇晃刺激参数发送至电机控制模块；电机控制模块，用于接收摇晃刺激参数，并根据所述摇晃刺激参数带动摇床摇晃。2.如权利要求1所述的基于摇晃刺激的睡眠调控系统，其特征在于，所述数据计算处理模块，具体用于：通过滑动时间窗对脑电信号进行分割，得到多个片段的脑电信号；分别通过状态向量表示各个片段的脑电信号对应的状态，得到多变量脑电信号，并将所述多变量脑电信号映射到一个多维的状态空间；根据所述多维状态空间重建状态空间轨迹，通过递归图表示重建状态空间轨迹中系统状态间的邻接关系，并将每个递归图重新解释为邻接矩阵来构建递归网络；从所述递归网络中提取全局拓扑特征，并基于提取全局拓扑特征确定用户的睡眠状态。3.如权利要求1所述的基于摇晃刺激的睡眠调控系统，其特征在于，所述对脑电信号进行预处理，具体包括：依次对脑电信号进行放大、滤波和模数转换处理。4.如权利要求2所述的基于摇晃刺激的睡眠调控系统，其特征在于，所述多维状态空间中，系统的第i个状态由列向量x
i
表示，即：x
i
＝(v
1+(i
‑
1)τ
,v
2+(i
‑
1)τ
,
…
,v
m+(i
‑
1)τ
)，i∈1,2,
…
,T；其中，m表示嵌入维数参数，τ表示时间延迟参数，T表示脑电信号的片段，v表示各时刻对应的观测值；所述递归图中，多变脑量电信号的递归模式由以下公式表示：R
i,j
＝Θ(ε
‑
||x
i
‑
x
j
||)，x
i
,x
j
∈R
m
，i,j∈1,2,
…
T；其中，Θ()表示赫维赛德函数，ε表示邻接关系的阈值，|| ||表示量化状态空间轨迹上任意两点之间距离的函数，R...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林，刘铁军，马茂林，赵亚辉，丁钦，任俊如，尧德中，汪曼青，
申请(专利权)人：四川脑科学与类脑智能研究院，
类型：发明
国别省市：