用于递送听觉睡眠刺激的系统和方法

摘要

一种系统提供听觉睡眠刺激。其能够生成掩蔽声音以掩蔽外部噪音以及促进深度睡眠的睡眠刺激音调。在睡眠开始之前，在包括第一和第二频带的频率范围内提供噪声掩蔽声音。响应于检测到特定睡眠特征(例如特定睡眠阶段)，停止第二频带中的噪声掩蔽声音。替代地，在第二频带中提供睡眠刺激音调。因此，噪声掩蔽继续，但是睡眠刺激音没有被掩蔽。

说明书

技术领域

本发明涉及音频系统的领域，并且具体而言涉及一种用于影响对象睡眠状态的音频系统。

背景技术

最近的研究表明，在睡眠期间施加的听觉刺激可以为对象或用户提供认知益处和睡眠恢复的增强。还认识到，合适地控制的音频输出可以帮助影响对象的睡眠状态，从而至少影响对象是醒着还是睡着。

睡眠期间的干扰有许多不同的原因，对象外部的(例如交通噪音、飞机、打鼾的伙伴、邻居、建筑噪音、昆虫噪音、电器等)和内部的。内部原因包括生理(例如耳鸣)、心理(例如压力)和行为(例如不良睡眠实践)原因。

人们已经认识到播放音频可以引起睡眠质量的改善，特别是通过提高晚上的最初入睡以及在半夜醒来后的能力。

可以通过播放掩蔽声音或使用抗噪声(即声音消除系统)来减轻外部干扰。掩蔽声音通常是记录的重复声音(例如雨或海浪)或生成的随机波形，在可听频率范围内具有均匀分布的声强度(称为“白噪声”)。这些声音都旨在淹没突然和/或令人讨厌的外部噪音，并且可以归为术语“掩蔽声音”。

抗噪(声音消除)是一种特殊形式的掩蔽声音，它需要靠近耳朵的麦克风来拾取声音振动，以便进行正确的相移抗噪作用。已经提出了与睡眠兼容的降噪耳机。

内部干扰的主要原因通常是压力或焦虑。这可以通过播放平静的声音或音乐、引导冥想和/或随机生成的单词来解决，这些都旨在减少思想的觉醒状态。这些方法都旨在让用户镇静下来，以便他们可以更轻松地入睡，并且可以归为术语“镇静音频”。通常，使用镇静音频和背景音乐的组合。

申请人的称为“SmartSleep”的系统使用睡眠检测功能来创建反馈回路。脑电图(EEG)信号分析被用于实时检测深度睡眠，并且系统提供听觉刺激(睡眠增强音)以增强睡眠慢波而不引起唤醒。除了深度睡眠之外，可以从EEG信号以及睡眠深度检测其他睡眠阶段(例如清醒状态)。

WO2018/001936公开了一种用于在这种类型的系统内根据睡眠深度来调节睡眠刺激音调的音量的系统。因此，已知使用来自睡眠监测的反馈来控制睡眠刺激音调。

然而，当前的掩蔽声音或镇静音频解决方案没有反馈，因此用户可以选择整夜或预定时间播放音频。在许多情况下，针对入睡的这样的“截止时间”对于有入睡问题的用户会适得其反。

此外，掩蔽声音(或镇静音频)与睡眠增强音调的组合难以实施，因为掩蔽声音(或镇静音频)破坏了睡眠增强音调的有效性。

EP 1886707公开了一种生成“无音调”声音和“有音调”声音的系统。有音调声音是在用户醒着时生成的令人放松的声音。当用户睡着时使用无音调声音。

因此，需要一种系统，其可以结合帮助用户入睡或保持睡眠以及在睡眠期间提供不同的睡眠增强音调的益处。

发明内容

本发明由权利要求所定义。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种用于递送听觉睡眠刺激的系统，包括：

声音生成器系统，其用于生成噪声掩蔽声音以掩蔽外部噪声和睡眠刺激音调以促进深度睡眠；

睡眠监测器；以及

控制器，其中，所述控制器适于：

在睡眠开始之前，使用所述声音生成器系统在包括第一频带和第二频带的频率范围内提供噪声掩蔽声音；

使用所述睡眠监测器检测特定的睡眠特征；

响应于检测到所述特定睡眠特征，停止提供所述第二频带的噪声掩蔽声音；并且

在所述第二频带中提供睡眠刺激音调。

该系统使得能够在对象准备睡眠时使用掩蔽声音。掩蔽声音可以用于消除噪声或用于淹没噪声，并且这两种可能性都旨在包括在术语“掩蔽”中。然而，不是在特定时间关闭掩蔽声音或一直保持它们，而是在检测到特定睡眠特征时关闭频谱的子带。该特定的睡眠特征可能只是睡眠的开始，但它们可能是任何特定的睡眠阶段、睡眠深度或睡眠阶段与睡眠深度的组合。

这意味着掩蔽功能(在第二频带之外)可能在夜晚期间保持活动，从而降低外部噪音唤醒对象的风险。然而，睡眠刺激音调的有效性得以保留，因为它们落在频谱的那个子带内。因此，本发明在整个睡眠时段组合了噪声掩蔽和睡眠刺激的优点。

控制器可以适于通过使噪声掩蔽声音逐渐淡出来停止提供噪声掩蔽声音。这提供了不太明显的变化，因此不太可能打扰用户的睡眠。

控制器可以适用于在所有检测到的睡眠阶段期间提供睡眠刺激音调。因此，它们可以在睡眠期间保持活跃，但是特性(例如频率和/或幅度)可以被调整。替代地，它们可能仅在特定睡眠阶段使用。

睡眠刺激音调例如包括时间分离的脉冲序列。已知使用此类脉冲来增加慢波活动(SWA)从而延长深度睡眠。

掩蔽声音可以包括白噪声。众所周知，这些可以掩蔽外部声音。

第二频带可以例如具有在400Hz到600Hz范围内的最低值和在1500Hz到2500Hz范围内的最高值，例如第二频带包括500Hz到2kHz。这是用于睡眠刺激音调的已知频带。

例如，第一频带具有紧接在所述最低值之下的第一子带和紧接在所述最高值之上的第二子带。这样，第一和第二频带共同定义了连续的总频带。

睡眠监测器可以用于检测睡眠阶段和/或睡眠深度。用于触发何时停止在睡眠刺激音调的频带中掩蔽的特定睡眠特征因此可以是睡眠阶段与睡眠深度的组合。

睡眠监测器例如包括EEG监测器。EEG监测己知用于睡眠阶段检测和分析，适用于确定应该何时通过掩蔽声音无干扰地呈现睡眠刺激音调。

控制器还可以适于在检测到的一些或所有睡眠阶段期间提供粉红噪声。

粉红噪声可以定义为具有以下形式的功率谱密度的噪声S(f)∝1/f

其中，f是频率，0<α<2，指数α通常接近1。

粉红色噪声在自然界中广泛存在，并且在许多领域引起了极大的兴趣。已发现它们对深度睡眠刺激感兴趣。

本发明还提供了一种用于递送听觉睡眠刺激的方法，包括：

生成噪声掩蔽声音以在睡眠开始前掩蔽包括第一频带和第二频带的频率范围内的外部噪声；

监测睡眠，并且响应于检测到特定睡眠特征，停止提供第二频带中的噪声掩蔽声音；并且

在第二频带中提供睡眠刺激音以促进深度睡眠。

该方法抑制睡眠刺激音调使用的频带中的掩蔽声音。所述方法可以包括通过使噪声掩蔽声音逐渐淡出来停止提供噪声掩蔽声音。

第二频带例如具有在400Hz到600Hz范围内的最低值和在1500Hz到2500Hz范围内的最高值，例如第二频带包括500Hz到2kHz。例如，第一频带具有紧接在最低值之下的第一子带和紧接在最高值之上的第二子带。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐述。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且更清楚地示出其如何被付诸实践，现在将仅通过示例的方式参考附图，其中，

图1示出了用于控制在睡眠期间向对象递送听觉刺激的系统；并且

图2示出了用于控制在睡眠期间向对象12递送听觉刺激的方法。

具体实施方式

将参考附图来描述本发明。

应当理解，详细说明和具体示例虽然指示了设备、系统和方法的示例性实施例，但是仅旨在用于说明的目的，而并不旨在限制本发明的范围。根据以下说明、所附权利要求书和附图，将更好地理解本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应该理解，附图仅是示意性的，并且未按比例绘制。还应该理解，贯穿附图，使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

本发明提供一种递送听觉睡眠刺激的系统。其能够生成掩蔽声音以掩蔽外部噪音以及促进深度睡眠的睡眠刺激音调。在睡眠开始之前，在包括第一和第二频带的频率范围内提供噪声掩蔽声音。响应于检测到特定特征(例如特定睡眠阶段)，停止第二频带中的噪声掩蔽声音。替代地，在第二频带中提供睡眠刺激音调。因此，噪声掩蔽继续，但是睡眠刺激音没有被掩蔽。

图1是被配置为在睡眠期间控制将听觉刺激递送到对象12的听觉刺激的音量的系统10的示意性图示。通过在睡眠段期间使用听觉刺激来增加对象12中的慢波活动(SWA)，可以增强睡眠的恢复值。此外，可以使用掩蔽声音来帮助对象入睡，无论是最初还是在夜间醒来之后。

该系统包括声音生成器系统14、16。该系统包括用于生成掩蔽外部噪声的掩蔽声音的第一声音生成器14和用于生成睡眠刺激音调的第二声音生成器16。当然，在实践中可能存在用于生成所有不同声音的单个硬件单元和单个声音递送系统。仅为了解释的目的，图1中单独示出了该功能。

睡眠监测器18用于监测睡眠特性，并且特别是用于检测睡眠阶段并且优选地还用于检测睡眠深度。

控制器20响应于特定检测到的睡眠特征，例如睡眠阶段和/或深度，控制声音生成器14、16。

特别地，第一声音生成器14用于在睡眠开始之前在包括第一和第二频带的频率范围内提供噪声掩蔽声音。这可以一起定义覆盖整个可听频谱的连续频率，即包括20Hz到20kHz的范围。

在这个总频带内，第一频带具有两个子频带；第一个低于500Hz，并且第二个高于2kHz。第二频带是500Hz到2kHz的范围。

生成随机分布在500Hz和2kHz频率之间的睡眠刺激音调的系统是已知的。如果未掩蔽，超出此范围的频带可能是干扰噪声的来源。例如，可能有100Hz左右的飞机噪音、400Hz左右的打鼾、4kHz左右的警报和10kHz左右的昆虫声音。这些都在500Hz-2kHz范围之外。

本发明涉及停止并且优选地从掩蔽声音中逐渐减弱用于睡眠刺激音调的频带。为掩蔽目的而生成的信号(例如白噪声信号)被过滤以去除这些频率。掩蔽声音可以例如包括任何噪声信号，从而提供跨越宽频谱的噪声基底。通过这种方式，可以在睡眠的所有阶段掩蔽高(>2kHz)和低(<500Hz)频率的声音，而不影响对象配准睡眠刺激音调的能力。

因此，当噪声掩蔽声音包括两个频带，即连续频谱时，它们未被过滤，而当第二频带被去除时，它们被过滤。

当对象最初打算睡觉时，在整个频谱范围内提供未经过滤的噪声掩蔽声音。在此期间，也可提供睡眠刺激音调(即使它们旨在用于深度睡眠期间)，或者它们可能尚未启动。

响应于检测到特定睡眠特性，噪声掩蔽声音在第二频带中被抑制。然后在第二频带中提供睡眠刺激音调。它们可能已经被提供，或者它们可能响应于检测到特定睡眠特征而被启动。

在所有睡眠阶段，包括在深度睡眠期间，经过滤的掩蔽声音可以保持活跃。然而，可以仅针对睡眠阶段的子集或实际上仅针对特定的睡眠深度提供经过滤的掩蔽声音。

睡眠刺激音调，当在睡眠期间被提供时，可增强睡眠慢波并增加睡眠的恢复值。

睡眠监测器18包括用于监测脑电波活动的脑电图(EEG)系统。

所述系统还包括电子存储器22和用户接口24。虽然声音生成器14、16、睡眠监测器18、处理器20、电子存储器22和用户接口24被示为单独的实体，但这并不旨在进行限制。系统10和/或其他部件的一些和/或所有部件可以被分组成一个或多个单个的设备。例如，系统10的一些和/或所有部件可以被分组为对象12所穿的头带和/或其他服装的一部分。

声音生成器14、16在睡眠期之前、睡眠期期间、睡眠期之后和/或在其他时间向对象12提供听觉刺激。所述声音旨在诱导、维持和/或调整慢波活动，例如由对象12中0.5至4Hz频带中的EEG功率指示。

睡眠刺激音调的传送至少被定时以对应于与SWA相关联的睡眠阶段，但它们可以在其他时间提供。所述系统还可用于生成声音以将对象12从睡眠中唤醒。

本发明利用声音生成，但这不排除使用其他刺激，例如气味、视觉刺激、触觉、味觉和/或其他刺激。例如，经颅磁刺激可以被应用到对象12以触发、增加和/或减少SWA。

睡眠监测器18被用于生成输出信号，所述输出信号传达与对象12的脑活动有关的信息。睡眠监测发生在对象12的睡眠期期间、睡眠期期间的规则间隔、睡眠期之前、睡眠期之后和/或其他时间。对象12的脑活动可以对应于睡眠深度、当前睡眠阶段、对象12中的SWA和/或对象12的其他特征。

睡眠监测器包括EEG电极，但也可以使用其他传感器。EEG信号在整个睡眠段期间表现出变化。例如，EEG delta功率(对于于SWA)的显著变化通常是可见的。SWA对应于0.5-4Hz频带(或0.5-4.5Hz频带)中的EEG信号的功率。SWA具有遍及给定睡眠段的周期变化的典型的行为。

不同的睡眠阶段与不同的大脑活动特征相关，其可以由睡眠监测器感测到。特别地对象12的脑活动可以与快速眼动(REM)睡眠、非快速眼动(非REM)睡眠、和/或其他睡眠相关联。对象12的睡眠阶段可包括非REM阶段N1、阶段N2或阶段N3睡眠、REM睡眠和/或其他睡眠阶段中的一个或多个。N1对应于轻度睡眠状态，N3对应于深度睡眠状态。非REM阶段N3或N2睡眠可以是慢波(例如，深度)睡眠。

在非快速眼动睡眠期间，SWA增加，在快速眼动睡眠开始之前下降，并且在REM期间保持低。相继的非REM时相中的SWA从一个时相到下一个时相逐渐减少。可以估计SWA，和/或可在给定睡眠段期间根据对象12的EEG确定慢波睡眠(例如，阶段N3)。

举例来说，在本发明的系统中，未过滤的掩蔽噪声可以在清醒中以及在REM睡眠阶段期间的睡眠中以及在N1和N2阶段期间的非REM睡眠中使用。睡眠刺激音用于深度睡眠，在非快速眼动睡眠的N3阶段期间。因此，用于确定何时执行过滤的睡眠的特定特征可以包括非REM睡眠阶段N3。

可以在睡眠阶段N3的情景开始期间逐渐过滤第二频带中未过滤的掩蔽噪声。可以在检测到N3睡眠阶段情景开始后的特定时间段内增加过滤功能，例如60秒，在此之后第二频带被完全滤除出掩蔽噪声。随后开始使用睡眠刺激音调。

逐渐的过滤功能可以在不同的时间段内实施，例如通常在15秒与5分钟之间。由过滤提供的衰减可以随时间线性增加，但同样可以使用其他时间相关的函数。

可以使用其他传感器数据，例如对象12的心率(例如使用位于对象12胸部的心率传感器，或对象12手腕上的手环)、对象12的运动(例如使用加速度计传感器系统)、对象12的呼吸和/或对象12的其他特征。

虽然睡眠监测器18被示出在对象12附近的单个位置处，但这并不旨在进行限制。睡眠监测器18可以包括设置在多个位置的传感器，例如，以可移除的方式与对象12的皮肤耦合，以可移除的方式与对象12的衣服耦合，或者由对象12佩戴(例如，如头带、腕带等)或不耦合到对象，例如耦合到对象12的床的加速度计系统或观察对象12的相机。

控制器20提供系统10中的信息处理能力。这样，处理器20可以包括以下中一个或多个：数字处理器、逻辑处理器、被设计为处理信息的数字电路、被设计为处理信息的逻辑电路、状态机、和/或用于电子地处理信息的其他机制。

控制器20可包括一个或多个处理单元，其可位于单个位置或者是分布式的。用于分析脑电信号，例如确定脑电各频带的功率，高(如alpha,beta)频带的功率与低(如delta,theta)频带的功率的比率和/或其他参数。

大脑活动参数与频率、幅值、相位和/或特定睡眠模式的存在有关，例如纺锤波、K复合波或睡眠慢波、alpha波和/或EEG信号的其他特征。例如，可以通过检测EEG信号中的负向过零点然后是正向过零点来识别单个慢波，其中负峰值的幅度低于第一预定阈值并且其与过零点之间的时间段长于第二预定阈值(例如，200毫秒)。

可以识别睡眠深度以及睡眠状态。这可以例如包括确定(i)EEG信号的高频带中的功率与低频带中的功率的比率，(ii)对象12中的慢波密度，(iii)第一睡眠段的睡眠图，对象12中的纺锤波的频率，和/或指示对象12中的睡眠深度的其他参数。例如，EEG信号的alpha(8-12Hz)或beta(15-30Hz)频带与delta(0.5-4Hz)或theta(4-8Hz)频带之间的功率比率是令人感兴趣的。

系统还可检测睡眠觉醒事件的存在。也使用关于较高α(8-12Hz)和β(15-30)频带中的EEG功率的阈值来检测觉醒事件。如果在刺激期间检测到觉醒，则可以立即停止刺激。如果在刺激期之外检测到唤醒，则下一个刺激段的开始可能延迟。

如果没有检测到觉醒，则典型的系统继续实时检测慢波睡眠(例如，N3睡眠)的存在，其特征在于在EEG较低的delta频率范围(0.5至4赫兹)内的高的活动。如果持续足够长的时间段检测到慢波睡眠，那么典型的系统递送听觉刺激，其例如由50毫秒长音调序列组成，所述长音调序列彼此隔开恒定的1秒长音调间隔。替代地，音调可以由可变时间间隔例如随机时间间隔分开。50ms的时间段也只是一个可能的示例。

50ms周期内的声音可能是正弦波(即单频)音，但同样可以使用白噪声或粉红噪声。

WO2015/049613公开了提供给对象以提供睡眠刺激的各种选择。

可以逐渐增加听觉刺激的音量以增强用户的慢波。例如，如WO2018/001936中所公开的，存在对刺激的音量进行控制的已知方式

。上面描述了系统如何根据对象的睡眠特征，即睡眠阶段和/或深度，随时间改变掩蔽声音。

下面讨论对系统功能的额外的任选的调整。

脉冲睡眠刺激音例如随机分布在500Hz与2kHz频率之间，如上所述。据报道，当预测到慢波处于上升状态时，可能发出粉红噪声脉冲，以增加慢波活动(SWA)。参考PapalambrosNA、SantostasiG、MalkaniRG、BraunR、WeintraubS、PallerKA和ZeePC(2017)的coustic Enhancement of Sleep Slow Oscillations and Concomitant MemoryImprovement in Older Adults.Front.Hum.Neurosci.11:109.doi:10.3389/fnhum.2017.00109.

当整夜输出粉红噪声时，可以使用特定的音量峰值来刺激慢波。恒定的粉红噪声有效地增加了刺激音调的本底噪声，并且上升到恒定本底噪声之上的音量峰值有效地充当了刺激慢波增强的音调。

音量分布(相对于频率)由1/f条件决定，但总音量(振幅)可能变化以在不同时间创建音量峰值。

上面讨论了掩蔽声音。然而，系统还可以提供其他睡眠诱导声音，例如音乐、随机词等，如上所述。

如在已知设备中一样，当睡眠开始时，用于睡眠诱导的声音(掩蔽声音或镇静音频)可以缓慢地降低。掩蔽音量可以被控制为与睡眠深度成反比，如根据对象的EEG迹线测量。

如上所述，睡眠深度定义为beta波段的脑电功率与delta波段的EEG功率的比率。用于掩蔽声音音量的通用算法可以由下式给出：

其中，P

设定点的更新频率可以是固定的(例如30秒)，声音输出功率将线性过渡到新的设定点值。

除了睡眠深度之外，慢波密度和delta功率也可以是替代上述公式中的SD的候选。由于心脏自主神经功能与内侧额叶神经回路的活动之间的密切关系，theta功率也可用作有效的量度。

类似地，当系统在睡眠开始后检测到醒来时，可以恢复掩蔽声音，通过阻挡外部声音让用户更容易地回到睡眠状态。替代地，用户可以选择不同类型的音频，例如从掩蔽变为平静或从最初入睡前的口头引导冥想变为夜间醒来后平静的自然声音。

类似地，当系统在深度睡眠一段时间后检测到轻度睡眠时，可以恢复掩蔽声音，因为在轻度睡眠期间不提供刺激音调。这可以通过阻止可能唤醒用户的外部声音来允许用户更容易地保持轻度睡眠。替代地，用户可以选择不同类型的音频，例如从掩蔽更改为平静或从最初入睡前的口头引导冥想更改为在夜间检测到轻度睡眠时平静的自然声音或白噪声。

通常，系统会在入睡前开始播放掩蔽声音(以及可选的镇静音频或两者的组合)，同时监测睡眠阶段和睡眠深度。音量和音调(频率)以及声音类型可以根据不同的睡眠阶段进行控制。

图2示出了一种用于递送听觉睡眠刺激的方法，包括：

在步骤30中，生成掩蔽声音以在睡眠开始前掩蔽包括第一频带和第二频带的频率范围内的外部噪声；

在步骤32中，检测特定的睡眠特征，并响应于其而停止提供第二频带中的噪声掩蔽声音；并且

在步骤34中提供第二频带中的睡眠刺激音调。

如上所述，实施例利用了控制器。控制器可以用软件和/或硬件以多种方式实现，以执行所需的各种功能。处理器是控制器的一个示例，其采用可以使用软件(例如，微代码)编程的一个或多个微处理器来执行所需的功能。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实现，并且还可以被实现为用于执行一些功能的专用硬件与用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。

可以在本公开的各种实施例中使用的控制器部件的范例包括但不限于，常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实现方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序，所述程序当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时执行所需的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可转移的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现权利要求书中记载的若干项的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。如果以上描述了计算机程序，其可以被存储/分布在与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的部分提供的诸如光存储介质或者固态介质的合适介质上，但是还可以以诸如经因特网或者其它有线或无线电信系统的其它形式分布。如果在权利要求书或说明书中使用术语“适于”，则应注意，术语“适于”旨在等同于术语“被配置为”。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。