DE3938941C2

DE3938941C2 - System zur Bestimmung des Schlafzustands

Info

Publication number: DE3938941C2
Application number: DE3938941A
Authority: DE
Inventors: Emi Koyama; Akihiro Michimori; Hiroshi Hagiwara
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-07-07
Filing date: 1989-11-24
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2009-11-25
Also published as: GB8926003D0; JPH0341926A; GB2233764A; FR2649512A1; US5101831A; HK1007481A1; DE3938941A1; FR2649512B1; GB2233764B; JPH0556902B2

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen des Schlafzustandes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches System dient insbesondere dazu, den Schlafzustand einer jeweiligen Person während der gesamten Schlafenszeit auf der Grundlage von Biosignalen wie dem Pulsschlag, dem Atemrhythmus usw. zu messen.

Das System der in Rede stehenden Art kann dadurch wirksam dazu beitragen, einen optimalen oder möglichst guten Schlaf sicherzustellen, daß der Schlafzustand zu einem vorher eingestellten Zeitpunkt bestimmt wird, daß eine optimale Aufweck-Zeit in Abhängigkeit von dem bestimmten Schlafzustand festgelegt wird, usw.

Es ist wohl bekannt, daß der Schlafzustand des menschlichen Körpers nicht allgemein für jede Nacht gleichmäßig ist, sondern daß sich ein sogenannter REM/NREM-Zyklus mit einem Schlaf mit schnellen Augenbewegungen (REM) und einem Schlaf ohne schnelle Augenbewegungen (NREM; beide Arten werden im folgenden so abgekürzt) periodisch mehrmals bei einem Zyklus von 80 bis 120 Minuten wiederholt, und daß bei normalem Schlaf solch ein Zyklus jeweils einen Wechsel des Schlafzu stands beinhaltet, so daß ein Zustand relativ leichten Schlafs in einen mit relativ tiefem Schlaf übergeht, daß dann nach einem andauernden Zustand tiefen Schlafs der Zustand leichten Schlafs wieder einsetzt, und daß danach der REM- Schlaf beginnt. Hier stellt der REM-Schlaf eine Periode dar, in der der Schlaf Merkmale aufweist, die von denen des NREM-Schlafs verschieden sind, und gilt als der Zustand, nach dem optimal zu einem Aufwachzustand gelangt werden kann, so lange der Mensch natürlich schläft. Mit anderen Worten, es wird für optimal gehalten, daß der Mensch in den Minuten unmittelbar nach dem REM-Schlaf, d. h. in einer Aufwach periode, aufwacht.

In jüngster Zeit wurden verschiedene Versuche vorgeschlagen, einen angenehmen Zustand zum Aufwachen zu erreichen, wobei die oben beschriebene Variation während des Schlafs benützt wurde. Beispielsweise offenbart die japanische Offenlegungs schrift Nr. 63-2 05 592 (H. Masaki) einen Wecker, der als Daten eine Zeit für die Pulszahl erhält, die erforderlich ist, um eine bestimmte Einheitszahl zu erreichen, um die Daten ständig einer Analyse zu unterwerfen, so daß der REM-Schlaf, der im Wechsel des Schlafzustands erscheint, bestimmt wird, und um den Aufwachzustand mittels eines geeigneten Weck signals zu erhalten, das bei der Bestimmung des REM-Schlafs erzeugt wird. Nach diesem Wecker läßt sich die Erzeugung eines Wecksignals während des NREM-Schlafs verhindern, so daß es vermieden wird, daß der Betroffene zum unangenehmsten Zeitpunkt geweckt wird, nämlich dadurch, daß er unsanft durch das Wecksignal geweckt wird, wenn er sich in der relativ tiefen NREM-Schlafphase befindet. Es gilt als sicher, daß ein abruptes Aufwecken während des REM-Schlafs für den Betroffenen unangenehm ist; da der Wecker von H. Masaki nur eine Unterscheidung zwischen dem REM- und dem NREM-Schlaf erreicht, bleibt noch das Problem zu lösen, für ein möglichst angenehmes Erwachen zu sorgen, höchstwahr scheinlich deshalb, weil es noch nicht möglich war, den Schlafzustand genauestens zu bestimmen.

Die US-Patentschrift 42 28 806 (D. Lidow) offenbart ebenfalls eine Weckvorrichtung, die die Phasen leichten und tiefen Schlafs unterscheidet, wobei die Elektroenzephalogramm/ (EEG)-Aktivitäten und die Pulszahl usw. gemessen werden, so daß ein Wecksignal während des leichten Schlafs erzeugt wird. Tatsächlich wird bei dieser bekannten Vorrichtung jedoch das Wecksignal ebenfalls in der Phase des REM-Schlafs erzeugt, und das im wesentlichen gleiche Problem wie bei der oben beschriebenen Weckvorrichtung von Masaki ist noch nicht gelöst. Dagegen erfordert die Anordnung der bekannten Vorrichtung von Lidow, bei der das EEG zur Bestimmung des Schlafzustands des Benutzers verwendet wird, implizit, daß die EEG-Sensorelektroden am Kopf des Benutzers befestigt werden, so daß zwar sicherlich die Genauigkeit der Bestimmung verbessert werden kann, der Gebrauch der Vorrichtung aber nachteilig so störend wird, daß er nicht für eine Verwendung für Privatpersonen oder zu Hause, sondern allenfalls für die Verwendung in Kliniken bei der Behandlung von Schlafstörungen geeignet ist, und daß die erforderliche Anordnung für die EEG- Messungen und die Datenverarbeitung für die gewünschte Bestimmung die Vorrichtung zu groß und ziemlich aufwendig macht.

Weiter sind in den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 63- 19 161 (I. Mihara et al.), Nr. 63-82 673 (K. Araki et al.) und Nr. 63-1 50 047 (M. Kitado et al.) verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, um ein sanftes Erwachen zu erreichen, sowie mittels einer Messung der Pulszahl oder der EEG-Analyse beim Einschlafen zu helfen.

Jedoch schlägt noch keine dieser Veröffentlichungen Daten vor, aus denen hervorgeht, wie ein angenehmes Aufwachen dadurch erleichtert werden kann, daß die NREM- und REM-Schlafphasen mit einfach und unkompliziert zu erhaltenden Biosignalen wie der Pulszahl geschätzt werden, wobei diese Biosignale auch der Atemrhythmus sowie die Körpertemperatur sein können, die über die Messung der vom menschlichen Körper ausgesendeten Infrarotstrahlen verfügbar gemacht werden.

In der DD 263 238 A1 ist ein Wecksystem beschrieben, bei dem zur Ermittlung des jeweiligen Weckzeitpunktes u. a. auch der Schlafzustand der zu weckenden Person überwacht wird. Zur Überwachung des Schlafzustandes wird u. a. die Pulsfrequenz gemessen, um feststellen zu können, zu welchen Zeiten eine REM-Phase vorliegt. Die Weckeinrichtung des Systems wird so angesteuert, daß ein Wecken nur zu solchen Zeiten erfolgt, in denen keine REM-Phase vorliegt. Eine weitere Differenzierung des Schlafzustandes findet nicht statt.

Demgegenüber liegt der Erfindung im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein System der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem der Schlafzustand genauer bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Aufgrund dieser Ausbildung sind die REM- und NREM-Schlafphasen mittels einer einfachen und kostengünstigen Anordnung bestimmbar, die die zur Bestimmung nötigen Informationen auf der Grundlage leicht verfügbarer Biosignale wie der Pulszahl liefert. Damit kann in geeigneter Weise für die Übertragung der Informationen gesorgt werden, durch die ein angenehmes Aufwachen möglich ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Systems zur Bestimmung des Schlafzustands nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Flußdiagramm der Operationen in einer Einrichtung zum Einstellen einer Referenz-Pulszahl in dem System aus Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm zur Durchführung einer Regressionsanalyse in dem System aus Fig. 1;

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Teils der Operationen in einer Variationsindex-Berechnungseinrichtung in dem Sytem aus Fig. 1;

Fig. 5 ein Diagramm zur Bestimmung des Schlafzustands in dem System aus Fig. 1;

Fig. 6 ein Diagramm eines Beispiels des in dem System aus Fig. 1 bestimmten Schlafzustands; und

Fig. 7 ein Diagramm der Veränderungen der Biosignale und des Schlafzustands.

In Fig. 1 mit dem System zur Bestimmung des Schlafzustands nach der vorliegenden Erfindung empfängt eine Meßeinrichtung 11 als Eingabe ein Pulswellensignal von einem (nicht darge stellten) Pulswellensensor. Als Pulswellensensor kann hier z. B. ein Photosensor verwendet werden, der eine Variation in der Blutflußmenge an einer Fingerspitze, an einem Ohrläppchen oder einem ähnlich geeigneten Körperteil als eine Variation im Lichtreflexions- oder -übertragungsvermögen erfaßt, und das erfaßte Signal wird drahtlos oder nicht über Frequenz modulation zu der Meßeinrichtung 11 übertragen, in der eine Impulskurve aus den empfangenen Signalen zu einer Pulskurve geformt wird, und in der als Ausgangdatum ein Zählwert für jede Zeiteinheit geliefert wird. Grundsätzlich wird die Zeiteinheit auf eine Minute eingestellt; jedoch werden die Daten für jeweils 30 Sekunden als einer Zeiteinheit ab dem Zeitpunkt verwendet, zu dem der Benützer vermutlich zu schlafen beginnt. Die auf diese Weise erhaltene Pulszahl H(t), die folglich ein von einer rhythmischen physiologischen Größe abgeleitetes Signal ist, umfaßt bestimmte Geräuschkomponenten, die sich aus einer Körperbewegung oder ähnlichem ergeben, die aber ohne weiteres zur Ermittlung eines Variationstrends für die Pulszahl verwendet werden können.

Die Pulszahl H(t) wird durch ein Schaltelement SW zu einer Referenzwert-Einstelleinrichtung 12 für die Pulszahl geliefert. Das Schaltelement SW wird durch ein Startsignal gesteuert, das bei Betätigung eines Startschalters 13 geliefert wird, und, wenn die Messung beginnen soll, dann wird das Schaltelement SW durch Betäti gung des Startschalters 13 auf EIN geschaltet. Das Start signal wird ebenso an die Meßeinrichtung 11 und die Einrich tung 14 geliefert, die einen Reiz erzeugen soll, der dem Benützer beim Einschlafen hilft. An der Meßeinrichtung 11 wird die Zeiteinheit auf 30 Sekunden eingestellt, und die Einschlafreiz-Erzeugungseinrichtung 14 wird betrieben, um den eigentlichen Reiz zu liefern, der dem Benützer hilft, sich schläfrig zu fühlen und einzuschlafen. D. h., die Einschlafreiz-Erzeu gungseinrichtung 14 ist so angeordnet, daß allein oder in Kombination ein Reiz erzeugt wird, der das Übergleiten des Benutzers in den Schlafzustand mittels eines wohltuenden Reizes wirksam fördert, also etwa durch eine langsame und beruhigende Musik, die nach einigen Minuten ausgeblendet wird, oder einen aromatischen Reiz, der eine Komponente enthält, die definitiv eine beruhigende Wirkung ausübt (z. B. ein Lavendelduft), oder durch einen vibrierenden oder einen optischen Reiz.

Die Referenzwert-Einstelleinrichtung 12 führt eine in dem Flußdiagramm aus Fig. 2 gezeigte Verarbeitungsoperation durch, um z. B. jegliches Geräusch als Artefakt auszuschalten, und legt eine Pulszahl Hr als Referenzwert fest, die als eine Pulszahl während des Ruhe- und Aufwachzustands vom Zeitpunkt des Niederlegens bis zum Zeitpunkt des Schlafbeginns betrach tet werden kann. Deshalb werden in der Referenzwert-Ein stelleinrichtung 12 sechs Pulszahlen H(t) von der Meßeinrich tung 11 geliefert, d. h., die Ausgänge für alle drei Minuten werden als eine Einheit verarbeitet, so daß sich, in einem Zustand, in dem bezüglich eines Durchschnittswerts für die sechs Pulszahl-Werte vier Punkte mit weniger als ± 3 vorhanden sind, bestimmen läßt, daß sich der Benutzer in einem Ruhezustand mit verminderter Pulszahlvariation befindet, und es wird mit den restlichen Werten eine Regressionsoperation durchgeführt, nachdem die Werte mit mehr als ± 3 bezüglich des Durchschnittswerts (vgl. Fig. 3) ausgesondert wurden, d. h., es wird mittels der linearen Regressionsanalyse eine Regressionslinie erstellt, die einen Variationstrend in der Pulszahl H(t) bezüglich der verstri chenen Zeit darstellt. Genügt ein Regressionskoeffizient a, der die Steigung der Regressionslinie angibt, einer Bedingung a<a-th<0, bei der a-th ein eingestellter negativer Schwellenwert ist, dann wird bestimmt, daß die Pulszahl H(t) abnimmt, und eine Summe aus den ersten zwei Werten unter ± 3 bezüglich des vorgenannten Durchschnitts aus den Daten, die der Regressionsoperation unterworfen wurden, wird zur Referenzpulszahl Hr. Wird die oben genannte Bedingung nicht erfüllt, dann wird ein Wert zur Referenzpulszahl Hr, der dadurch erreicht wurde, daß der vorhergehende Referenzwert mit 2 multipliziert wurde. Auf diese Weise wird die Pulszahl Hr als eine Pulszahl/Minute zu einer Zeit festgelegt, während der eine geringere Variation in den Pulszahl-H(t)-Folgen ausgemacht wird. D. h., die Referenzpulszahl Hr soll zu einem Zeitpunkt eingestellt werden, an dem die Pulszahl H(t) sich stabilisiert hat; dies auf der Grundlage des Wissens über die Stabilisierung der Pulszahl H(t) während des Ruhe- und Aufwachzustands.

Die Referenzpulszahl Hr, die also der Pulszahl während des Ruhe- und Aufwachzustands entspricht und von der Referenz wert-Einstelleinrichtung 12 geliefert wurde, wird an eine Zeitannahme-Einrichtung 15 für die Zeit des Schlafbeginns gelie fert, in der ein Wert von 80 bis 95%, also beispielsweise 93% der Referenzpulszahl Hr als ein Schwellenwert eingestellt ist. In der Zeitannahme-Einrichtung 15 für die Zeit des Schlaf beginns werden danach die Pulszahl-H(t)-Signale der gleichen Verarbeitung unterworfen wie in der Referenzwert-Ein stelleinrichtung 12, um zu bestimmen, ob sich die Pulszahl H(t) in der abnehmenden Periode befindet, so daß, falls die in der abnehmenden Periode erfaßte Pulszahl H(t) unter dem Schwellenwert liegt, bestimmt wird, daß der Benutzer in diesem Moment zu schlafen begonnen hat, und die Einrichtung 15 liefert ein Schlafbeginn-Signal. Das Schaltelement SW wird bei der Erzeugung dieses Schlafbeginn-Signals auf AUS geschaltet, und die Zeiteinheit zum Zählen der Pulszahl an der Meßeinrichtung 11 wird von 30 Sekunden auf eine Minute geändert. Das Schlafbeginn-Signal hält den Betrieb der den Schlafbeginn bestimmenden Einschlafreiz-Erzeugungseinrichtung 14 an und schaltet auch eine Last-Steuereinrichtung 16 auf AUS. Diese Last- Steuereinrichtung 16 wird zur EIN- und AUS-Steuerung einer externen Last betrieben und ist vor dem Schlaf im EIN-Zu stand, sie wird aber bei Empfang des Schlafbeginn-Signals auf AUS geschaltet, wodurch verhindert wird, daß ein elektrisches Gerät wie ein Fernseher, eine Leuchte usw., die als externe Last verwendet werden, eingeschaltet bleibt und so den Schlaf des Benutzers stört.

Die Pulszahl H(t) und die Referenzpulszahl Hr, die wie oben beschrieben erhalten wurden, werden an eine Variationsindex- Betriebseinrichtung 17 geliefert, die eine Bewegungsdurch schnitt-Berechnungseinrichtung 18 und eine Variationsindex- Berechnungseinrichtung 19 aufweist, wobei erstere den Bewegungsdurchschnitt A(t) der Pulszahl H(t) und letztere einen Variationsindex C(t) auf der Grundlage der Pulszahl H(t) und des Bewegungsdurchschnitts A(t) erhält. Im vorliegenden Fall speichert die Bewegungsdurchschnitt-Berech nungseinrichtung 18 die von der Meßeinrichtung 11 empfangenen Pulszahlen H(t)/Min. und berechnet sequentiell den Bewegungsdurchschnitt mit einem Zeitintervall von τ Minuten (z. B. τ=5), das vor und nach bestimmten Zeitpunkten eingestellt ist; d. h., falls die Berechnung in Echtzeit durchgeführt wird, ein Bewegungsdurchschnitt zu einem Zeitpunkt, der τ Minuten vor dem Zeitpunkt der Berechnung liegt. Da die Pulszahlen H(t) für jeweils 30 Sekunden von der Meßeinrichtung 11 vor der Erzeugung des Schlafbeginn-Signals geliefert werden, führt die Variationsindex- Berechnungseinrichtung 19 bis zur Erzeugung des Schlafbeginn- Signals eine Addition von jeder zweiten Pulszahl H(t) durch, um so die Pulszahl H(t) für jede Zeiteinheit zu erhalten.

Bezüglich des Zentralwerts zur Berechnung des Bewegungsdurch schnitts werden die Unterschiede von allen anderen Werten innerhalb eines Bereichs verwendet, in dem der Bewegungs durchschnitt berechnet wird, und, falls die Anzahl der Werte, deren Unterschied einen vorbestimmten Schwellenwert ε (z. B. ε=3) überschreitet, größer als 70% der Anzahl der Werte innerhalb des Bereichs zur Berechnung des Bewegungsdurch schnitts ist, dann wird der Wert als anormaler Wert entfernt. D. h., ist ein anormaler Wert während der Berechnung des Bewe gungsdurchschnitts vorhanden, dann wird der Durchschnittswert als der Bewegungsdurchschnitt verwendet, von dem der anormale Wert entfernt worden ist, wodurch jeglicher Einfluß einer Ge räuschkomponente auf den Bewegungsdurchschnitt verhindert werden kann, falls sich der Durchschnittswert abrupt wegen einer Bewegung des Benutzers ändert. Außerdem wird, falls der Wert zu dem Zeitpunkt, an dem der Bewegungsdurchschnitt erhalten wird, ein anormaler Wert ist, eine lineare Interpo lation zwischen einem Paar nicht-anormaler Werte durch geführt, die am nächsten vor und hinter dem bestimmten Zeitpunkt liegen, und der Bewegungsdurchschnitt wird durch diesen mittels der linearen Interpolation erhaltenen Wert ersetzt. Der Bewegungsdurchschnitt kann während einer Zeit dauer von 2 τ Minuten von der Startzeit nicht erhalten werden, und während dieser Periode werden die Bewegungsdurch schnitts-Werte näherungsweise berechnet, wobei die Referenz pulszahl Hr, die von der Referenzwert-Einstelleinrichtung 12 geliefert wurde, als ein Anfangswert des Bewegungsdurch schnitts definiert wird.

Andererseits ist das System so ausgelegt, daß es den Schlaf zustand in festgelegten Zeitintervallen vom Start bis zum Zeitpunkt des Weckens in Abhängigkeit von der Einstellung der Aufwachzeit-Einstelleinrichtung 20, und das vorliegende System wird, wie teilweise oben erwähnt, durch die Betätigung des Start schalters 13 in Betrieb gesetzt, wobei der Aufweckzeit-Meß punkt durch die Aufwachzeit-Einstelleinrichtung 20 vorläufig einge stellt wird. Im vorliegenden Fall wird die Messung des Schlafzustands von der Startzeit an wenigstens einmal während der Schlafenszeit des Benutzers durchgeführt, und, gesetzt den Fall, die Soll-Aufweckzeit sei Tw und das Bestimmungs- Zeitintervall sei Ti, dann soll der Schlafzustand zu einer Meßzeit

tn = Tw-n, Ti (n=1, 2 ... N)

bestimmt werden.

Mit anderen Worten, die Bestimmung des Schlafzustands soll im vorhinein zu einem Zeitpunkt n·Ti bezüglich der eingestell ten Aufweckzeit begonnen werden. Das Zeitintervall Ti wird als ein ganzzahliges Vielfaches einer durch die Meßeinrich tung 11 vorgegebenen Zeiteinheit eingestellt, und die kleinste Einheit beträgt 1 Minute, d. h., die Zeiteinheit. Zu jedem Bestimmungszeitpunkt tn wird die Berechnung in der Variationsindex-Berechnungseinrichtung 19 mit der Pulszahl H(t) und den Bewegungsdurchschnitten A(t) durchgeführt, die von der Startzeit bis zur Bestimmungszeit tn erhalten werden, und die Bestimmung des Schlafzustands wird wie unten erläu tert durchgeführt.

Genauer erhält unter Bezug auf die Fig. 4 und 5 die Vari ationsindex-Berechnungseinrichtung 19 zunächst eine Trend linie Tr(t), die einen Trend der zeitlichen Veränderung der H(t)-Folgen auf der Grundlage des Bewegungsdurchschnitts A(t) angibt. Diese Trendlinie Tr(t) wird dadurch erhalten, daß eine erste Rhythmuskurve Rl mit den Minimalwerten des Bewegungsdurchschnitts zu jeder vorbestimmten Zeiteinheit in Zeitablaufsrichtung erstellt wird, daß eine zweite Rhythmus kurve R2 mit den Minimalwerten des Bewegungsdurchschnitts bezüglich der entgegengesetzten Richtung erstellt wird, und daß jeweils zu einem Zeitpunkt der größere Wert zwischen der ersten und zweiten Rhythmuskurve R1 und R2 als ein Punkt der Trendlinie Tr(t) aufgezeichnet wird. Dann wird die so erhaltene Trendlinie Tr(t) bezüglich der Größe mit den Pulszahlen H(t) verglichen, die von der Meßeinrichtung 11 geliefert wurden, und ein Zunahme I(t) der Pulszahl H(t) bezüglich der Trendlinie Tr(t) wird wie in dem folgenden Ausdruck dargestellt:

I(t)=H(t)-Tr(t)
. . . wenn H(t)≧Tr(t), und
I(t)=0	. . . wenn H(t)<Tr(t).

Außerdem wird die mittlere Quadratwurzel D(t) des Unter schieds zwischen der Pulszahl H(t) und dem Bewegungsdurch schnitt A(t) innerhalb eines Bereichs von τ Minuten vor und nach der betreffenden Zeit t (d. h., eine Standardabweichung in einem solchen Bereich) mittels des folgenden Ausdrucks erhalten:

D(t) = [Σ{H(t+j)-A(t)}²/(2τ+1)]^1/2;

dabei gilt [j=-τ, τ] und = 0≦t+j≦tn. Der Variationsindex C(t) wird als eine lineare Kombination des erhaltenen Zuwachses I(t) und einer Standardabweichung D(t) wie in dem folgenden Ausdruck gewonnen:

C(t) = al · I(t)+a2 · D(t)

Da die Zunahme I(t) bei Einzelpersonen unterschiedlicher ist als die Standardabweichung D(t), werden die Gewichte a1 und a2 so eingestellt, daß sie einer Bedingung a1 < a2 genügen. Als ein Beispiel zeigt der Graph (f) in der Fig. 5 eine Ausgabe mit a1 = 1 und a2 = 2; dort stellen die Graphen (a)- (e) jeweils die Pulszahl H(t), den Bewegungsdurchschnitt A(t), die Trendlinie Tr(t) und die Standardabweichung D(t) dar. Hier zeigt die Pulszahl H(t) geringere zeitliche Variationen während des NREM-Schlafs, so daß der Vari ationsindex C(t) (Graph (f) in Fig. 5) ebenfalls klein wird, während die Pulszahl H(t) im Pulszahl H(t) während des REM-Schlafs oder Aufwachzustands größer ist, so daß der Variationsindex C(t) ebenfalls größer wird. Mit anderen Worten, der Variationsindex C(t) ist ein Index, der den Zuwachs und die Abnahme sowie die zeitliche Variation kombiniert, und die NREM- und REM-Schlafphasen lassen sich nach der Größe des Variationsindex C(t) voneinander unterscheiden.

Deshalb wird der Variationsindex C(t) mit einem Schwellenwert Cth verglichen, der in einer Schlafindex-Betriebseinrichtung 21 eingestellt wurde. D. h., ein Schlafindex S(t) wird mittels der Größe des Variationsindex C(t) bezüglich des Schwellen werts Cth eingestellt, wobei der Schlafindex S(t) nach den folgenden Ausdrücken definiert ist:

S(t) = 1 . . . , wenn C(t)≧Cth, und
S(t) = 0 . . . , wenn C(t)<Cth.

Hier ist der Schwellenwert Cth so eingestellt, daß die Variationsindizes C(t) sequentiell vom größten zum kleinsten angeordnet sind, und 20% der größeren höheren Werte S(t) betragen 1. Mit anderen Worten, S(t) = 1 wird den oberen 20% der Variationsindizes C(t) zugeordnet, während S(t) = 0 den unteren 80% zugeordnet wird. Eine solche Einstellung des Schwellenwerts Cth basiert auf der Erkenntnis, daß, wie oben erwähnt, die Variationsindizes C(t) dem Schlafzustand inso weit entsprechen, als die Periode, die die höheren Vari ationsindizes C(t) aufweist, dem REM-Schlaf entspricht, und der REM-Schlaf etwa 20% der gesamten Schlafperiode bei normalem Schlaf während der Nacht einnimmt.

Die Schlafindizes S(t), die in der oben beschriebenen Weise gewonnen wurden, sind beispielsweise wie in dem Graph (g) aus Fig. 5 verteilt, wo die Punkte mit S(t)=1 durch schwarze Striche dargestellt sind; die Fig. 5 zeigt, daß die Periode mit höherer Verteilungsdichte der schwarzen Striche S(t)=1 dem Einsetzen der REM-Schlaf- und Aufwachperioden entspricht. D. h., es wird auf die folgende Weise bestimmt, ob sich der Benutzer in einer NREM-Schlaf-, einer REM-Schlaf-, oder in einer Aufwachperiode befindet. Zunächst werden jeweils die Punkte mit S(t)=1 sequentiell in Zeitablaufsrichtung beur teilt, Intervalle von k Minuten werden vor und nach jedem dieser Punkte eingestellt, die Punkte mit S(t)=1, die jedoch nur weniger als an m Punkten mit S(t)=1 an solchen Abschnitten vorhanden sind, werden als isolierte Punkte angesehen, und sie erhalten den Wert 0 (Graph (h) in Fig. 5). Bezüglich des restlichen Satzes von Punkten erhalten alle Punkte mit S(t)= 0, die aber nur weniger häufig als n zwischen nebeneinanderliegenden Paaren von Punkten mit S(t) 1 vorhanden sind, einen Wert 1. Der Graph (i) in Fig. 5 zeigt ein Ausgabebeispiel der Schlafindex-Betriebseinrichtung 21, wenn gilt: k=15, m=3 und n=15. Durch eine solche Verarbeitung erhält man durchgängige Abschnitte mit schwarzen Linien, und diese Abschnitte werden als Perioden bestimmt, in denen sowohl der REM-Schlaf und das Aufwachen eingeschlossen sind.

Die Pulszahl H(t), die Referenzpulszahl Hr, der Bewegungs durchschnitt A(t) und der Schlafindex S(t), die auf die oben beschriebene Weise gewonnen wurden, werden an eine Schlafzu stand-Bestimmungseinrichtung 22 geliefert, in der die Schlaf zustände vom Startpunkt bis zur Meßzeit tn auf der Grundlage des Schlafindex S(t) klassifiziert werden, der als Ausgabe von der Schlafindex-Betriebseinrichtung 21 bereitgestellt wird, in der eine Periode mit einem Schlafindex S(t)=0 als NREM-Schlafperiode bestimmt wird; weiter werden in einer Periode mit S(t)=1 die Pulszahl H(t) oder der Bewegungs durchschnitt A(t) innerhalb dieser Periode mit der Referenz pulszahl Hr verglichen, und es wird, falls die Referenzpuls zahl Hr größer als mehr als die Hälfte der Werte in dieser besonderen Periode ist, diese als eine Periode mit REM-Schlaf bestimmt; sie wird als eine Periode des Aufwachens bestimmt, wenn die Referenzpulszahl Hr kleiner ist. Der Schlafindex S(t) wird zu 1 für die REM-Schlafperiode, und zu 2 für die Aufwachperiode. Außerdem wird eine Periode innerhalb einer vorbestimmten Zeit T_R nach dem Ende der REM-Schlafperiode (beispielsweise 10 Minuten) als eine unmittelbar auf diese folgende angesehen. Durch diese Verarbeitungsoperationen wird die von der Schlafindex-Betriebseinrichtung 21 bereitge stellte Periode mit dem Schlafindex S(t) als REM-Schlaf- (S(t)=1) und Aufwach- (S(t)1= 2) Periode klassifiziert, während die Perioden mit S(t)=0 die Periode, die unmittelbar auf die REM-Schlafperiode folgt, sowie die NREM- Periode sein sollen.

Ein Vergleich des Ergebnisses der Bestimmung des Schlafzu stands auf der Grundlage der Pulszahl nach Durchlaufen des oben beschriebenen Prozesses mit dem Ergebnis visueller Aufzeichnung mittels eines Polysomnographen hat nachgewiesen, daß sie zu mehr als 85% miteinander übereinstimmen, was angesichts der Tatsache, daß sogar die visuelle Aufzeichnung durch mehrere Ärzte, die sich auf diesem Gebiet spezialisiert haben, mittels eines Polysomnographen nur etwa einen Grad von 90% erreicht, als ziemlich hoher Übereinstimmungsgrad gelten kann; das System nach der vorliegenden Erfindung dürfte also äußerst brauchbar sein.

In einer Aufwachreiz-Steuereinrichtung 23 werden der Zeit punkt oder die Intensität eines Aufwachreizes, der dem Benutzer zugeführt werden soll, auf der Grundlage der Schlafzustandsfolgen eingestellt. D. h., N×Ti ist die maximale Vorgabe für das Voreilen der Aufwachzeit, falls n= N, N-1, ... 1 in der obengenannten Meßzeit Tn (=Tw-n·Ti), und der Schlafzustand wird an jedem Zeitintervall Ti nach dem Zeitpunkt Tw-N·Ti (=Tp) gemessen. Vorausgesetzt, die Zeit einheit zur Berechnung der Pulszahl H(t) in der Meßeinrich tung 11 während des Schlafs ist Tu (1 Minute in dem obenge nannten Beispiel), dann gilt Tu ≦ Ti ≦ T_R. Mittels der Durch führung der Bestimmung des Schlafzustands zu jedem Zeitinter vall Ti zwischen dem Zeitpunkt Tp und dem Zeitpunkt Tw läßt sich ein Ergebnis unter den folgenden drei verschiedenen Situationen erreichen: die Periode des REM-Schlafs ist beendet und ist in die Periode unmittelbar nach dem REM-Schlaf übergegangen, die REM-Schlafperiode ist noch nicht in die Periode unmittelbar nach dem REM-Schlaf übergegangen, und, die Aufwachperiode ist schon erreicht.

Bei der Bestimmung der Beendigung der REM-Schlafperiode wird ein Aufwachsignal zum Betreiben einer Aufwachreiz-Erzeu gungseinrichtung 24 erzeugt. Als Aufwachreiz lassen sich, jeweils in Kombination oder einzeln, ein akustischer Reiz verwenden, ein aromatischer Reiz wie ein Pfefferminzduft oder ähnliches, der bekanntlich einen Aufwacheffekt bewirkt, ein optischer Reiz sowie ein vibrierender Reiz. Wird ein akustischer oder ein optischer Reiz verwendet, dann wird der Reizpegel bevorzugt schrittweise erhöht, aber der akustische Anfangsreiz kann relativ niedriger eingestellt werden, da der akustische Reiz in der Periode unmittelbar nach dem REM- Schlaf einen stärkeren Aufwacheffekt aufweist.

Bei der Bestimmung der Aufwachperiode ist ein Aufwachreiz entweder vor oder gerade zur eingestellten Zeit Tw vorge sehen, dessen Zeiteinstellung zu wählen ist, und das System erlaubt es dem Benutzer bevorzugt, diese Auswahl bei der Zeiteinstellung mittels der Aufwachzeit-Einstelleinrichtung 20 durchzuführen. Außerdem wird angenommen, daß unter den Aufwachreizen der akustische Reiz stark ist und eine relativ große Wirkung zeitigt, während die optischen oder aromati schen Reize schwach sind. Deshalb läßt sich auch wirkungsvoll ein Ansteigen des zum Zeitpunkt Tp schwachen Reizes vorsehen, wobei danach der starke Reiz zum optimalen Zeitpunkt zum Aufwachen, also in zwei Schritten, verabreicht wird. So fühlt sich der Benutzer beim Aufwachen dann außerordentlich wohl, wenn die Periode unmittelbar nach dem REM-Schlaf nicht zwischen dem Zeitpunkt Tp und dem Zeitpunkt Tw erreicht worden ist, wobei der anwachsende schwache Reiz in den NREM- Schlaf- und REM-Schlafperioden und der starke Reiz dann verabreicht wird, wenn der Zeitpunkt Tw erreicht ist, so daß der Schlaf schrittweise leichter gemacht wird und dann ein angenehmes Aufwachen ermöglicht wird.

Andererseits schläft der Benutzer möglicherweise sogar nach dem Aufwachreiz wieder ein. Deshalb ist bei dem vorliegenden System eine Wiedereinschlaf-Beurteilungseinrichtung 25 vorge sehen, die beurteilen soll, ob der Benutzer wieder einschläft oder nicht. D. h., die Wiedereinschlaf-Beurteilungseinrichtung 25 führt die gleichen Verarbeitungsoperationen durch wie die Zeitannahme-Einrichtung 15 für die Schlafbeginnzeit-Annahme 15, so daß ein Ereignis, bei welchem die Pulszahl H(t) eine abnehmende Tendenz auf weist oder die Durchschnitts-Pulszahl für eine vorbestimmte Zeitdauer unter die Referenzpulszahl Hr fällt, als Wiederein schlaf-Zustand beurteilt wird. Wird das Vorhandensein eines solchen Zustands festgestellt, dann wird die Aufwachreiz- Erzeugungseinrichtung 24 dauernd oder intermittierend betä tigt, um einen starken Reiz bereitzustellen, so daß der Aufwachzustand zuverlässig erreicht wird.

Außerdem wird der Schlafindex S(t), der in der Schlafzustand- Bestimmungseinrichtung 22 gewonnen wurde, in einer Schlafzu stand-Speichereinrichtung 26 gespeichert, mit der eine Ausgabeeinrichtung 27, d. h. ein Anzeigegerät, ein Drucker oder eine ähnliche Vorrichtung verbunden ist. So kann der Benutzer nach dem Aufwecken von der Ausgabeeinrichtung 27 ein Schlafdiagramm erhalten, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Ebenso läßt sich als Ausgabeeinrichtung 27 eine Sprachaus gabevorrichtung verwenden, so daß die gespeicherten Daten hörbar angegeben werden.

Im obengenannten Ausführungsbeispiel wurde zwar auf die Verwendung der leicht verfügbaren Pulszahl Bezug genommen, aber der Atemrhythmus kann ebenso als Biosignal oder physiologische Größe verwendet werden, da sich, wie es unter Bezug auf Fig. 7 deutlich wird, der im Graphen (b) gezeigte Atemrhythmus und die im Graphen (c) gezeigte Pulszahl bezüglich des Schlafzustands auf die gleiche Art verändern.

Claims

1. System zum Bestimmen des Schlafzustandes von Personen, bei welchem eine rhythmische physiologische Größe pro Zeiteinheit, die durch eine Meßzeit-Einstelleinrichtung eingestellt wird, mittels einer Meßeinrichtung gemessen und in ein Signal H(t) umgesetzt wird sowie Schwankungen dieses Signals H(t) mittels einer Variationsindex-Berechnungseinrichtung berechnet werden und zwischen NREM-Perioden und REM-Perioden, sowie diesen benachbarten Halbschlaf-Perioden, mittels einer Schlafzustand-Bestimmungseinrichtung unterschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Variations-Berechnungseinrichtung (19) Variationsindizes C(t) erzeugt, die Schwankungen des Signals H(t) darstellen, daß diese Variationsindizes C(t) durch Linearkombination von zwei Größen berechnet werden, von denen die erste I(t) eine Zunahme der Frequenz des Signals H(t) seit Beginn der Messung und die zweite D(t) die Standardabweichung des Signals H(t) innerhalb einer Zeitspanne während der Messung ist, und daß als Kriterium zur Unterscheidung der Schlafzustände ermittelt wird, ob die Variationsindizes C(t) einen vorbestimmten Schwellwert Cth überschreiten.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzwert-Einstelleinrichtung (12) vorgesehen ist, um auf der Grundlage des Wertes des Signals H(t) zu Beginn der Messung einen Referenzwert festzulegen, der als der Wert des Signals H(t) während eines Ruhe- und Aufwachzustands gelten kann, und daß eine Zeitannahme-Einrichtung (15) vorgesehen ist, um die Zeit, bei der das Signal H(t) unter einen vorbestimmten, auf der Grundlage des Referenzwertes eingestellten Schwellwert absinkt, als Schlafbeginn-Zeit anzunehmen.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlafzustand-Bestimmungseinrichtung (22) dann, wenn der Schlafindex eine andere Periode als die NREM-Schlafperiode bezeichnet, einen solchen Zustand, bei dem entweder das Signal H(t) oder ein Bewegungsdurchschnittswert A(t) dieses Signals H(t) über einem Referenzwert bezüglich eines Satzes von Messungen über einer Rate in einem vorbestimmten Zeitabschnitt liegt, als Aufwachperiode bestimmt und jeden anderen Zustand als REM-Schlafperiode bestimmt.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationsindex-Berechnungseinrichtung (19) dafür vorgesehen ist, eine Trendlinie zu erhalten, die einen Variationstrend im Zeitablauf auf der Grundlage des Bewegungsdurchschnitts angibt, wobei diese Trendlinie so gewonnen wird, daß eine erste Rhythmuskurve mit den Minimalwerten des Bewegungsdurchschnitts zu jeder Zeiteinheit bezüglich der Zeitablaufrichtung erhalten wird, und eine zweite Rhythmuskurve mit den Minimalwerten des Bewegungsdurchschnitts zu jeder Zeiteinheit bezüglich der entgegengesetzten Zeitrichtung erhalten wird, wobei der größere Wert zwischen der ersten und der zweiten Rhythmuskurve zu jedem Zeitpunkt als ein Punkt der Trendlinie aufgezeichnet wird.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Einrichtung (24) zur Erzeugung eines Aufwachreizes vorgesehen ist, der dem Benutzer verabreicht werden soll, sowie eine Einrichtung (20) zum Einstellen einer Aufwachzeit und eine Einrichtung (23) zur Steuerung der Funktion der Aufwachreiz-Erzeugungseinrichtung (24).

6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrich tung (22), die auf der Grundlage des Signals H(t), das nach der Aktivierung der Aufwachreiz-Erzeugungseinrichtung (24) gemessen wurde, einen Zustand des Wiedereinschlafens beurteilt und die Aufwachreiz-Erzeugungseinrichtung (24) erneut betätigt.