在活动期间监视生理参数以及时反馈以增强受试者的表现的制作方法
本公开涉及生理监视领域，并且更具体而言，涉及用于监视受试者的生理参数的设备和系统。
背景技术：
出于各种目的执行生理监视。但是，现有技术并非没有缺点。
需要可靠、简单且无电缆地测量受试者的生理参数。随着移动和远程医学的扩散增加，用于监视患者的生理参数的简化且不引人注目的手段变得越来越重要。
技术实现要素：
本公开的一个说明性的非限制性目的是提供用于监视和管理受试者的生理参数的系统、设备、方法和试剂盒。另一个说明性的非限制性目的是提供一种用于监视受试者的简化系统。另一个说明性的非限制性目的是提供一种用于监视受试者的舒适的长期可穿戴系统。另一个说明性的非限制性目的是提供用于基于受试者的被监视的生理参数来促进受试者的刺激的系统。
根据本公开，根据所附权利要求的设备、系统和方法完全或部分地满足上述说明性的非限制性目的。根据本公开，在所附权利要求书中、在以下描述中以及在附图中阐述了特征和方面。
在一个实施例中，一种装置包括处理器和耦合到该处理器的存储器，该处理器被配置为：利用至少一个感测设备监视来自受试者身上的至少一个部位的一个或多个生理参数的第一集合和一个或多个生理参数的第二集合；识别与一个或多个生理参数的第一集合相关的第一事件和与一个或多个生理参数的第二集合相关的第二事件；为第一事件生成第一时间戳并为第二事件生成第二时间戳；确定用于相对于第一时间戳和第二时间戳向受试者提供反馈的定时以在活动期间调整受试者的一个或多个特点；并且利用至少一个刺激设备根据确定的定时向受试者提供一个或多个反馈信号。
在活动期间调整受试者的一个或多个特点可以包括以下至少一项：在活动期间增强受试者的心肺表现；以及在活动期间提供受试者的至少一部分的移动的生物力学增强。
至少一个感测设备和至少一个刺激设备可以是同一个设备。
至少一个感测设备可以包括在第一部位处附接到受试者的第一感测设备和在第二部位处附接到受试者的至少第二感测设备。可以利用第一感测设备在第一部位处监视生理参数的第一集合，并且可以利用第二感测设备在第二部位处监视生理参数的第二集合。第一部位和第二部位可以在受试者身上共同定位。第一部位可以位于受试者的附肢、手臂、手、腿、脚、大腿、膝盖、小腿、脚踝、二头肌、肘、前臂、手腕、腹部或骨盆上。第二部位可以位于受试者的躯干、肋骨、腹部、颈部、头部、耳朵、手臂下方或附肢上。第一部位和第二部位中的至少一个可以在与受试者接口的至少一个机器上。
一个或多个生理参数的第一集合可以包括来自受试者身上的第一部位的一个或多个运动学信号和一个或多个肌电信号中的至少一个。一个或多个生理参数的第二集合可以包括来自受试者身上的第二部位的一个或多个心脏信号和一个或多个呼吸信号中的至少一个。第一事件可以与以下至少一项对应：一个或多个肌肉活动水平；一个或多个肌肉收缩的发作；一个或多个肌肉的放松；一个或多个肌肉的峰收缩；一个或多个肌肉的疲劳；一个或多个肌肉的峰力量生成；一个或多个肌肉的峰肌电图活动；一个或多个肌肉的峰高频肌电图活动；一个或多个肌肉的峰快速抽搐活动；以及一个或多个肌肉的峰缓慢抽搐活动。第一事件还可以或可替代地与一个或多个运动学和动力学移动对应，该一个或多个运动学和动力学移动包括以下一项或多项：峰水平加速度；峰水平速度；最小垂直加速度；最小垂直速度；弧的顶点；弧的底部；冲击；方向性冲击；以及自由落体状况。
可以在受试者执行重复性任务的同时执行监视。重复性任务可以包括跑步、步行、骑自行车、举重、跳跃、蹲下、仰卧起坐、卷腹(crunch)、头部移动、划船、游泳、摆动工具和爬楼梯之一。
相对于第一时间戳和第二时间戳确定用于向受试者提供反馈的定时可以至少部分地基于一个或多个环境因素。
相对于第一时间戳和第二时间戳确定用于向受试者提供反馈的定时可以至少部分基于用于受试者正在执行的重复性任务的一个或多个任务相关因素。
相对于第一时间戳和第二时间戳确定用于向受试者提供反馈的定时可以至少部分地基于受试者的一个或多个疲劳因子。
相对于第一时间戳和第二时间戳确定用于向受试者提供反馈的定时可以包括：执行训练规程，包括利用至少一个刺激设备向受试者施加刺激并监视受试者的一个或多个生理参数，以确定至少一个心脏表现度量的一个或多个改变；以及利用确定的至少一个心脏表现度量的一个或多个改变来确定用于相对于第一时间戳和第二时间戳向受试者提供反馈的最优定时。
受试者可以正在执行包括多个周期的重复性任务，并且处理器可以被配置为在多个周期中的两个或更多个周期期间执行监视，以便响应于两个或更多个周期中的每个周期中与第一事件和第二事件相关联的第一时间戳和第二时间戳而执行时间平均的优化以向受试者提供反馈。
受试者可以正在执行包括多个周期的重复性任务，并且处理器可以被配置为在多个周期中的第一个周期期间执行监视，并在多个周期中第一个周期之后的第二个周期中向受试者提供反馈。
受试者可以正在监视期间执行包括两个或更多个活动的任务，并且相对于第一时间戳和第二时间戳确定用于提供反馈的定时可以包括针对任务内一个或多个指定的活动来协调反馈的定时。
反馈可以包括电刺激、振动刺激、听觉刺激和视觉刺激中的至少一种。
处理器还可以被配置为：利用至少一个刺激设备向受试者身上的两个或更多个位置施加刺激；利用至少一个感测设备来监视受试者对在两个或更多个位置中的每个位置处提供的刺激的响应；利用被监视的响应来确定受试者对施加到两个或更多个位置中的每个位置的刺激的反射时间；并且基于确定的反射时间来选择两个或更多个位置中的至少一个给定位置以用于向受试者提供一个或多个反馈信号。
处理器可以被配置为调整提供给受试者的一个或多个反馈信号的强度，以实现期望的心肺表现增强水平。
处理器可以被配置为通过相对于向受试者提供一个或多个反馈信号的定时来监视受试者响应以确定受试者何时响应于一个或多个反馈信号而调整与任务相关的移动来计算受试者的一个或多个反射。处理器还可以被配置为监视受试者的反射响应时间的一个或多个改变，并且基于受试者的反射响应时间的一个或多个改变来调整向受试者提供一个或多个反馈信号的定时。
在另一个实施例中，一种方法包括：利用至少一个感测设备，从受试者身上的至少一个部位监视一个或多个生理参数的第一集合和一个或多个生理参数的第二集合，识别与一个或多个生理参数的第一集合相关的第一事件以及与一个或多个生理参数的第二集合相关的第二事件，为第一事件生成第一时间戳并为第二事件生成第二时间戳，确定用于相对于第一时间戳和第二时间戳向受试者提供反馈的定时以在活动期间调整受试者的一个或多个特点，并且利用至少一个刺激设备根据确定的定时向受试者提供一个或多个反馈信号。
在活动期间调整受试者的一个或多个特点可以包括以下至少一项：在活动期间增强受试者的心肺表现；以及在活动期间提供受试者的至少一部分的移动的生物力学增强。
在另一个实施例中，一种计算机程序产品包括其中存储有可执行程序代码的非暂态处理器可读存储介质，该可执行程序代码在被执行时使至少一个处理设备：利用至少一个感测设备从受试者身上的至少一个部位监视一个或多个生理参数的第一集合和一个或多个生理参数的第二集合；识别与一个或多个生理参数的第一集合相关的第一事件和与一个或多个生理参数的第二集合相关的第二事件；为第一事件生成第一时间戳并为第二事件生成第二时间戳；确定用于相对于第一时间戳和第二时间戳向受试者提供反馈的定时以在活动期间调整受试者的一个或多个特点；并且利用至少一个刺激设备根据确定的定时向受试者提供一个或多个反馈信号。
在活动期间调整受试者的一个或多个特点可以包括以下至少一项：在活动期间增强受试者的心肺表现；以及在活动期间提供受试者的至少一部分的移动的生物力学增强。
附图说明
参考以下附图可以更好地理解本公开的几个方面。在附图中，贯穿几个视图，相同的附图标记表示对应的部分。
图1图示了根据本发明实施例的模块化生理监视系统的各方面。
图2图示了根据本发明实施例的包括贴片模块对的粘合剂施加的刺激设备。
图3图示了根据本发明实施例的具有振动刺激部件的贴片模块对。
图4图示了根据本发明实施例的具有热刺激部件的贴片模块对。
图5图示了根据本发明实施例的具有触觉刺激部件的贴片模块对。
图6a-6e图示了根据本发明实施例的电极布局。
图7a-7b图示了根据本发明实施例的传感器在受试者身上的放置以及使用传感器来确定对刺激的响应。
图8a-8d图示了根据本发明实施例的在活动期间传感器在受试者身上的放置以及详细描述反馈的同步以改善活动期间受试者的表现的图。
图9a-9c图示了根据本发明实施例的模块化生理监视系统。
图10图示了根据本发明实施例的用于在活动期间增强受试者的表现的处理流程。
具体实施方式
在下文中，参考附图描述本公开的特定实施例；但是，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，并且可以以各种形式实施。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为教导本领域技术人员以实际上任何适当的详细结构来不同地采用本公开的代表性基础。在整个附图的描述中，相似的附图标记可以指代相似或完全相同的元件。
根据本公开的用于评估受试者(例如，人类受试者、患者、运动员、训练者、动物(诸如马、犬、猪、牛等))的一个或多个生理参数)的模块化生理监视系统可以包括一个或多个贴片，每个贴片适合于附着到受试者的身体(例如，可附着到其皮肤，可逆地附着、可粘附地附着、具有一次性界面和可重用的模块等)。在各方面中，生理监视系统可以包括一个或多个模块，并且每个模块可以包括电源(例如，电池、可再充电电池、能量收集换能器、微电路以及储能器、热梯度收集换能器、动能收集换能器、射频能量收集换能器、燃料电池、生物燃料电池等)、信号调节电路系统、通信电路系统、被配置为生成一个或多个信号(例如，生理和/或物理信号)、刺激等的一个或多个传感器等。
贴片中的一个或多个可以包括一个或多个互连，被构造且维度设定为与模块中的一个或多个耦合，所述模块包括互补的互连，被构造且维度设定为与对应的贴片耦合。贴片可以包括用于附着到受试者的生物粘附界面，模块可经由与贴片的互连而抵靠受试者保持。
在各方面中，贴片可以被配置为单次使用(例如，一次性的)。贴片可以包括薄的、透气的、可拉伸的层压体。在各方面中，层压体可以包括基板、生物粘合剂、一个或多个根据本公开的感测或刺激元件，以及用于将一个或多个感测元件与对应模块耦合的一个或多个互连。
在各方面中，为了保持贴片在受试者身上的高度舒适性和长期穿戴性、限制对正常身体功能的干扰、限制对关节移动的干扰等，贴片可以足够薄和脆弱，使得它在自由站立时基本上能不保持预定的形状。这种定义在下面进一步详细描述。贴片可以设有临时的加强膜，以在将贴片放置在受试者的身体上之前保持其形状。一旦粘附到受试者，就可以从贴片移除临时的加强膜。当贴片粘附到受试者时，贴片的形状和功能可以基本上保持。在从患者身上移除贴片后，现在的独立贴片足够脆弱，使得贴片不再能够基本上保持预定的形状(例如，足够脆弱，使得贴片将不能在自由站立状态下存活)。在各方面中，当从受试者移除贴片时施加到贴片上的拉伸会导致一旦贴片处于使得贴片皱成球并且不再起作用的自由站立状态就弹回。
在各方面中，贴片可以包括具有足够高抗撕强度的膜(例如，基板)，使得当从受试者的皮肤剥离贴片时，贴片不会撕裂。在各方面中，贴片的撕裂强度与贴片对皮肤的剥离粘合强度之间的比率(例如，撕裂强度：剥离粘合强度)大于8：1、大于4：1、大于2：1等。这种配置可以是有利的，以确保在使用之后可以容易且可靠地将贴片从受试者身上移除而不撕裂。
在各方面中，贴片可以包括对哺乳动物皮肤具有大于0.02牛顿/毫米(n/mm)，大于0.1n/mm、大于0.25n/mm、大于0.50n/mm、大于0.75n/mm、大于2n/mm等的剥离粘性的生物粘合剂。这种剥离粘性可以使用美国测试和材料协会(astm)标准测试，astmd3330：standardtestmethodforpeeladhesionofpressure-sensitivetape(压敏胶带剥离粘合力的标准测试方法)近似地确定。
在各方面中，贴片可以表现出大于0.5n/mm、大于1n/mm、大于2n/mm、大于8n/mm等的撕裂强度。这种撕裂强度可以使用astm标准测试，astmd624：standardtestmethodfortearstrengthofconventionalvulcanizedrubberandthermoplasticelastomers(常规硫化橡胶和热塑性弹性体的撕裂强度的标准测试方法)近似地确定。
在各方面中，可以向贴片提供小于50微米(μm)、小于25μm、小于12μm、小于8μm、小于4μm等的特征厚度。还有，在各方面中，可以获得厚度、刚度与撕裂强度之间的平衡，以便为受试者维持足够高的舒适度、在使用期间最小化皮肤压力(例如，在使用期间身体在贴片周围局部移动时，最小化与皮肤拉伸相关的不适和外来信号)、最小化对皮肤健康的影响、最小化使用期间产生褶皱的风险并且最小化对受试者皮肤的浸软的风险，同时限制从受试者身上移除贴片时撕将其裂的风险等。
在各方面中，可以进一步更改贴片的特性，以平衡贴片附着到受试者时贴片的一个或多个亲水或两亲组分的水合水平。这种调整可以有利于防止贴片的离子导电组分的过度水合或干燥、管理贴片的一个或多个元件内的传热系数、管理根据本公开的盐在容器中的滞留和/或在锻炼期间的迁移、防止渗出物、汗液等积聚到结合到贴片或相关联模块中的流体测量传感器中等等。在各方面中，贴片或其速率确定组件可以设有介于每24小时200克/平方米(g/m2/24hrs)和20000g/m2/24hrs之间、500g/m2/24hrs至12000g/m2/24hrs之间、2000g/m2/24小时至8000g/m2/24hrs之间等的水蒸气透过率。
这种配置可以有利于为受试者提供舒适的可穿戴生理监视器，同时减少材料浪费和/或商品的成本，防止由于不受控制的重用而造成的污染或疾病扩散等。
在各方面中，一个或多个贴片和/或模块可以被配置用于彼此导电互连、电感耦合互连、电容耦合互连。在导电互连的情况下，每个贴片和模块互连可以包括互补的导电连接器，其被构造和维度设计为在附接时配合在一起。在电感或电容耦合互连的情况下，贴片和模块可以包括被构造和维度设计为在附接时配合在一起的互补线圈或电极。
每个贴片或贴片-模块对可以被配置为感测设备，以监视所附着的受试者的一个或多个局部生理和/或物理参数(例如，对于附着部位而言是局部的等)、局部环境、其组合等，并以信号的形式将此类信息中继到主机设备(例如，经由无线连接、经由人体局域网连接等)、受试者身上的一个或多个贴片或模块等。每个贴片和/或贴片-模块对也可以或可替代地被配置为刺激设备，以响应于来自主机设备的信令而对受试者施加刺激，该信令基于由(一个或多个)感测设备测得的受试者的生理和/或物理参数的分析。
在各方面中，主机设备可以被配置为协调去往/来自每个模块和/或贴片的信息交换，并生成针对受试者、用户、网络、电子健康记录(ehr)、数据库(例如，作为数据管理中心、ehr、社交网络等的一部分)、处理器、其组合等的一个或多个生理信号、物理信号、环境信号、动力学信号、诊断信号、警报、报告、推荐信号、命令、其组合等。
在各方面中，根据本公开的系统可以包括多个基本上相似的模块(例如，一般而言可互换的模块，但具有唯一的标识符)，用于与多个贴片耦合，每个贴片可选地与系统中的其它贴片不同(例如，可以包括替代传感器、传感器类型、传感器配置、电极、电极配置等)。每个贴片可以包括适于附接到相关联模块的互连。在将模块附接到对应的贴片后，模块可以验证已经与之配对的贴片的类型和操作。在各方面中，模块然后可以经由附接的贴片对受试者发起监视操作、与受试者、集线器等上的一个或多个贴片通信。从每个模块收集数据可以通过一个或多个模块和/或与根据本公开的主机设备协调。模块可以与数据一起报告时间戳，以便跨受试者身上、受试者之间的多个贴片-模块对同步数据收集。因此，如果要替换模块，那么可以容易地由受试者、护理人员、从业者等在监视过程期间执行热插拔替换(例如，在监视过程期间的替换)。这种配置对于执行受试者的冗余、连续监视和/或在使用期间从受试者身上的多个位置获得空间相关信息可以是有利的。
在各方面中，模块和/或贴片可以包括用于在使用期间彼此耦合的对应的互连。互连可以包括一个或多个连接器，连接器被配置为使得模块和贴片仅可以相对于彼此以单个唯一的朝向耦合。在各方面中，可以按功能对模块进行颜色编码。附接到贴片的临时加强元件可以包括指令、相应的颜色编码等，以帮助用户或受试者简化监视的过程。
除了生理监视之外，一个或多个贴片和/或模块还可以被用于向受试者提供刺激，如将在下面进一步详细描述的。
在一些实施例中，模块化的生理监视系统包括一个或多个感测设备，其可以被放置或附接到受试者身上的一个或多个部位。可替代地或附加地，可以将一个或多个感测设备放置在受试者之外，诸如未物理附接到受试者的一个或多个传感器(例如，相机、声学传感器等)。感测设备被用于通过监视和测量受试者的生理参数来确定事件是否正在发生以及确定事件的一个或多个特点。可以通过至少部分地在外部且在物理上与一个或多个感测设备不同的设备(诸如与该感测器进行有线或无线通信的主机设备)来确定事件是否已经发生，如下面关于图1所描述的。模块化生理监视系统包括一个或多个刺激设备，该刺激设备再次可以是附接到受试者或“远离”受试者放置以响应于检测到的事件而对受试者施加刺激的设备的任何组合。可以应用各种类型的刺激，包括但不限于经由热输入、振动输入、机械输入、具有电输入的压缩等进行刺激等。
模块化生理监视系统的感测设备(诸如下面关于图1描述的贴片-模块对)可以被用于监视受试者的一个或多个生理功能或参数，如下面将要进一步详细描述的。模块化生理监视系统的感测设备，或者被配置为从感测设备接收数据或测量的主机设备，可以被用于监视一个或多个事件(例如，通过分析由感测设备测得的信号、根据从信号得出的度量等)。模块化生理监视系统的刺激设备可以被配置为向受试者递送一种或多种刺激(例如，电的、振动的、声学的、视觉的等等)。刺激设备可以从感测设备或主机设备中的一个或多个接收信号，并响应于接收到的信号而提供刺激。
图1示出了根据本公开的模块化生理监视系统的各方面。在图1中，受试者1被示为具有根据本公开的多个贴片和/或贴片-模块对(每个贴片和/或贴片-模块对各自在以下描述的部位附着在其上)、根据本公开的主机设备145、根据本公开的基于从受试者1获得的信号来显示一些数据148的反馈/用户设备147，以及根据本公开的被配置为向受试者1传达从中收集的信号或信息的一个或多个方面的一个或多个反馈设备135、140。在一些实施例中，反馈设备135、140还可以或可替代地用作刺激设备。主机设备145、用户设备147、贴片和/或贴片-模块对和/或反馈设备135、140可以被配置用于在监视会话期间进行无线通信146、149。
在各方面中，贴片-模块对可以适于放置在受试者1的身体上的几乎任何位置。如图1中所示，一些部位可以包括附接到头盖骨或前额131、太阳穴、耳朵或耳朵的后面50、颈部、颈部的前部、侧面或后部137、肩膀105、具有最小肌肉块的胸部区域100，集成到一件装饰性珠宝55(可以是主机、集线器、反馈设备等)中、布置在躯干11a-c上、布置在腹部80上以监视移动或呼吸、在肋骨笼90下方以监视呼吸(一般而言在身体的右侧，以大大减少ecg对测量的影响)、在诸如二头肌85之类的肌肉上、在腕部135上或与在腕部上的可穿戴计算设备60(例如，智能手表、健身带等)组合、在臀部25上、在大腿75上、在小腿肌肉70上、在膝盖35上特别是用于基于本体感受的研究和冲击研究、在小腿30上主要用于冲击研究、在脚踝65上、在跟腱20上方、在脚15的前部或顶部、在脚跟5上，或在脚底或脚趾10周围。预想了用于放置此类设备的其它部位。一般基于本文描述的贴片-模块对的预期应用来确定监视和/或刺激部位的选择。
在腹部、会阴区域142a-c、生殖器、泌尿生殖器三角形、肛门三角形、骶骨区域、大腿内侧143等上的附加放置部位在评估受试者的自主神经功能方面可以是有利的。此类放置区域对于副交感神经系统(pns)活动的评估、体感功能、交感神经系统(sns)功能的评估等可以是有利的。
在腕部144a、手144b等上的放置部位可以有利于与受试者交互，诸如经由执行压力测试、执行热压力测试、执行触觉压力测试、监视流出、传入流量、传出流量等。
在乳头、乳晕、嘴唇、阴唇、阴蒂、阴茎、肛门括约肌、提肛肌上、在横纹肌海绵、会阴深横肌、小阴唇、大阴唇、其表面附近的一个或多个神经、阴囊后神经、会阴膜、会阴神经、会阴浅神经、背神经、直肠下神经等之上的放置部位可以有利于评估自主神经消融规程、自主神经调制规程、受试者的pns的评估、受试者的性功能障碍的评估等。
在面部141上、在眼部肌肉上方、在眼睛附近、在面部肌肉上方(例如，鼻、颞、颧小肌/颧大肌、眼轮、枕额叶)、在鼻管附近、在面骨上方(例如，额骨突、颧骨/表面、颧面孔、黄斑骨、鼻骨、额骨、上颌骨、颞骨、枕骨等)的放置部位可以有利于评估眼功能、唾液功能、窦功能、与嘴唇的交互、与pns的一个或多个神经的交互(例如，与受试者的耳朵内、上和/或附近的迷走神经交互)等等。
在各方面中，根据本公开的系统可以被配置为在压力测试、药物消耗、锻炼、康复训练、按摩、驾驶、看电影、游乐园游乐设施、睡觉、性交、外科手术、介入性或非侵入性规程、神经重塑规程、去神经支配规程、交感神经切除术、神经消融术、外围神经消融、放射外科规程、介入规程、心脏修复、镇痛药的给药、其组合等中的一个或多个之前、期间和/或之后监视受试者1的一个或多个生理参数。在各方面中，根据本公开的系统可以被配置为监视对规程的自主神经反应的一个或多个方面、确认规程的完成、选择规程的候选、在接收到规程之后对受试者进行跟进、评估规程的持久性等(例如，诸如其中规程是肾脏去神经规程、颈动脉去神经规程、肝动脉去神经规程、luts治疗、膀胱去神经规程、尿道治疗、前列腺消融、前列腺神经去神经规程、癌症治疗、疼痛阻滞、神经阻滞、支气管神经支配手术、颈动脉窦神经调制规程、神经调制设备的植入、神经调制设备的调谐等)。
关于模块化生理监视系统、试剂盒和方法的附加细节在作为wo2014/197822公开并且标题为“modularphysiologicmonitoringsystems,kits,andmethods”的pct申请序列no.pct/us2014/041339、作为wo2016/019250公开并且标题为“modularphysiologicmonitoringsystems,kits,andmethods”的pct申请序列no.pct/us2015/043123以及作为wo2017/190049公开并且标题为“monitoringandmanagementofphysiologicparametersofasubject”的pct申请序列no.pct/us2017/030186中进一步描述，其公开内容通过引用整体并入本文。
下面关于利用模块化生理监视系统监视心脏输出并利用与心脏输出相关的信息协调微血管血管网络的周期性压缩和放松来描述各种实施例。此类技术提供了各种优点，诸如实现显著的后负荷减少，这减少了心脏的工作量，因为以相同或更少的心脏工作实现了可比的血流。这些和其它优点将在下面进一步详细描述。
在一些实施例中，模块化生理监视系统可以包括物理上不同的感测和刺激设备，诸如在不同位置物理附接到受试者的感测和刺激设备。例如，感测和刺激设备可以包括以上关于图1描述的贴片-模块对中的不同贴片-模块对。在其它实施例中，一个或多个设备可以提供监视和刺激功能两者。例如，以上关于图1描述的一个或多个贴片-模块对可以被配置为既用作感测设备又用作刺激设备。但是，应该认识到的是，实施例不仅仅限于与图1的贴片-模块对一起用作感测和刺激设备。可以利用各种其它类型的感测和刺激设备，包括但不限于相对于受试者1为“离体”的传感器。
模块化生理监视系统的感测和/或刺激设备可以被配置用于彼此之间和/或与主机设备的射频(rf)或其它无线和/或有线连接。这种rf或其它连接可以被用于在感测和刺激设备之间传输或接收反馈参数或其它信令。例如，可以基于使用感测设备获得的生理参数的测量来提供反馈，以确定何时发生与心脏输出相关的事件。在一些实施例中，可以基于这种反馈来确定由刺激设备施加的刺激的各种阈值。阈值可以与电刺激或其它刺激的振幅或频率有关。阈值还可以与是否基于反馈由刺激设备发起刺激相关。
在用刺激设备施加刺激期间和/或之后，感测设备可以监视受试者的生理反应。如果刺激成功实现了期望的响应，那么可以停止刺激。否则，可以调整刺激的类型、定时等。
在一些实施例中，模块化生理监视系统的用户可以在设置时段期间或在模块化生理监视系统的使用期间的任何点设置对刺激类型、水平的偏好和/或以其它方式对感觉进行个性化。模块化生理监视系统的用户可以是被感测设备和刺激设备监视和刺激的受试者，或者是被监视和刺激的受试者的医生、护士、物理治疗师、医疗助手、护理人员等。用户还可以在任何时间选择断开或关闭模块化生理监视系统，诸如经由开关的操作、压力感觉、语音操作的指令等。
可以经由模块化生理监视系统中的一个或多个刺激设备提供的刺激或反馈可以具有多种形式，包括物理刺激(例如，电、热、振动、压力、按抚、其组合等)、光学刺激、声学刺激等。
可以以负面反馈的形式提供物理刺激，诸如如上所述在短暂电击或脉冲中。来自在传导的电武器(cew)中(诸如在电击设备中)施加的波形的数据或知识可以被用于避免痛苦的刺激。物理刺激也可以以正面反馈的形式提供，诸如通过将非痛苦的电刺激与愉快的声音、音乐、照明、气味等相结合来唤起愉快的感觉。物理刺激不仅限于电击或脉冲。在其它实施例中，可以通过调整温度或其它刺激来提供物理刺激，诸如在提供冷或热空气的突发、薄雾的突发、振动、张力、拉伸、压力等中。
经由本文描述的物理刺激以及其它刺激提供的反馈可以与一个或多个监视设备(例如，主机设备、一个或多个感测设备等)同步、由其发起或以其它方式协调或控制。监视设备可以物理地(例如，经由一根或多根电线或其它连接器)、无线地(例如，经由无线电或其它无线通信)连接到刺激设备。物理刺激可以施加到受试者的各个区域，包括但不限于受试者的手腕、脚底、手掌、乳头、前额、耳朵、乳突区域、皮肤等。
可以经由一个或多个刺激设备来提供光学刺激。光学刺激可以是正面的或负面的(例如，通过提供令人愉快的或令人不愉快的照明或其它视觉效果)。类似地，可以经由一个或多个刺激设备以正面反馈或负面反馈(例如，通过提供令人愉快或令人不愉快的声音)来提供声学刺激。声学刺激可以采取口头词语、音乐等的形式。在一些实施例中，声学刺激可以经由智能扬声器或其它电子设备(诸如
如上所述，模块化生理监视系统可以在治疗模式下操作，因为当受试者的一个或多个心脏参数指示某个事件(例如，实际的、即将发生的或预测的故障或恶化)时，提供刺激。但是，在其它实施例中，模块化生理监视系统也可以作为一类心脏“起搏器”操作或提供其。在此类实施例中，模块化生理监视系统具有减少心脏事件的频率或可能完全避免某些心脏事件的潜力。模块化生理监视系统可以提供用于使微血管血管网络的周期性压缩和放松与心脏输出进行定时和同步的功能。此类技术可以被用于响应如上面所指示的一类故障事件。可替代地或附加地，可以基本连续地提供此类技术，以便以相同或更少的心脏工作来改善整体心脏表现(例如，血流量)。
在一些实施例中，模块化生理监视系统可以被配置为向受试者提供多模式刺激。多模式方法使用一种或多种形式的刺激(例如，热和电、机械和电等)以便模仿另一种刺激，以诱使局部神经以相同的方式对模仿的刺激做出反应。此外，在一些实施例中，可以使用多模式刺激或输入来增强特定刺激。例如，添加模拟的电刺激可以增强热刺激的效果。
模块化生理监视系统可以使用跨空间和时间的脉冲(例如，频率、脉冲串、相对振幅等)来模仿振动、舒适或不适、轻度或重度疼痛、湿感、热/冷、训练神经可塑性、味道(例如，使用放置在受试者口中或舌头上的刺激设备来模仿酸味、甜味、盐味、苦味或鲜味)、张力或拉伸、声音或声学、尖锐或沉闷的压力、光偏振(例如，线性相对于极性、“haidinger刷”)、光的颜色或亮度等。
刺激放大也可以由使用多模式输入的一个或多个模块化生理监视系统提供。刺激放大表示混合方法，其中可以施加第一类型的刺激，并且提供第二不同类型的刺激以增强第一类型的刺激的效果。作为示例，可以经由加热元件来提供第一刺激，其中加热元件通过附近的电极或其它起搏模式使用电模仿来放大和增加加热刺激的其它刺激设备来增加。电刺激也可以被用作补充或模仿各种其它类型的刺激，包括但不限于振动、热、冷等。可以将不同、可能独特的刺激模式应用于受试者，其中中枢神经系统和外围神经系统将这种不同或独特的刺激模式解释为不同的刺激模态。
刺激增加的另一个示例是感测“真实”刺激、测量该刺激并通过模仿(诸如使用电脉冲)来构建比例响应。可以通过电-热转换来测量真实刺激，诸如感测来自peltier设备的热或冷。然后可以使用虚拟模仿来放大这个真实刺激，这可以提供能量节省以及修改虚拟刺激以改变对真实刺激的感知的可能性。
在一些实施例中，模块化生理监视系统中的刺激设备包括电极阵列，该电极阵列附接(例如，经由粘合剂或以其它方式保持在适当位置)到优选的身体部分。刺激设备中的一个或多个可以包括多个感测和刺激电极，包括不同类型的感测和/或刺激电极。在一些实施例中，刺激设备上的感测电极可以与模块化生理监视系统中的感测设备不同，因为模块化生理监视系统中的感测设备可以被用于测量受试者的生理参数，而感测电极模块化生理监视系统中的刺激设备上的感测电极可以被用于监视刺激对受试者的施加。
测试刺激可以以电极阵列中的图案的形式发起，从经由刺激电极中的一个或几个的施加开始，并且随着时间的推移而增加数量以覆盖电极阵列的整个或更大部分。测试刺激可以被用于确定受试者对所施加刺激的反应。刺激设备上的感测电极可以被用于监视刺激的施加。电极阵列还可以被用于记录期望的输出(例如，与心脏输出相关的生理参数)。照此，可以配置阵列中的电极中的一个或多个，以便测量与刺激本身相关联的局部诱发的反应。这样的方法对于在使用期间确认目标神经的捕获可以是有利的。通过监视对刺激的神经反应，可以调整包括振幅、持续时间、脉冲数等的刺激参数，同时确保由使用中的刺激支持(enlist)目标神经。
测试刺激可以迁移或以图案施加到电极阵列中不同位置处的不同电极。可以使用模块化生理监视系统中的感测设备和/或模块化生理监视系统中的刺激设备的感测电极中的一个或多个来记录或以其它方式测量对刺激的反应。可以记录或分析对测试刺激的反应，以确定刺激的最优感测或施加部位，以在受试者体内实现期望的效果或反应。因此，可以利用测试刺激来找到最优感测(例如，皮肤刀驱动器)位置。这允许针对最优起搏或其它刺激施加进行有力的定位，这可以针对不同的受试者进行个性化。
经由粘合剂施加至受试者的刺激设备(例如，粘合剂施加的刺激设备)可以是一次性或可重用单元的形式，诸如贴片和/或贴片-模块或贴片/集线器对，如以上关于图1所描述的。在一些实施例中，粘合性地应用的刺激设备包括一次性界面，该一次性界面被构造为是薄的、可拉伸的、能够贴合受试者的皮肤并且足够柔软以舒适穿着。一次性界面可以由非常薄的、可拉伸的和/或透气的材料制成，使得受试者一般不会在他或她的身体上感觉到该设备。
粘合性地应用的刺激设备还包括用于通过粘合性界面和/或粘合性界面中的窗口与受试者接口的部件。这样的部件可以包括多个电极，这些电极与粘合性应用的刺激设备的可重用组件耦合，并且通过粘合性界面耦合到受试者的身体。该部件还可以或可替代地包括：振动致动器，以提供垂直于和/或横穿其上附着有粘合性地应用的刺激设备的皮肤表面的振动；热设备，诸如peltier设备、加热元件、冷却元件、rf加热电路、超声源等；用于按抚皮肤的部件，诸如形状记忆致动器、电活性聚合物致动器等；用于向皮肤施加压力的部件，诸如气动致动器、液压致动器等。
粘合性地应用的刺激设备的致动部件可以被施加在受试者的被施加区域的小区域之上，使得粘合性界面提供抵抗该致动部件相对于受试者的皮肤的致动所需的偏置力。
可以将粘合性地应用的刺激设备设置为两个组件-一次性身体界面和可重用组件。一次性身体界面可以被应用以符合受试者的期望的解剖结构，并且包裹在身体周围，使得可重用组件可以在开放且没有受试者与另一个表面之间的自然界面的区域内与一次性组件接口。
粘合性地应用的刺激设备也可以是单个组件，而不是两个组件或其它多组件布置。被实现为单个组件的这种设备可以包括与受试者的粘合性界面，该粘合性界面包括施加到受试者的两个或更多个电极。被实施为单个组件的粘合性地应用的刺激设备具有潜在的优势，诸如更轻松施加到受试者的身体，但在透气性、顺应性、具有挑战性的界面等方面相对于两组件或多组件布置可能处于不利地位。
图2图示了实施为贴片-模块对200的粘合性地应用的刺激设备的示例。如图所示，将包括耦合到贴片210的模块205的贴片-模块对200应用于受试者201的皮肤表面202。应该认识到的是，取决于包括在贴片210中的电极215a、215b、220a、220b的功能，贴片-模块对200可以除刺激设备之外或代替刺激设备还用作感测设备。电极215a、215b面向外(例如，远离受试者201的皮肤表面202)。电极220a、220b与受试者201的皮肤表面202接口。电极215a、215b、220a、220b中的一个或多个可以用作传感器，以感测与受试者201和/或受试者201周围的周围环境相关联的生理参数。电极215a、215b、220a、220b中的一个或多个也可以或可替代地被配置为对受试者201施加刺激。
贴片-模块对200与模块化生理监视系统中的一个或多个其它设备(诸如一个或多个其它刺激设备、一个或多个感测设备和/或主机设备)无线通信250。有利地，贴片210可以是拉伸的，以便根据沿着受试者201的皮肤表面202的移动、形状的改变或拉伸来维持对受试者201的刺激的监视和/或施加。贴片-模块对200是多组件粘合性地应用的设备的示例，因为贴片-模块对200包括低成本的一次性贴片210和微型可重用模块205。这种配置对于提供用于模块化生理监视系统的柔软舒适的感测和/或刺激设备可以是有利的。
如上面所讨论的，各种类型的输入或刺激可以通过刺激设备施加到受试者。在一些实施例中，刺激是电击的形式。例如，贴片210的皮肤接口电极220a、220b可以被配置为向受试者201施加电能。图3-5示出了粘合性地应用的刺激设备的示例，该刺激设备利用其它手段施加其它类型的刺激。
图3图示了被配置为向受试者301的皮肤表面302施加振动能量或刺激325的贴片-模块对300。贴片-模块对300包括粘合性层310(例如，潜在地形成贴片的一部分)和模块315。粘合性层310将贴片-模块对300固定到受试者301的皮肤表面302。模块315包括换能器305，该换能器305被配置为生成振动能量325，以传递330到受试者301体内。换能器305可以由模块315中包括的电子单元320控制和/或供电。在所示的非限制性示例中，换能器305可以是压电材料(例如，聚合物、陶瓷等)。
图4图示了用于将热能或刺激430施加到受试者401的贴片-模块对400。贴片-模块对400包括粘合性层410(例如，潜在地形成贴片的一部分)和模块415。粘合性层410将贴片-模块对400固定到受试者401的皮肤表面402。模块415包括一个或多个加热带405或rf加热电路，以及例如经由一个或多个电子互连407、408耦合到包括电源、微电路等的电子单元420的热电偶406。
图5图示了用于将触觉输入或刺激525施加到受试者501的贴片-模块对500。贴片-模块对500包括粘合性层510(例如，潜在地形成贴片的一部分)和模块515。粘合性层510将贴片-模块对500固定到受试者501的皮肤表面502。模块515包括换能器505，该换能器505被配置为生成扭转能量525，以传递530、535、540到受试者501体内。换能器505可以由模块515中包括的电子单元520控制和/或供电。在所示的非限制性示例中，换能器505可以是在其输出轴上具有偏心率的电动马达。能量到受试者501的皮肤表面502中的传递530、535、540可以根据换能器505的幅度、频率、持续时间、占空比等以及贴片-模块对500的物理配置和粘合性层510(如果在所讨论的实施例中使用了这样的层)的选择来引起一定范围的感觉(例如，戳、擦等)。
应当认识到的是，关于图2-5描述的用于向受试者施加刺激的部件不限于仅在利用粘合性应用的形状因子的刺激设备中使用。可以以本文描述的其它形式因子利用类似的部件。
图6a-e图示了贴片电极布局的非限制性示例。
图6a示出了耦合到模块603的贴片601。贴片601包括用于与受试者接口的多个电极605a、605b。电极605a、605b以非常紧密的双极布置被布置，该双极布置适于以非常小的剖面从受试者的表面获得双极电读数。在各方面中，电极605a、605b中的一个或多个可以包括用于增强模块603与受试者的底层组织之间的电耦合的电极特征。在各方面中，施加到附接的模块603的顶部的压力可以适于使这种电极特征与受试者的底层组织接合。这种布置对于提供超微型心率监视器、儿科心率监视器、用于放置在性器官附近的emg传感器、耳后、脖子上的电生理监视器等可以是有利的，和/或提供如本文所述的刺激设备。
图6b示出了耦合到模块609的贴片607。贴片607包括用于与受试者接口的双极电极布置611a、611b。这种布置对于作为监视会话的一部分来监视受试者的心率、信号通道ecg、呼吸速率等和/或提供如本文所述的刺激设备可以是有利的。可以将多个这样的贴片607施加到受试者，以同时在受试者的身体上提取更高水平或空间分布的电场。
图6c示出了耦合到模块615的贴片613。贴片613包括用于与受试者接口的三个电极617a、617b、617c。可以布置电极617a、617b、617c，以允许对受试者的电生理活动进行多部位捕获。这种布置对于在贴片613附近生成场向量和/或对受试者施加刺激可以是有利的。
图6d示出了根据本公开各自耦合到模块621的贴片619。贴片619包括用于与受试者接口的四极电极布置623a、623b、623c、623d。可以布置四极电极623a、623b、623c、623d，以允许对受试者的电生理活动进行多部位捕获，和/或对受试者施加刺激。这种布置对于在贴片619附近生成场向量、对于映射跨受试者的表面的电场传播等可以是有利的。
图6e示出了根据本公开各自耦合到模块627的贴片625。贴片625包括用于与受试者接口的多个电极629a、629b。电极629a、629b以连接到可拉伸导电元件631a、631b的双极布置示出。在各方面中，这种配置对于在监视和/或刺激会话期间与受试者的附近组织一起自由弯曲和拉伸633可以是有利的。可拉伸导电元件631a、631b可以布置为在拉伸期间可重复地改变阻抗。可替代地或组合地，可以在两个或更多个分层的导电元件631a、631b之间布置薄的可拉伸的双电元件，并且通过拉伸来测量所得结构的阻抗(即，电容)。根据本公开，这种配置对于结合一个或多个生理信号(例如，诸如电生理信号、拉伸相关的人为现象等)来评估在贴片625下的移动或局部组织拉伸(例如，由于肌肉移动、呼吸等)可以是有利的。这种配置可以适于理疗监视会话(例如，结合emg与本体感觉监视组合、结合ecg来评估呼吸、步态评估、步态矫正系统等)。
非接触式刺激设备可以是例如音频和/或视觉系统、加热或冷却系统等。智能扬声器和智能电视或其它显示器是音频和/或视觉非接触式刺激设备的示例。例如，可以使用智能扬声器以警报、建议、命令、音乐、其它声音等形式向受试者提供听觉刺激。非接触式刺激设备的其它示例包括用于控制温度的部件，诸如风扇、空调、加热器等。
一个或多个刺激设备也可以被结合在其它系统中，诸如被集成到受试者与之接口的床、椅子、手术台、健身器材等中的刺激设备。例如，床可以包括一个或多个气动致动器、振动致动器、震动器(shaker)等，以响应于基于利用一个或多个感测设备对受试者的一个或多个生理参数的测量而生成的命令、反馈信号或控制信号而向受试者提供刺激。
虽然本公开已经讨论了附接到身体的设备，该设备用于监视受试者的病症和/或生理信息的各个方面，以及提供刺激、治疗刺激等，但是可以考虑替代设备。非接触式设备可以被用于获得移动信息、可听信息、皮肤血流量改变(例如，诸如通过监视与心率相关的细微肤色变化、诸如)、呼吸(例如，与呼吸相关的可听声音和移动)等。此类非接触式设备可以代替或补充用于监视某些状况、施加刺激等的人体系统来使用。由非接触式设备捕获的信息可以自己或结合从身体上的感测设备收集的信息被用于经由身体上的一个或多个刺激设备和/或经由一个或多个非接触式刺激设备指引将刺激施加到受试者。
在一些实施例中，利用模块化生理监视系统中的感测设备来监视受试者的各方面可以利用固定到或实施在一个或多个接触表面(诸如受试者位于其上的一件家具的表面)(例如，床、躺椅、汽车座椅等的表面)上的感测设备。该表面可以配备有一个或多个传感器以监视受试者的移动、呼吸、hr等。为了实现可靠的记录，有利的是使这样的表面相对于受试者良好地定位。构造这样的表面以考虑受试者的舒适度以防止受试者感觉到感测表面并且随着时间的推移维持感测表面的使用也是有利的。
如上面所讨论的，刺激设备可以采取受试者的睡眠空间中的音频、视觉或视听系统或设备的形式。此类刺激设备的示例包括智能扬声器。此类刺激设备提供了用于指示受试者更改其睡眠状态的手段。输入或刺激可以采取消息、建议、命令、听觉警报、音乐输入、音乐输入的改变、视觉警报、一个或多个灯、光和声音的组合等形式。此类非接触式刺激设备包括
骨骼肌是哺乳动物(包括人)运动和移动的主要效应器。哺乳动物(诸如人)的身体活动源自骨骼肌，骨骼肌经由韧带连接到附加的肌肉或骨骼。分子肌动蛋白和肌球蛋白的蛋白质在三个维度上的交互导致肌肉条纹和细胞收缩，从而实际上促进了人类和其它哺乳动物的几乎所有移动。肌肉能量学服从关于能量转导的物理定律，将生化能量转化为收缩能量或物理能量。生化能量来源于葡萄糖，葡萄糖发起从化学能量到机械能量的转化链。
来自葡萄糖的化学能量可以源自有氧代谢(例如，经由葡萄糖的o2氧化)或源自厌氧代谢(例如，经由乳酸中间体的无氧的基于葡萄糖的能量)。有氧代谢更高效，并且是肌肉衍生的能量的主要途径。
葡萄糖代谢涉及两个途径，厌氧和有氧过程。有氧代谢发生在线粒体中，并且是能量转换(例如，从生化到机械)的最高效的肌肉手段。有氧代谢需要氧气，而厌氧代谢则发生在细胞质中。厌氧代谢的效率明显低于有氧代谢。
厌氧代谢涉及血源性葡萄糖扩散到细胞质中，通过磷酸化而具有固定化和活性。葡萄糖分子被转化为果糖，其再被磷酸化为果糖二磷酸。这些是需要能量的步骤(例如，每个葡萄糖分子有两个三磷酸腺苷(atp))。将果糖裂解成两种甘油醛磷酸酯(gps)。
生化能量以两个atp和两个nadh(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nad)+氢(h))的形式释放，被氧化为磷酸甘油酯。在最后阶段，当磷酸甘油酸酯被氧化为丙酮酸酯时，产生两个附加的atp。这些atp是代谢和能量的生化货币(currency)。
有氧代谢丙酮酸是在经由krebs柠檬酸循环的氧化磷酸化过程中的起点。在这个过程中，丙酮酸盐的所有碳-碳(c-c)和碳-氢(c-h)键都转移到氧上。该过程比无氧糖酵解在能量生成上更高效。
因此，最优能量效率和肌肉输出严格取决于o2和经由血液向功能性肌肉的葡萄糖输送。这相当于流入肌肉的大量血液，其同时输送葡萄糖和氧气。
肌肉定量血液供应对于高肌肉机械能量输出至关重要，尤其是在运动或对身体运动的其它需求中。血液供应是随时间的血容量输送(心脏输出，l/min)和肌肉内血管周围阻力(mmhg/ml/min中的mmhg/流量)的函数。压力流量与周围阻力的不适当匹配会导致肌肉效率低下或衰竭。
心血管适应性和所有身体活动都直接来自上述能量循环。在锻炼期间，心脏和肺向骨骼肌输送足够的氧气和葡萄糖的能力是心脏和电导血管的主要功能。每次心跳都会将一定量的血液喷射到主动脉中，随后该血液流遍全身。心脏血液输出量可以每分钟血液升数来衡量。中风量是用于血液输送的指标(例如，每次心跳的血液量)。按抚量乘以心率产生心脏输出。如果这种体积血液(例如，心脏输出)不足以满足肌肉和氧气需求，那么肌肉将无法以最优表现起作用，并且与如果更大血液输送可用的情况下其潜能相比，运动成绩会受到损害。
血容量不足类似地是心脏衰竭中的问题。在此类情况下，按抚量和心脏输出通常受损，并且身体的肌肉组织不能接受足够的血液以允许正常的日常活动。
一个重要的生理参数是血管阻力。如果在衰竭中血管阻力降低，那么血液灌注改善，患者的临床状况也会改善。现代心力衰竭药物的主要功能是增加心脏能量，以改善按抚量和全身压力，并降低外周血管阻力，从而允许更多的血液流经外周血管阻力。
经由增加心脏收缩强度的变力剂，可以通过收缩性增强来改善低心脏输出的心脏衰竭。血管舒张药也可以增加心脏输出，血管舒张药是操纵小阻力血管使它们放松并增加血流量的药物。因此，扩张的微脉管系统和改善的心肌收缩力/肌力是增加氧气和葡萄糖向活动肌肉的输送的关键因素。
机械设备可以被用于向受试者提供帮助以增加血容量和血流量，并使用外部能量源来优化压力。一些机械设备(诸如全人工心脏和左心室辅助设备(lvad))通过增加的内向性起作用。其它机械设备包括主动脉内球囊泵(iabp)。iabp是放置在外周主动脉中的充气-放气的循环/加压气球，其膨胀和收缩与心跳同步。iabp的气球充气和放气非常迅速，常常使用氦气(由于其低密度)和非常快的充气/放气循环。有效的气球泵使用要求充气和放气的精确定时，并使用表面心电图(ecg)进行同步。当主动脉瓣关闭时，球囊必须在舒张期扩张，并在已打开或正在打开主动脉瓣时在心室收缩之前或收缩时迅速放气或收缩。这种微调减少了心脏的后负荷，并且由于微调了充气-放气定时而有助于射血。
充气-放气循环和顺序对于通过远端主动脉中的快速充气-放气来增加血流量和/或血压是有效的，从而实现了两个肯定结果。首先，充气通过扩大球囊和泵送血液来辅助血液流动。在主动脉瓣关闭的情况下，在舒张期发生充气。在主动脉瓣开口处发生放气，导致后负荷阻力显著降低，从而使心脏的工作量减少，因为放气产生了传播的更低压区域。最终结果是在可比较的或减少的心肌能量消耗下增加的心脏输出，因为通过外部能量源使得有可能实现更好的匹配。这种辅助设备允许更多的肌肉葡萄糖和氧气输送，这是经由改善的匹配和定时能量输送的添加而从外部能量源得出的。
在一些实施例中，提供了与心脏压力-容积推注精确同步地减少技术和生理血管后负荷的技术，以改善肌肉能量。
身体的微脉管系统由高度顺应性、高度可压缩的血液储库组成。微脉管系统包括动脉、小动脉、毛细血管、小静脉和静脉。此类脉管结构在人体中无处不在，尤其是在四肢和身体髓部的大肌肉组织中。
骨骼肌内的许多血管在骨骼肌收缩期间被压缩并且在肌肉放松期间打开。在一些实施例中，骨骼肌的压缩实现顺行加压，其增加心脏输出，因为压缩被用于肌肉血流量的增加。
顺应性多血管微脉管和大脉管储库位于肌肉细胞之前、肌肉细胞处和其远端，因此经由交替的组织压缩-释放而增加的流量增强血流量。即，实际上，这是生理性的“涡轮增压器”，其增加并增强心脏将氧气和营养物质输送到肌肉组织。
当精确定时并且与心脏输出(例如，心脏压力流量推注)适当同步时，微脉管血管网络的周期性压缩和放松提供多个优点。此类优点包括显著的后负荷减少，从而减轻心脏的工作量，因为以相同或更少的心脏工作实现了相当的血流量。此类优点还包括沿着动脉和静脉的自然脉管压力梯度的主动血液泵送。血液动力和流体动力效应类似于利用外部球囊泵所实现的效应，随着脉管系统在压缩之后扩张，后负荷减少。心脏输出或血液推注沿着静脉-静脉血液梯度的主动收缩泵送进一步帮助心脏顺行泵送，从而通过利用来自骨骼肌的能量或动力增加压力和流量来放大涡轮充电效果。
在一些实施例中，技术包括发信号通知受试者以自愿反馈以发起骨骼肌的收缩或放松(例如，在腿、臂、髓部等中)。这种信令是实时执行的(例如，诸如经由使用本文描述的模块化生理监视系统中的一个或多个刺激设备)。使用各种生理参数(诸如ecg、心率、呼吸或其它生理信号(例如，使用本文描述的模块化生理监视系统中的一个或多个感测设备来测量或监视的))来对信令进行定时。将针对反馈的通知提供给受试者，以给出活动的适当定时(例如，骨骼肌的收缩或放松)。
活动可以基于特定用例场景或操作环境而变化。例如，活动可以涉及在具体用户活动期间特定肌肉群的收缩和/或放松。例如，在跑步中，活动可以包括对脚撞击地面或从地面抬起进行计时。在骑自行车中，活动可以涉及踏板旋转和相位。当踏板在其顶点处时，肌肉组织放松并且大血管(例如，髂股总骨系统)已经扩张，而当踏板在其系谱(pedigree)中时，(一个或多个)肌肉已经收缩，从而将血液推入其毛细血管中。可以对肌肉的收缩和放松进行计时的用户活动的其它示例包括但不限于滑冰、步行、涉及心力衰竭的应用的其它运动等。
更一般而言，实施例可以被用在多种用户活动中的任何一种中，其中在循环中存在可以被用于改善表现、改善心血管输出等的最优肌肉收缩。可以向用户提供反馈，从而影响或调整肌肉收缩或放松的定时发作、收缩强度、缺乏拮抗性肌肉收缩、肌肉收缩的持续时间、周期中肌肉失活的定时、在周期的关时段期间肌肉活动的最小化等。可以向各种各样的肌肉或区域(诸如初级肌肉，拮抗肌、辅助肌肉(例如，对于给定的活动处于活动状态但不是主要肌肉的肌肉)等)中的任何一个提供反馈。
在一些实施例中，通过心脏推注的精确感测，将由骨骼肌产生的功率和/或能量施加到脉管系统。各种生理参数可以被用于心脏推注的精确感测，包括但不限于ecg、压力波、血红蛋白饱和度、皮肤肌肉血红蛋白饱和度等。向受试者提供定时信号或其它刺激，以允许用户活动的协调，以执行期望的增加、调整生物力学、防止或鼓励使用作弊肌等。在一些实施例中，目标是调整周期运动或步态的生物力学(例如，诸如以保持通过受试者的膝盖的力集中，以限制膝盖受伤)。可以在锻炼或其它用户活动会话的各个阶段使用防止或鼓励使用作弊肌(例如，在会话中不鼓励早期使用作弊肌，在会话后期鼓励使用作弊肌，等等)。
本文描述的技术允许骨骼肌同时辅助和增强心跳的效果，以提高能量效率和肌肉增强效果。本文描述的技术还可以或可替代地用于在用户活动期间增强生物统计。在此类情况下，系统可以被配置为监视肌肉活动和针对活动期间一个或多个肌肉的收缩计时的事件(例如，冲击事件，诸如脚对地面的冲击)。例如，可以在两个事件(例如，冲击事件和肌肉的收缩)之间建立定时，以便在完成该步骤时最小化对脚的冲击。反馈机制可以被配置为在反射补偿的时间刺激受试者，从而调整肌肉收缩，以更好地减轻用户活动期间该步骤的影响。
在一些实施例中，可能期望同步不具有相同时段的事件。作为一个示例，考虑在骑自行车活动期间受试者的呼吸和踏板位置。在这个示例中，受试者的呼吸和踏板位置可以具有不同的时段或周期。在这些和其它场景中，可以同步具有不同时段的事件以实现期望的结果。继续以上示例，这种期望的结果可以是在踩踏周期的运动中使吸气的开始与受试者的左腿在特定的踏板位置处同步。可以选择同步的定时，以最大化流向受试者的腿的血流量、最小化横隔膜作用力(例如，可以利用位于受试者的腹部上的传感器来跟踪其)，等等。一般而言，实施例可以力图提供反馈或刺激以使两个或更多个事件同步，以最大化或增加期望的输出，同时减轻受试者一方的工作量。
在一些实施例中，系统可以被配置为在用户活动期间监视肢体或躯干移动，并且实时地主动向受试者发信号通知，以便限制或调整此类移动以在用户活动期间提高效率。
降低的外周阻力改善心肌能量，同时在顺行/前进血流中可比的心肌工作的能量消耗更低。当使用本文描述的技术计时并实现时，后负荷减少会减少心脏舒张期间的主动脉血量，并且代替地将血液指引到肌肉中以供更多的氧气和葡萄糖输送。与喷射同步减少了心脏后负荷，因为血液喷射成低阻力。其效果是不仅利用机械缩短而且在微脉管压缩中使用骨骼肌能量来提高心肌效率。变硬或变短增加与肌肉收缩强度成比例的肌内压。
在一些实施例中，关键的次要效果是挤压肌内毛细血管，这增加了从动脉到毛细血管再到静脉的毛细血管流量。脉管内容积大部分位于微脉管系统中，并且周期性的骨骼肌收缩造成压迫和抵抗力与肌内收缩成正比。在随机使用肌肉的受试者的环境中(即，没有如本文描述的与肌肉收缩相关的反馈)，对表现的负面影响是可能的。在这种情况下，心脏血液推注在被压缩时到达大血管和微脉管系统，从而在血管上产生压力并浪费心肌能量。因此，骨骼肌收缩与心脏射血不同步，并造成针对闭合的外周动脉和微脉管系统的心肌收缩。这导致：(i)对肌肉和心脏效率均产生明显的负面影响；(ii)心脏和血管暴露于过大的压力而没有流量或流量较低；(iii)差的和低效的流入肌肉；(iv)骨骼肌接收较少血液且处于较低压力，从而限制了其功能；等等。
在一些实施例中，模块化生理监视系统包括一个或多个感测和/或刺激设备，其利用周期性骨骼肌收缩来与心跳同步。感测设备被配置为感测心肌喷射的定时，并且刺激设备被配置为响应于同步肌肉收缩而向受试者提供反馈。有利地，系统通过周期性的、计时的骨骼肌收缩和放松提供后负荷的大量减少和增加的肌肉血流量，所述周期性的、计时的骨骼肌收缩和放松通过对心脏推注和喷射的反馈感测而与适当的定时同步。
本文公开的集成的模块化生理监视系统可以通过在用户活动期间心脏射血和肌肉同步的适当定时来增加耐力并增强心血管效率。在骑自行车的示例用户活动中，肌肉同步涉及受试者穿戴模块化生理监视系统的感测和/或刺激设备，该设备接收射血的实时指示器和肌肉收缩的肌电图指示器。受试者可以使用这个反馈有意识地协调肌肉收缩与射血，并优化到定时延迟。可以基于诸如emg、毛细管或皮肤o2饱和等反馈来对延迟进行计时。
在一些实施例中，监视系统包括用于感测心脏射血、用于感测肌肉收缩以及用于定义用于对受试者的反馈的定时的算法的组件。
可以使用几种技术来感测主动脉血液推注的环境定时，包括通过使用ecg测量。各种心电图组件中任何一个的电检测都可以被用于感测主动脉血液推注的定时，诸如使用感测到的ecg组件(包括qrs复合波、r波、p波、t波等)。用于感测主动脉血液推注的定时的其它技术包括使用被配置用于多通道感测的模块或传感器。在此类情况下，具有多通道感测的模块可以被配置为同时测量受试者的多个参数以评估心脏功能、射血定时等。在一些实施例中，模块或传感器可以包括被配置为在受试者躯干上的部位上测量ecg和精确加速度的硬件。ecg信号可以被用于评估心脏的各种电活动的定时，而同时加速可以被用于评估心脏的机械活动，包括从左心室的射血定时。在这个示例中，加速度可以提供精确的心动描记图。用于测量加速度的加速度计的精度和/或本底噪声可以优于150ug/sqhz、优于100ug/sqhz或优于50ug/sqhz，以支持心动描记图的捕获。
心动描记图(bcg)的特征如下。波形可以被划分为三组，一般用字母标记：射血前(fgh)、射血(ijk)和心动周期的舒张部分(lmn)。以这种方式，bcg的波形表示整个心动周期的不同阶段。h波的峰位于心脏收缩阶段的末尾，并且血液从心脏快速排出到主动脉中。i波反映出血液迅速加速到升主动脉、肺干和颈动脉。j波描述降主动脉和腹主动脉中的血液加速，以及升主动脉中的血液减速。i-j振幅反映左心室的收缩力，并且i-j间隔反映其收缩力。
在一个非限制性示例中，可以同时收集并比较bcg与ecg。可以在各种姿势、静止或活动后状态(例如，诸如刚好在跑步机上跑步之前和刚好之后)的条件下建立ecg和bcg中的波之间的定时。然后，在剧烈活动的时段期间，在由于活动引起的加速度足够大以至于在活动期间捕获bcg不切实际的情况下，可以使用ecg波形来建立bcg波形的近似定时。另外，将ecg与bcg相关的算法可以自适应地和机会性地监视受试者的整体加速度幅度和姿势(例如，来自精密加速度计)，并确定移动受限的时段，其中可以评估在整个给定的锻炼或活动中ecg波形和bcg波形之间的关系。这种配置对于在受试者的整个心动周期中建立心脏事件(电的和机械的)的定时可以是有利的。然后，这些可以与活动相关，并且通过本文描述的一个或多个算法向受试者提供反馈，以使活动和生理事件同步，以最大化表现，同时最小化受试者在那个活动中的努力。
在另一个非限制性示例中，模块可以包括留声机，以捕获与ecg一起存在(live)的心脏和/或呼吸心电图或声音描记图。因此，可以与ecg波形一起实时地评估瓣膜关闭/打开事件和/或呼吸事件，以便使心脏中的机械事件与电事件定时相关。在与bcg相同的上下文中，这可以允许在各种条件下确定这些事件的相对时间。然后，在剧烈运动的时段期间，可以依靠ecg来确定定时基准，而与活动期间受试者所需的移动无关。
定时延迟算法可以被用于解决在电激励和机械收缩之间存在的延迟。具有可变感测的延迟定时通常在电收缩期(例如，qrs复合波)和射血(例如，脉管血流量)之间在0-300毫秒(ms)的范围内。结合延迟时间允许优化受试者的肌肉收缩。
在一些实施例中，毛细管填充被用于感测。使用由本文描述的监视系统提供的反馈，受试者可以对峰肌肉活动的emg读数计时并同步，以与心肌收缩之后的优化的时间延迟一致，以与左心室(lv)射血一致。此时，受试者处于最大放松状态(例如，在骑自行车时，这与一条腿的下行冲程对应；在跑步中，这与地面与一条腿的接触对应，等等)。这填充一条腿的开放血管。在下一个周期中，那条腿的肌肉收缩(这可以使用emg或其它生理参数进行监视)，并从血管系统向细胞以及通过血管强行喷射血液。在下一个周期中，发生相反的效果，对侧腿/肌肉的峰收缩将血液喷射到放松的脉管系统中。因此，每次射血都通过自然平滑的肌肉放松得到帮助，而肌肉收缩则有助于将血液转移到对侧血管中。因此，受试者可以周期性地和交替地帮助血液流入脉管系统，并通过使用从本文描述的系统提供的反馈来对最大程度的放松进行计时来交替地使血液远离收缩的腿、四肢或肌肉。虽然以上关于骑自行车和跑步进行了描述，但是类似的技术可以应用于各种其它活动，包括涉及腿部肌肉移动的其它活动(诸如滑冰)。
在一些实施例中，通过测量血红蛋白(hgb)饱和度来检测饱和血液的流入。随着肌肉收缩和放松，局部hgb饱和度会周期性上升。也可以或者可替代地通过使用体积描记术通过分析肌肉/肢体的体积和尺寸改变来检测血液流入。
本文描述的系统可以通过使用一个或多个传感器来提供对肌肉收缩的感测，诸如骨骼或其它肌肉的收缩。此类传感器提供了实时地集成和优化确定的能力。emg传感器可以被用于测量产生单个收缩的基于电的去极化。体积传感器可以被用于测量受试者的四肢(extremity)、肢体或其它区域的体积。随着血液流入四肢或肢体，其相关联的体积将略有增加。
加速度计也可以被用于感测用于各种活动的肌肉收缩，诸如跑步和其它直立运动。在跑步和其它直立运动的情况下，阻力随着右肢和左肢(例如，脚、小腿、膝盖等)中任一个(或两者)撞击地面而增加。如本文所详述的，这种上升或峰可以与推注射血同步。加速度计可以通过测量身体或四肢的质心来检测此类活动。在一些情况下，身体的质心可以为注入流体提供最佳定时。但是，实施例不仅仅限于与测量身体的质心一起使用。在跑步、滑冰和其它活动中，脚撞击地面生成与重力场和这个场中的长动脉相关的反射波。
在一个非限制性示例中，可以用一个或多个传感器与局部加速度同时监视局部肌肉群的肌电图。emg允许肌肉活动、强度、疲劳、肌肉震颤的发作、肌肉酸乳酸中毒的发作、肌肉中快和慢肌纤维的分析等的实时监视，而加速度计允许移动、肌肉震颤的发作、电激活和对应移动之间的延迟等的实时评估。此类特征和特征之间的相对定时可以用作用于同步的目标、用于运动的生物力学的分析、用于在整个动作中肌肉活动的评估，以及整个活动中其任何特征或相对定时的优化。
在一些实施例中，光可以是用于定时的感测到的参数。在此类实施例中，激光或其它光源(例如，发光二极管(led)、多个波长等)、红外(ir)或光谱法可以检测四肢何时充满血液。在一些实施例中也可以使用反射率和比色评估。也可以使用超声。超声波束可以被用作换能器，以感测活动肌肉的各种特征以自愿地调整刚度、顺应性、厚度、反射、反射率、镜面反射性等。这些特征可以被用于本文描述的定时目的。
在一些实施例中，使用技术来调整对受试者的反馈的定时，以便对延迟进行编程，或者加速相对于血液推注(例如，心脏射血)的肌肉激活(例如，有意识的受试者活动)。实施例还可以提供实时间隔调整。可以使用hgb饱和度或肌肉收缩感测最优结果，以定义用于心脏优化反馈的最优配置。对受试者的心脏优化反馈被设计为将血流量优化到最大值。可以实时地向受试者提供对受试者的心脏优化反馈，其中跨越变化的定时间隔的受试者生理参数的扫描包括连续扫描、周期性扫描等。本文描述的系统可以感测反馈的最优定时，该最优定时可以随着时间的推移而改变，并调整向受试者输送反馈的定时，以提供流量优化。
如以上所讨论的，在一些实施例中，生理监视系统被配置为向受试者提供反馈，以发起骨骼肌活动(例如，收缩、放松)与血液推注的自觉或自愿同步。有利地，这导致明显的心脏后负荷降低，包括低阻力。此类同步消除了在高外周阻力期间发生的收缩，并且具有通过防止在重复运动期间发生的纤维化而保持血管健康的优点。同步还可以降低血管内压力，同时维持相同或增加的流量。因此，一些实施例提供了用于脉管阻抗匹配的方法。
本文描述的生理监视系统通过向受试者通知运动变化是否会提供增加的心肺效率来向受试者提供反馈以保持和增强心脏效率。另外，反馈增加了骨骼肌效率交互的程度，以便以相同或更少的心脏能量消耗改善表现。使用本文描述的技术可以改善的其它生理参数包括呼吸、呼吸商(例如，o2/co2)、厌氧阈值水平等。
其它重要的交互包括骨骼肌和全身性效率。使用本文描述的技术提供的反馈允许受试者了解受试者在当前活动程度和定时离他或她的最大能量消耗有多近。类似地，本文描述的技术基于对受试者的各种生理参数的感测根据心跳、射血或推注到达器官或组织等来促进任意调整骨骼肌收缩时间。
本文描述的系统可以以各种方式向受试者提供反馈。在一些实施例中，通过向用户给出关于何时肌肉收缩最优的指导的音频或声学信令(诸如使用可听声音)向受试者提供反馈。可以通过音调、振幅、与谐波相关的声音、令人愉快的声音相对于令人不愉快的声音、二元(例如，关-开)等来通知音频或声学信令，并且可以以频率、振幅、脉宽调制、谐波等来调制音频或声学信令。反馈也可以或可替代地可视地提供给用户，诸如用具有变化的振幅、颜色、频率调制等的一个或多个光向用户提供反馈。
在一些实施例中，反馈可以作为触觉反馈刺激被提供，由此受试者感觉到指示适当或最优同步的感觉。这种触觉反馈可以是虚拟的或真实的，诸如具有振动、疼痛、温度(例如，热/冷或其感知)等。可以以变化的量输送触觉反馈，以向受试者提供不同的指示。例如，低到高振幅可以具有诸如尖锐到钝感刺激、热到冷刺激、疼痛到愉快刺激等的品质。触觉反馈可以向用户提供身体感觉，以经由振动、关-开刺激、频率、脉宽调制、振幅、谐波含量等对骨骼肌活动进行计时。
在一些实施例中，一种用于向受试者提供反馈以发起骨骼肌活动与血液推注喷射的意识或自愿同步的过程包括诸如利用本文描述的一个或多个感测设备来监视来自受试者身上的第一部位的一个或多个运动学和/或肌成像信号并监视来自受试者身上的第二部位的一个或多个心脏和/或呼吸信号。这种监视可以例如在受试者执行重复任务(诸如本文描述的跑步、骑自行车、滑冰等)时进行。分析被监视的信号以识别一个或多个事件，诸如与运动学和/或肌电信号相关的第一事件和与一个或多个心脏病和/或呼吸道信号相关的第二事件。可以在重复任务的每个实例期间检测到此类事件。例如，第一事件可以包括识别跑步时受试者的脚何时撞击地面。在受试者跑步时反复检测到这种事件。类似地，第二事件可以包括在用户执行重复任务时识别呼吸或心脏动作(例如，心跳、血液推注喷射等)。为第一事件和第二事件生成时间戳。在一些情况下，为第一事件和第二事件的每个实例生成时间戳。利用针对第一事件和第二事件的生成的时间戳来计算用于向受试者提供反馈信号以增强受试者的心肺表现的最优时间戳。然后，基于最优时间戳，使用如本文描述的一个或多个刺激设备将反馈信号提供给受试者。
虽然本文关于针对在活动期间受试者的心肺表现增强的目标描述了各种实施例，但是实施例不仅仅限于增强受试者的心肺表现。在一些实施例中，除了增强心肺功能之外或作为增强心肺功能的替代方式，确定反馈信号的定时以在活动期间针对受试者的移动的生物力学增强为目标。针对生物力学增强与多种用户活动有关，包括大多数体育活动或其它运动活动。例如，在高尔夫球中，对于受试者存在理想的挥杆机制，该机制具有相关联的肌肉激活定时、手握强度等，这导致理想挥杆的实现(例如，这可以经由一个或多个运动学传感器来测量)。可替代地，对于特定的活动，可以存在某些不应当激活以增强生物力学移动的肌肉或肌肉群。在此类情况下，在受试者身上策略性地放置的反馈设备可以被用于在受试者移动期间施加负面反馈或刺激，以训练受试者不激活特定的肌肉或肌肉群，以更改呼吸模式(例如，诸如与高尔夫挥杆定时等相关)。这些和其它生物力学的增强可以是关键参数，其在活动(例如，高尔夫挥杆、比赛过程、锻炼或其它活动会话等)期间显著改善受试者的表现。因此，实施例可以寻求除了或代替心肺表现的改善以外来提供受试者的生物力学表现的改善。
另外，虽然关于在受试者身上的两个或更多个部位处测量生理参数描述了各种实施例，但是实施例不限于此。在一些实施例中，多个传感器或致动器可以共同定位在受试者身上的给定部位，其中多个传感器中的第一个测量特征或生理参数的第一集合，而多个传感器中的第二个测量特征或生理参数的第二集合。例如，第一传感器可以测量活动的第一特征(例如，当肢体到达自行车上一圈的顶点时)，而第二传感器可以测量活动的第二特征(例如，受试者的大腿中肌肉群的激活)。在这个示例中，系统可以被配置为在补偿反射延迟之后确定定时并提供被计时的反馈信号，以将第一特征的时间戳与第二特征的时间戳对准，以便协调与第一和第二特征相关联的事件。在一些实施例中，期望针对肌谱学激活、强度、持续时间等对运动学需求进行计时，以优化受试者的活动的效率或表现。
第一事件可以与以下各项中的一项或多项对应：肌肉活动水平、肌肉收缩的发作、肌肉的放松、肌肉的峰收缩、肌肉的疲劳、由肌肉生成的峰力量、峰肌电图活动、肌肉的峰高频肌电图活动、肌肉的峰快速抽搐活动、肌肉的峰慢速抽搐活动等。被监视的肌电信号可以与选自以下一个或多个肌肉群的一个或多个肌肉相关：躯干上的肌肉、背部上的肌肉、腹部上的肌肉、四肢、手臂、腿、脚、面部、颈部、骨盆上的肌肉、平滑肌活动(例如，gi平滑肌、心肌、横膈膜肌等)。腿中的一些目标肌肉包括大腿肌肉、前部肌肉、后部肌肉、骨、腰大肌和小腰大肌、股四头肌、股直肌、股外侧肌、股内侧肌、中间股肌、绳肌、股二头肌、股内收肌、短肌、肌腱、半膜肌、半腱肌、长内收肌、大内收肌、缝匠肌、梨状肌、臀大肌、臀中肌、臀小肌、小腿肌肉、腓肠肌、比目鱼肌、腓骨长肌、腓骨短肌、胫骨前肌、长伸肌、趾长屈肌、第三腓骨肌、短指屈肌、外展肌、跟腱、屈指长肌等。应当认识到的是，实施例可以被用于受试者的躯干、背部、面部、手臂、手、脚等中的各种其它目标肌肉。通过传感器的适当定位，可以将身体中的任何肌肉群作为目标(例如，用于治疗、运动等)。
第一事件还可以或可替代地与受试者身上第一部位的一个或多个运动学或动力学移动对应。第一部位的这种运动学或动力学移动可以包括以下各项中的一项或多项：峰水平加速度、峰水平速度、最小垂直加速度、最小垂直速度、弧的顶点、冲击、方向性冲击、自由落体状况、一个或多个关节移动，包括但不限于外展(前伸)、内收(缩回)、下陷、抬高、旋转(例如，包括向上(上旋)和向下(下旋))、内旋、后旋等。
诸如取决于所使用的传感器及其在受试者身上的放置，被监视的心脏或呼吸信号可以如本文所述变化。在一些实施例中，呼吸信号的一个或多个特征可以适于针对活动(例如，以与呼吸相关联的基本上超谐波、等效或亚谐波频率执行的循环活动)进行定时，和/或使呼吸特征与移动、肌肉激活等同步。呼吸特征的一些非限制性示例包括吸气、呼气、几乎没有呼吸的自动暂停、潮气量(吸气深度)、呼吸频率、吸气率、呼气率、呼吸努力、呼吸肌活动(肋间肌、横膈膜肌活动等)等。
在一些实施例中，第一部位(从其监视运动和/或肌电信号)和第二部位(从其监视心脏和/或呼吸信号)可以在受试者身上共同定位。在其它实施例中，第一部位和第二部位可以在受试者身上的不同位置，或者可以在受试者的外部，诸如在接触表面上等。第一部位例如可以位于受试者的附肢、手臂、腿、脚、大腿、膝盖、小腿、脚踝、二头肌、肘、前臂、手腕、腹部或骨盆上。第二部位例如可以位于受试者的躯干、肋笼、腹部、颈部、头部、耳朵、手臂下方或附肢上。在一些情况下，第一部位位于与受试者接口的机器上。
重复性任务可以包括跑步、步行、骑自行车、举重、跳跃、蹲下、仰卧起坐、卷腹、头部移动、划船、游泳、摆动工具、爬楼梯、拉伸、放松、打拳(punching)、踢脚、潜水、扭曲、敲击、打字等。
在一些实施例中，计算最优时间戳(例如，用于向受试者提供反馈或刺激)可以考虑各种参数或影响因素。此类参数或影响因素包括但不限于环境因素、与任务相关的因素、与疲劳和受试者相关的因素等，这些因素对事件之间的关系的最优定时有影响(例如，相对于基于监视识别出的第一和第二事件何时应当发信号通知反馈)。
环境因素的一些非限制性示例包括环境温度、光、压力、局部风速/方向、在地图区域上的移动、环境障碍等。这些和其它环境因素会影响受试者的反射、移动的最优生物力学、给定任务的最优移动速率等。
任务相关的因素的一些非限制性示例包括给定任务的生物力学(或任务内的移动，包括移动速率)、正在执行的重复性运动的类型、对任务的改变(如活动的总体计划所规定的)。在一个非限制性示例中，任务可以包括在自行车上骑自行车，并且与任务相关的因素可以包括在使用期间自行车上齿轮的改变。这种改变可以更改肌肉群可能需要工作的速率、缩短或延长可测量的触发因素与要在一个周期中达到最优同步点之间的定时等。
疲劳/受试者相关因素的一些非限制性示例包括受试者解剖结构的特定特征(例如，尺寸、肢体长度、强度限制等)、与受试者的反射相关的因素、与注意力相关的因素(例如，与系统观察员目睹的与计时相关的改变，这与给予受试者触发因素和记录其反应之间的实际反应时间有关；与疲劳相关的因素(例如，与定时相关的改变，当受试者身上的一个或多个肌肉群进入疲劳状态时、当移动的生物力学改变指示与疲劳状态相关的精度损失时出现)、与受试者失去注意力相关的移动(例如，对触发因素的反应不足、与所研究的活动无关的移动等)，等等。
在一些实施例中，训练规程被用于在第一和第二事件的检测(例如，与这样的事件相关联的时间戳)与应当将反馈发信号通知给受试者的最优时间戳之间建立最优延迟。最优延迟可以取决于任务(例如，最优延迟可以基于用户是否正在跑步、骑自行车、划船等而变化)。一般而言，训练规程可以涉及在监视受试者的各种参数以寻找一个或多个心脏表现度量的增加或减少的同时改变提供给受试者的刺激或其它反馈。受试者的监视可以在受试者执行重复性任务的同时从一个周期到另一个周期进行，以便随着时间的推移而进行优化(例如，时间平均的优化)。在一些情况下，可以针对周期n执行优化，其中最优刺激定时在下一个周期n+1(或另一个周期n+m)开始。
由受试者执行的重复性任务可以随时间的推移而改变。考虑例如跑步或骑自行车，其中受试者可能会上坡、下坡、逆风或顺风等。为受试者提供反馈刺激的最优定时或延迟可以考虑由受试者执行的重复性任务中的此类改变。
在一些实施例中，重复性任务可以指长期任务，诸如体操或其它体育例程、跳台滑雪等。在此类情况下，提供给受试者的反馈的最优时间戳或其它定时可以在长期任务内进行协调。
可以使用各种类型的反馈。如本文所述，刺激设备可以被用于向受试者提供各种类型的刺激或其它反馈，包括但不限于来自平视显示器、来自仪表板、车把(handlebar)显示器、手表、电话等的音频和/或视觉反馈、热/冷、振动、电、机械、视觉刺激。在一些非限制性示例中，可以以抵靠受试者的皮肤放置、位于如本文所述的模块中、放置在穿戴在受试者身上某处的可穿戴设备中等的致动器提供的触觉振动的形式提供反馈。在另一个非限制性应用中，可以以轻度电击(例如，电神经刺激，可以如本文所述提供其波形以提供轻度的疼痛、震动和/或模仿柔软的触感、热刺激等)、刺痛感、强烈的冲动等。
在一些实施例中，可以将刺激设备放置在受试者身上的多个位置，并且可以将反馈或其它刺激提供给受试者身上的特定位置，以优化反射时间。例如，设备可以在诸如图1中突出显示的位置之一之类的位置处附着或放置在受试者身上。在这种情况下，与将输入信号接收并传输到大脑或中继中心并返回到效应器肌肉相关联的时间延迟将确定在确定提供刺激的理想时间时可以考虑的时间延迟，以便将效应肌反应与活动中的特定事件对准。可以在多个位置向受试者提供测试刺激，同时监视受试者的反应，以确定用于向用户提供反馈以优化反射时间的最优位置。
可以诸如基于监视受试者的反应来调制反馈强度，以确保向受试者提供足够的动力以实现期望的反应并增加受试者的心肺表现。
可以从反馈部位计算受试者的反射，以便调整和确定第一和第二事件的时间戳与用于向受试者提供反馈的最优时间戳之间的最优延迟。例如，可以测量将反馈信号发送给受试者的时间与确定受试者何时调整其与任务相关的移动之间的定时，以计算受试者的反射时间。因此，可以在确定用于向受试者提供反馈的最优时间戳时考虑受试者的反射。可以连续地监视反射反应时间，以便更改反馈的定时以解决受试者体内与疲劳或本文描述的其它因素相关的改变。
图7a图示了在各个部位a-g附接到受试者701的传感器或模块710的集合。每个传感器710可以表示感测设备、刺激设备或感测和刺激设备的组合。传感器710a附接到受试者701的一只或多只眼睛上的部位a，并且可以是视觉感测/刺激设备。传感器710b附接到受试者701的耳朵上的部位b，并且可以是可听感测/刺激设备。传感器710c附接到受试者701的胸部上的部位c，并且可以是触感或触觉感测/刺激设备。传感器710d附接到受试者701的胸部上的部位d，并且可以是电感测/刺激设备。传感器710e附接到受试者701的手上的部位e。传感器710f附接到受试者701的脚上的部位f。传感器710g附接到受试者701的面部上的部位g。图7b示出了刺激与反应时间的曲线图702。曲线图702示出了在时间t1给出的刺激，分别对在时间t2-t8在部位a-g处的传感器710处测量对刺激的反应。如图所示，受试者701可以对所施加的刺激具有变化的响应时间。响应时间可以基于许多因素而变化，诸如所施加刺激的类型、所施加刺激的位置、受试者701的焦点等。
图8a图示了受试者801执行活动，更特别地是周期运动活动。两个传感器810-1和810-2附接到受试者801。传感器810-1附接到受试者801的右腿的大腿，而传感器810-2附接到受试者801的胸部。传感器810-1和810-2中的每一个可以表示感测设备、刺激设备或感测设备和刺激设备的组合。在图8a的示例中，传感器810-1被更特别地被配置为测量或监视受试者801的右腿的大腿上的肌肉的肌电图，而传感器810-2被配置为测量或监视受试者801的心率或呼吸。
图8b示出了用于在图8a中的受试者801的循环运动期间同步受试者801的呼吸的曲线图802。曲线图802示出了指示附接到受试者801的大腿上的传感器810-1的测量的第一曲线(表示为“循环运动”)，并且可以表示循环运动的移动或emg触发因素测量。曲线图802还包括第二曲线(表示为“呼吸”)，该第二曲线指示附接到受试者801的胸部的传感器810-2的测量，并且可以表示与受试者801的呼吸相关联的hr、呼吸或其它生理参数。曲线图802示出了在时间t1处的定时触发因素(例如，第一曲线的顶点)和在时间t2处施加的刺激。可以使用本文描述的技术来确定定时触发因素与向受试者801施加刺激或反馈之间的时间延迟。曲线图802还以虚线轮廓示出了第二(呼吸)曲线与第一(循环运动)曲线的期望的波形同步。期望的波形同步是实现活动期间受试者801的心肺表现或表现的其它增强的波形同步。
通过向受试者801施加适当计时的刺激或反馈来创建第一和第二曲线之间的期望的波形同步或对准。在一些实施例中，期望的波形同步可以是次谐波或超谐波。施加到受试者801的反馈或刺激创建相位改变，以使第一和第二曲线的波形与期望的波形同步对准。应当认识到的是，在活动期间，可以随着时间的推移调整刺激或反馈对受试者801的施加。例如，可以使用基于刺激类型、刺激位置、受试者反射定时和/或焦点等的估计来确定第一或初始刺激或反馈。可以如上面关于图7a和7b以及本文其它地方所描述的针对特定受试者确定此类因素。调整刺激阶段定时以更好地将结果对准，以实现期望的响应。
图8c示出了对于第一曲线(以实线示出)和第二曲线(以虚线轮廓示出)的输出/努力作为时间的函数的曲线图804。第一曲线指示在活动期间不同步或不使用本文描述的用于增强受试者801的表现的技术的情况，而第二曲线指示在活动期间同步或使用本文描述的用于增强受试者801的表现的技术的情况。输出/努力是骑自行车活动期间受试者801的指定输出和努力参数的测量。示例输出参数是速度，而示例努力参数包括hr、呼吸努力、肌肉劳损、肌肉激活强度和/或每个周期的持续时间等。可以使用本文描述的感测设备(诸如受试者810身上的传感器810-1和810-2)来测量输出和努力参数。一般而言，期望在维持或减小受试者801的努力的同时增加输出，或者在减小受试者801的努力的同时维持输出。在同步期间(例如，诸如以上关于图8b和本文其它地方所描述的)，第二曲线表现出一些波动，在某个时间段内甚至可能具有比第一曲线更差的输出/努力。但是，一旦找到同步优化，那么本文描述的技术的使用就允许受试者801的增强的表现(例如，第二曲线相对于第一曲线的增加的输出/努力)。
图8d示出了在活动期间受试者801随时间的推移测得的刺激/响应的曲线图806。更特别地，曲线图806示出了受试者801的右腿移动的第一曲线和在受试者801的右大腿中的集成emg的第二曲线。如图所示，在时间t1、t3和t5处施加刺激定时信号。曲线图806还示出了在时间t2、t4和t6处的理想的肌肉收缩定时(例如，在受试者801的右大腿中，用于增强表现)。曲线图806图示了在周期性活动期间如何将肌肉激活(例如，在受试者801的右大腿中)与(例如，受试者801的右腿的)位置正确地计时。在一些实施例中，使用算法来调整何时向受试者801给予刺激，使得响应定时对于增强受试者801的表现是“理想的”。除了或代替优化肌肉收缩定时，一些实施例可以优化肌肉振幅(例如，收缩的强度)、推动肌肉收缩的持续时间、推动定时的结束等。对于给定的活动，一些实施例可以寻求当在特定周期中(例如，踩踏时受试者801的腿的部旋转)肌肉收缩开始时优化收缩的强度(例如，最大自愿等距收缩)，当在特定周期中肌肉失活或放松时优化特定周期期间肌肉中的基础语调等。
图9a-9c示出了模块化生理监视系统900。模块化生理监视系统900包括附接到受试者901的感测设备910和刺激设备920，感测设备910和刺激设备920与主机设备930无线通信925。主机设备930包括处理器、存储器和网络接口。
处理器可以包括微处理器、微控制器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它类型的处理电路系统，以及此类电路系统元件的部分或组合。
存储器可以以任何组合包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)或其它类型的存储器。本文公开的存储器和其它存储器可以被视为存储可执行计算机程序代码或其它类型的软件程序的更一般地称为“处理器可读存储介质”的示例。包括此类处理器可读存储介质的制品被认为是本发明的实施例。给定的这种制品可以包括例如存储设备，诸如存储盘、存储阵列或包含存储器的集成电路。处理器可以从存储器加载计算机程序代码，并执行该代码以提供主机设备930的功能。
网络接口提供了使得能够在主机设备930、感测设备910和刺激设备920之间进行无线通信的电路系统。
图9a提示了模块化生理监视系统900，为清楚起见，该模块化生理监视系统900仅包括感测设备910和刺激设备920的单个实例。但是，应该认识到的是，模块化生理监视系统900可以包括多个感测设备和/或多个刺激设备。此外，虽然图9a图示了模块化生理监视系统900，其中感测设备910和刺激设备920附接到受试者901，但是实施例不限于此类布置。如上所述，一个或多个感测和/或刺激设备可以是接触表面或非接触设备的一部分。此外，感测设备910和刺激设备920在受试者901身上的放置可以如上所述地变化。而且，主机设备930可以由受试者901穿戴，诸如被结合到智能手表或其它可穿戴计算设备中。在一些实施例中，由主机设备930提供的功能还可以由感测设备910和刺激设备920中的一个或多个提供。
图9b示出了模块化生理监视系统900中的感测设备910的各方面的示意图。感测设备910包括处理器、存储器设备、控制器、电源、电力管理和/或能量收集电路、一个或多个外围设备、时钟、天线、无线电收发装置、信号调节电路、(一个或多个)光源、(一个或多个)光学检测器、传感器通信电路、(一个或多个)生命体征传感器和(一个或多个)辅助传感器中的一个或多个。感测设备910被配置用于与刺激设备920和主机设备930的无线通信925。
图9c示出了模块化生理监视系统900中的刺激设备920的各个方面的示意图。刺激设备920包括处理器、存储器设备、控制器、电源、电力管理和/或能量收集电路、一个或多个外围设备、时钟、天线、无线电收发装置、信号调节电路、驱动器、刺激器、(一个或多个)生命体征传感器、传感器通信电路和(一个或多个)辅助传感器中的一个或多个。刺激设备920被配置用于与感测设备910和主机设备930的无线通信925。
来自感测设备和/或刺激设备(例如，贴片和/或贴片-模块对)的数据的通信可以经由本地个人通信设备(pcd)来执行。在一些实施例中，这种通信在两部分中发生：(1)贴片和/或贴片-模块对与pcd之间的本地通信(例如，经由集线器或贴片-模块对的模块)；以及(2)从pcd到后端服务器的远程通信。pcd和后端服务器可以共同提供主机设备的功能，如本文其它地方所描述的。
图10示出了用于在活动期间增强受试者的表现的处理流程。该处理流程开始于步骤1002，其利用至少一个感测设备从受试者身上的至少一个部位监视生理参数的第一和第二集合。
在一些实施例中，至少一个感测设备包括在第一部位处附接到受试者的第一感测设备和在第二部位处附接到受试者的至少第二感测设备，其中生理参数的第一集合利用第一感测设备在第一部位处被监视，并且生理参数的第二集合利用第二感测设备在第二部位处被监视。在一些实施例中，第一和第二部位可以在受试者身上共同定位。在其它实施例中，第一和第二部位可以不同。例如，第一部位可以位于受试者的附肢、手臂、手、腿、脚、大腿、膝盖、小腿、脚踝、二头肌、肘、前臂、手腕、腹部或骨盆上，而第二部位可以位于受试者的躯干、肋骨、腹部、颈部、头部、耳朵、手臂下方或附肢上。在一些情况下，第一和/或第二部位位于与受试者接口的一个或多个机器上。
在步骤1002中被监视的生理参数的第一集合可以包括来自受试者身上的第一部位的一个或多个运动学信号和一个或多个肌电信号中的至少一个，并且生理参数的第二集合可以包括来自受试者身上的第二部位的一个或多个心脏信号和一个或多个呼吸信号中的至少一个。
在一些实施例中，在受试者执行重复任务的同时执行步骤1002中的监视。重复性任务可以包括跑步、步行、骑自行车、举重、跳跃、蹲下、仰卧起坐、卷腹、头部移动、划船、游泳、摆动工具和爬楼梯之一。
处理流程继续至步骤1004，识别与生理参数的第一和第二集合相关的第一和第二事件。第一事件可以与以下至少一项对应：一个或多个肌肉活动水平；一个或多个肌肉收缩的发作；一个或多个肌肉的放松；一个或多个肌肉的峰收缩；一个或多个肌肉的疲劳；由一个或多个肌肉生成的峰力量；一个或多个肌肉的峰肌电图活动；一个或多个肌肉的峰高频肌电图活动；一个或多个肌肉的峰快速抽搐活动；以及一个或多个肌肉的峰缓慢抽搐活动。第一事件可以与一个或多个运动学和动力学移动对应，这一个或多个运动学和动力学移动包括以下一项或多项：峰水平加速度；峰水平速度；最小垂直加速度；最小垂直速度；弧的顶点；弧的底部；冲击；方向性冲击；以及自由落体状况。第二事件可以与和受试者的呼吸或心脏活动相关的一个或多个事件对应。
在步骤1006中，为在步骤1004中识别出的第一和第二事件生成第一和第二时间戳。在步骤1008中，确定用于在活动期间相对于第一和第二时间戳向受试者提供反馈以调整受试者的一个或多个特点的定时。在活动期间调整受试者的一个或多个特点可以包括在活动期间增强受试者的心肺表现、在活动期间提供受试者的至少一部分的移动的生物力学增强，或两者。
步骤1008可以至少部分地基于一个或多个环境因素、受试者正在执行的重复性任务的一个或多个与任务相关的因素以及受试者的一个或多个疲劳因素。
在一些实施例中，步骤1008包括执行训练规程，包括利用至少一个刺激设备向受试者施加刺激并监视受试者的一个或多个生理参数以确定至少一个心脏表现度量的一个或多个改变，并且利用确定的至少一个心脏表现度量的一个或多个改变来确定用于相对于第一时间戳和第二时间戳向受试者提供反馈的最优定时。
处理流程继续至步骤1010，利用至少一个刺激设备根据确定的定时向受试者提供反馈信号。在一些实施例中，在步骤1010中使用的至少一个刺激设备与在步骤1002中用于监视的至少一个感测设备相同。
在一些实施例中，受试者正在执行包括多个周期的重复性任务，并且在多个周期中的两个或更多个周期期间执行步骤1002中的监视，以便执行时间平均的优化，以响应于与两个或更多个周期中的每个周期中的第一事件和第二事件相关联的第一时间戳和第二时间戳而在步骤1010中向受试者提供反馈。
在一些实施例中，受试者正在执行包括多个周期的重复性任务，并且在多个周期中的第一周期期间执行步骤1002中的监视，并且在多个周期中第一周期之后的第二个周期中在步骤1010中提供反馈。
在一些实施例中，受试者在步骤1002中在监视期间执行包括两个或更多个活动的任务，并且在步骤1008中确定用于相对于第一时间戳和第二时间戳提供反馈的定时包括协调任务内一个或多个指定的活动的反馈的定时。
在步骤1010中提供的反馈可以包括电刺激、振动刺激、听觉刺激和视觉刺激中的至少一种。
在一些情况下，图10的处理流程还包括利用至少一个刺激设备向受试者身上的两个或更多个位置施加刺激、利用至少一个感测设备监视受试者对在两个或更多个位置中的每个位置处提供的刺激的反应、利用被监视的响应来确定受试者对两个或更多个位置中的每个位置施加的刺激的反射时间，并基于确定的反射时间选择两个或更多个位置中的至少给定位置来向受试者提供一个或多个反馈信号。
在一些实施例中，调整在步骤1010中提供的反馈的强度以实现期望的心肺表现增强水平。
在一些实施例中，图10的处理流程包括通过相对于向受试者提供一个或多个反馈信号的定时来监视受试者响应以确定受试者何时响应于一个或多个反馈信号而调整与任务相关的移动来计算受试者的一个或多个反射。可以监视反射反应时间的改变，并且可以基于受试者的反射反应时间的一个或多个改变来调整向受试者提供一个或多个反馈信号的定时。
将认识到的是，本领域技术人员将容易想到附加的优点和修改。因此，本文给出的公开及其更广泛的方面不限于本文示出和描述的具体细节和代表性实施例。因而，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以包括许多修改，等同物和改进。
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