用于确定生理状况的方法和系统的制作方法

专利名称：用于确定生理状况的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于确定人的生理状况的方法，更具体地涉及一种使用 心率变异性(HRV)检测与情绪相关的事件的改进的方法。本发明还涉及利用这种确定方 法的对应的系统。
背景技术：
当前，与放松相关的方法和系统/设备的领域和需求正日益增加。已经开发了 不同的工具来测量人体的身体值以便确定人的压力水平(stress level)。测量通常包括测量 无意的(involuntary)活动，比如心跳、消化和呼吸。每当脑检测到变化，自主神经系统 就产生立即的身体反应并且该人的血压、心率和皮肤湿度水平发生变化。生物反馈使用 电子仪器使人意识到这些变化并教导如何更好地控制这些变化，并且因此识别并测量人 体对压力如何反应。众所周知，呼吸调节心率(呼吸性窦性心率不齐，RSA)，并且诸如瑜伽之类的 冥想技术利用了该原理。心率的变化或心率变异性(HRV)归因于自主神经系统(ANS)。 心率的增大归因于副交感神经(迷走神经)系统，而心率的减小归因于交感神经系统。在 禅冥想(Zenmeditation)中，心率变异性的频谱的低频部分相对于该频谱的高频部分得以 增加。这被认为有益于冥想者(meditator)保持良好的状态(放松)。US 6,358,201中公开了一种使用心率变异性来确定人的生理状况的方法。该 方法使用心率变异性的基于频率的分析并且生成所谓的一致性(coherence)的度量 (measure), 一致性表示正被测量的人正以一致的方式呼吸并得到放松。一致性的指示标 记是心率变异性的频谱中的单个峰。然而，所述公开的方法存在至少一个问题。该问题归因于以下事实所述公开 的方法基于心率变异性的频率分析，由此这将对通常大约60秒内的大量的采样心跳取平 均。因此，实现所述方法的系统将在所述人已来到放松状态之后经历长的“学习时间” 以得到第一可靠的一致性值。此外，将很难立即检测异常值(即不规则的心跳)，因为来 自一致性频率峰的变化将仅仅导致对频率峰很小的加宽。因此，对于人的一致性的短暂 变化这种系统将是不可靠的。发明目的因此，需要一种用于确定人的生理状况的改进的方法，并且更具体地需要一种 克服或至少减轻由于使用心率变异性的频率分析而产生的现有技术的可靠性问题的方法。

发明内容
根据本发明的一个方面，上述目的是通过用于确定人的生理状况的方法实现 的，该方法包括采样该人的多个心跳；从所述心跳样本中提取一系列心脏R-R间期 (interval)；以及提供随后的R-R间期的二维表示，其中两个随后的R-R间期形成所述二维表示中的项目(entry)，其中该方法进一步包括步骤确定二维表示中多个项目的形心 (centroid) >平均半径和平均旋转频率；确定多个所述半径与二维表示中每个项目之间的 距离；以及与所述多个距离结合地使用所述半径来确定该人的生理状况。本发明的总体思想基于以下事实可能的是，通过执行心率变异性(即从多个 心跳样本中提取的多个心脏R-R间期(即，两个连续的R波之间的时间消逝，也被表示 为“心跳间期”，IBI))的基于时间的分析来确定人的诸如一致性之类的生理状况。将 随后的R-R间期建模为延迟图(delay map)，例如实质上建模为庞加莱(Poincai^)模型 (即，在χ轴上绘制第η个测量的R-R间期，相对地在y轴上绘制第n+i个测量的R-R 间期)通常导致所述项目的椭圆形表示。然而，借助于本发明的新颖的思想，可以确定 该人的生理状况，本发明的新颖构思包括对项目的“云”的形心的确定；对项目的云的 半径的确定，此后到每个项目的距离与云的半径相关。然而，应当注意，通常仅在该人 正在一致地呼吸时才测量到形成项目的二维表示轮廓的适当的椭圆(或重定比例之后的 圆)。在每个项目与半径之间的距离小的情况下，即椭圆的线粗度(thickness)小，这 是该人的一致性的度量。即，当所述人是一致的时，该人的心率变异性(HRV)与呼吸周 期强烈相关，几乎一对一几乎(almost one to one almost):呼吸周期=HRV周期。因此， 本发明解决了确定人的一致性状态而不必依附于(reside to)人的心率变异性的频率分析的 问题。即，二维表示的项目被设置得越均勻(homogeneous)，被测量的人越一致。因此 从该解决方案得出的本发明的优点在于，因为每个所述项目直接与椭圆的半径相关，所 以在可以快速检测状态的变化的同时，最小化了确定所述人的一致状态所花费的时间。 此外，因为归因于基于时间的分析每个项目被单独分析(与现有技术中使用的基于频率 的分析中使用的取平均相比较)，所以可以实时地单独分析每个新项目相对于每个现有项 目的位置。应当注意，身体方面年轻的和健康的(fit)人将通常具有较大的半径，而年长 的身体患病的人将具有较小的半径。应当注意，所述方法可以包括确定所述二维表示中 的多个项目的r和Φ。在本发明的优选实施例中，确定的步骤包括确定二维表示中多个项目之间关于 所确定的半径的差异(variance)。因此，从而可以容易地确定不同项目和所述差异和/或 所述椭圆表示的半径之间的关系，还包括确定所述距离和/或差异是大于还是小于预定 的第一阈值的可能性，从而可以向该人提出警告。所述警告可以例如包括音频刺激、视 觉刺激、触觉刺激，并且这样的刺激还可以用于指导该人使得所述距离/差异最小化。 相似地，所述差异可以包括基于所确定的多个项目的r和Φ来确定半径dr和旋转频率(1Φ 这二者。下面将进一步详细阐述该思想。另外，为了限制执行根据本发明的方法所需的处理功率(power)，提供随后的 R-R间期的二维表示的步骤包括将项目的二维表示变形为与圆相符合，即从椭圆变形为 圆的步骤。在本发明的详细描述中将进行涉及圆变形的进一步讨论。在本发明的可替代实施例中，针对多个人确定生理状况以便在决策(decision taking)的时间期间测量这些人的不关心(indifference)、真实的关心和愤怒中的至少一 个。该实施例可以例如用于人群的接受监测(acceptance monitoring)、用于监测对呈现给 公众的主张和(政治)提议的情绪反应，并且因此获得关于所提出的主张的情绪影响的客观度量。附加的可能性包括某些提议的趋势分析。因此，新提议在第一次被提出时可能 引起强烈的情绪反应，或者是积极意义的反应，或者是消极意义的反应。然而，在一个 人已经变得更加熟悉所述提议时，这些强烈的第一反应可能被消磨(wear out)(不总是， 而是有时)，并且可能是更加平衡的视图面(view surface)。S卩，诸如一致反应之类的集 体参数提供了关于所述群体中哪些派别显示出相似态度的信息。所收集的信息可以被所 述群体使用或被过程服务商(facilitator)使用以指导决策过程。为了另外地增加这样的测 量的可靠性，可以包括对所述多个人的皮肤电反应的确定，并且可以在测量不关心、真 实的关心和愤怒中使用所得的反应。在本发明的实施例中，多人中的至少一个人被远离其余人而定位，并且从该人 的用于采样多个心跳的传感器和/或用于确定皮肤电反应的装置得到的度量通过诸如因 特网之类的网络被传输到控制单元。因此，这种实现方式提供了使用与基于网络的主张 呈现、TV和/或其他不同的电子大众通信有关的本发明的系统的可能性。此外，根据本发明的方法可以被实现为运行在例如微处理器(例如通用计算机) 或诸如机顶盒、电视机的一部分(内置的)、DVD播放器或便携式设备之类的类似设备上 的计算机程序(计算机软件)。根据本发明的另一方面，提供一种用于确定人的生理状况的系统，包括至少 一个用于采样该人的多个心跳的传感器和适于从所述心跳样本提取一系列心脏R-R间期 并且提供随后的R-R间期的二维表示的控制单元，其中两个随后的R-R间期形成二维表 示中的项目，其中所述控制单元进一步适于确定二维表示中多个项目的形心和半径；确 定多个半径与二维表示中每个项目之间的距离；以及与所述多个距离结合地使用所述半 径来确定该人的生理状况。如上文结合根据本发明的方法所描述的，该新颖的系统提供优于现有技术的多 个优点，其归因于以下事实它解决了现有技术中归因于心率变异性的频率分析的取平 均和可靠性问题。在本发明的优选实施例中，所述至少一个用于采样多个心跳的传感器是光体积 描记器、ECG记录器或用于测量心冲击图的设备中至少一个。然而，技术人员理解，可 以使用不同的传感器并且上面的实例是非限制性的。


现在将参照附图更详细地被描述本发明的这些和其他方面，附图示出了本发明 的优选实施例，在附图中图1是示出根据本发明的实施例的框图，图2是示出随后的R-R间期的二维表示的曲线图(两个轴上的标示χ-轴IBI 时间n，y-轴IBI时间n+1)，图3是半径分布的柱状示，以及图4是使用根据本发明的方法的决策系统的概念性结构。
具体实施例方式现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选的实施例。然而，本发明可以以许多不同形式体现并且不应当被解释为限于本文所 提出的实施例；而是，这些实施例是为了完整性和完备性而提供的，并且完全将本发明 的范围传递给技术人员。通篇，同样的附图标记表示同样的元件。现在参照附图并特别地参照图1和图2，它们分别描绘了根据本发明的实施例的 系统100的框图和由系统100确定的随后的R-R间期的二维图形表示。将同时讨论图1 和图2。系统100经由传感器102和104测量、比较由系统100获得的HRV信号并给出 关于所述HRV信号的反馈。每个传感器102和104测量人的心跳，即被设置为使得它们 可以检测人的心跳。使用多个传感器的优点在于，可以将不同传感器的数据相结合并提 高可靠性，例如减少运动伪影。然而，本领域技术人员理解超过或少于两个传感器是可 能的并且因此在本发明的范围内是可能的。可以检测心跳的传感器的实例是光体积描记 器、ECG记录器或用于测量心冲击图的设备(例如，Emfit传感器、MyHeart工程(“我 的心脏”工程))。系统100另外包括控制单元106，其从传感器102和104接收心跳样本，该控制 单元比如用于从心跳样本(即该人的心率变异性(HRV))中提取一系列心脏R-R间期(或
“心跳间期”，IBI)并用于提供随后的R-R间期的二维表示的微处理器或类似物，其中 两个后续的R-R间期形成二维表示中的项目200。控制单元106优选地包括用于接收心跳 度量的无线能力。然而，所述连接当然可以借助于电线提供。如上文所讨论，所述二维 表示本质上优选地是随后的R-R间期的庞加莱模型，即在χ轴上绘制第η个测量的ΙΒΙ， 相对地在y轴上绘制第n+i个测量的ΙΒΙ。此外，控制单元106优选地进一步适于确定二 维表示中的多个项目的形心202和平均半径204，即表示为二维图的项目的中心，在所述 二维图中轮廓基本上具有椭圆的形式并且根据二维图该形心到椭圆基本上表示半径204。 即，通常只有在从椭圆转换到圆之后才可以确定一个平均半径。然而，可以定义一种平 均椭圆，但是这更加复杂，因为必需的是确定椭圆的两个轴的平均值。而且，控制单元 106适于确定半径206与二维表示中每个项目之间的距离206，其中针对每个项目的所述 距离因此可以被单独分析并且与项目的平均半径204进行比较。也被控制单元106执行 的所述分析的结果随后可以用于确定所述人的生理参数。系统100也可以提供刺激和反馈的可能性，其中所述刺激例如可以包括借助于 特别适用于提供这样的刺激的电视机108和扬声器110再现(render)音频-视觉(例如音 频和/或视频)体验，这样的刺激包括显示给该人的呼吸起搏器(pacer)刺激。而且， 在包括流光溢彩(ambilight)(或类似技术)的电视机108的情况下，流光溢彩照明思想可 被进一步用于增强音频-视觉体验。当然，其他附加的布置也是可能的，例如使用紧邻 所述人设置的不同类型的致动器(例如嵌入到所述人穿的织物衣服中或已经嵌入了致动 器的沙发/椅子中)的对人的触觉刺激。然而，所述电视机不必特别适用于提供上述刺 激，并且例如机顶盒或DVD播放器可以替代地适用于提供上述刺激，包括DVD播放器 的特别调适的DVD盘(或类似的便携式或固定的存储设备)，其上已存储有用于向所述 人提供刺激和指导的信息模式(pattern)使得所述人能够快速达到一致性的状态(例如， 快速减压)。电视机108和/或上述DVD播放器可以例如根据放松电视(Relax TV)的思想 来调适，放松电视提供允许人容易在他们家的舒适条件下放松的减慢的体验。使用系统100的人正好可以向后倚靠在沙发上，每只手中持有传感器102、104，与电视机108上显 示的电影剪辑同步地呼吸，并且借助于例如电视机108上显示的图形反馈界面(interface) 亲眼见证他或她的放松水平的上升。在几分钟后，用户通过遵循在电视机108上显现 的特制的(tailored)呼吸节奏练习来达到放松的状态，电视机108包括考虑了用户的心 节奏和放松表现的特殊音频视觉内容和/或(如上所述的)流光溢彩。欧洲专利申请 no.08152732.7(申请人的案号为PH009672)中公开了所述放松电视的思想的实例，该文献 通过引用被完全合并于此。然而，应当注意，所述减慢的体验不仅仅限于电视108，而是也可以由其他再现 设备提供。例如，生物反馈放松体验可以集成在照明系统或音乐播放器中。可替代地， 它可以用于通过将其集成到闹钟或唤醒灯中促进入睡的过程。从图2中清楚的是，二维表示中的项目默认地以椭圆形状设置，并且对于i = 0，所述图将是通过原点的直线。然而，为了确定所述半径和所述距离并且为了利用所述 分析中的那些确定，大量的计算是必需的。因此，期望执行圆变换(即，椭圆变为圆)， 因为与椭圆相比，分析圆所需要的计算能力(power)要小些。为了完成这一点，两个轴 上的数据相对于彼此被移位90度。为了得到圆形图，必须绘制IBIi^ilBIn+iarck。这里，i。irck以下面的方式估计i circle =■“~ /4
average其中Tp_是起搏器的周期(以秒为单位)，而IBIarerage是平均IBI (以秒为单位)。 比率ΤΡ·/ΙΒΙ 是用于椭圆的单通(one pass)的数据点的数量。如上面的公式中所示 将该数量除以4给出了所述90度的相位因子以将椭圆变换为圆。在这种情况下，到用户的反馈是椭圆(圆)。换言之，更开放的(opener)且更细 的椭圆表示更“一致的状态”，即呼吸节奏与心率之间的良好同步。椭圆的半径(即尺 寸)是心率变异性(HRV)的幅度的度量，并且椭圆的线的粗度(即半径的变化)是所述 一致性的度量。如上所述，当所述人是一致的时，所述HRV和呼吸周期是强烈相关的， 几乎一对一几乎呼吸周期=HRV周期。由于心烦或震惊所造成的一致状态的破坏导致突然的且立即的偏离椭圆形路 径。这允许快速检测事件并且允许快速显示。如果如上文所确定的圆的半径204具有某 种分布，该分布具有平均半径rarerage和宽度dr，则可以针对点何时是突然偏离圆路径来设
置度量。当测量的半径(即形心202与特定项目200之间的距离)明显偏离平均半径raverage 时，该点被标记为事件并且不针对所述分布(dr和raverage)来考虑它。这是一种过滤方法； 然而，也可以使用其他适当的过滤或数据点拒绝方案。当然，最初必须建立具有足够数 据点的适当的分布。然而，数据点数量越大，所述分布变得越好并且所述事件检测运行 得越好。换言之，建立了更长的历史。图3中示出了分布的柱状图300的实例。在该 实例中，当测量的数据点的距离206，d偏离平均半径raverage超过3倍的dr: |d-raverage| > 3dr时，则该点被标记为事件302。关于点何时显著偏离的标准可以由系统100的用户手 动设置或由系统100(基于半径分布和统计理论)自动设置。
与现有技术的在大约10秒内检测事件(即，一致性的破坏)并使用频域中的分 析的方法和系统相比，根据本发明的椭圆形显示方法在大约一秒内(即，在IBI度量的时 标上)检测到事件。快速检测是有利的，因为反馈和纠正的测量(例如呼吸起搏)可以 快得多，从而导致所述一致状态的快速恢复。因此，增强了设法减压的人的体验。然而，应当进一步注意，也可以相对于决策由一群人使用用于确定人的生理状 况的方法。同样，可以针对群体中的所有人监测对提议的精神生理反应，并且诸如不关 心、真实的关心和愤怒之类的个体参数可以通过心率变异性(HRV)的解释来区分和/或 皮肤电反应可以得以确定。诸如一致反应之类的集体参数提供关于所述群体中哪些派别 显示出相似态度的信息。然而，应当注意，所述群体中的人的精神生理反应可以在包括 或不包括上面讨论的特定HRV方法的情况下完成。在图4中，示出了决策系统400的实例。例如与会议有关的群体中的每个人被 提供至少一个用于测量心跳和/或皮肤导电性的传感器。在所示的实施例中，所述传感 器装置(即，心跳和皮肤导电性这二者)被集成到单个传感器设备402中，其进一步包括 用于与中心控制单元404通信的无线能力。在所述实施例中，附加的人/参与者例如借 助于电话会议或视频会议被远离其余的人而布置。在这种情况下，这个人也被配备有传 感器设备402，该传感器设备借助于网络连接(例如因特网)连接到控制单元404。在对各个人进行分析期间，必需的是表决与测量之间的时间同步是正确的。因 此，系统400针对每个测量记录了时间戳。因此，如果定义了人的接受水平与决定的官 方结果之间的距离D，则该距离将是所述决定、个人表决、在该人表决的时刻测量的生 理数据和在该人变得知晓官方结果的时刻测量的生理数据的全部结果的函数。该公式给 出如下D = f (voteperson-outcometotal)+g (measdataaf^-measdatavoting)这里，子函数f被定义为确定人的表决VOtep_n与总体结果OUttotal的不同程度， 子函数g被定义为确定在官方结果处测量的数据meaSdataato与在表决期间测量的数据 measdatav—g的不同程度。距离函数D于是可被认为是一种权重因子。所述距离越大，该人不同意官方结 果的程度越高。为了得到可靠性测量，我们可以辨别如下表所示的下列四种情形。
权利要求
1.一种用于确定人的生理状况的方法，该方法包括 -采样该人的多个心跳；-从心跳样本中提取一系列心脏R-R间期；以及 -提供随后的R-R间期的二维表示， 其中两个随后的R-R间期形成所述二维表示中的项目， 其特征在于，该方法进一步包括步骤 -确定二维表示中多个项目的形心、平均半径和平均旋转频率； -确定多个所述半径与二维表示中每个项目之间的距离；以及 -与所述多个距离结合地使用所述半径来确定该人的生理状况。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括确定二维表示中的项目之间关于所确定的半径 的差异的步骤。
3.根据权利要求1或2中任一项的方法，其中所述项目的二维表示本质上是随后的 R-R间期的庞加莱模型。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其中提供随后的R-R间期的二维表示的步骤 包括将项目的二维表示变形为与圆相符合的步骤。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述人的生理状况是该人的一致性的度量。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述人的生理状况包括确定半径与项目 之间的距离是高于还是低于预定的第一阈值的步骤。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，进一步包括如果生理状况的改变高于或低于 预定的第二阈值，则输出音频刺激、视觉刺激、触觉刺激中的至少一个的步骤。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，进一步包括输出音频刺激、视觉刺激、触觉 刺激中的至少一个以用于指导所述人使得半径与项目之间的距离最小化的步骤。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其中确定多个人的生理状况以用于在决策时 间期间测量不关心、真实的关心和愤怒中的至少一个。
10.—种用于确定人的生理状况的系统，包括-至少一个用于采样所述人的多个心跳的传感器；以及 -控制单元，其适用于-从心跳样本中提取一系列心脏R-R间期；以及 -提供随后的R-R间期的二维表示， 其中两个随后的R-R间期形成所述二维表示中的项目， 其特征在于，该控制单元进一步适用于 -确定二维表示中多个项目的形心、平均半径和平均旋转频率； -确定多个所述半径与二维表示中每个项目之间的距离；以及 -与所述多个距离结合地使用所述半径来确定该人的生理状况。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定人的生理状况的方法，包括采样该人的多个心跳；从心跳样本中提取一系列心脏R-R间期；以及提供随后的R-R间期的二维表示，其中两个随后的R-R间期形成所述二维表示中的项目，其中该方法进一步包括步骤确定二维表示中多个项目的形心、平均半径和平均旋转频率；确定多个所述半径与二维表示中每个项目之间的距离；以及与所述多个距离结合地使用所述半径来确定该人的生理状况。从该解决方案得出的本发明的优点在于，因为每个所述项目直接与椭圆的半径相关，所以在可以快速检测状态的变化的同时，最小化了确定所述人的一致状态所花费的时间。本发明还涉及利用这种确定方法的对应的系统。
文档编号A61B5/16GK102014738SQ200980116467
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月24日 优先权日2008年5月8日
发明者F·M·H·克罗姆普沃茨, H·A·赫塞尔, J·H·D·M·韦斯特林克, M·克兰斯, M·奥韦柯克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司