用于在睡眠时检测身体姿势的设备和方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于特别在睡眠时检测身体姿势的方法和设备。更具体来说，本发明涉及如何能够从来自毯子下方的对象身体的所投射IR光的反射分布导出睡眠期间的主要身体姿势。此外还可以对呼吸信号进行分析以便确定身体姿态。
【专利说明】用于在睡眠时检测身体姿势的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于特别在睡眠时检测身体姿势的方法和设备。更具体来说，本发明涉及如何能够从来自毯子下方的人的身体的反射IR光的分布导出睡眠期间的主要身体姿势。此外，可以对呼吸信号进行分析以便确定身体姿态。
【背景技术】
[0002]通过在睡眠时检测身体姿势允许改进无干扰性监测。当把图像传感器用作体外运动传感器时，通常应用运动检测或估计来测量活动水平并且替代活动记录器。例如当两个人共用床榻时(65%的成年美国人与伴侣或子女睡在一起)，在身体姿势已知时可以更容易地辨别移动。运动检测本身对于共用床榻的情形是不足够的，这是因为当两个对象彼此靠近躺卧时，各个运动区域无法足够好地表明哪些运动区域属于哪一个对象。其中对于每个图像块计算运动矢量的运动估计会有帮助，但是只有当两个对象在边界区域内没有类似地移动时才会有帮助。身体姿势可以表明哪些移动有可能属于一个对象，并且哪些移动属于另一个对象。
[0003]此外，特别在睡眠和健康方面，关于身体姿势信息还存在若干其他的益处。这些益处在于:
-允许更加鲁棒的姿势性呼吸暂停检测:阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)是最常见的一类睡眠呼吸障碍。在一些患有OSA的患者当中，通过呼吸紊乱指数(RDI)测量的其呼吸暂停和睡眠紊乱的严重性在背部朝下(仰卧姿势)睡眠时比在朝向侧面(侧卧姿势)睡眠时要高一倍或更多。这被称作姿势性睡眠呼吸暂停(“PSA”)。与此相对，其RDI关于睡眠姿势只有很小改变或者没有改变的患者被称为患有非姿势性睡眠呼吸暂停(“NSA”)。基于本申请设计的设备可以帮助治疗被诊断患有PSA的患者，并且增进所述患者及其医生对于其疾病的严重性和可能进展的认识。许多患有OSA的人受益于在上身呈30度或更高仰角的情况下睡眠，就好像睡在躺椅上那样。这样有助于防止气道的重力塌陷。不同于仰卧姿势(背部朝下睡眠)，侧卧姿势(朝向人的侧面睡眠)也被推荐作为针对睡眠呼吸暂停的治疗。实际上，重力分量在侧卧姿势中比在仰卧姿势中小。
[0004]-训练解决方案:可以把身体姿势包括作为参数，并且对用户进行训练/影响从而使得身体姿势倾向于导致更好的睡眠质量。在睡眠研究的领域内识别出身体姿势与睡眠质量之间的关系；
-与睡眠良好者相比，睡眠较差者背部朝下并且头部正直的时间更长；
-在睡眠时面部向下并且腹部朝下或者朝向其侧面的人在其下巴上会有很重的静态负荷，这一不正确的姿势长年下来可能会导致例如偏头痛、三叉神经痛、疼痛、哼鸣、紧张和/或眩晕之类的症状；
-朝向其侧面睡眠可以减轻呼吸暂停的症状。
[0005]存在涉及人体模型和姿态辨识的复杂解决方案以利用摄影机来检测睡眠中人的身体姿势。但是这些解决方案的计算更为复杂，并且只有对于其中能够明确看到人的轮廓的薄毯才有效。此外，这样的方法并非对于所有主要身体姿势都有效(例如无法在腹部朝下与背部朝下之间做出区分)。
[0006]US20070118054公开了一种用于监测生命体征以便预测和治疗生理疾病的方法和系统。在该专利申请中，只考虑并且从生理信号估计身体姿态的改变。提供了用于监测生命体征以便预测和治疗生理疾病的各种方法和系统。所公开的方法和系统可以被应用来监测多种生理疾病或“发作期”，其中包括(但不限于)哮喘、低血糖、咳嗽、水肿、睡眠呼吸暂停、分娩以及REM睡眠阶段。所述方法采用被适配成检测诸如心率或呼吸率之类的生命体征的传感器(例如无接触传感器)以产生信号，所述信号可以被用来分析趋势、偏差或者被用于与先前的状况或标准进行比较。可以放置所述传感器从而使得不需要由医护人员查看对象。一些方法和系统采用了基于所感测到的生命体征的组合或者基于生命体征与规范标准的比较的“评分”。
[0007]W02009/083017公开了一种用于检测呼吸活动的移动的移动检测器。为了增强用于检测身体呼吸或心搏活动的移动的移动检测器，其包括具有微波振荡器和至少一个混频器的多普勒传感器，从而使得所述传感器一方面对于婴儿呼吸或心搏检测是高效且安全的并且另一方面是一种低成本解决方案，其中所述传感器被实施为尺寸小于IOOcm并且发送能量低于IOmW的传感器单元。
[0008]US 5，914，660公开了一种用于降低婴儿猝死综合症的可能性的姿势监视器和警报设备。一种用于降低婴儿猝死综合症(SIDS)的可能性的设备被公开为包括有效地耦合到信号产生电路并且附着到婴儿的衣物上的姿势指示设备。所述姿势指示设备提供响应于婴儿在睡眠期间采取的俯卧和其他姿势而变化的信号，从而允许响应于婴儿采取具有SIDS危险的俯卧或侧面姿势而激活相关联的警报设备。在一个实施例中，可以通过光学传感器与贴附到婴儿身上的反射或其他标记相互作用来确定婴儿的姿势。还可以使用重力或压力开关来提供对姿势做出响应的信号。在采取有SIDS危险的俯卧或侧面姿势时生成的信号被传送到位于婴儿的护理人员附近的远程接收器，从而生成警报以表明需要改变婴儿的姿势。可以产生恒定低水平或间歇维护信号，以便确保所述设备的连续且适当的操作。可以在睡眠中的婴儿附近产生附加的唤醒警报，以便进一步降低SIDS事件的可能性。
[0009]US2010/0262026公开了一种用于检测睡眠姿势的方法。在US2010/0262026中公开的方法使用处于固定位置但是不固定到患者身上的ECG传感器。从所述传感器记录的ECG信号被用来检测身体姿势，这是利用ECG电位在身体表面上的变化而实现的。可以通过测量与传感器和心脏之间的角度有关的人为信号(特别是QRS复波的极性)来对结果进行处理。所述传感器可以被固定在床榻的上表面上并且为用来监测睡眠姿势。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的目的是提供一种允许特别在睡眠时对身体姿态进行无接触检测的方法和设备。
[0011]关于所述方法，该目的是通过一种用于特别在睡眠时检测身体姿态的方法而实现的，所述方法包括以下步骤:
-提供寝具；
-至少在所述寝具的一部分上投射电磁辐射模式； -检测由躺卧在所述寝具上的身体导致的所述投射模式的反射；
-把所述反射模式与代表典型身体姿态的反射模式进行比较。
[0012]在本上下文中使用的术语“寝具”应当被理解成允许对象停放他或她的身体的任何种类的设备，例如床榻、床垫、躺椅或者任何其他种类的躺卧区域，而术语“对象”指代人类或动物。
[0013]短语“电磁辐射”指的是例如大约380nm到大约780nm的可见波长下的光，以及人类裸眼的可见范围之外的波长下的电磁辐射，例如大约780nm到大约1_范围内的波长下的IR辐射。
[0014]通过把反射模式与代表典型身体姿态的反射模式进行比较，可以按照无接触方式确定睡眠时的身体姿势，而不会干扰在他或她的睡眠期间受到监测的对象。通过投射所述模式便于把所检测到的反射模式与代表典型身体姿态的模式进行比较。反射光的分布被用来确定身体姿势。当一个人平躺在床上时(例如俯卧、皇家、独眼巨人、浮袋姿势，参见图1)，反射强度从身体的上部到下部更加均匀地分布，而当侧躺时，对于给定的光投射器，反射强度明显在中部和上部附近更高(例如参见图2)。
[0015]根据本发明的一个优选实施例，为了把反射模式与代表典型身体姿态的模式进行比较，把一个人的身体虚拟地划分成6个主要部分:左和右上身，左和右中部，左和右下部，计算其当前强度的总和。可以基于光投射器的位置导出试探法。基本上，反射光的强度越高，光投射器与对象之间的距离就越小，这是因为光被更快地反射。
[0016]当一个人平躺时，不管是腹部朝下还是背部朝下，与仅把毯子盖到床上的情况相t匕，其光分布几乎不会被床上的人所改动。但是当这个人转向一侧时，其身体的上部和中部会改变相应区域内的反射率(取决于光从何处照射以及哪些部分被遮挡而变得更高或更低，这例如由于腿上抬、身体的一侧挡住床榻的另一侧而导致的)。这一点可以被用来导出用以确定睡眠中的人的身体姿势的试探法。
[0017]根据本发明的一个优选实施例，把激光器用作投射所述模式的光源。通过把激光器用作光源允许锐利的模式投射。优选地，所述激光器操作在处于对人眼可见或有害的范围之外的波长下，例如操作在IR波长范围内。优选地使用操作在808nm到1064nm的波长下的IR激光器。被用作光源的激光器的能量优选地足够低，以便确保避免由于激光辐射而导致眼睛受到伤害。特别优选地把IR-LED激光器用作光源。
[0018]在本发明的另一个优选实施例中，按照间歇和/或受调制方式来施行在所述寝具上的模式投射。所述投射例如可以每分钟施行一次、每10秒钟施行一次或者每秒钟施行一次等等。通过按照间歇方式施行模式投射可以减轻由于持久性模式投射而导致的不适。在另一个实施例中，对投射强度进行调制。通过这样做也可以减轻由于投射而导致的不适。
[0019]在另一个实施例中，对投射频率进行调制。这样可以减少由于例如夜间照明灯等的其他光源导致的干扰。可以利用至少两个不同的投射器施行频率调制，例如在808nm和1064nm的不同频率下进行发射的例如两个IR-LED激光器。所述至少两个不同的投射器可以按照交替方式进行投射。
[0020]可以通过对于投射在寝具上的模式进行视频分析来施行反射检测。在本发明的一个优选实施例中，使用CCD传感器来检测所述模式的反射。在本发明的一个更加优选的实施例中，使用低分辨率传感器阵列来检测所述模式的反射。这里所涉及的低分辨率传感器指的是例如用在光学鼠标传感器中的具有例如125cpi到1375cpi (优选地是大约500cpi)的传感器。因为对于检测身体姿态所需的信息得以减少，因此不需要来自摄影机的更高分辨率图像。通过使用低分辨率传感器，可以减少将要处理的数据量，同时还可以保护睡眠中的人的隐私，这是因为低分辨率图像使得无法识别躺卧在寝具上的人。
[0021]根据本发明的另一个实施例，使用附加的信息来更加准确地确定身体姿态。在本发明的一个实施例中，使用声学信息和/或关于呼吸幅度的信息来提高身体姿态确定的准确性。当基于反射模式检测到平坦身体姿势时，为了区分背部朝下与腹部朝下的情况，可以把呼吸分析输出包括在内。与背部朝下躺卧的人相比，从视频信号中提取出的呼吸特性对于腹部朝下躺卧的人是不同的。当一个人背部朝下躺卧时，其胸部可以自由移动到开放空间中而没有阻挡其移动的任何较大阻碍。但是当一个人腹部朝下躺卧时，其胸部移动会进入到床垫中，并且通过视频感知到的幅度会减小。从经验上看，与腹部朝下的情况相比，当对象的背部朝下时测量到高25%的呼吸幅度。接近“背部”序列末尾的呼吸幅度下降被认为是由于具有更浅呼吸(气流和胸部扩张减小)的对象的更加放松的状态而造成的。当基于反射模式而检测到侧向姿势时，通过包括来自睡眠中对象的头部的右侧和左侧的两个麦克风的音频信号可以鲁棒地确定身体指向。具有更大呼吸幅度的麦克风表明头部的指向。
[0022]根据本发明的一个实施例，通过放置在寝具的全部两侧的至少两个麦克风获取声学信息。为了通过所述麦克风检测左/右姿势，使用下面的方法。在通过众所周知的技术施行两个麦克风(一个位于左侧，一个位于右侧)当中的每一个的减噪之后，可以检测呼吸事件。如下面的算法I中所示地施行这一检测，其中对输入样本^[幻进行处理，其中左是样本索引。
【权利要求】
1.一种用于特别在睡眠时检测身体姿态的方法，所述方法包括以下步骤: -提供寝具； -至少在所述寝具的一部分上投射电磁辐射模式； -检测由所述寝具上的身体导致的所投射的模式的反射； -把所述反射模式与代表典型身体姿态的反射模式进行比较。
2.根据权利要求1的方法，其中，在把所反射的模式与代表典型身体姿态的模式进行比较期间，把对象的身体虚拟地划分成至少两个主要部分:左和右上身，左和右中部，左和右下部，计算其当前强度的总和。
3.根据任一项在前权利要求的方法，其中，用于投射所述电磁辐射模式的光源是IR-LED激光器。
4.根据任一项在前权利要求的方法，其中，按照间歇和/或受调制方式来施行在所述寝具上的电磁辐射模式的投射。
5.根据任一项在前权利要求的方法，其中，对于所述电磁福射模式的反射的检测是低分辨率传感器阵列。
6.根据任一项在前权利要求的方法，其中，对于身体姿态的确定考虑附加的信息。
7.根据权利要求6的方法,其中，声学信息和/或关于呼吸幅度的信息被用于确定身体姿态。
8.根据权利要求7的方法，其中，从视频信号中提取出呼吸特性以增强对于身体姿态的检测。
9.根据权利要求6或7的方法，其中，通过放置在寝具的全部两侧的至少两个麦克风获取声学信息。
10.根据任一项在前权利要求的方法，其中，通过从传感器/摄影机和光源关于寝具的主要指向导出试探法，在检测身体姿态时使用用于模式投射的光源以及用于确定反射的传感器/摄影机的指向。
11.根据其中一项在前权利要求的方法，其中，使用由于同时活动记录处理而可用的移动信息来给出更加鲁棒的检测，这是由于关于姿势改变的指示以及在对象的身体上重新定位栅格分段而实现的。
12.一种用于检测寝具上的身体姿态的设备，所述设备包括: -用于在所述寝具上投射电磁波模式的投射器； -用于检测由所述投射器所投射的模式的反射的检测器； -连接到检测器的数据处理装置，所述数据处理装置能够把由检测器检测到的实际反射与代表典型身体姿态的所存储的反射模式进行比较。
13.根据权利要求12的设备，其还包括连接到所述数据处理装置的至少一个麦克风。
14.根据权利要求12或13的设备，其中，所述投射器是IR-LED激光器。
15.使用根据权利要求1到11当中的任一项的方法来检测与睡眠期间的身体姿态有关的身体健康状况，或者用于根据身体姿态来控制寝具当中或周围的环境情况。
【文档编号】A61B5/11GK103608854SQ201280026336
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年5月29日 优先权日:2011年5月30日
【发明者】A.海恩里奇, H.C.范尤格特, R.M.M.德克西, G.N.加西亚莫里纳, J.杜 申请人:皇家飞利浦有限公司