[发明专利]一种用于睡眠调节的深度学习声音刺激系统和方法

说明书

本发明描述了一种利用深度神经网络来选择和优化声音刺激，以调节与改善人体睡眠质量的系统和方法。深度神经网络具有表征人脑皮层神经元对外部刺激(图像、声音等)信息进行加工的能力。通过将海量声音刺激输入深度神经网络，寻找使模型估计的睡眠脑电波达到最优的声音模式，并将此声音模式应用于真实人体，经过闭环优化，增强人体在不同睡眠阶段对应睡眠波的强度，达到调节睡眠的目的。本发明将主要解决在利用声音刺激手段(音乐、语音、自然声音、白/有色噪声等)辅助人体睡眠时，如何通过深度神经网络选择和优化所用声音刺激以最大程度地改善睡眠质量的技术问题。

技术领域

本发明涉及一种用于睡眠调节的深度学习声音刺激系统和方法，针对慢波睡眠进行调节，以增强慢波活动，促进受试者尽快进入深睡期。

背景技术

神经科学与临床医学研究结果表明，睡眠对于维持人体正常生理机能至关重要。通过睡眠调节来提高睡眠质量，对于促进人体身心健康具有重要价值，而对于罹患睡眠障碍的人群而言尤为重要。目前睡眠调节的途径包括：(1)精神类药物调节，通过使用精神类药物，抑制中枢神经系统的相关兴奋性活动，从而促进睡眠，缺点是易引起药物依赖性，并伴随较大的副作用；(2)心理疗法，通过心理健康咨询缓解因心理问题引起的睡眠障碍，缺点是治疗周期长，且较难准确对症治疗；(3)神经环路疗法，通过脑部手术修复引起睡眠障碍的神经环路，但相关治疗方案尚不成熟，目前仅尝试性地用于抑郁症等的治疗；(4)声、光刺激法，通过声音(音乐、语音、自然声音、白/有色噪声等)、光线等外部刺激诱导大脑皮层产生有助于睡眠的神经活动，是目前行之有效且风险最小的睡眠调节方法。本发明即属于通过声音刺激调节睡眠方法的范畴。

睡眠调节通常作用于一个睡眠周期的不同时段。一个睡眠周期可分为快速眼动(rapid eye movement sleep，REM)睡眠和非快速眼动(非REM)睡眠两个阶段，并从非REM睡眠开始，到REM睡眠，再到下一个周期的非REM睡眠，通常持续时间约90分钟。非REM睡眠即慢波睡眠，以头皮电极记录到的特定慢节律睡眠脑电波(electroencephalograph，EEG)为特征，分为4期：第1期为浅睡期，持续数分钟，主要表现为在EEG中出现的4～7Hz的θ波；第2期睡眠稍深，持续5～15分钟，主要表现为在EEG中出现的偶发性的8～14Hz梭形波与K复合波；第3期和第4期为深度睡眠，主要表现为EEG中出现的4Hz以下高幅度的δ波，其中第4期是最深的睡眠阶段，可持续20～40分钟，其EEG节律表现为2Hz以下的高幅δ波。REM睡眠则以频繁的眼动及EEG中14Hz以上的快速β波为特征。尽管目前关于非REM睡眠对机体修复的机制尚不完全知晓，但最近研究结果表明，非REM睡眠与某些神经毒素(如β-淀粉样蛋白)的清除有关，而非REM睡眠慢波活动的减少则可能与衰老及脑萎缩有关；REM睡眠则对于记忆的强化或有重要作用。与非REM睡眠相对单调的慢波相比，REM睡眠的EEG节律则更接近觉醒状态，具有更加丰富的成分，而调节也更为复杂，因此目前根据EEG节律进行睡眠调节的技术主要集中在非REM睡眠阶段。本发明即针对慢波睡眠进行调节，以增强慢波活动，促进受试者尽快进入深睡期。

现有基于声音刺激调节睡眠的技术，主要利用上述睡眠EEG与声音刺激的频谱特征、声学特征等之间的关联关系选择声音刺激。例如，根据EEG节律变化检测当前所处的睡眠时段，并生成与当前EEG节律频谱特性相似的催眠声音(α波、θ波、高δ波、低δ波等声音)(专利公布号：CN107715276A)；或从音乐库中选择声学特征(节奏、音高、音调等)与当前睡眠时段所记录的睡眠EEG相关性最大的音乐(专利公布号：CN105451801A)；或直接通过声音拾取装置记录到的自然界中频谱较宽的白噪声(风声、雨声、流水声等)，播放给受试者(专利公布号：CN101773696B)。