交互式音樂睡眠輔助器獲獎科研報告

交互式音樂睡眠輔助器獲獎科研報告

摘

要：“交互式睡眠輔助器”是一個主要面向長期睡眠質(zhì)量較差人群的設(shè)備，它的主要目的是幫助長期睡眠質(zhì)量較差的人群快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)，緩解失眠，通過這個設(shè)備來提高生活質(zhì)量，讓生活有更多的幸福感。主要通過腦電波傳感器實時采集腦電波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過特殊算法處理后對音樂播放器進(jìn)行動態(tài)控制調(diào)節(jié)，解決現(xiàn)有音樂播放器因睡眠的不確定性所對睡眠產(chǎn)生的干擾問題。本論文將會重點介紹“交互式睡眠輔助器”的重要性以及如何實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：深度睡眠;物聯(lián)網(wǎng);傳感器;數(shù)據(jù)分析;音樂播放器

一、睡眠不足的危害

21世紀(jì)，人們生活節(jié)奏加快，在青年學(xué)習(xí)就業(yè)壓力大，中年生活艱苦，養(yǎng)家糊口日益艱巨的情況下，導(dǎo)致我國睡眠障礙患病率逐年增加。據(jù)中國睡眠研究會的數(shù)據(jù)顯示，中國成年人失眠發(fā)生率高達(dá)38.2%，超過3億人口有睡眠障礙。而長期失眠則容易導(dǎo)致以下問題發(fā)生：

1、引發(fā)抑郁和焦慮，長期失眠，會使神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的應(yīng)激調(diào)控系統(tǒng)被激活，并逐漸衰竭而發(fā)生調(diào)節(jié)紊亂，容易引發(fā)焦慮癥、抑郁癥、躁狂癥等各種精神疾病。

2、易患心臟病。研究表明，失眠可能通過交感神經(jīng)功能亢進(jìn)、內(nèi)分泌和代謝紊亂以及炎癥狀態(tài)的形成而影響心臟健康，增加患冠心病、心肌梗死、心律失常乃至死亡的風(fēng)險。

3、誘發(fā)糖尿病。美國芝加哥大學(xué)對11位美國年輕人做了一項研究顯示，將他們每夜的睡眠時間減少為4至6小時，發(fā)現(xiàn)他們血糖水平降低到接近糖尿病患者的水平。

4、導(dǎo)致肥胖。美國疾病控制和預(yù)防中心（CDC）的研究發(fā)現(xiàn)，失眠狀態(tài)嚴(yán)重的州，往往肥胖率也很高。

5、死亡率更高。美國布萊根女子醫(yī)院的研究發(fā)現(xiàn)，失眠的男性因心血管疾病而死亡的風(fēng)險較高，因與心血管疾病相關(guān)的死亡風(fēng)險增加了32%—55%。

二、緩解失眠的方法

如何提高睡眠質(zhì)量、快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)是解決失眠所帶來問題的關(guān)鍵，中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委員會指出聽音樂可以促進(jìn)睡眠。有臺灣研究者發(fā)現(xiàn)，睡前聽輕音樂的與什么都不做的相比睡眠狀況改善程度達(dá)到35%，夜間睡得更久也更香了，白天的機(jī)能障礙也有所減少。聽音樂能產(chǎn)生有助于安穩(wěn)睡眠的生理變化，比如心跳和呼吸放緩。聽音樂也是緩解失眠最簡單，對人體產(chǎn)生副作用最小的方式。故而我們可以通過睡前聽音樂的方式來提高睡眠質(zhì)量、快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

中醫(yī)專家李少華指出：音樂治療失眠選擇合適的音樂也很重要。[1]音樂可以促進(jìn)人的感知能力及其潛力的發(fā)展，使注意力更加集中。實驗證明音樂能對人的生理和心理產(chǎn)生較大的影響，適合的音樂可以刺激和增加大腦的多種神經(jīng)遞質(zhì)。然而人在進(jìn)入睡眠的過程中是希望不被打擾的，如何在這個過程中選擇合適的音樂，將播放器的不確定性降到最低是值得進(jìn)一步探討的。

三、實現(xiàn)睡眠狀態(tài)與音樂播放的智能交互

（一）腦電波傳感器

1、腦電波的產(chǎn)生

大腦在活動時，大量神經(jīng)元同步發(fā)生的突觸后電位經(jīng)總和后，大腦會產(chǎn)生生理電的變化，可以使用這種變化記錄大腦活動，是腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映[2]，這樣的變化有電器性的擺動存在，而將這樣的擺動具象化就會呈現(xiàn)出頻譜圖一樣，我們把生理電的變化稱之為腦電波。

2、不同睡眠狀態(tài)下的腦電波

現(xiàn)代科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，四類腦電波對應(yīng)大腦呈現(xiàn)的四種不同狀態(tài)。

δ波：深度睡眠腦波狀態(tài)（范圍0.5-3HZ）;

θ波：深度放松、無壓力的潛意識狀態(tài)（范圍4-8HZ）;

α波：學(xué)習(xí)與思考的最佳腦波狀態(tài)（范圍8-13HZ）;

β波：緊張、壓力、腦疲勞時的腦波狀態(tài)（范圍14HZ以上）。

在睡眠時主要分為以下幾個階段：

（1）覺醒期是清醒時的狀態(tài)。

思睡期是開始睡眠，這個階段屬于昏昏欲睡的狀態(tài)。這時腦波開始變化，頻率漸緩，振幅漸小。

淺睡期開始正式睡眠，屬于淺睡階段。這時腦波漸呈不規(guī)律進(jìn)行，頻率與振幅忽大忽小，其中偶爾會出現(xiàn)“睡眠錠”的高頻、大波幅腦波，也會出現(xiàn)“K結(jié)”的低頻、很大波幅腦波。

深睡期就是沉睡階段，這時不易被叫醒。此時腦波變化很大，頻率只有每秒1～2周，但振幅增加較大，呈現(xiàn)變化緩慢的曲線。

快速動眼期時腦波迅速改變，出現(xiàn)與清醒狀態(tài)時的腦波相似的高頻率、低波幅腦波，但其中會有特點鮮明的鋸齒狀波。睡眠者通常會有翻身的動作，并很容易驚醒。因為，此時除了腦波的改變之外，睡眠者的眼球會呈現(xiàn)快速跳動現(xiàn)象。

3、如何自動采集腦電波

主要利用單片機(jī)--腦電波傳感器實現(xiàn)對腦電信號的采集和處理。使用者將傳感器佩戴在頭上，前置放大電路獲取到電信號，并將電信號放大后經(jīng)過高、低通濾波器進(jìn)行大范圍過濾，用工頻限波電路進(jìn)行進(jìn)一步的電信號過濾處理，使采集的信號具有精確性，最后通過主放大電路將腦電信號再次放大得到采集到的腦電波數(shù)據(jù)[3]。

（一）數(shù)據(jù)傳輸

在采集腦電波的傳感器上連接藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙由收、發(fā)模塊組成，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過藍(lán)牙與軟件進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

（二）AZURE流分析

Azure流分析是一個實時分析和復(fù)雜事件處理引擎，旨在同時分析和處理來自多個源的大量快速流式處理數(shù)據(jù)?？梢栽趶脑S多輸入源（包括設(shè)備、傳感器、點擊流、社交媒體源和應(yīng)用程序）提取的信息中識別模式和關(guān)系。這些模式可用于觸發(fā)操作和啟動工作流，例如創(chuàng)建警報、向報告工具饋送信息或存儲轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)供以后使用。此外，流分析可在AzureIoTEdge運行時使用，從而能夠處理IoT設(shè)備上的數(shù)據(jù)。

利用Azure流分析引擎完成傳感器與軟件間的實時控制，生成的數(shù)據(jù)需要用Azure流分析實時地轉(zhuǎn)換成可操作見解和預(yù)測的形態(tài)。對所獲取的腦電波數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的流式數(shù)據(jù)處理，實時的監(jiān)控分析，當(dāng)監(jiān)測到使用者腦電波頻率發(fā)生的變化在特定范圍之外后，啟動對應(yīng)的數(shù)據(jù)控制接口，從而達(dá)到控制軟件播放狀態(tài)的效果。達(dá)到高效率分析傳感器所收集的數(shù)據(jù)的工作目標(biāo)。

（三）機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)是對能通過經(jīng)驗自動改進(jìn)的計算機(jī)算法的研究，是用數(shù)據(jù)或以往的經(jīng)驗，以此優(yōu)化計算機(jī)程序的性能標(biāo)準(zhǔn)。

由于不同的使用者對音樂的喜好不同，例如有的人聽輕音樂能快速進(jìn)入睡眠，有的人要聽比較有節(jié)奏感的音樂進(jìn)入睡眠，而有的人需要聽搖滾音樂才能降低緊張情緒，且不同的睡眠階段所適合的音樂對應(yīng)的人不同音樂也不同，利用機(jī)器學(xué)習(xí)原理，在開始使用時均播放輕音樂，通過對用戶腦電波信息的不斷監(jiān)測、記錄用戶聽什么類型的音樂進(jìn)入睡眠的時間最短，醒的次數(shù)最少，取兩者相交的音樂類型，再與深度睡眠的時長最合適的音樂類型取交集，由此計算出最能幫助每個使用者緩解失眠的音樂曲庫。當(dāng)使用者的音樂習(xí)慣發(fā)生變化時也能根據(jù)該算法自動更新。

（四）技術(shù)實現(xiàn)流程

使用者戴上采集數(shù)據(jù)模塊，傳感器會精確快速的采集腦電波信息，根據(jù)腦電波頻段的不同，分析用戶處于哪一個睡眠程度，識別出使用者當(dāng)前聽的音樂是否適合大腦所處的腦電波頻段。當(dāng)識別到處于清醒狀態(tài)或緊張狀態(tài)時的腦電波頻率時則播放適合進(jìn)入睡眠，緩解緊張情緒的音樂類型和聲音大小。依次類推，最后當(dāng)識別到用戶處于深度睡眠后，將會智能停止音樂播放，若用戶進(jìn)入深度睡眠后被外界干擾至醒，產(chǎn)品又會迅速打開，保護(hù)用戶的睡眠。