交互式音樂(lè)睡眠輔助器

蒲明敏 陳堯

摘? 要：“交互式睡眠輔助器”是一個(gè)主要面向長(zhǎng)期睡眠質(zhì)量較差人群的設(shè)備，它的主要目的是幫助長(zhǎng)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(guò)這個(gè)設(shè)備來(lái)提高生活質(zhì)量，讓生活有更多的幸福感。主要通過(guò)腦電波傳感器實(shí)時(shí)采集腦電波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)特殊算法處理后對(duì)音樂(lè)播放器進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)，解決現(xiàn)有音樂(lè)播放器因睡眠的不確定性所對(duì)睡眠產(chǎn)生的干擾問(wèn)題。本論文將會(huì)重點(diǎn)介紹“交互式睡眠輔助器”的重要性以及如何實(shí)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(lè)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(guó)睡眠障礙患病率逐年增加。據(jù)中國(guó)睡眠研究會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)成年人失眠發(fā)生率高達(dá)38.2%，超過(guò)3億人口有睡眠障礙。而長(zhǎng)期失眠則容易導(dǎo)致以下問(wèn)題發(fā)生：

1、引發(fā)抑郁和焦慮，長(zhǎng)期失眠，會(huì)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(guò)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(xiǎn)。

3、誘發(fā)糖尿病。美國(guó)芝加哥大學(xué)對(duì)11位美國(guó)年輕人做了一項(xiàng)研究顯示，將他們每夜的睡眠時(shí)間減少為4至6小時(shí)，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(guó)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(guó)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(xiǎn)較高，因與心血管疾病相關(guān)的死亡風(fēng)險(xiǎn)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(lái)問(wèn)題的關(guān)鍵，中華人民共和國(guó)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)指出聽(tīng)音樂(lè)可以促進(jìn)睡眠。有臺(tái)灣研究者發(fā)現(xiàn)，睡前聽(tīng)輕音樂(lè)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(tīng)音樂(lè)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(tīng)音樂(lè)也是緩解失眠最簡(jiǎn)單，對(duì)人體產(chǎn)生副作用最小的方式。故而我們可以通過(guò)睡前聽(tīng)音樂(lè)的方式來(lái)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(lè)治療失眠選擇合適的音樂(lè)也很重要。[1]音樂(lè)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(shí)驗(yàn)證明音樂(lè)能對(duì)人的生理和心理產(chǎn)生較大的影響，適合的音樂(lè)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(guò)程中是希望不被打擾的，如何在這個(gè)過(guò)程中選擇合適的音樂(lè)，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(shí)現(xiàn)睡眠狀態(tài)與音樂(lè)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(dòng)時(shí)，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(huì)產(chǎn)生生理電的變化，可以使用這種變化記錄大腦活動(dòng)，是腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動(dòng)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(dòng)存在，而將這樣的擺動(dòng)具象化就會(huì)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(duì)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(wú)壓力的潛意識(shí)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(shí)的腦波狀態(tài)（范圍14HZ以上）。

在睡眠時(shí)主要分為以下幾個(gè)階段：

（1）覺(jué)醒期是清醒時(shí)的狀態(tài)。

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

淺睡期開(kāi)始正式睡眠，屬于淺睡階段。這時(shí)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(huì)出現(xiàn)“睡眠錠”的高頻、大波幅腦波，也會(huì)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(shí)不易被叫醒。此時(shí)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(dòng)眼期時(shí)腦波迅速改變，出現(xiàn)與清醒狀態(tài)時(shí)的腦波相似的高頻率、低波幅腦波，但其中會(huì)有特點(diǎn)鮮明的鋸齒狀波。睡眠者通常會(huì)有翻身的動(dòng)作，并很容易驚醒。因?yàn)?，此時(shí)除了腦波的改變之外，睡眠者的眼球會(huì)呈現(xiàn)快速跳動(dòng)現(xiàn)象。

3、如何自動(dòng)采集腦電波

主要利用單片機(jī)--腦電波傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電信號(hào)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(hào)，并將電信號(hào)放大后經(jīng)過(guò)高、低通濾波器進(jìn)行大范圍過(guò)濾，用工頻限波電路進(jìn)行進(jìn)一步的電信號(hào)過(guò)濾處理，使采集的信號(hào)具有精確性，最后通過(guò)主放大電路將腦電信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙與軟件進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

（二）AZURE流分析

Azure 流分析是一個(gè)實(shí)時(shí)分析和復(fù)雜事件處理引擎，旨在同時(shí)分析和處理來(lái)自多個(gè)源的大量快速流式處理數(shù)據(jù)。可以在從許多輸入源（包括設(shè)備、傳感器、點(diǎn)擊流、社交媒體源和應(yīng)用程序）提取的信息中識(shí)別模式和關(guān)系。這些模式可用于觸發(fā)操作和啟動(dòng)工作流，例如創(chuàng)建警報(bào)、向報(bào)告工具饋送信息或存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)供以后使用。此外，流分析可在 Azure IoT Edge 運(yùn)行時(shí)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(shí)時(shí)控制，生成的數(shù)據(jù)需要用Azure流分析實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換成可操作見(jiàn)解和預(yù)測(cè)的形態(tài)。對(duì)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(shí)時(shí)的監(jiān)控分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)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(dòng)對(duì)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(duì)能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)改進(jìn)的計(jì)算機(jī)算法的研究，是用數(shù)據(jù)或以往的經(jīng)驗(yàn)，以此優(yōu)化計(jì)算機(jī)程序的性能標(biāo)準(zhǔn)。

由于不同的使用者對(duì)音樂(lè)的喜好不同，例如有的人聽(tīng)輕音樂(lè)能快速進(jìn)入睡眠，有的人要聽(tīng)比較有節(jié)奏感的音樂(lè)進(jìn)入睡眠，而有的人需要聽(tīng)搖滾音樂(lè)才能降低緊張情緒，且不同的睡眠階段所適合的音樂(lè)對(duì)應(yīng)的人不同音樂(lè)也不同，利用機(jī)器學(xué)習(xí)原理，在開(kāi)始使用時(shí)均播放輕音樂(lè)，通過(guò)對(duì)用戶腦電波信息的不斷監(jiān)測(cè)、記錄用戶聽(tīng)什么類型的音樂(lè)進(jìn)入睡眠的時(shí)間最短，醒的次數(shù)最少，取兩者相交的音樂(lè)類型，再與深度睡眠的時(shí)長(zhǎng)最合適的音樂(lè)類型取交集，由此計(jì)算出最能幫助每個(gè)使用者緩解失眠的音樂(lè)曲庫(kù)。當(dāng)使用者的音樂(lè)習(xí)慣發(fā)生變化時(shí)也能根據(jù)該算法自動(dòng)更新。

（四）技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

使用者戴上采集數(shù)據(jù)模塊，傳感器會(huì)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(gè)睡眠程度，識(shí)別出使用者當(dāng)前聽(tīng)的音樂(lè)是否適合大腦所處的腦電波頻段。當(dāng)識(shí)別到處于清醒狀態(tài)或緊張狀態(tài)時(shí)的腦電波頻率時(shí)則播放適合進(jìn)入睡眠，緩解緊張情緒的音樂(lè)類型和聲音大小。依次類推，最后當(dāng)識(shí)別到用戶處于深度睡眠后，將會(huì)智能停止音樂(lè)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(huì)迅速打開(kāi)，保護(hù)用戶的睡眠。

四、總結(jié)

交互式音樂(lè)睡眠輔助器通過(guò)腦電波傳感器與數(shù)據(jù)分析處理的結(jié)合，解決音樂(lè)播放器的不確定性對(duì)睡眠所產(chǎn)生干擾問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)音樂(lè)播放的聲音大小隨著用戶睡眠程度的變化而自動(dòng)變化、隨著不同睡眠狀態(tài)的改變智能的選擇合適的音樂(lè)、音樂(lè)播放器智能識(shí)別用戶進(jìn)入深度睡眠之后自動(dòng)關(guān)閉，達(dá)到提高睡眠質(zhì)量、緩解失眠的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]? 侯玥，周莉.談古典音樂(lè)對(duì)失眠癥狀的緩解作用[J].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），2013，R163;J60-05.

[2]? 多導(dǎo)聯(lián)EEG信號(hào)分類識(shí)別研究.中國(guó)知網(wǎng).

[3]? 彭娟.腦電波及其采集方法[J].成都理工大學(xué)（成都），2014，TM935.2.

作者簡(jiǎn)介：蒲明敏（1999—），女，重慶人，本科，漢族，重慶第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院2017級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程（中興通訊合作班）專業(yè)，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。

通訊作者簡(jiǎn)介：陳堯（1994-），女，漢族，重慶石柱人，重慶第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，研究方向：教育數(shù)據(jù)挖掘。

項(xiàng)目來(lái)源：重慶第二師范學(xué)院2019年“啟智”眾創(chuàng)空間大學(xué)生創(chuàng)業(yè)孵化項(xiàng)目 項(xiàng)目名稱：睡眠音樂(lè)播放器（項(xiàng)目編號(hào)：ZC2019019）