改善睡眠質(zhì)量硬件及監(jiān)測(cè)手段的研究

費(fèi)葉琦 焦立煒 ，齊加勝 ，牛子銘 ，郭峻偉 ，朱皓輝

(1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院智能制造學(xué)院，南京210046；2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京210037)

近年來(lái)，隨著社會(huì)發(fā)展，生活處處伴隨著壓力，為了更多的工作機(jī)遇及晉升空間，成年人不斷的壓縮休息時(shí)間，在社會(huì)工作、生活、房貸、車貸等各種強(qiáng)壓之下，僅存的一點(diǎn)睡眠休息時(shí)間也常伴隨著失眠、焦慮。臨床常見的精神疾病焦慮癥通常是由失眠引起的，并發(fā)有無(wú)法入睡、噩夢(mèng)頻發(fā)、多次驚醒等惡性癥狀，也會(huì)誘發(fā)其他的精神疾病，如雙相障礙等，從而嚴(yán)重影響正常生活與工作。

據(jù)中國(guó)睡眠研究會(huì)研究［1］表明：在 18～44 歲區(qū)間段的四萬(wàn)受訪者中，76%的人沒有優(yōu)質(zhì)睡眠，46%的人無(wú)法在睡眠后完全恢復(fù)精力。Grubb S［2］等的研究表明，深度睡眠時(shí)腦脊液會(huì)對(duì)大腦進(jìn)行清洗，清除腦內(nèi)毒素。相同時(shí)間內(nèi)，高質(zhì)量的睡眠較淺度睡眠能更高效恢復(fù)精力和體力。因此，在無(wú)法保證充足睡眠時(shí)長(zhǎng)時(shí)設(shè)法提高睡眠質(zhì)量才是研究重點(diǎn)。

為了解決睡眠質(zhì)量低下的問(wèn)題，社會(huì)重點(diǎn)研究了多項(xiàng)能夠提高睡眠質(zhì)量的手段，本文針對(duì)影響睡眠的溫度、 床墊屬性以及對(duì)睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)備進(jìn)行了展開論述，并對(duì)后期提高睡眠質(zhì)量硬件方面的改進(jìn)方向提供了一定意見及展望。

1 不同溫度調(diào)節(jié)設(shè)備在睡眠時(shí)的調(diào)節(jié)手段

百年前人們就開始研究睡眠這一生理狀態(tài)，研究了睡眠的機(jī)制及睡眠質(zhì)量影響因素。據(jù)朱旻琳［3］研究中指出，溫度與睡眠的相互影響有一定的生理基礎(chǔ)，在睡眠時(shí)，身體調(diào)溫機(jī)能會(huì)受到抑制，而人體對(duì)環(huán)境變化的感知更為敏感。丁邇［4］研究發(fā)現(xiàn)，溫度與睡眠質(zhì)量的耦合關(guān)系可以通過(guò)改變溫度來(lái)改善睡眠質(zhì)量。蘭麗［5］等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)床褥系統(tǒng)熱阻為 1.8clo且熱中性溫度為28 ℃時(shí)，睡眠質(zhì)量最優(yōu)。睡眠環(huán)境過(guò)冷或過(guò)熱都會(huì)影響睡眠質(zhì)量，因此調(diào)節(jié)睡眠環(huán)境溫度可以顯著改變睡眠質(zhì)量，最常用的控溫設(shè)備為空氣調(diào)節(jié)器和接觸式電暖設(shè)備。

空氣調(diào)節(jié)器(Air Condition)利用設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)的物理形態(tài)變化所產(chǎn)生的吸、放熱來(lái)輻射空氣，將設(shè)備內(nèi)部的空氣吹出達(dá)到調(diào)控溫度的目的，從而來(lái)影響睡眠環(huán)境。張宇峰［6］研究表明，寢具隔熱保溫效果不佳時(shí)，細(xì)小的溫度變化也會(huì)對(duì)睡眠質(zhì)量造成較大影響。睡眠時(shí)體表溫度會(huì)按一定曲線變化，如何提高夜晚空調(diào)工作時(shí)的睡眠質(zhì)量，重點(diǎn)在于如何根據(jù)用戶的睡眠狀態(tài)調(diào)節(jié)空調(diào)運(yùn)行參數(shù)，從而提高舒適度。洪偉萍［7］、羅繼杰［8］等的研究表明，需要針對(duì)不同地區(qū)人群習(xí)慣來(lái)調(diào)整溫控手段。因此，在溫度控制中，怎樣能合理調(diào)節(jié)硬件溫度滿足個(gè)性化的需求成為睡眠影響中必須考慮的問(wèn)題。針對(duì)此，陸子民［9］設(shè)計(jì)了一種控制裝置，能周期性監(jiān)測(cè)睡眠環(huán)境溫度，再據(jù)反饋數(shù)據(jù)調(diào)整空調(diào)溫度，實(shí)現(xiàn)用戶睡眠時(shí)舒適溫度曲線的最大程度擬合，精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度。市場(chǎng)上各大品牌在空氣調(diào)節(jié)方面也有很多改進(jìn)，如格力冷靜悅品牌空調(diào)，根據(jù)睡眠習(xí)慣分為多種睡眠模式，如：午睡、舒睡模式等，用戶可根據(jù)自身喜好設(shè)定，但設(shè)定按鍵不可調(diào)，不能完全貼合每位用戶需求；海爾的凈界變頻空調(diào)，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)使用環(huán)境來(lái)改變送風(fēng)模式，升級(jí)PID 智能控制模式，節(jié)能環(huán)保，且能智能設(shè)置運(yùn)行模式，在睡眠時(shí)自動(dòng)迎合睡眠曲線，此款產(chǎn)品在前面技術(shù)的基礎(chǔ)上植入了智能調(diào)節(jié)的理念，但用戶對(duì)該系列功能的認(rèn)知度還不高，以至于產(chǎn)品的該功能未得到市場(chǎng)普及使用。

相對(duì)于空氣調(diào)節(jié)器，接觸式的電暖設(shè)備一般放置于床上，與體表直接接觸，從而提供大量熱量，達(dá)到供溫的目的。鄧志堅(jiān)［10］在電暖裝置中添加有溫控設(shè)備，在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)能智能調(diào)節(jié)溫度，從而有效避免低溫和燙傷。孫雙武［11］發(fā)明了一種具有多個(gè)獨(dú)立控制區(qū)域的電熱毯，可根據(jù)人體不同區(qū)域的感溫程度設(shè)置有不同的控溫程序，較于傳統(tǒng)電熱毯而言溫度控制方面更加靈活、方便。付存謂［12］等發(fā)明了一種適配于智能床的電熱毯系統(tǒng)，在電熱毯中放置有壓力傳感器，可根據(jù)壓力反饋分析出當(dāng)前傳感器所對(duì)應(yīng)的人體部位，通過(guò)控制模塊再對(duì)相應(yīng)部位執(zhí)行加熱/關(guān)閉加熱的功能，且每塊發(fā)熱區(qū)域獨(dú)立控制。這種系統(tǒng)減少了發(fā)熱系統(tǒng)對(duì)床體的損害，在溫度控制上更加精細(xì)與方便，貼合用戶各部位需求。而市場(chǎng)上，接觸式的電暖設(shè)備也應(yīng)用較為廣泛，如彩虹、彩陽(yáng)，兩品牌系列電暖產(chǎn)品都能分區(qū)域控溫，用戶可根據(jù)自身需求進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)前電暖裝置對(duì)于控制系統(tǒng)改進(jìn)多為加熱功能區(qū)域單元化，而易忽視調(diào)溫過(guò)程中對(duì)人體睡眠造成的不適感，可考慮在控溫過(guò)程中將溫度變化曲線擬合趨于平滑曲線，從而減小溫度改變對(duì)睡眠的影響。

在睡眠環(huán)境體感溫度中可考慮研究重點(diǎn)放在如何提高硬件溫控的智能化程度方面，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，收集用戶睡眠環(huán)境信息，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算分析并對(duì)比相近用戶的睡眠曲線(包括睡眠時(shí)間、睡眠狀態(tài)、睡眠階段等參數(shù))后迭代優(yōu)化，從而定制個(gè)性化睡眠模式。

2 利用不同床墊物理屬性提高睡眠質(zhì)量

人睡眠載體是床墊，床墊支撐人體所有的重量。萬(wàn)昌園［13］研究表明，每個(gè)人的睡眠姿態(tài)各有不同，如：原木式、海星式、胎兒式。因此選擇一個(gè)合適床墊是高質(zhì)量睡眠的重要基礎(chǔ)。方菲［14］、任林燕［15］研究表明，不同人的不同睡姿在匹配不同軟硬程度的床墊時(shí)，軟硬合適的床能夠均分人體自重給予床的壓力，提供有效腰部支撐，減緩肌肉酸疼。以下從影響睡眠的床墊種類出發(fā)，對(duì)現(xiàn)常見床墊彈簧床、特殊床墊兩大類進(jìn)行論述。

目前市面上最受歡迎的是彈簧床。郭鴻杰［16］、王楚懷［17］等研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)彈簧床軟硬程度固定，無(wú)法調(diào)節(jié)，部分硬質(zhì)彈簧形變量小，無(wú)法隨著身體曲線變形，不能貼合身體曲線提供支撐力，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致肌肉緊繃、酸疼，軟質(zhì)彈簧由于形變量大無(wú)法有效的提供支撐力，也會(huì)導(dǎo)致不適感。因此彈簧床要軟硬合適，支撐力均勻，不產(chǎn)生壓迫，有效舒緩身體，睡眠更加安穩(wěn)，容易入睡。為此，楊進(jìn)松［18］發(fā)明了可調(diào)軟硬彈簧床，將彈簧床內(nèi)部彈簧分區(qū)，單元間并排排列，用戶可根據(jù)自身喜好調(diào)節(jié)每塊單元彈簧彈力，起到調(diào)節(jié)床墊軟硬的目的。黃林林［19］發(fā)明的一體床架可調(diào)式彈簧床墊，在床墊中架設(shè)有可調(diào)床架，利用床架變形可將床墊折疊成不同形狀以適應(yīng)用戶睡眠姿勢(shì)，并在彈簧床墊上設(shè)有海綿墊，在滿足彈力的基礎(chǔ)上增加用戶體感舒適度。目前市場(chǎng)上如金可兒與席夢(mèng)思的定制床墊，可根據(jù)用戶提供的個(gè)人參數(shù)及需求精準(zhǔn)分區(qū)并計(jì)算每塊區(qū)域彈簧軟硬，為用戶不同部位提供更為細(xì)致的壓力支撐，但價(jià)格昂貴，普遍售價(jià)在近萬(wàn)元。從現(xiàn)常見彈簧床發(fā)現(xiàn)：大部分彈力不可調(diào)或用戶手動(dòng)調(diào)節(jié)但操作繁瑣，并且部分品牌定制床墊價(jià)格過(guò)高。因此，可考慮控制成本的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有彈簧床調(diào)節(jié)方式上采用更為便捷、“傻瓜式” 的按鍵實(shí)現(xiàn)，且實(shí)時(shí)反饋軟硬程度給用戶，讓用戶更直觀感受彈簧床墊的調(diào)節(jié)效果。

除上述介紹，近年來(lái)市場(chǎng)上也陸續(xù)涌現(xiàn)不同品牌系列床墊，相比傳統(tǒng)床墊，通過(guò)在使用中改變床墊物理屬性或改變床墊外形曲線等方式來(lái)貼合睡眠時(shí)的身體躺臥曲線，部分廠商在此基礎(chǔ)上增加了控制系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)，用戶可根據(jù)需求與自身狀況來(lái)自定睡眠系統(tǒng)，定制適合自身的床墊，擁有更好的睡眠質(zhì)量。如克勞斯·柏林霍特［20］等發(fā)明的一種智能活動(dòng)床墊，床墊由多段排骨架排列床板及配套床墊組成，用戶可根據(jù)自身需求，通過(guò)床架內(nèi)置驅(qū)動(dòng)來(lái)改變床墊形狀。現(xiàn)市場(chǎng)常見的智能床墊一般均具備此類功能，智能化程度不高，且區(qū)別只存在于變形量與變形位置，且此類床墊的不同品牌價(jià)位均超出了普通用戶可接受范圍，如國(guó)外品牌中索菲利爾和舒達(dá)，國(guó)內(nèi)品牌舒福德和路福等。程學(xué)軍［21］發(fā)明的智能調(diào)節(jié)軟硬床墊，彈簧與氣囊組成軟硬支撐系統(tǒng)，通過(guò)壓力傳感器監(jiān)測(cè)彈簧壓力反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)計(jì)算出彈簧變形量后根據(jù)用戶設(shè)定模式自動(dòng)調(diào)節(jié)。其中：自動(dòng)模式下可利用閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣囊充放氣狀態(tài)；手動(dòng)調(diào)節(jié)模式下可實(shí)現(xiàn)對(duì)部分區(qū)域氣囊控制。孫成?。?2］等發(fā)明的智能自動(dòng)調(diào)節(jié)床墊，床墊有舒適層、 傳感層、緩沖層、氣囊層四層分層。其中，傳感層能夠收集用戶睡眠資料，能夠每日反饋至配套APP 上，進(jìn)行睡眠質(zhì)量評(píng)分以及疾病預(yù)警，分析系統(tǒng)可根據(jù)睡眠狀態(tài)不同做出相應(yīng)的睡眠建議，更加貼心與健康。但該類智能程度較高的床墊目前還未大規(guī)模投產(chǎn)使用。品牌中如格蘭莫爾床墊，能夠全自動(dòng)調(diào)解床墊參數(shù)，適應(yīng)用戶睡眠姿態(tài)，緩解肌肉緊繃，疏通血液保證脊椎健康，適應(yīng)不同用戶，每日監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量并反饋予用戶。

從目前的整體市場(chǎng)來(lái)看，智能床市場(chǎng)所銷售的品牌調(diào)節(jié)模式相似、功能單一，不能滿足用戶對(duì)高質(zhì)量睡眠的需求；另一方面，多功能床墊售價(jià)過(guò)高，普通用戶無(wú)法承擔(dān)，因此未來(lái)發(fā)展應(yīng)當(dāng)考慮控制成本的同時(shí)，簡(jiǎn)化智能床結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)及提高可靠性的基礎(chǔ)上融合多種助眠手段，將控制系統(tǒng)融入家庭智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之中，提高使用的舒適性與便捷性。

3 監(jiān)測(cè)手段對(duì)于睡眠質(zhì)量提升的必要性

睡眠是重要的生理活動(dòng)，在改善睡眠質(zhì)量前要明確當(dāng)前的睡眠問(wèn)題，以“對(duì)癥下藥”。張發(fā)華［23］等研究表明，腦電波、心電、體動(dòng)、脈搏等多種體征信號(hào)能夠客觀高效的反映出睡眠質(zhì)量。因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)這些信號(hào)來(lái)判定人的睡眠質(zhì)量和狀態(tài)，以及找到解決方法。為減少檢測(cè)過(guò)程對(duì)睡眠的影響，普通用戶應(yīng)選擇非侵入式的監(jiān)測(cè)手段，當(dāng)前常用的非侵入式監(jiān)測(cè)方式有：穿戴式脈搏血壓監(jiān)測(cè)方式、非接觸式監(jiān)測(cè)方式。

穿戴式脈搏血壓監(jiān)測(cè)方式，即通過(guò)監(jiān)測(cè)血壓脈搏的方式來(lái)判定用戶的睡眠情況。如，劉思佳［24］研究出了能將檢測(cè)設(shè)備貼于手心的監(jiān)測(cè)設(shè)備，特定時(shí)間收集用戶的心跳、脈搏、呼吸等數(shù)據(jù)參數(shù)，將數(shù)據(jù)反饋至聯(lián)動(dòng)APP，并自動(dòng)整理后以表格形式輸出，此類設(shè)備特供于醫(yī)療，便于患者與醫(yī)生通過(guò)APP 實(shí)現(xiàn)信息無(wú)障礙互通以及醫(yī)生實(shí)施遠(yuǎn)程救助。吳建平［25］等發(fā)明的穿戴式睡眠檢測(cè)儀及配套監(jiān)測(cè)方法，可在用戶睡眠時(shí)監(jiān)測(cè)用戶血氧飽和度、肌電信號(hào)、腦電信號(hào)以及鼾聲信號(hào)，醫(yī)生可根據(jù)用戶反饋數(shù)據(jù)來(lái)判斷用戶睡眠狀態(tài)并提出相應(yīng)建議。隨著血壓脈搏的監(jiān)測(cè)越來(lái)越多地用于家庭，便攜性需求日益增加，出現(xiàn)了更多的通過(guò)穿戴在手指、 手臂或其他部位來(lái)測(cè)出血壓的便攜性設(shè)備，如國(guó)內(nèi)華為、小米等知名品牌銷售的運(yùn)動(dòng)手表等。

穿戴式脈搏血壓監(jiān)測(cè)方式人與設(shè)備密切接觸，而非接觸式監(jiān)測(cè)方式則依賴于傳感器等非直接采集或采集非人體信號(hào)的變化，如人體對(duì)床墊的微小壓力變化，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的收集、計(jì)算，得出睡眠時(shí)體態(tài)的變化情況。針對(duì)體動(dòng)可從一定程度上分析出睡眠的質(zhì)量，謝靜［26］等設(shè)計(jì)的微敏式床墊檢測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)改變壓敏傳感器陣列方式來(lái)監(jiān)測(cè)微小動(dòng)感，如轉(zhuǎn)體動(dòng)作、心跳沖擊、呼吸起伏等。鄭亮［27］發(fā)明的智能監(jiān)測(cè)床墊，可采集用戶睡眠時(shí)的心跳、呼吸和離床信息，生成睡眠報(bào)告，為用戶改善睡眠提供參考。相比于穿戴式的檢測(cè)方式，這種通過(guò)壓敏來(lái)監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量的方式更加舒適，不需要穿戴任何附加掛件，且技術(shù)成熟，市場(chǎng)上已有的此類床墊品牌有美國(guó)杰西、日本百利達(dá)等。另一方面，人體在不同睡眠狀態(tài)下向外界散發(fā)出的“信號(hào)(如：聲音、溫度等)”是不同的，可通過(guò)收集這些信號(hào)來(lái)分析出當(dāng)前睡眠狀態(tài)。Du［28］、Feng［29］等研究發(fā)現(xiàn)生物雷達(dá)可以監(jiān)測(cè)不同的睡眠狀態(tài)，且準(zhǔn)確率均高于90%。該類方式采用遠(yuǎn)程非侵入式的監(jiān)測(cè)方法，無(wú)需任何電極或傳感器接觸，即可在不干擾人體睡眠的情況下，較遠(yuǎn)距離的對(duì)各項(xiàng)生理參數(shù)(呼吸、體動(dòng)等)進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。如格蘭莫爾公司出品的Fitsleep 智能助眠儀，能夠在不接觸用戶的情況下采集用戶的睡眠參數(shù)，同時(shí)利用α 波助眠，使用戶能夠擁有更優(yōu)質(zhì)的睡眠。

以上多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都帶有及時(shí)反饋功能，但所反饋數(shù)據(jù)專業(yè)性較強(qiáng)，一般用戶無(wú)法準(zhǔn)確解讀數(shù)據(jù)含義并合理進(jìn)行睡眠環(huán)境調(diào)整。隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，若能結(jié)合相同環(huán)境、身體狀況、年齡等約束條件，將大量個(gè)人睡眠質(zhì)量參數(shù)上傳，進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算、比較，通過(guò)專家系統(tǒng)的分析，給予用戶數(shù)據(jù)反饋后的合理睡眠方案和科學(xué)建議。

4 總結(jié)及展望

文中對(duì)提高睡眠質(zhì)量的各影響因素進(jìn)行了論述，如體感溫度、床墊物理屬性等，指出了因素中常用的硬件特點(diǎn)及該因素下未來(lái)可能研究的方向。與此同時(shí)，提出了目前市場(chǎng)上存有的監(jiān)測(cè)方式及特點(diǎn)。從論述中發(fā)現(xiàn)睡眠質(zhì)量的研究作為當(dāng)前社會(huì)的研究重點(diǎn)，仍存在一系列問(wèn)題值得深入研究，如：

(1)國(guó)內(nèi)關(guān)于睡眠的研究越來(lái)越受重視，但從睡眠專家到機(jī)器判斷的過(guò)程中，怎樣界定為良好睡眠還未有較為完善的系統(tǒng)、 科學(xué)的共識(shí)及量化考核的標(biāo)準(zhǔn)。因關(guān)于睡眠研究多來(lái)自于社會(huì)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中不定因素過(guò)多，如睡眠環(huán)境、用戶身體狀態(tài)及情緒等個(gè)體差異，結(jié)果的有效參考性不高。就臨床來(lái)說(shuō)，可量化考核的客觀條件過(guò)少，睡眠門診中專家的主觀意識(shí)因素占主導(dǎo)，無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合性，無(wú)法有效地針對(duì)單一因素做出分析。如何增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可復(fù)現(xiàn)性和泛化性是將來(lái)提出機(jī)器判斷睡眠質(zhì)量的研究難點(diǎn)。

(2)目前研究中環(huán)境對(duì)睡眠質(zhì)量影響結(jié)論多建立在臨床結(jié)果上，少有大數(shù)據(jù)的調(diào)查分析，一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的泛化性，若能將臨床實(shí)驗(yàn)與大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，建立一個(gè)比較準(zhǔn)確的判斷機(jī)制去預(yù)估睡眠質(zhì)量并調(diào)整睡眠硬件參數(shù)，對(duì)科學(xué)睡眠指導(dǎo)有著重大的意義。

(3)人為干預(yù)睡眠環(huán)境可一定程度上改善睡眠質(zhì)量，如何結(jié)合當(dāng)下智能手段，更個(gè)性、精準(zhǔn)的提高睡眠質(zhì)量是未來(lái)研究重點(diǎn)。

(4)未來(lái)的理想睡眠應(yīng)能保證睡眠質(zhì)量的同時(shí)，提高人機(jī)工效，讓用戶有更為安全、舒適的體驗(yàn)。睡眠過(guò)程中如何平衡用戶體驗(yàn)和睡眠質(zhì)量值得思考。