基于PPG光電容積脈搏波睡眠耳機(jī)的研究

謝世婷，林詩楠，江尚容，董博文，王 甬，張 靜

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

近年來，中國睡眠研究會(huì)公布的睡眠調(diào)查結(jié)果顯示，超過3億中國人有睡眠障礙，其中43%的人睡前一小時(shí)都在玩手機(jī)，58.9%的國人平均每周熬夜達(dá)三次以上，其中有49.4%的人選擇主動(dòng)熬夜，而這些主觀上“不想睡”的人中以90后、95后和00后占比最高。年輕人面對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的快節(jié)奏，壓力大，而音樂被認(rèn)為是一種恰當(dāng)?shù)?、低成本的、非藥物性的睡眠輔助工具，它能使人們感到舒適并以健康的心態(tài)去面對(duì)巨大的生活壓力，從而改善睡眠質(zhì)量。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，各種家用的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備和健康管理應(yīng)用方案迅速發(fā)展，已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)潛力[1]。光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy, PPG）是通過光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測(cè)方法。PPG可運(yùn)用于人體血液、心臟和呼吸相關(guān)參數(shù)的無創(chuàng)檢測(cè)，較為成功的臨床應(yīng)用是監(jiān)護(hù)儀中的血氧和心率檢測(cè)[2]。人體心率檢測(cè)可以分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)[3]，靜態(tài)檢測(cè)可以檢測(cè)人睡眠時(shí)的心率。針對(duì)睡眠的缺失以及耳機(jī)的大規(guī)模使用，結(jié)合目前青年人的生活習(xí)慣即目前普遍存在的佩戴耳機(jī)聽音樂睡覺的情況，本文對(duì)耳機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化和智能創(chuàng)新，發(fā)明了基于PPG光電容積脈搏波以及陀螺儀傳感器、矢量加速度傳感器的睡眠藍(lán)牙耳機(jī)。

1 產(chǎn)品描述

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)目前普遍存在的佩戴耳機(jī)聽音樂睡覺的情況，本研究專注于幫助用戶改善睡眠質(zhì)量，致力于開發(fā)出具備睡眠健康監(jiān)測(cè)功能的智能耳機(jī)，以幫助用戶提高睡眠質(zhì)量。通過人體到耳機(jī)到手機(jī)APP的三機(jī)制與人體與耳機(jī)、耳機(jī)與手機(jī)的兩兩傳輸，利用所開發(fā)的APP軟件進(jìn)行睡眠與聽力健康的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)保持監(jiān)測(cè)睡眠狀態(tài)和聽力情況，以幫助用戶達(dá)到舒適的睡眠效果和健康的聽力狀態(tài)。測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 測(cè)量流程

1.2 產(chǎn)品介紹

本文設(shè)計(jì)的耳機(jī)基于PPG光電容積脈搏波原理，通過耳機(jī)內(nèi)嵌集成創(chuàng)新化芯片與“光電式脈搏傳感器加陀螺儀”雙重傳感，當(dāng)進(jìn)行睡眠健康監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)到人體進(jìn)入淺睡眠狀態(tài)時(shí)適當(dāng)播放安眠音樂，監(jiān)測(cè)到人體進(jìn)入熟睡狀態(tài)時(shí)自動(dòng)停止播放音樂。芯片將收集到的多種數(shù)據(jù)反饋給手機(jī)APP，APP通過內(nèi)置優(yōu)化算法對(duì)人體睡眠數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成人體在不同階段的睡眠報(bào)告與聽力健康報(bào)告，并給出建議和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)輔助睡眠及對(duì)人體睡眠和聽力狀態(tài)的健康管理。

1.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

本款耳機(jī)沿用繞頸式與掛耳式相結(jié)合的設(shè)計(jì)，右側(cè)具備了普通耳機(jī)的基本按鍵功能，左側(cè)為健康監(jiān)測(cè)部分，內(nèi)部結(jié)合了集成創(chuàng)新芯片和傳感器的耳機(jī)通過頸部皮膚反射到光傳感器進(jìn)而采集心率數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)返到芯片后再返送回手機(jī)APP進(jìn)行分析，從而進(jìn)行睡眠的監(jiān)測(cè)，如圖2所示。

圖2 健康檢測(cè)圖（左）和基本按鍵圖（右）

2 產(chǎn)品分析

2.1 產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)分析

目前PPG技術(shù)普遍應(yīng)用于手部佩戴設(shè)備，而本文耳機(jī)創(chuàng)新性地將此技術(shù)應(yīng)用于頸部，從而更好地達(dá)到數(shù)據(jù)采集目的；目前關(guān)閉音頻的傳統(tǒng)方式為用戶手動(dòng)關(guān)閉或定時(shí)關(guān)閉，本耳機(jī)通過對(duì)人體的睡眠狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若進(jìn)入睡眠狀態(tài)，光敏傳感器則將此時(shí)的狀態(tài)返回給集成芯片，芯片通知手機(jī)APP自動(dòng)關(guān)閉播放的音頻。

區(qū)別于市面上僅具備基本功能的普通耳機(jī)，本耳機(jī)能夠?qū)θ梭w進(jìn)行健康和睡眠波動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。利用陀螺儀加速度傳感器，基于區(qū)域位置編碼算法對(duì)人體的夜間睡眠狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將收集到的數(shù)據(jù)傳給APP；再利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集整理及分析，形成聽力健康和睡眠報(bào)告并加以預(yù)警。

2.2 產(chǎn)品技術(shù)分析

根據(jù)問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行耳塞部位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：將帶“慢回彈”效果的記憶海綿與耳塞相結(jié)合，不僅能有效保護(hù)人耳，還有強(qiáng)大的支撐力防止耳機(jī)掉落，同時(shí)也能在人體處于睡眠狀態(tài)時(shí)降低外界噪聲，有效隔離噪音進(jìn)入耳朵，達(dá)到日常舒適睡眠的目的。耳塞外觀結(jié)構(gòu)如圖3所示，耳機(jī)舒適度體驗(yàn)情況如圖4所示。

圖3 耳塞外觀結(jié)構(gòu)

圖4 耳機(jī)舒適體驗(yàn)情況

此外，與本產(chǎn)品配套的APP有一套成熟的應(yīng)用界面，具體設(shè)計(jì)如圖5 所示。在系統(tǒng)界面的通知欄里還會(huì)根據(jù)用戶的睡眠習(xí)慣和睡眠質(zhì)量為用戶提供預(yù)警和健康貼士。

圖5 APP功能設(shè)計(jì)框架

本款耳機(jī)采用PPG光電容積脈搏波與傳感器相結(jié)合技術(shù)，以LED光源和探測(cè)器為基礎(chǔ)，通過頸部測(cè)量經(jīng)過人體血管和組織反射、吸收后的衰減光而獲得數(shù)據(jù)，記錄血管的搏動(dòng)狀態(tài)并測(cè)量脈搏波，并從得到的脈搏波形中計(jì)算出心率。對(duì)于血壓、心率和呼吸率的測(cè)量均采用綠光作為光源采集脈搏波信號(hào)，但是對(duì)于血氧飽和度，其代表著血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，而氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白在660 nm和810 nm波長處對(duì)光的響應(yīng)程度有明顯區(qū)別[4]，在此情況下計(jì)算的血氧飽和度較為準(zhǔn)確，所以在測(cè)量血氧飽和度時(shí)采用紅光和紅外光的組合光源。

睡眠監(jiān)測(cè)與處理算法[5]：根據(jù)三軸加速傳感器與陀螺儀的數(shù)據(jù)反饋，再輔助白天活動(dòng)時(shí)的心率以及夜間心率，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法不斷調(diào)整耳機(jī)的睡眠模式時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能化、個(gè)性化的學(xué)習(xí)曲線，輔助實(shí)現(xiàn)深度睡眠，最后通過多種信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，反饋到手機(jī)APP，以便用戶能夠直觀地看到自己的睡眠以及聽力狀況。心率監(jiān)測(cè)與預(yù)警算法[6]：通過心率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)比，出現(xiàn)異常情況時(shí)即時(shí)通過耳機(jī)發(fā)出預(yù)警，定期給出監(jiān)測(cè)報(bào)告。聽力監(jiān)測(cè)與健康管理：參照《職業(yè)健康監(jiān)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GBZ188-2014）[7]，通過統(tǒng)計(jì)耳機(jī)使用時(shí)間、頻次，結(jié)合睡眠及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定期對(duì)聽力進(jìn)行測(cè)試，并利用大數(shù)據(jù)分析方法給出耳機(jī)健康使用建議。

3 軟件架構(gòu)

3.1 軟件功能模塊

現(xiàn)代社會(huì)，智能手機(jī)已經(jīng)普及，成為人們生活的必需品，本文在此基礎(chǔ)上提出了“手機(jī)-耳機(jī)-云服務(wù)器”為一體的軟件服務(wù)。在APP上采用目前流行的“主界面+導(dǎo)航欄”的顯示模式，如圖6所示，可以讓使用者更快地熟悉本款A(yù)PP，而且首頁中會(huì)提供健康數(shù)據(jù)的可視化分析結(jié)果，方便使用者對(duì)自我的身體健康狀態(tài)有大致的了解，并對(duì)健康狀態(tài)進(jìn)行修正，也可以根據(jù)自己的生活情景和使用習(xí)慣自定義地編輯健康數(shù)據(jù)卡片，極大地提高了使用者的體驗(yàn)。

圖6 APP界面展示

“數(shù)據(jù)”模塊下，將會(huì)對(duì)使用者不同階段的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并通過手機(jī)輸出美觀易懂的統(tǒng)計(jì)圖表，方便使用者對(duì)最近一段時(shí)間的生活作息和健康狀況進(jìn)行了解和總結(jié)。當(dāng)然，軟件也會(huì)通過大數(shù)據(jù)技術(shù)為使用者提供一些科學(xué)的健康生活貼士。

“模式”模塊下，主要實(shí)現(xiàn)了音樂播放器的功能，它支持本地歌單，還可以通過API接口鏈接至其他音樂軟件，并且會(huì)通過對(duì)用戶喜歡的音樂進(jìn)行分析來提供適合的入眠歌單。同時(shí)，它會(huì)推薦助眠歌單，以能輔助入睡的輕音樂為主，配合特有的α波，以實(shí)現(xiàn)促進(jìn)睡眠的效果。在該模塊中，使用者可以自定義設(shè)置自己的睡眠時(shí)間，還能選擇不同模式以應(yīng)對(duì)不同的使用場(chǎng)景。

3.2 基于陀螺儀加速度傳感器的睡眠檢測(cè)功能

基于陀螺儀，還能夠?qū)崿F(xiàn)步數(shù)監(jiān)測(cè)功能，為未來的健康出行打下“互聯(lián)網(wǎng)+”的基礎(chǔ)。傳感器會(huì)采集xyz三軸信息及垂直的三軸加速度矢量ax、ay、az，但是數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)很多噪聲，波形不平滑，故而采用均值平滑濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這方面與睡眠監(jiān)測(cè)相同[8]。以豎直方向建立的笛卡爾坐標(biāo)系可以明確表示身體各個(gè)部位的加速度變化情況。x軸方向?yàn)槿梭w軀干的正前方，加速度為ax；人體軀干部位的正后方為沿y軸方向，加速度為ay；z軸方向?yàn)樨Q直方向，加速度為az，則a=(ax,ay,az)。身體的合加速度（Resultant Acceleration）為[9]：

3.3 基于區(qū)域位置編碼的姿勢(shì)識(shí)別算法

采用的二維平面的姿勢(shì)識(shí)別方法，主要是對(duì)傳統(tǒng)高分辨率的準(zhǔn)確姿勢(shì)跟蹤算法進(jìn)行了極大的簡(jiǎn)化。在產(chǎn)品上，姿勢(shì)跟蹤算法被運(yùn)用到了智能耳機(jī)的傳感器中，并且該傳感器集成了陀螺儀、角加速度傳感器和加速度傳感器，用來判斷使用者在睡眠狀態(tài)下的身體翻滾情況，進(jìn)而辨別使用者的實(shí)際睡眠情況。

在本方法中，在保持身體不動(dòng)、身體臥躺于床上時(shí)設(shè)立xyz三維立體坐標(biāo)系，如圖7所示。當(dāng)使用者面朝天花板時(shí)y軸坐標(biāo)為0，并且向左、向右側(cè)身時(shí)，y軸會(huì)發(fā)生改變；根據(jù)陀螺儀的位置向地方向的y軸為負(fù)軸，向天方向的y軸為正軸。以此類推，使用者平躺時(shí)z軸坐標(biāo)為0，向傳感器方向發(fā)生位移為正軸，反之則為負(fù)軸；當(dāng)平躺時(shí)x軸坐標(biāo)為0，頭方向?yàn)檎S，腳方向?yàn)樨?fù)軸。這樣即可以分辨身體所移動(dòng)到的大致區(qū)域。

圖7 睡眠三維立體坐標(biāo)系

在實(shí)際的三維空間中，對(duì)這種姿勢(shì)的追蹤存在一定的空間分辨率問題，但是在大量的數(shù)據(jù)面前，可以通過智能學(xué)習(xí)算法進(jìn)行處理。Q-Learning是最具有代表性的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法之一，許多研究者將它應(yīng)用到強(qiáng)化學(xué)習(xí)和人工智能問題中[10]，采用Q-Learning去強(qiáng)化對(duì)空間分辨率的辨別，可以減少因?yàn)榭臻g分辨率帶來的錯(cuò)誤。但是，因?yàn)椴粩嗟姆e分會(huì)使得分辨率越來越高，算法復(fù)雜度也會(huì)越來越大，例如在Q-Learning中會(huì)使算法的迭代量大大增加。這不僅對(duì)數(shù)據(jù)采集有極高的要求，也給后續(xù)姿勢(shì)識(shí)別數(shù)據(jù)的處理帶來了極大的計(jì)算量，但使用Meta的傳感器能夠精準(zhǔn)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而緩解上述問題。數(shù)據(jù)分析框架如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)分析框架

4 結(jié) 語

目前關(guān)于睡眠耳機(jī)的產(chǎn)品還沒有在頸部采集心率從而進(jìn)行監(jiān)測(cè)睡眠的功能，且用戶體驗(yàn)感較差，舒適度較低，為此本文設(shè)計(jì)了一款耳機(jī)來解決上述問題。本產(chǎn)品在外觀上和耳塞處都進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新優(yōu)化，同時(shí)通過藍(lán)牙與APP軟件進(jìn)行連接，并利用智能技術(shù)與多種算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，及時(shí)提供給用戶可行性的建議，以改善使用者的睡眠質(zhì)量。