智能助眠墊的設(shè)計(jì)研究

【關(guān)鍵詞】聲波助眠；腦波助眠；睡眠監(jiān)測(cè)；睡眠分析

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)睡眠質(zhì)量的要求也越來越高。由于失眠誘發(fā)的各類并發(fā)癥和健康問題（如血壓升高、糖尿病風(fēng)險(xiǎn)增加、免疫功能下降等）導(dǎo)致人們身心健康受損，因此睡眠障礙問題也越來越受到人們重視。

目前，智能助眠床墊設(shè)計(jì)研發(fā)大部分集中在人體工學(xué)及按摩穴位這個(gè)方向，為此，本文將從以往較少被討論的材料選型、系統(tǒng)組成、助眠工作原理等方面，闡述智能助眠床墊的設(shè)計(jì)。

一、功能要求

監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量、心率、呼吸頻率、體動(dòng)等參數(shù)，并能夠通過調(diào)節(jié)手段（如聲音、光線、振動(dòng)等）幫助用戶放松和入眠，給用戶提供優(yōu)質(zhì)的睡眠建議和完整的睡眠報(bào)告[1]。

二、智能助眠墊系統(tǒng)組成

（一）助眠床墊模塊

助眠床墊模塊由電路艙組件和檢測(cè)模塊組成，檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)各類人體生命特征（心率、呼吸、體動(dòng)等）的實(shí)時(shí)采集，電路艙組件主要負(fù)責(zé)對(duì)各類傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和分析，其外形圖參考如圖1所示。

1.電路艙組件

電路艙組件主要由7075航空鋁和優(yōu)質(zhì)碳纖維材質(zhì)加工而成的結(jié)構(gòu)件、音頻功放及各類硬件控制組件裝配而成，其艙內(nèi)防塵防水，可確保電路硬件性能穩(wěn)定不受外界沖擊干擾。為提高產(chǎn)品外觀，艙體鋁合金表面采用噴砂和陽極氧化處理[2]。

7075航空鋁普遍用在計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computer Numerical Control，CNC）切削制造的零部件，適合高強(qiáng)度配件。經(jīng)過陽極氧化處理后的鋁及鋁合金表面能生成幾微米至幾百個(gè)微米的氧化膜，這層氧化膜能夠有效保護(hù)內(nèi)部原材料。比起鋁合金的天然氧化膜，陽極氧化后的7075航空鋁的表面硬度、耐蝕性、耐磨性和外觀裝飾性都有顯著的改善和提高。

碳纖維是高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料，其使用溫度可達(dá)150～300℃，其耐溫性能非常規(guī)塑料可比擬。碳纖維的密度小，外形呈纖維狀，由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸方向擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向的模量和強(qiáng)度優(yōu)于另一方向，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)此特性選擇合適的受力方向[3]。

音頻功放選用的是帶數(shù)字音量控制并防電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）的音頻功率放大器，它有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，其在各類音頻終端應(yīng)用中維持高效率并提供AB類放大器，具備高保真、低噪聲的性能，可以降低內(nèi)阻和熱耗，極大提升輸出功率和產(chǎn)品的可靠性；第二，它具有優(yōu)異的全帶寬EMI抑制性能，減小了輻射和傳導(dǎo)干擾，有全低噪應(yīng)用、高信噪比、高保真的特點(diǎn)；第三，它通過免濾波器數(shù)字調(diào)制，直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器；第四，它將獨(dú)立聲道關(guān)斷，具備靜音功能，過流、過熱、欠壓異常保護(hù)功能等。

2.檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊主要由醫(yī)用硅膠加工而成的硅膠墊和各類傳感器裝配而成。該硅膠墊柔軟舒適，配合人體工學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使人體在睡眠助眠檢測(cè)時(shí)無不適感。

醫(yī)用硅膠是美容醫(yī)學(xué)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的生物材料，應(yīng)用較多的是固體硅膠。硅膠具有良好的生物相容性，對(duì)人體組織無刺激性、無毒性、無過敏反應(yīng)，且能耐高溫，可消毒，是一種相當(dāng)穩(wěn)定的惰性物質(zhì)。

3.壓電傳感器

智能助眠墊采用的表面鍍銀的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）壓電薄膜傳感器。具有極高的直流阻抗、良好的壓電效應(yīng)、超寬的工作頻帶，且由于其柔軟、可卷曲，非常適合應(yīng)用于人體皮膚表面的生命體征信號(hào)監(jiān)測(cè)。一些薄膜元件靈敏到足以隔著外套探測(cè)出人體脈搏和呼吸心跳等關(guān)鍵生命特征。

4.壓阻式傳感器

壓阻式傳感器的工作原理利用了單晶硅材料的壓阻效應(yīng)：?jiǎn)尉Ч璨牧显趬毫Φ淖饔孟?，電阻率?huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量電路就可得到正比于壓力變化的電信號(hào)輸出，然后利用集成電路技術(shù)制成傳感器成品。壓阻式傳感器非常適合在位、離位市場(chǎng)的應(yīng)用[4]（本案中的應(yīng)用是在床、離床的信號(hào)檢測(cè)）。

（二）顱電刺激療法助眠模塊

顱電刺激療法（Cranial Electrotherapy Stimulation，CES）助眠模塊由3D眼罩和CES控制模塊裝配而成。3D眼罩一方面通過骨傳導(dǎo)耳機(jī)播放助眠音樂，一方面通過磁吸電極發(fā)送特定頻率和電流的電信號(hào)以刺激用戶神經(jīng)纖維，從而達(dá)到助眠效果。其外形圖參考如下：

1. 3D眼罩

3D眼罩表面采用萊卡絨毛材質(zhì)，質(zhì)感親膚、柔軟、絲滑。眼罩形狀根據(jù)人體眼部立體輪廓設(shè)計(jì)，采用模壓一體成型工藝，佩戴舒適不漏光，不壓迫眼睛。眼罩內(nèi)部鑲嵌骨傳導(dǎo)耳機(jī)和醫(yī)用磁吸電極。

空氣傳導(dǎo)是傳統(tǒng)聲音的傳輸方式。外界聲音經(jīng)過耳道引起耳膜震動(dòng)，觸發(fā)聽覺；而骨傳導(dǎo)是通過顱骨將聲音直接傳至聽覺神經(jīng)，傳播途徑跳過了耳道，這樣人們通過聽覺神經(jīng)就能感知聲音[6]。通過顱骨傳播的聲音經(jīng)過耳朵與喉管之間的骨頭直接到達(dá)內(nèi)耳，聲音的音色和能量的衰減、變化相對(duì)較小。骨傳導(dǎo)耳機(jī)相較于傳統(tǒng)耳機(jī)更安全、更衛(wèi)生、更健康，因?yàn)閭鬟f聲音時(shí)無需入耳，所以佩戴更舒適，長(zhǎng)時(shí)間使用也不會(huì)產(chǎn)生耳鳴、耳痛，能更好地保護(hù)聽力。

醫(yī)用磁吸電極片是一種利用電磁波進(jìn)行治療的醫(yī)療器械，它通過貼敷在人體特定部位，將電療設(shè)備產(chǎn)生的電刺激信號(hào)傳導(dǎo)至皮膚，以達(dá)到緩解疼痛、促進(jìn)血液循環(huán)、增強(qiáng)肌肉力量等治療效果。此類電極片通常由導(dǎo)電材料制成，具有良好的導(dǎo)電性和粘附力，可以在不移動(dòng)的情況下保持與皮膚的緊密接觸，確保電流的有效傳遞。磁吸型理療電極片的治療效果受到了廣泛的認(rèn)可[5]。

2. CES控制模塊

CES控制模塊與3D眼罩采用磁吸分體設(shè)計(jì)，可輕松拆洗，易打理。

磁吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指利用磁力吸附的原理，設(shè)計(jì)出能夠吸附在特定表面上的結(jié)構(gòu)[6]。磁吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇合適的磁性材料和設(shè)計(jì)合理的磁路結(jié)構(gòu)，通常需要考慮吸附力大小、穩(wěn)定性、耐磨性等問題；此外，需要考慮磁場(chǎng)的影響，尤其在電子和醫(yī)療領(lǐng)域，需要保證磁場(chǎng)對(duì)周圍環(huán)境的干擾最小化。綜上，磁吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的工程設(shè)計(jì)，需要考慮多方面因素，對(duì)提高產(chǎn)品性能和效率具有很大的促進(jìn)作用。

CES控制模塊內(nèi)置雙聲節(jié)拍及多種助眠音波，使用時(shí)能通過骨傳導(dǎo)耳機(jī)，有效地降低使用者的心率、促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)分泌，使其快速產(chǎn)生睡意。

（三）控制器軟件模塊

軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊、用戶界面及調(diào)節(jié)控制模塊等組成。

數(shù)據(jù)采集處理模塊從各類傳感器收集數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行預(yù)處理，提取關(guān)鍵的睡眠和生命特征，通過算法評(píng)估用戶的睡眠質(zhì)量和應(yīng)激狀態(tài)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊會(huì)將本地存儲(chǔ)的用戶數(shù)據(jù)上傳至云端備份并進(jìn)一步分析。數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)和傳輸過程中會(huì)進(jìn)行加密處理，以確保數(shù)據(jù)的安全性。

用戶界面及調(diào)節(jié)控制模塊通過APP操作界面控制調(diào)節(jié)助眠音樂及多組脈沖發(fā)射源陣列以切換不同的助眠模式，睡眠結(jié)束后，用戶可通過APP或管理后臺(tái)查看用戶睡眠質(zhì)量數(shù)據(jù)。軟件的工作流程如圖3所示。

三、助眠功能工作原理

（一）脈沖磁共振脈沖磁微循環(huán)

脈沖磁共振（Pulsed Magnetic Resonance，PMR）應(yīng)用仿生脈沖磁共振原理，結(jié)合極低頻電磁導(dǎo)入技術(shù)及空間電磁場(chǎng)控制技術(shù)，通過多組脈沖發(fā)射源陣列重組，發(fā)射極低頻脈沖電磁場(chǎng)（Pulsed Electromagnetic Field，PEMF），改變?cè)雍俗孕?，使?xì)胞膜在原有電位的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生新的跨膜電位，改變膜表面的電荷分布，達(dá)到糾正血流變指標(biāo)，改善血管舒張功能，促進(jìn)血液循環(huán)，進(jìn)而改善骨骼、肌肉、血液及其他病理狀態(tài)，使組織微循環(huán)得到良好的修復(fù)的目的。

許多疾病的發(fā)生、發(fā)展都與微循環(huán)障礙有關(guān)。微循環(huán)障礙被醫(yī)學(xué)界稱為“百病之源”，在組合頻率范圍內(nèi)，合理的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)可改變?nèi)梭w血液流變特性，促進(jìn)血液微循環(huán)，降低血液黏度。利用脈沖磁微循環(huán)原理可緩解用戶緊張、焦慮等情緒，使其放松身體，達(dá)到助眠效果。

（二）經(jīng)皮電刺激神經(jīng)療法

經(jīng)皮電刺激神經(jīng)療法（Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation，TENS）是一種非藥物治療方法，通過在患者的皮膚表面放置電極，發(fā)送特定頻率和電流的電信號(hào)，以刺激神經(jīng)纖維，其作用是減輕疼痛、促進(jìn)局部循環(huán)、減少肌肉痙攣等。

當(dāng)人進(jìn)入深睡狀態(tài)時(shí)，大腦產(chǎn)生的是δ波，這是人們沉睡無夢(mèng)時(shí)發(fā)出的腦波，頻率范圍1.5～4 Hz；當(dāng)人感到睡意朦朧時(shí)，大腦產(chǎn)生的是θ波，這是人們沉于幻想或剛?cè)朊邥r(shí)發(fā)出的腦波，頻率范圍4～8 Hz；當(dāng)人放松身體、大腦活躍、靈感不斷的時(shí)候，大腦產(chǎn)生的是α波，α腦波是當(dāng)人們放松身心、沉思時(shí)的腦波，頻率范圍8～12 Hz；當(dāng)人處于緊張、焦躁?duì)顟B(tài)下，大腦產(chǎn)生的是β波，β腦波是一種有意識(shí)的腦波，頻率范圍13～25 Hz。

腦波紊亂，擾亂生物鐘，是失眠的主要原因。大腦中的腦波左右著我們的生物鐘。腦波過于活躍，沒有睡意，失眠就產(chǎn)生了。腦波讓人有了睡意再上床，睡的就快，反之早早上床等著睡，往往是欲速則不達(dá)。

TENS技術(shù)通過激發(fā)大腦前腹內(nèi)側(cè)延髓（Rostral Ventromedial Medulla，RVM）和導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)（Periaqueductal Gray，PAG）核心區(qū)域，刺激睡眠因子分泌，放松腦部神經(jīng)，自發(fā)產(chǎn)生睡意。低頻脈沖刺激內(nèi)啡肽生產(chǎn)，使用戶迅速進(jìn)入δ波，以物理作用達(dá)到腦部共振，促進(jìn)深度睡眠[7]。

（三）助眠音樂療法

助眠音樂是常見的音樂療法，也叫治療音樂或心靈修復(fù)音樂。和常見的音樂不同，它不是簡(jiǎn)單的純音樂或歌手用的背景音樂，而是能把大腦從興奮慢慢引導(dǎo)到平靜狀態(tài)的音樂。催眠音樂主要有環(huán)境音樂（青蛙、小鳥、蟋蟀、水滴、流水），太空音樂（營造空間感氛圍），精神音樂（放松心情、釋放負(fù)面情緒）等類型。催眠音樂配上催眠師的語言能讓聽者身心逐漸放松并緩慢進(jìn)入美妙夢(mèng)境，在此過程中，聽者會(huì)隨著大腦放松而進(jìn)入睡眠狀態(tài)。催眠音樂對(duì)緩解睡眠障礙，釋放憂傷、煩躁、痛苦等負(fù)面情緒和治療自卑、抑郁、焦慮、恐懼等心理疾病有非常好的效果，解決了使用藥物可能有副作用的問題。

結(jié)語

本研究通過智能助眠墊的設(shè)計(jì)，深入探討了脈沖磁微循環(huán)技術(shù)、經(jīng)皮電刺激神經(jīng)療法以及助眠音樂療法在該產(chǎn)品中的創(chuàng)新應(yīng)用，全面闡述了智能助眠墊的科學(xué)助眠原理及其系統(tǒng)化的組成結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)健康生活品質(zhì)要求的不斷提升，以及科技的飛速進(jìn)步與創(chuàng)新，智能助眠墊作為一種集科技與健康于一體的輔助檢測(cè)設(shè)備，正逐步展現(xiàn)出其獨(dú)特的魅力和價(jià)值。未來，它必將在改善睡眠質(zhì)量、促進(jìn)身心健康方面發(fā)揮更加重要的作用，贏得越來越多消費(fèi)者的青睞與廣泛關(guān)注。