肖振佳

（漳州松霖智能家居有限公司廈門分公司，福建 廈門 361026）

0 引言

睡眠問題受到越來越多的人關(guān)注，睡眠質(zhì)量已經(jīng)會對人類健康造成影響，越來越多的人受失眠等睡眠障礙的困擾。睡眠質(zhì)量以及如何更快、更好地入睡成為研究熱點。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，腦電信號的采集和分析等技術(shù)也取得了顯著成就。目前，大部分助眠手段都采用腦電波進行睡眠監(jiān)測和睡眠分期，還有一些通過腦電波制作腦波音樂，以達(dá)到助眠的效果，但是助眠效果都不是很好[1-2]。

針對上述問題，該文研究并設(shè)計了基于腦電波的助眠眼罩，通過腦波芯片對獲取的腦波進行分析，以得到腦波的原始波形以及4 種主要波形的能量值、放松度和專注度等多種參數(shù)，利用放松度來評定用戶精神的放松度。首先，通過播放不同類型的助眠音樂來判斷是否能發(fā)揮讓用戶放松的作用。其次，通過4 種腦波的波形的能量值分析得到入睡時間，從而判斷入睡的困難程度，進而采取適宜的方法讓用戶更好、更快地入睡，并且有數(shù)據(jù)作為查詢分析的依據(jù)，可以為后續(xù)的治療提供幫助。

1 總體邏輯設(shè)計

該文設(shè)計的助眠眼罩以iOS 蘋果手機為客戶端，藍(lán)牙連接眼罩設(shè)備，通過單片機控制整個系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備間的信息互通。干電極采集腦電波信號，芯片分析腦波信號并將信號提供給單片機，單片機負(fù)責(zé)控制切換音樂以及進行入睡檢測。

2 App 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)主要為蘋果的iOS 系統(tǒng)客戶端軟件，電路板包括腦電芯片、單片機、藍(lán)牙芯片以及雙模功放芯片模組等，通過單片機處理采集的腦電信號來實現(xiàn)控制藍(lán)牙音樂輸出以及判斷后續(xù)入睡檢測等功能。

手機軟件主要完成監(jiān)測腦波數(shù)據(jù)、判斷入睡時間、智能喚醒以及界面控制等任務(wù)。單擊手機軟件界面連接按鈕就會自動彈出小窗口跳轉(zhuǎn)藍(lán)牙開啟界面，軟件藍(lán)牙連接流程如圖1 所示。藍(lán)牙連接成功后，可以通過眼罩前片的物理按鍵控制盒發(fā)出控制指令，也可以通過App 發(fā)出控制指令，實現(xiàn)通過腦電波信號來智能助眠的功能。軟件的功能模塊如下：1）腦波數(shù)據(jù)的監(jiān)測。記錄用戶每次使用腦波眼罩時的實時數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到軟件的統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)中，方便用戶查看。在實時數(shù)據(jù)界面，軟件展示了4 組數(shù)據(jù)，包括原始波、放松值、占比指數(shù)以及音樂的評分。放松值以時間點為橫坐標(biāo)軸，以0～100 為縱坐標(biāo)軸，采用面積圖直觀展示用戶的精神放松度。通過實時分析用戶的腦波放松度數(shù)字來獲取音樂的放松度評分。2）判斷入睡時間。分析用戶腦電波中4 種波形的能量值，通過對比前后能量值的大小來判斷入睡時間。3）界面控制功能模塊。在手機界面單擊音樂庫中的歌曲，可以直接單擊播放；單擊上一首或下一首可以切換歌曲；而眼罩前片的物理按鍵包括開/關(guān)機按鍵、上/下首切割按鍵以及音量大小調(diào)節(jié)按鍵。軟件界面還設(shè)置了AI 模式和自主模式，可以通過腦波數(shù)據(jù)智能切歌。

圖1 手機軟件藍(lán)牙連接邏輯圖

3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 腦電傳感模塊的數(shù)據(jù)采集

TGAM 芯片模塊是一款高度集成的單一芯片腦電傳感器，它通過3 個干電極采集原始腦電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過運算可以得到原始腦電波數(shù)據(jù)。芯片的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊的通信協(xié)議直接發(fā)送到軟件上并展示出來。電極作為腦電波的采集接觸點，采用金屬銅作為基材，表面滾鍍金屬元素，導(dǎo)電率比其他金屬高。腦波信號通過單片機處理后，通過藍(lán)牙協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)給App，以實現(xiàn)采集腦電波數(shù)據(jù)的功能[3]。

3.2 眼罩采集點

為了確保眼罩采集點與人體臉部尺寸可以準(zhǔn)確吻合，眼罩電極的采集點須根據(jù)國際通用的腦電10-20 系統(tǒng)電極放置法，接地電極設(shè)置在額頭居中位置，即鼻根向后 10%處為 FPz（額極中線），如圖2 所示。接地電極位于鼻根點和枕外隆凸點弧長的距鼻根點10%位置上，而采集電極選擇放置左側(cè)額頭處，位于FPz（額極中線）左側(cè)10%位置上。而參考電極選擇放置右側(cè)額頭處，因為參考電極需要與采集電極的腦電信號進行對比，所以距離可以小于參考電極的尺寸。

圖2 10-20 系統(tǒng)圖

根據(jù)《中國成年人人體尺寸（GB/T 10000—1988）》人體頭部尺寸及部位圖中26～35 歲男性的頭矢狀弧尺寸，取百分位數(shù)為90%的數(shù)據(jù)（375 mm），而女性的頭矢狀弧百分位數(shù)為90%的數(shù)據(jù)（349 mm），取平均值為362 mm，F(xiàn)Pz（額極中線）位于鼻根點和枕外隆凸點弧長距鼻根點10%的位置上，則眼罩接地電極FPz（額極中線）與鼻根的距離為36 mm。采集電極設(shè)置在左前額Fp1處，參考電極放置于右前額Fp2處。根據(jù)人體頭部尺寸及部位圖中26～35 歲男性的頭圍取百分位數(shù)為90%的數(shù)據(jù)（587 mm），而女性的頭圍取百分位數(shù)為90%的數(shù)據(jù)（573 mm），取平均值（580 mm），根據(jù)Fp1位于FPz（額極中線）左側(cè)10%位置上，采集電極Fp1距離接地電極FPz58 mm，因為參考電極Fp2用來做參考對比，所以參考電極Fp2距離接地電極40 mm。電極位置圖和眼罩具體位置如圖3 所示。

圖3 電極位置圖（單位：mm）

4 眼罩本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 眼罩本體設(shè)計

根據(jù)工業(yè)設(shè)計的外觀效果圖及3D 模型圖紙分析，該眼罩本體考慮內(nèi)部需要安裝電子元件，眼罩前片需要安裝按鍵控制盒，眼罩后片需要打孔安裝干電極，因此眼罩設(shè)計為前、后2 片的單獨結(jié)構(gòu)，安裝完電子元件后前、后片通過熱壓膜熱壓貼合完成，最后在安裝電路板及控制按鍵。

根據(jù)眼罩的3D 模型，前后片眼罩繪制3D 熱壓模具圖紙。前片眼罩厚度為10 mm，后片為15 mm，考慮佩戴的舒適性及美觀性，邊緣壓邊為5 mm。眼罩前片選用的布料為全滌成分的面料，四面彈性，方便熱壓成型。海綿選用回彈性好，不易塌陷，硬度約為25 D～30 D。熱壓前，眼罩前片的海綿需要雙面復(fù)合好面料，前片為全滌面料，背面為透氣的網(wǎng)格布料，接觸臉部的地方更透氣舒適。然后按照眼罩尺寸裁切再去上熱壓模具熱壓。眼罩熱壓模具為鋁制模具，并通過鋁條連接熱壓機升溫加熱，模具的溫度約為180 ℃～200 ℃，根據(jù)眼罩厚度情況保壓80 s～100 s。熱壓完成冷卻后在上刀模切邊完成眼罩前后片的熱壓。

4.2 按鍵盒結(jié)構(gòu)設(shè)計

按鍵盒固定在眼罩前片上，底座與后蓋中間夾緊眼罩前片，通過4 個螺絲固定，數(shù)據(jù)傳導(dǎo)線從后蓋穿出到底座，電路板安裝在底座上，端子線直接與電路板連接。

前蓋與底座為了便于拆卸以及電路板的檢修，設(shè)計為卡扣連接方式。如圖4 所示，底座有4 個長方形母扣，中間開口與前蓋的公扣配合，公扣的凸臺尖角位置都要做導(dǎo)入角，一般取60°或45°，凸臺超過母口斜面0.4 mm，凸臺頂面與母口開口頂面間隙為0.05 mm，便于公扣卡入母扣且方便取出。前蓋與底座配合位置，為了避免干涉，接觸的端面無間隙配合，底座的凸臺的頂面和右側(cè)面則為0.1 mm的間隙配合，這樣設(shè)計既可以保證卡扣的安裝和拆卸，又可以保證2 個零件直徑也沒有間隙，配合緊密，外觀上更美觀，按鍵盒整體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 卡扣尺寸圖（單位：mm）

圖5 按鍵盒結(jié)構(gòu)

5 試驗測試及結(jié)果分析

5.1 入睡時間判斷分析

人的腦電波在不同睡眠階段會發(fā)生相應(yīng)的變化，每個階段都有其獨有的特征。通過分析不同睡眠狀態(tài)下的腦電波信號不同波的能量變化趨勢，可以對睡眠狀態(tài)進行判斷。而δ（德爾塔）波頻段的相對能量在入睡后有明顯變小的趨勢。以30 s 為1 個滑動窗口，每次滑動的距離為10 s，將獲取腦波的能量值數(shù)據(jù)導(dǎo)入算法，以計算入睡時間點。對內(nèi)部試驗人員睡眠腦波的監(jiān)測數(shù)據(jù)（如圖6 所示）來說，在入睡后腦波功率有明顯下降的趨勢，通過算法得到的入睡時間點基本與其他睡眠監(jiān)測設(shè)備時間吻合。

圖6 睡眠時δ 頻段腦波功率變化圖

5.2 睡眠監(jiān)測

睡眠監(jiān)測是研究睡眠的重要手段，通過研究睡眠分期有助于解決失眠問題，改善睡眠質(zhì)量。腦電波原始波形圖是客觀評價睡眠質(zhì)量的重要手段，通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著睡眠的加深，腦電信號中的δ 波（德爾塔）和θ（西塔）波會增加，而α（阿爾法）波和β（貝塔）波則會減少[4]。通過志愿者睡眠監(jiān)測結(jié)果得出，入睡前后10 min 內(nèi)，志愿者逐漸進入睡眠期，其δ 波和θ 波功率呈下降的趨勢。分別對2 名志愿者進行覺醒期和睡眠期的腦波功率數(shù)值分析，結(jié)果見表1。覺醒期與入睡后功率值明顯下降。

表1 覺醒期與睡眠期不同腦波功率平均值對比

6 結(jié)語

該文從軟件結(jié)構(gòu)說明、眼罩結(jié)構(gòu)設(shè)計以及入睡判斷等方面簡要概述了腦電波助眠眼罩的設(shè)計，通過腦電波獲取用戶的精神放松度，通過音樂讓用戶更快地入睡，通過判斷用戶的入睡時間來獲取入睡的時間，從而為改善用戶睡眠提供幫忙。睡眠過程中的心率、血氧以及呼吸頻率等都會有相應(yīng)變化，未來將進一步通過腦電波的原始波分析、提取并結(jié)合其他更多的生理參數(shù)更準(zhǔn)確地分析整晚的睡眠分期，從而進一步分析用戶的睡眠狀況。