改善睡眠質量硬件及監測手段的研究

費葉琦 焦立煒 ，齊加勝 ，牛子銘 ，郭峻偉 ，朱皓輝

(1.南京理工大學紫金學院智能制造學院，南京210046；2.南京林業大學機械電子工程學院，南京210037)

近年來，隨著社會發展，生活處處伴隨著壓力，為了更多的工作機遇及晉升空間，成年人不斷的壓縮休息時間，在社會工作、生活、房貸、車貸等各種強壓之下，僅存的一點睡眠休息時間也常伴隨著失眠、焦慮。臨床常見的精神疾病焦慮癥通常是由失眠引起的，并發有無法入睡、噩夢頻發、多次驚醒等惡性癥狀，也會誘發其他的精神疾病，如雙相障礙等，從而嚴重影響正常生活與工作。

據中國睡眠研究會研究［1］表明：在 18～44 歲區間段的四萬受訪者中，76%的人沒有優質睡眠，46%的人無法在睡眠后完全恢復精力。Grubb S［2］等的研究表明，深度睡眠時腦脊液會對大腦進行清洗，清除腦內毒素。相同時間內，高質量的睡眠較淺度睡眠能更高效恢復精力和體力。因此，在無法保證充足睡眠時長時設法提高睡眠質量才是研究重點。

為了解決睡眠質量低下的問題，社會重點研究了多項能夠提高睡眠質量的手段，本文針對影響睡眠的溫度、 床墊屬性以及對睡眠質量監測的硬件設備進行了展開論述，并對后期提高睡眠質量硬件方面的改進方向提供了一定意見及展望。

1 不同溫度調節設備在睡眠時的調節手段

百年前人們就開始研究睡眠這一生理狀態，研究了睡眠的機制及睡眠質量影響因素。據朱旻琳［3］研究中指出，溫度與睡眠的相互影響有一定的生理基礎，在睡眠時，身體調溫機能會受到抑制，而人體對環境變化的感知更為敏感。丁邇［4］研究發現，溫度與睡眠質量的耦合關系可以通過改變溫度來改善睡眠質量。蘭麗［5］等研究發現，當床褥系統熱阻為 1.8clo且熱中性溫度為28 ℃時，睡眠質量最優。睡眠環境過冷或過熱都會影響睡眠質量，因此調節睡眠環境溫度可以顯著改變睡眠質量，最常用的控溫設備為空氣調節器和接觸式電暖設備。

空氣調節器(Air Condition)利用設備內部介質的物理形態變化所產生的吸、放熱來輻射空氣，將設備內部的空氣吹出達到調控溫度的目的，從而來影響睡眠環境。張宇峰［6］研究表明，寢具隔熱保溫效果不佳時，細小的溫度變化也會對睡眠質量造成較大影響。睡眠時體表溫度會按一定曲線變化，如何提高夜晚空調工作時的睡眠質量，重點在于如何根據用戶的睡眠狀態調節空調運行參數，從而提高舒適度。洪偉萍［7］、羅繼杰［8］等的研究表明，需要針對不同地區人群習慣來調整溫控手段。因此，在溫度控制中，怎樣能合理調節硬件溫度滿足個性化的需求成為睡眠影響中必須考慮的問題。針對此，陸子民［9］設計了一種控制裝置，能周期性監測睡眠環境溫度，再據反饋數據調整空調溫度，實現用戶睡眠時舒適溫度曲線的最大程度擬合，精準動態調節環境溫度。市場上各大品牌在空氣調節方面也有很多改進，如格力冷靜悅品牌空調，根據睡眠習慣分為多種睡眠模式，如：午睡、舒睡模式等，用戶可根據自身喜好設定，但設定按鍵不可調，不能完全貼合每位用戶需求；海爾的凈界變頻空調，可自動監測使用環境來改變送風模式，升級PID 智能控制模式，節能環保，且能智能設置運行模式，在睡眠時自動迎合睡眠曲線，此款產品在前面技術的基礎上植入了智能調節的理念，但用戶對該系列功能的認知度還不高，以至于產品的該功能未得到市場普及使用。

相對于空氣調節器，接觸式的電暖設備一般放置于床上，與體表直接接觸，從而提供大量熱量，達到供溫的目的。鄧志堅［10］在電暖裝置中添加有溫控設備，在預設范圍內能智能調節溫度，從而有效避免低溫和燙傷。孫雙武［11］發明了一種具有多個獨立控制區域的電熱毯，可根據人體不同區域的感溫程度設置有不同的控溫程序，較于傳統電熱毯而言溫度控制方面更加靈活、方便。付存謂［12］等發明了一種適配于智能床的電熱毯系統，在電熱毯中放置有壓力傳感器，可根據壓力反饋分析出當前傳感器所對應的人體部位，通過控制模塊再對相應部位執行加熱/關閉加熱的功能，且每塊發熱區域獨立控制。這種系統減少了發熱系統對床體的損害，在溫度控制上更加精細與方便，貼合用戶各部位需求。而市場上，接觸式的電暖設備也應用較為廣泛，如彩虹、彩陽，兩品牌系列電暖產品都能分區域控溫，用戶可根據自身需求進行調控。當前電暖裝置對于控制系統改進多為加熱功能區域單元化，而易忽視調溫過程中對人體睡眠造成的不適感，可考慮在控溫過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睡眠的影響。

在睡眠環境體感溫度中可考慮研究重點放在如何提高硬件溫控的智能化程度方面，結合物聯網技術，收集用戶睡眠環境信息，建立數據庫，進行大數據計算分析并對比相近用戶的睡眠曲線(包括睡眠時間、睡眠狀態、睡眠階段等參數)后迭代優化，從而定制個性化睡眠模式。

2 利用不同床墊物理屬性提高睡眠質量

人睡眠載體是床墊，床墊支撐人體所有的重量。萬昌園［13］研究表明，每個人的睡眠姿態各有不同，如：原木式、海星式、胎兒式。因此選擇一個合適床墊是高質量睡眠的重要基礎。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，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，對現常見床墊彈簧床、特殊床墊兩大類進行論述。

目前市面上最受歡迎的是彈簧床。郭鴻杰［16］、王楚懷［17］等研究發現傳統彈簧床軟硬程度固定，無法調節，部分硬質彈簧形變量小，無法隨著身體曲線變形，不能貼合身體曲線提供支撐力，長時間使用會導致肌肉緊繃、酸疼，軟質彈簧由于形變量大無法有效的提供支撐力，也會導致不適感。因此彈簧床要軟硬合適，支撐力均勻，不產生壓迫，有效舒緩身體，睡眠更加安穩，容易入睡。為此，楊進松［18］發明了可調軟硬彈簧床，將彈簧床內部彈簧分區，單元間并排排列，用戶可根據自身喜好調節每塊單元彈簧彈力，起到調節床墊軟硬的目的。黃林林［19］發明的一體床架可調式彈簧床墊，在床墊中架設有可調床架，利用床架變形可將床墊折疊成不同形狀以適應用戶睡眠姿勢，并在彈簧床墊上設有海綿墊，在滿足彈力的基礎上增加用戶體感舒適度。目前市場上如金可兒與席夢思的定制床墊，可根據用戶提供的個人參數及需求精準分區并計算每塊區域彈簧軟硬，為用戶不同部位提供更為細致的壓力支撐，但價格昂貴，普遍售價在近萬元。從現常見彈簧床發現：大部分彈力不可調或用戶手動調節但操作繁瑣，并且部分品牌定制床墊價格過高。因此，可考慮控制成本的基礎上，對現有彈簧床調節方式上采用更為便捷、“傻瓜式” 的按鍵實現，且實時反饋軟硬程度給用戶，讓用戶更直觀感受彈簧床墊的調節效果。

除上述介紹，近年來市場上也陸續涌現不同品牌系列床墊，相比傳統床墊，通過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貼合睡眠時的身體躺臥曲線，部分廠商在此基礎上增加了控制系統與檢測系統，用戶可根據需求與自身狀況來自定睡眠系統，定制適合自身的床墊，擁有更好的睡眠質量。如克勞斯·柏林霍特［20］等發明的一種智能活動床墊，床墊由多段排骨架排列床板及配套床墊組成，用戶可根據自身需求，通過床架內置驅動來改變床墊形狀?，F市場常見的智能床墊一般均具備此類功能，智能化程度不高，且區別只存在于變形量與變形位置，且此類床墊的不同品牌價位均超出了普通用戶可接受范圍，如國外品牌中索菲利爾和舒達，國內品牌舒福德和路福等。程學軍［21］發明的智能調節軟硬床墊，彈簧與氣囊組成軟硬支撐系統，通過壓力傳感器監測彈簧壓力反饋至控制系統，控制系統計算出彈簧變形量后根據用戶設定模式自動調節。其中：自動模式下可利用閉環系統調節氣囊充放氣狀態；手動調節模式下可實現對部分區域氣囊控制。孫成?。?2］等發明的智能自動調節床墊，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，進行睡眠質量評分以及疾病預警，分析系統可根據睡眠狀態不同做出相應的睡眠建議，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模投產使用。品牌中如格蘭莫爾床墊，能夠全自動調解床墊參數，適應用戶睡眠姿態，緩解肌肉緊繃，疏通血液保證脊椎健康，適應不同用戶，每日監測睡眠質量并反饋予用戶。

從目前的整體市場來看，智能床市場所銷售的品牌調節模式相似、功能單一，不能滿足用戶對高質量睡眠的需求；另一方面，多功能床墊售價過高，普通用戶無法承擔，因此未來發展應當考慮控制成本的同時，簡化智能床結構，便于維護及提高可靠性的基礎上融合多種助眠手段，將控制系統融入家庭智能家居物聯網系統之中，提高使用的舒適性與便捷性。

3 監測手段對于睡眠質量提升的必要性

睡眠是重要的生理活動，在改善睡眠質量前要明確當前的睡眠問題，以“對癥下藥”。張發華［23］等研究表明，腦電波、心電、體動、脈搏等多種體征信號能夠客觀高效的反映出睡眠質量。因此可通過監測這些信號來判定人的睡眠質量和狀態，以及找到解決方法。為減少檢測過程對睡眠的影響，普通用戶應選擇非侵入式的監測手段，當前常用的非侵入式監測方式有：穿戴式脈搏血壓監測方式、非接觸式監測方式。

穿戴式脈搏血壓監測方式，即通過監測血壓脈搏的方式來判定用戶的睡眠情況。如，劉思佳［24］研究出了能將檢測設備貼于手心的監測設備，特定時間收集用戶的心跳、脈搏、呼吸等數據參數，將數據反饋至聯動APP，并自動整理后以表格形式輸出，此類設備特供于醫療，便于患者與醫生通過APP 實現信息無障礙互通以及醫生實施遠程救助。吳建平［25］等發明的穿戴式睡眠檢測儀及配套監測方法，可在用戶睡眠時監測用戶血氧飽和度、肌電信號、腦電信號以及鼾聲信號，醫生可根據用戶反饋數據來判斷用戶睡眠狀態并提出相應建議。隨著血壓脈搏的監測越來越多地用于家庭，便攜性需求日益增加，出現了更多的通過穿戴在手指、 手臂或其他部位來測出血壓的便攜性設備，如國內華為、小米等知名品牌銷售的運動手表等。

穿戴式脈搏血壓監測方式人與設備密切接觸，而非接觸式監測方式則依賴于傳感器等非直接采集或采集非人體信號的變化，如人體對床墊的微小壓力變化，并進行相關參數的收集、計算，得出睡眠時體態的變化情況。針對體動可從一定程度上分析出睡眠的質量，謝靜［26］等設計的微敏式床墊檢測系統可通過改變壓敏傳感器陣列方式來監測微小動感，如轉體動作、心跳沖擊、呼吸起伏等。鄭亮［27］發明的智能監測床墊，可采集用戶睡眠時的心跳、呼吸和離床信息，生成睡眠報告，為用戶改善睡眠提供參考。相比于穿戴式的檢測方式，這種通過壓敏來監測睡眠質量的方式更加舒適，不需要穿戴任何附加掛件，且技術成熟，市場上已有的此類床墊品牌有美國杰西、日本百利達等。另一方面，人體在不同睡眠狀態下向外界散發出的“信號(如：聲音、溫度等)”是不同的，可通過收集這些信號來分析出當前睡眠狀態。Du［28］、Feng［29］等研究發現生物雷達可以監測不同的睡眠狀態，且準確率均高于90%。該類方式采用遠程非侵入式的監測方法，無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，較遠距離的對各項生理參數(呼吸、體動等)進行非接觸式檢測。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，同時利用α 波助眠，使用戶能夠擁有更優質的睡眠。

以上多種監測系統都帶有及時反饋功能，但所反饋數據專業性較強，一般用戶無法準確解讀數據含義并合理進行睡眠環境調整。隨著5G 技術的發展，若能結合相同環境、身體狀況、年齡等約束條件，將大量個人睡眠質量參數上傳，進行大數據計算、比較，通過專家系統的分析，給予用戶數據反饋后的合理睡眠方案和科學建議。

4 總結及展望

文中對提高睡眠質量的各影響因素進行了論述，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及該因素下未來可能研究的方向。與此同時，提出了目前市場上存有的監測方式及特點。從論述中發現睡眠質量的研究作為當前社會的研究重點，仍存在一系列問題值得深入研究，如：

(1)國內關于睡眠的研究越來越受重視，但從睡眠專家到機器判斷的過程中，怎樣界定為良好睡眠還未有較為完善的系統、 科學的共識及量化考核的標準。因關于睡眠研究多來自于社會調查和實驗，實驗中不定因素過多，如睡眠環境、用戶身體狀態及情緒等個體差異，結果的有效參考性不高。就臨床來說，可量化考核的客觀條件過少，睡眠門診中專家的主觀意識因素占主導，無法保證實驗結果的綜合性，無法有效地針對單一因素做出分析。如何增強實驗結果的可復現性和泛化性是將來提出機器判斷睡眠質量的研究難點。

(2)目前研究中環境對睡眠質量影響結論多建立在臨床結果上，少有大數據的調查分析，一定程度上影響了實驗結果的泛化性，若能將臨床實驗與大數據分析相結合，建立一個比較準確的判斷機制去預估睡眠質量并調整睡眠硬件參數，對科學睡眠指導有著重大的意義。

(3)人為干預睡眠環境可一定程度上改善睡眠質量，如何結合當下智能手段，更個性、精準的提高睡眠質量是未來研究重點。

(4)未來的理想睡眠應能保證睡眠質量的同時，提高人機工效，讓用戶有更為安全、舒適的體驗。睡眠過程中如何平衡用戶體驗和睡眠質量值得思考。