交互式音樂睡眠輔助器

蒲明敏 陳堯

摘? 要：“交互式睡眠輔助器”是一個主要面向長期睡眠質量較差人群的設備，它的主要目的是幫助長期睡眠質量較差的人群快速進入睡眠狀態，緩解失眠，通過這個設備來提高生活質量，讓生活有更多的幸福感。主要通過腦電波傳感器實時采集腦電波數據，數據經過特殊算法處理后對音樂播放器進行動態控制調節，解決現有音樂播放器因睡眠的不確定性所對睡眠產生的干擾問題。本論文將會重點介紹“交互式睡眠輔助器”的重要性以及如何實現。

關鍵詞：深度睡眠;物聯網;傳感器;數據分析;音樂播放器

一、睡眠不足的危害

21世紀，人們生活節奏加快，在青年學習就業壓力大，中年生活艱苦，養家糊口日益艱巨的情況下，導致我國睡眠障礙患病率逐年增加。據中國睡眠研究會的數據顯示，中國成年人失眠發生率高達38.2%，超過3億人口有睡眠障礙。而長期失眠則容易導致以下問題發生：

1、引發抑郁和焦慮，長期失眠，會使神經內分泌系統的應激調控系統被激活，并逐漸衰竭而發生調節紊亂，容易引發焦慮癥、抑郁癥、躁狂癥等各種精神疾病。

2、易患心臟病。研究表明，失眠可能通過交感神經功能亢進、內分泌和代謝紊亂以及炎癥狀態的形成而影響心臟健康，增加患冠心病、心肌梗死、心律失常乃至死亡的風險。

3、誘發糖尿病。美國芝加哥大學對11位美國年輕人做了一項研究顯示，將他們每夜的睡眠時間減少為4至6小時，發現他們血糖水平降低到接近糖尿病患者的水平。

4、導致肥胖。美國疾病控制和預防中心（CDC）的研究發現，失眠狀態嚴重的州，往往肥胖率也很高。

5、死亡率更高。美國布萊根女子醫院的研究發現，失眠的男性因心血管疾病而死亡的風險較高，因與心血管疾病相關的死亡風險增加了32%—55%。

二、緩解失眠的方法

如何提高睡眠質量、快速進入睡眠狀態是解決失眠所帶來問題的關鍵，中華人民共和國國家衛生健康委員會指出聽音樂可以促進睡眠。有臺灣研究者發現，睡前聽輕音樂的與什么都不做的相比睡眠狀況改善程度達到35%，夜間睡得更久也更香了，白天的機能障礙也有所減少。聽音樂能產生有助于安穩睡眠的生理變化，比如心跳和呼吸放緩。聽音樂也是緩解失眠最簡單，對人體產生副作用最小的方式。故而我們可以通過睡前聽音樂的方式來提高睡眠質量、快速進入睡眠狀態。

中醫專家李少華指出：音樂治療失眠選擇合適的音樂也很重要。[1]音樂可以促進人的感知能力及其潛力的發展，使注意力更加集中。實驗證明音樂能對人的生理和心理產生較大的影響，適合的音樂可以刺激和增加大腦的多種神經遞質。然而人在進入睡眠的過程中是希望不被打擾的，如何在這個過程中選擇合適的音樂，將播放器的不確定性降到最低是值得進一步探討的。

三、實現睡眠狀態與音樂播放的智能交互

（一）腦電波傳感器

1、腦電波的產生

大腦在活動時，大量神經元同步發生的突觸后電位經總和后，大腦會產生生理電的變化，可以使用這種變化記錄大腦活動，是腦神經細胞的電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映[2]，這樣的變化有電器性的擺動存在，而將這樣的擺動具象化就會呈現出頻譜圖一樣，我們把生理電的變化稱之為腦電波。

2、不同睡眠狀態下的腦電波

現代科學研究發現，四類腦電波對應大腦呈現的四種不同狀態。

δ波：深度睡眠腦波狀態（范圍0.5-3HZ）;

θ波：深度放松、無壓力的潛意識狀態（范圍4-8HZ）;

α波：學習與思考的最佳腦波狀態（范圍8-13HZ）;

β波：緊張、壓力、腦疲勞時的腦波狀態（范圍14HZ以上）。

在睡眠時主要分為以下幾個階段：

（1）覺醒期是清醒時的狀態。

思睡期是開始睡眠，這個階段屬于昏昏欲睡的狀態。這時腦波開始變化，頻率漸緩，振幅漸小。

淺睡期開始正式睡眠，屬于淺睡階段。這時腦波漸呈不規律進行，頻率與振幅忽大忽小，其中偶爾會出現“睡眠錠”的高頻、大波幅腦波，也會出現“K結”的低頻、很大波幅腦波。

深睡期就是沉睡階段，這時不易被叫醒。此時腦波變化很大，頻率只有每秒1～2周，但振幅增加較大，呈現變化緩慢的曲線。

快速動眼期時腦波迅速改變，出現與清醒狀態時的腦波相似的高頻率、低波幅腦波，但其中會有特點鮮明的鋸齒狀波。睡眠者通常會有翻身的動作，并很容易驚醒。因為，此時除了腦波的改變之外，睡眠者的眼球會呈現快速跳動現象。

3、如何自動采集腦電波

主要利用單片機--腦電波傳感器實現對腦電信號的采集和處理。使用者將傳感器佩戴在頭上，前置放大電路獲取到電信號，并將電信號放大后經過高、低通濾波器進行大范圍過濾，用工頻限波電路進行進一步的電信號過濾處理，使采集的信號具有精確性，最后通過主放大電路將腦電信號再次放大得到采集到的腦電波數據[3]。

（一）數據傳輸

在采集腦電波的傳感器上連接藍牙模塊，藍牙由收、發模塊組成，將采集到的模擬信號轉換成數字信號，通過藍牙與軟件進行連接，將數據傳輸到后臺數據處理模塊對數據進行分析處理。

（二）AZURE流分析

Azure 流分析是一個實時分析和復雜事件處理引擎，旨在同時分析和處理來自多個源的大量快速流式處理數據。可以在從許多輸入源（包括設備、傳感器、點擊流、社交媒體源和應用程序）提取的信息中識別模式和關系。這些模式可用于觸發操作和啟動工作流，例如創建警報、向報告工具饋送信息或存儲轉換后的數據供以后使用。此外，流分析可在 Azure IoT Edge 運行時使用，從而能夠處理 IoT 設備上的數據。

利用Azure 流分析引擎完成傳感器與軟件間的實時控制，生成的數據需要用Azure流分析實時地轉換成可操作見解和預測的形態。對所獲取的腦電波數據進行快速的流式數據處理，實時的監控分析，當監測到使用者腦電波頻率發生的變化在特定范圍之外后，啟動對應的數據控制接口，從而達到控制軟件播放狀態的效果。達到高效率分析傳感器所收集的數據的工作目標。

（三）機器學習

機器學習是對能通過經驗自動改進的計算機算法的研究，是用數據或以往的經驗，以此優化計算機程序的性能標準。

由于不同的使用者對音樂的喜好不同，例如有的人聽輕音樂能快速進入睡眠，有的人要聽比較有節奏感的音樂進入睡眠，而有的人需要聽搖滾音樂才能降低緊張情緒，且不同的睡眠階段所適合的音樂對應的人不同音樂也不同，利用機器學習原理，在開始使用時均播放輕音樂，通過對用戶腦電波信息的不斷監測、記錄用戶聽什么類型的音樂進入睡眠的時間最短，醒的次數最少，取兩者相交的音樂類型，再與深度睡眠的時長最合適的音樂類型取交集，由此計算出最能幫助每個使用者緩解失眠的音樂曲庫。當使用者的音樂習慣發生變化時也能根據該算法自動更新。

（四）技術實現流程

使用者戴上采集數據模塊，傳感器會精確快速的采集腦電波信息，根據腦電波頻段的不同，分析用戶處于哪一個睡眠程度，識別出使用者當前聽的音樂是否適合大腦所處的腦電波頻段。當識別到處于清醒狀態或緊張狀態時的腦電波頻率時則播放適合進入睡眠，緩解緊張情緒的音樂類型和聲音大小。依次類推，最后當識別到用戶處于深度睡眠后，將會智能停止音樂播放，若用戶進入深度睡眠后被外界干擾至醒，產品又會迅速打開，保護用戶的睡眠。

四、總結

交互式音樂睡眠輔助器通過腦電波傳感器與數據分析處理的結合，解決音樂播放器的不確定性對睡眠所產生干擾問題。實現音樂播放的聲音大小隨著用戶睡眠程度的變化而自動變化、隨著不同睡眠狀態的改變智能的選擇合適的音樂、音樂播放器智能識別用戶進入深度睡眠之后自動關閉，達到提高睡眠質量、緩解失眠的目的。

參考文獻

[1]? 侯玥，周莉.談古典音樂對失眠癥狀的緩解作用[J].中國地質大學（武漢），2013，R163;J60-05.

[2]? 多導聯EEG信號分類識別研究.中國知網.

[3]? 彭娟.腦電波及其采集方法[J].成都理工大學（成都），2014，TM935.2.

作者簡介：蒲明敏（1999—），女，重慶人，本科，漢族，重慶第二師范學院數學與信息工程學院2017級物聯網工程（中興通訊合作班）專業，研究方向：物聯網工程。

通訊作者簡介：陳堯（1994-），女，漢族，重慶石柱人，重慶第二師范學院數學與信息工程學院，研究方向：教育數據挖掘。

項目來源：重慶第二師范學院2019年“啟智”眾創空間大學生創業孵化項目 項目名稱：睡眠音樂播放器（項目編號：ZC2019019）