睡眠癱瘓喚醒產品設計研究

楊博雅， 原松梅

(哈爾濱工業大學 機電工程學院， 哈爾濱 150001)

引言

眾所周知，人的一生中大約有三分之一的時間是在睡眠中度過的，睡眠對人的健康及生存質量有很大的影響。據世界衛生組織的調查顯示，大約有27%的人都存在著睡眠問題，而睡眠癱瘓則是睡眠障礙中比較嚴重的一種，即是指人在睡眠時，因夢中受驚嚇而喊叫，或是在特別情況下出現的不能動彈的現象[1]。隨著現代人工作節奏的加快，這種狀況的發生也正日漸趨于復雜寬泛。而且，糟糕的睡眠狀況將會對人的學習、生活和工作造成極大的危害。因此，通過科學的方法和先進的技術設計研發一個睡眠癱瘓喚醒系統，對于改善人們的睡眠質量、提高人們的健康水平和生活質量具有一定的現實意義。

1 睡眠癱瘓的特征、形成原因及其危害

依據腦電圖表現，可以將人的睡眠分為5個階段：入睡期、淺睡期、熟睡期、深睡期和快速動眼期，整夜睡眠經歷的睡眠周期個數為3～5個左右[2]。睡眠癱瘓大多發生在睡眠周期中的快速動眼期。在這個階段中，人們進入熟睡并開始作夢，身體隨意肌靜止，這種臨時性癱瘓有時會導致人們在突然驚醒后依然無法動彈。在快速動眼期中，人體的骨骼肌除了呼吸肌及眼肌外，都處于極低張力的狀態。而睡眠癱瘓癥則是因在快速動眼期中的未知原因，意識已清醒過來，但是肢體的肌肉仍停留在低張力狀態，而造成意識指揮失靈的情形。此種情況下，人們因身體出現異常狀態而大腦又無法迅速對其進行解釋，從而產生恐懼、驚悚等情緒、甚至產生幻覺。

睡眠癱瘓作為一種睡眠障礙現象，一般情況下不會導致嚴重后果，但是如果頻繁的發作仍會對人們正常的工作和休息產生影響。這種現象在人類的幼齡期占據了較高比例。研究表明大約有10%～50%的兒童在3～5歲時常發生噩夢[3]。大約5%的患者會記得一次或幾次幼年發生的睡眠癱瘓，并且許多成人也承認偶然會遇到此種情況發生。隨著社會的發展進步，人們的工作、學習和生活壓力也越來越大，生活不規律、熬夜、失眠以及焦慮已經成為了許多人的生活常態，加之很多人在工作、生活中長期久坐、缺乏運動，致使睡眠癱瘓的發生率大幅提升，并且伴有高齡化趨勢。

這種較高的恐懼狀態在女性身上的表現也更加強烈與明顯。大多數人在這種情況下，都會大聲呼喊(這種呼喊大多是幻想出來的，實際上是無法發出聲音的)，或者會極力抖動身體。有的人在恐懼的情緒中重新入睡緊接著便會做噩夢、從噩夢中驚醒，從而進入睡眠癱瘓的循環。第二天起床后，恐懼的夢境以及疲憊的身心狀態甚至會影響一整天工作、學習。到目前為止這種恐怖的生理體驗并未研制有效的藥物可以調控和治療，醫生對這一困境則除了增強身體素質和調整生活狀態的建議外也并未提供更好的答復，因而就使得睡眠癱瘓在一定程度上已然成為了亟待攻克的醫療頑疾。

在此背景下，隨著時下信息技術的迅猛發展，就可以利用計算機技術來捕捉并處理情感，在人們發生睡眠癱瘓這一病癥時，可由傳感器捕捉到人的生理信號，并由計算機創建模型，研發得到具備分析解釋能力的計算系統?；诖?，將可智能識別出作為睡眠癱瘓標志的恐懼、緊張、焦慮等情感，進而將病人從睡眠癱瘓中喚醒。

2 基于情感計算的睡眠癱瘓喚醒設備總體設計

2.1 睡眠癱瘓喚醒設備可行性研究

情感計算的概念是由美國麻省理工學院媒體實驗室的Picard教授于1997年首次提出的，即是指與情緒有關的、由情緒引發的、或是能夠影響情緒因素的計算[4]。人的情緒不僅包括內心感受和外部行為，而且還包含復雜的神經活動和生理變化。這些情緒可由表情、語音、姿態、文本等非生理信號來探測感知，也可以由體溫、心電、皮電等生理信號而表征傳達。其中，人體的生理信號比較科學真實，可以通過儀器的測試來獲得更加客觀有效的結果。

情感計算作為計算機科學、心理學和認知科學的交叉學科，其研究旨在使計算機解釋人類的情感狀態，并根據人類的情感狀態改變人類行為，以適應一些情感的需求。情感計算可以提升計算機與用戶之間的溝通質量，為實現人機的和諧交互提供了現實可能。

在情感計算發展的同時，可穿戴式設備的應用也于近年快速流行起來。從2015年開始，可穿戴式設備的款式激增、并形態紛呈。其中，手腕式可穿戴設備，即智能手表或手環因其功能齊全、攜帶方便等優點而吸引了廣大的市場受眾。蘋果、谷歌、索尼、華為、小米等科技廠商競相推出了智能手表或智能手環。這些可穿戴式智能裝備大多可藍牙同步手機打電話、收發短信、監測睡眠、監測心率、久坐提醒、跑步記步、遠程拍照、音樂播放、錄像、指南等等。其中配置的諸多功能方便了人們的生活工作，使得人們對自己身體和情感獲得了全盤深入了解，比如睡眠監測功能就讓人們對自己的睡眠質量和休息水平建立了具體掌控機制，利于人們合理調節自身作息。那么在睡眠這個問題上，除了監測睡眠時間與睡眠周期，智能手表或是手環能否做到將人從噩夢中喚醒？或是更進一步地將人從睡眠癱瘓中喚醒？情感計算的研究和可穿戴式設備的發展為這一設想提供了豐富的理論依據和實現途徑。本文將以智能手環為例，針對這一領域展開如下的研究與論述。

2.2 睡眠癱瘓喚醒系統總體設計

睡眠癱瘓喚醒設備主要分為采集器、處理器和喚醒器三部分。系統在用戶處于睡眠狀態后獨立運行，當監測到或是由用戶主動調節到睡眠模式后，各個傳感器能夠對用戶的各個生理信號進行數據采集，通過信息處理器利用神經網絡對監測數據實現信息比對、處理，在確認用戶處于睡眠癱瘓狀態后由喚醒器及時對用戶進行喚醒。

當人們緊張時，皮膚血管的舒張程度、汗腺分泌都會隨之改變，從而引起皮膚電阻的變化[5]。鎮定放松時，皮膚電阻會增大(電流減小)；而緊張興奮時，皮膚電阻降低，這種現象稱為皮膚電反射(Galvanic Skin Response，GSR)[6]。皮膚電阻的變化能同時反映交感神經的活動，這種活動往往表現為緊張、恐懼的情緒變化，因此如果要檢測緊張、恐懼等情緒，皮膚電反射是一個良好有效的衡定指標。以往關于恐懼研究也都采用皮膚電作為指標，并且得到了較為可靠的實驗結果。所以本系統的采集器部分主要由心率傳感器、皮電傳感器和溫度傳感器構成。系統總體框架如圖1所示。

2.2.1 采集器測量

采集器包括心率傳感器、皮電傳感器、溫度傳感器以及加速度計。

人的皮膚電阻阻值較大，一般在2～50 kΩ之間[7]。而由情緒、呼吸變化引起的皮膚電阻變化幅度較基數而言十分微小，若要進行觀測、分析就需要對其融入放大設計?；谏鲜鎏攸c，采用較為靈敏的電橋進行測量，并將測試所得信號進行放大處理。皮膚電反射信號有時會受到外界干擾，室內溫度的差異往往也會導致生理信號測量失準，因此，本次研究還增加了對皮膚溫度及加速度的測量的傳感器[8]。

圖1 系統總體框架Fig. 1 System framework

由于外界環境溫度的變化會影響到汗腺分泌情況，從而影響皮膚電反射信號，因此需增加一個溫度傳感器來研究溫度對皮膚電反射信號的作用效果。通過總線通信，可直接將溫度轉化成串行數字信號進行處理。

心率測量法有很多，其中較為成熟的有血氧法、光電容積法和心電信號法。具體來說，血氧法需要在人體組織足夠薄的地方才可以進行測量，目前只有人的指尖和耳垂符合要求，所以無法應用于智能手環上。心電信號法的測量需要2個測量電極處于身體較遠的兩點，無法配置在智能手環中，所以本次研究也隨即摒棄了這種測量方法。光電容積法的傳感器可適用于身體的大部分，且其體積較小。測量時，利用峰值波長為550 nm的綠光LED照射腕部皮膚表面，通過測量動脈血管的組織容積在心跳時造成的反射光強度變化，獲得微弱的心率信號[9]。這種方法對運動帶來的噪聲抵抗力較強，并可以使用加速度計去高效濾除運動噪聲，而且采用綠光可將因外界溫度變化造成的信號漂移降至最小，更加適合搭載到智能手環中。

2.2.2 睡眠癱瘓系統喚醒模塊設計

信號喚醒器的主要功能是接收到處理器發送的確認為睡眠癱瘓的指令后，啟動喚醒功能將用戶從睡眠癱瘓中喚醒。本次設計的喚醒器應具有體積小、省電、造價低廉、穩定性高的特點。在喚醒模塊的設計中，首先要利用情感計算得到的特征信號的頻率、幅值范圍設計確定驅動喚醒器的條件。接著，將調用使蜂鳴器在給定的條件下的運行程序，實現喚醒的功能。

喚醒器聲音要柔和，偏于刺耳的聲音會在相當程度上導致患者的緊張、焦慮，從而在醒來后難以再次入睡。在智能手環上設計試聽功能，用戶在調試后，可選擇自己更為喜歡的喚醒頻率。系統操作簡單，適合所有使用者調試。

3 睡眠癱瘓喚醒設備用戶體驗設計原則

研究可知。在智能穿戴設備的設計中，添加結合了設計對象、應用情境、用戶體驗等諸多因素后，將有助于推動智能穿戴設備由技術驅動型向用戶體驗驅動型的轉變。因此，在智能穿戴設備的設計中引入體驗設計的理念具有重要的意義。

美國認知心理學家Norman在《Emotional Design》一書中提到體驗設計的3種層次：本能層、行為層和反思層。依據交互設計之父Cooper提出的目標導向設計原則，若希望產品能夠滿足用戶的生理需求和心理需求，首先要達到用戶的目標。在關注汲取了由Norman提出的體驗設計的3個層次的基礎上，Cooper也創建研發了3種相對應的用戶目標：體驗目標、人生目標和最終目標[10]。

應用于本產品設計具體體現為：

(1)體驗目標：對用戶體驗本能層的認知。概括為用戶在使用產品過程中對于智能手環主體以及交互方式的體驗，例如手環的外形設計以及如何設定睡眠周期或是睡眠癱瘓喚醒方式等。

(2)最終目標：對應用戶體驗的行為層認知。體現用戶使用智能手環的主要動機，考量產品是否能夠在恰當的時間將用戶從睡眠癱瘓中喚醒，并符合自身的功能需求，同時還將具備自然、人性化的交互體驗。只有滿足了用戶的最終目標，才能夠贏得用戶的信任。

(3)人生目標：對應用戶體驗的反思層認知。體現了更深層次的用戶需求，挖掘用戶完成最終目標后的更深層次的使用動機，即為用戶營造充滿穩定、安全感的睡眠環境乃至培養用戶良好的睡眠習慣。達成用戶的人生目標是提高用戶使用黏度的關鍵。

結合研究過程中的睡眠癱瘓喚醒設備的設計要素及用戶體驗要素的需求描述，以直觀的視覺思維導圖制作用戶體驗模型，如圖2所示。

圖2 用戶體驗模型Fig. 2 User Experience Model

4 結束語

本文以智能手環為例，提出了一款睡眠癱瘓癥喚醒設備的設計方案。通過對皮膚電反應、體溫、心率等生理信號的數據采集，利用情感計算對這些生理信號進行分析處理，將用戶睡眠中所發出的各種生理信號與處于睡眠癱瘓中的標志信號進行匹配測驗，若發現與睡眠癱瘓的功能標志高度吻合的信號則判定用戶處于睡眠癱瘓，進而將用戶從睡眠癱瘓中及時喚醒。通過對睡眠癱瘓喚醒產品的探究，主要可得出如下研究結論：

(1)本研究從睡眠癱瘓特征信號是皮膚電阻減小、心率加快、體溫升高的特點入手，經過針對不同環境和各類睡眠人群展開實驗測試，提取變化規律，同時也切實排除了其他信號的干擾。

(2)通過對信號采集器、喚醒器的重點研發設計，完成睡眠癱瘓喚醒設備的部分設計方案。

(3)結合用戶體驗設計，該研究將為滿足不同層次的用戶需要提供有益借鑒。后續將不斷改進喚醒設備的準確率與交互方式，在提高用戶使用體驗的基礎上，為用戶營造更加安心的睡眠休憩環境，進而提高其生活質量。

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