基于腦電波的助眠眼罩

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注，睡眠質量已經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。睡眠質量以及如何更快、更好地入睡成為研究熱點。隨著現代科技的飛速發展，腦電信號的采集和分析等技術也取得了顯著成就。目前，大部分助眠手段都采用腦電波進行睡眠監測和睡眠分期，還有一些通過腦電波制作腦波音樂，以達到助眠的效果，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，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，并且有數據作為查詢分析的依據，可以為后續的治療提供幫助。

1 總體邏輯設計

該文設計的助眠眼罩以iOS 蘋果手機為客戶端，藍牙連接眼罩設備，通過單片機控制整個系統，實現設備間的信息互通。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，單片機負責控制切換音樂以及進行入睡檢測。

2 App 軟件系統結構

軟件系統主要為蘋果的iOS 系統客戶端軟件，電路板包括腦電芯片、單片機、藍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控制藍牙音樂輸出以及判斷后續入睡檢測等功能。

手機軟件主要完成監測腦波數據、判斷入睡時間、智能喚醒以及界面控制等任務。單擊手機軟件界面連接按鈕就會自動彈出小窗口跳轉藍牙開啟界面，軟件藍牙連接流程如圖1 所示。藍牙連接成功后，可以通過眼罩前片的物理按鍵控制盒發出控制指令，也可以通過App 發出控制指令，實現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）腦波數據的監測。記錄用戶每次使用腦波眼罩時的實時數據，并將數據存儲到軟件的統計歷史數據中，方便用戶查看。在實時數據界面，軟件展示了4 組數據，包括原始波、放松值、占比指數以及音樂的評分。放松值以時間點為橫坐標軸，以0～100 為縱坐標軸，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/關機按鍵、上/下首切割按鍵以及音量大小調節按鍵。軟件界面還設置了AI 模式和自主模式，可以通過腦波數據智能切歌。

圖1 手機軟件藍牙連接邏輯圖

3 硬件系統結構

3.1 腦電傳感模塊的數據采集

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據，數據通過運算可以得到原始腦電波數據。芯片的數據通過藍牙模塊的通信協議直接發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，導電率比其他金屬高。腦波信號通過單片機處理后，通過藍牙協議發送數據給App，以實現采集腦電波數據的功能[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確吻合，眼罩電極的采集點須根據國際通用的腦電10-20 系統電極放置法，接地電極設置在額頭居中位置，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額頭處，位于FPz（額極中線）左側10%位置上。而參考電極選擇放置右側額頭處，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 系統圖

根據《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，取百分位數為90%的數據（375 mm），而女性的頭矢狀弧百分位數為90%的數據（349 mm），取平均值為362 mm，FPz（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。采集電極設置在左前額Fp1處，參考電極放置于右前額Fp2處。根據人體頭部尺寸及部位圖中26～35 歲男性的頭圍取百分位數為90%的數據（587 mm），而女性的頭圍取百分位數為90%的數據（573 mm），取平均值（580 mm），根據Fp1位于FPz（額極中線）左側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 眼罩本體結構設計

4.1 眼罩本體設計

根據工業設計的外觀效果圖及3D 模型圖紙分析，該眼罩本體考慮內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，因此眼罩設計為前、后2 片的單獨結構，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合好面料，前片為全滌面料，背面為透氣的網格布料，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 按鍵盒結構設計

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，數據傳導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面則為0.1 mm的間隙配合，這樣設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，按鍵盒整體結構如圖5 所示。

圖4 卡扣尺寸圖（單位：mm）

圖5 按鍵盒結構

5 試驗測試及結果分析

5.1 入睡時間判斷分析

人的腦電波在不同睡眠階段會發生相應的變化，每個階段都有其獨有的特征。通過分析不同睡眠狀態下的腦電波信號不同波的能量變化趨勢，可以對睡眠狀態進行判斷。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據導入算法，以計算入睡時間點。對內部試驗人員睡眠腦波的監測數據（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測設備時間吻合。

圖6 睡眠時δ 頻段腦波功率變化圖

5.2 睡眠監測

睡眠監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，改善睡眠質量。腦電波原始波形圖是客觀評價睡眠質量的重要手段，通過研究發現，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]。通過志愿者睡眠監測結果得出，入睡前后10 min 內，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值分析，結果見表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 結語

該文從軟件結構說明、眼罩結構設計以及入睡判斷等方面簡要概述了腦電波助眠眼罩的設計，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變化，未來將進一步通過腦電波的原始波分析、提取并結合其他更多的生理參數更準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。