智能助眠墊的設計研究

【關鍵詞】聲波助眠；腦波助眠；睡眠監測；睡眠分析

引言

隨著社會的進步、經濟的發展和人們生活水平的提高，人們對睡眠質量的要求也越來越高。由于失眠誘發的各類并發癥和健康問題（如血壓升高、糖尿病風險增加、免疫功能下降等）導致人們身心健康受損，因此睡眠障礙問題也越來越受到人們重視。

目前，智能助眠床墊設計研發大部分集中在人體工學及按摩穴位這個方向，為此，本文將從以往較少被討論的材料選型、系統組成、助眠工作原理等方面，闡述智能助眠床墊的設計。

一、功能要求

監測睡眠質量、心率、呼吸頻率、體動等參數，并能夠通過調節手段（如聲音、光線、振動等）幫助用戶放松和入眠，給用戶提供優質的睡眠建議和完整的睡眠報告[1]。

二、智能助眠墊系統組成

（一）助眠床墊模塊

助眠床墊模塊由電路艙組件和檢測模塊組成，檢測模塊主要負責各類人體生命特征（心率、呼吸、體動等）的實時采集，電路艙組件主要負責對各類傳感器采集的數據進行初步處理和分析，其外形圖參考如圖1所示。

1.電路艙組件

電路艙組件主要由7075航空鋁和優質碳纖維材質加工而成的結構件、音頻功放及各類硬件控制組件裝配而成，其艙內防塵防水，可確保電路硬件性能穩定不受外界沖擊干擾。為提高產品外觀，艙體鋁合金表面采用噴砂和陽極氧化處理[2]。

7075航空鋁普遍用在計算機數字控制（Computer Numerical Control，CNC）切削制造的零部件，適合高強度配件。經過陽極氧化處理后的鋁及鋁合金表面能生成幾微米至幾百個微米的氧化膜，這層氧化膜能夠有效保護內部原材料。比起鋁合金的天然氧化膜，陽極氧化后的7075航空鋁的表面硬度、耐蝕性、耐磨性和外觀裝飾性都有顯著的改善和提高。

碳纖維是高強度、高模量的新型纖維材料，其使用溫度可達150～300℃，其耐溫性能非常規塑料可比擬。碳纖維的密度小，外形呈纖維狀，由于其石墨微晶結構沿纖維軸方向擇優取向，因此沿纖維軸方向的模量和強度優于另一方向，產品設計時需根據此特性選擇合適的受力方向[3]。

音頻功放選用的是帶數字音量控制并防電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）的音頻功率放大器，它有以下優點：第一，其在各類音頻終端應用中維持高效率并提供AB類放大器，具備高保真、低噪聲的性能，可以降低內阻和熱耗，極大提升輸出功率和產品的可靠性；第二，它具有優異的全帶寬EMI抑制性能，減小了輻射和傳導干擾，有全低噪應用、高信噪比、高保真的特點；第三，它通過免濾波器數字調制，直接驅動揚聲器；第四，它將獨立聲道關斷，具備靜音功能，過流、過熱、欠壓異常保護功能等。

2.檢測模塊

檢測模塊主要由醫用硅膠加工而成的硅膠墊和各類傳感器裝配而成。該硅膠墊柔軟舒適，配合人體工學結構設計，使人體在睡眠助眠檢測時無不適感。

醫用硅膠是美容醫學中應用相當廣泛的生物材料，應用較多的是固體硅膠。硅膠具有良好的生物相容性，對人體組織無刺激性、無毒性、無過敏反應，且能耐高溫，可消毒，是一種相當穩定的惰性物質。

3.壓電傳感器

智能助眠墊采用的表面鍍銀的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）壓電薄膜傳感器。具有極高的直流阻抗、良好的壓電效應、超寬的工作頻帶，且由于其柔軟、可卷曲，非常適合應用于人體皮膚表面的生命體征信號監測。一些薄膜元件靈敏到足以隔著外套探測出人體脈搏和呼吸心跳等關鍵生命特征。

4.壓阻式傳感器

壓阻式傳感器的工作原理利用了單晶硅材料的壓阻效應：單晶硅材料在壓力的作用下，電阻率會發生變化，通過測量電路就可得到正比于壓力變化的電信號輸出，然后利用集成電路技術制成傳感器成品。壓阻式傳感器非常適合在位、離位市場的應用[4]（本案中的應用是在床、離床的信號檢測）。

（二）顱電刺激療法助眠模塊

顱電刺激療法（Cranial Electrotherapy Stimulation，CES）助眠模塊由3D眼罩和CES控制模塊裝配而成。3D眼罩一方面通過骨傳導耳機播放助眠音樂，一方面通過磁吸電極發送特定頻率和電流的電信號以刺激用戶神經纖維，從而達到助眠效果。其外形圖參考如下：

1. 3D眼罩

3D眼罩表面采用萊卡絨毛材質，質感親膚、柔軟、絲滑。眼罩形狀根據人體眼部立體輪廓設計，采用模壓一體成型工藝，佩戴舒適不漏光，不壓迫眼睛。眼罩內部鑲嵌骨傳導耳機和醫用磁吸電極。

空氣傳導是傳統聲音的傳輸方式。外界聲音經過耳道引起耳膜震動，觸發聽覺；而骨傳導是通過顱骨將聲音直接傳至聽覺神經，傳播途徑跳過了耳道，這樣人們通過聽覺神經就能感知聲音[6]。通過顱骨傳播的聲音經過耳朵與喉管之間的骨頭直接到達內耳，聲音的音色和能量的衰減、變化相對較小。骨傳導耳機相較于傳統耳機更安全、更衛生、更健康，因為傳遞聲音時無需入耳，所以佩戴更舒適，長時間使用也不會產生耳鳴、耳痛，能更好地保護聽力。

醫用磁吸電極片是一種利用電磁波進行治療的醫療器械，它通過貼敷在人體特定部位，將電療設備產生的電刺激信號傳導至皮膚，以達到緩解疼痛、促進血液循環、增強肌肉力量等治療效果。此類電極片通常由導電材料制成，具有良好的導電性和粘附力，可以在不移動的情況下保持與皮膚的緊密接觸，確保電流的有效傳遞。磁吸型理療電極片的治療效果受到了廣泛的認可[5]。

2. CES控制模塊

CES控制模塊與3D眼罩采用磁吸分體設計，可輕松拆洗，易打理。

磁吸結構設計是指利用磁力吸附的原理，設計出能夠吸附在特定表面上的結構[6]。磁吸結構設計的關鍵在于選擇合適的磁性材料和設計合理的磁路結構，通常需要考慮吸附力大小、穩定性、耐磨性等問題；此外，需要考慮磁場的影響，尤其在電子和醫療領域，需要保證磁場對周圍環境的干擾最小化。綜上，磁吸結構設計是一項綜合性的工程設計，需要考慮多方面因素，對提高產品性能和效率具有很大的促進作用。

CES控制模塊內置雙聲節拍及多種助眠音波，使用時能通過骨傳導耳機，有效地降低使用者的心率、促進神經遞質分泌，使其快速產生睡意。

（三）控制器軟件模塊

軟件部分主要由數據采集處理模塊、數據存儲管理模塊、用戶界面及調節控制模塊等組成。

數據采集處理模塊從各類傳感器收集數據后會進行預處理，提取關鍵的睡眠和生命特征，通過算法評估用戶的睡眠質量和應激狀態。

數據存儲管理模塊會將本地存儲的用戶數據上傳至云端備份并進一步分析。數據在存儲和傳輸過程中會進行加密處理，以確保數據的安全性。

用戶界面及調節控制模塊通過APP操作界面控制調節助眠音樂及多組脈沖發射源陣列以切換不同的助眠模式，睡眠結束后，用戶可通過APP或管理后臺查看用戶睡眠質量數據。軟件的工作流程如圖3所示。

三、助眠功能工作原理

（一）脈沖磁共振脈沖磁微循環

脈沖磁共振（Pulsed Magnetic Resonance，PMR）應用仿生脈沖磁共振原理，結合極低頻電磁導入技術及空間電磁場控制技術，通過多組脈沖發射源陣列重組，發射極低頻脈沖電磁場（Pulsed Electromagnetic Field，PEMF），改變原子核自旋，使細胞膜在原有電位的基礎上，產生新的跨膜電位，改變膜表面的電荷分布，達到糾正血流變指標，改善血管舒張功能，促進血液循環，進而改善骨骼、肌肉、血液及其他病理狀態，使組織微循環得到良好的修復的目的。

許多疾病的發生、發展都與微循環障礙有關。微循環障礙被醫學界稱為“百病之源”，在組合頻率范圍內，合理的旋轉磁場和恒定磁場可改變人體血液流變特性，促進血液微循環，降低血液黏度。利用脈沖磁微循環原理可緩解用戶緊張、焦慮等情緒，使其放松身體，達到助眠效果。

（二）經皮電刺激神經療法

經皮電刺激神經療法（Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation，TENS）是一種非藥物治療方法，通過在患者的皮膚表面放置電極，發送特定頻率和電流的電信號，以刺激神經纖維，其作用是減輕疼痛、促進局部循環、減少肌肉痙攣等。

當人進入深睡狀態時，大腦產生的是δ波，這是人們沉睡無夢時發出的腦波，頻率范圍1.5～4 Hz；當人感到睡意朦朧時，大腦產生的是θ波，這是人們沉于幻想或剛入眠時發出的腦波，頻率范圍4～8 Hz；當人放松身體、大腦活躍、靈感不斷的時候，大腦產生的是α波，α腦波是當人們放松身心、沉思時的腦波，頻率范圍8～12 Hz；當人處于緊張、焦躁狀態下，大腦產生的是β波，β腦波是一種有意識的腦波，頻率范圍13～25 Hz。

腦波紊亂，擾亂生物鐘，是失眠的主要原因。大腦中的腦波左右著我們的生物鐘。腦波過于活躍，沒有睡意，失眠就產生了。腦波讓人有了睡意再上床，睡的就快，反之早早上床等著睡，往往是欲速則不達。

TENS技術通過激發大腦前腹內側延髓（Rostral Ventromedial Medulla，RVM）和導水管周圍灰質（Periaqueductal Gray，PAG）核心區域，刺激睡眠因子分泌，放松腦部神經，自發產生睡意。低頻脈沖刺激內啡肽生產，使用戶迅速進入δ波，以物理作用達到腦部共振，促進深度睡眠[7]。

（三）助眠音樂療法

助眠音樂是常見的音樂療法，也叫治療音樂或心靈修復音樂。和常見的音樂不同，它不是簡單的純音樂或歌手用的背景音樂，而是能把大腦從興奮慢慢引導到平靜狀態的音樂。催眠音樂主要有環境音樂（青蛙、小鳥、蟋蟀、水滴、流水），太空音樂（營造空間感氛圍），精神音樂（放松心情、釋放負面情緒）等類型。催眠音樂配上催眠師的語言能讓聽者身心逐漸放松并緩慢進入美妙夢境，在此過程中，聽者會隨著大腦放松而進入睡眠狀態。催眠音樂對緩解睡眠障礙，釋放憂傷、煩躁、痛苦等負面情緒和治療自卑、抑郁、焦慮、恐懼等心理疾病有非常好的效果，解決了使用藥物可能有副作用的問題。

結語

本研究通過智能助眠墊的設計，深入探討了脈沖磁微循環技術、經皮電刺激神經療法以及助眠音樂療法在該產品中的創新應用，全面闡述了智能助眠墊的科學助眠原理及其系統化的組成結構。隨著現代社會對健康生活品質要求的不斷提升，以及科技的飛速進步與創新，智能助眠墊作為一種集科技與健康于一體的輔助檢測設備，正逐步展現出其獨特的魅力和價值。未來，它必將在改善睡眠質量、促進身心健康方面發揮更加重要的作用，贏得越來越多消費者的青睞與廣泛關注。