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摘要:現(xiàn)代化社會的不斷發(fā)展促使人們的工作和學(xué)習(xí)節(jié)奏加快、生活壓力增大，也引發(fā)了很多睡眠障礙人群的出現(xiàn)，更為嚴(yán)重者出現(xiàn)了睡眠癱瘓，給人們的生活帶來了很大的困擾。本文以智能手環(huán)為例，利用情感計算的方法探討了睡眠癱瘓癥喚醒設(shè)備的設(shè)計構(gòu)想，擬通過對人的皮膚電反應(yīng)、體溫、心率等生理信號的數(shù)據(jù)采集，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對這些生理信號進行分析處理，將處于睡眠癱瘓狀態(tài)的用戶喚醒，期望解決睡眠癱瘓給人們帶來的困擾，提高其生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:睡眠癱瘓;情感計算;生理信號識別;用戶體驗

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(zhì)量有很大的影響。據(jù)世界衛(wèi)生組織的調(diào)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(yán)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(xiàn)的不能動彈的現(xiàn)象［1］。隨著現(xiàn)代人工作節(jié)奏的加快，這種狀況的發(fā)生也正日漸趨于復(fù)雜寬泛。而且，糟糕的睡眠狀況將會對人的學(xué)習(xí)、生活和工作造成極大的危害。因此，通過科學(xué)的方法和先進的技術(shù)設(shè)計研發(fā)一個睡眠癱瘓喚醒系統(tǒng)，對于改善人們的睡眠質(zhì)量、提高人們的健康水平和生活質(zhì)量具有一定的現(xiàn)實意義。

1睡眠癱瘓的特征、形成原因及其危害

依據(jù)腦電圖表現(xiàn)，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(jīng)歷的睡眠周期個數(shù)為3～5個左右［2］。睡眠癱瘓大多發(fā)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(dǎo)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(tài)。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(tài)，而造成意識指揮失靈的情形。此種情況下，人們因身體出現(xiàn)異常狀態(tài)而大腦又無法迅速對其進行解釋，從而產(chǎn)生恐懼、驚悚等情緒、甚至產(chǎn)生幻覺。睡眠癱瘓作為一種睡眠障礙現(xiàn)象，一般情況下不會導(dǎo)致嚴(yán)重后果，但是如果頻繁的發(fā)作仍會對人們正常的工作和休息產(chǎn)生影響。這種現(xiàn)象在人類的幼齡期占據(jù)了較高比例。研究表明大約有10%～50%的兒童在3～5歲時常發(fā)生噩夢［3］。大約5%的患者會記得一次或幾次幼年發(fā)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(fā)生。隨著社會的發(fā)展進步，人們的工作、學(xué)習(xí)和生活壓力也越來越大，生活不規(guī)律、熬夜、失眠以及焦慮已經(jīng)成為了許多人的生活常態(tài)，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(fā)生率大幅提升，并且伴有高齡化趨勢。這種較高的恐懼狀態(tài)在女性身上的表現(xiàn)也更加強烈與明顯。大多數(shù)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(fā)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(huán)。第二天起床后，恐懼的夢境以及疲憊的身心狀態(tài)甚至?xí)绊懸徽旃ぷ鳌W(xué)習(xí)。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(diào)控和治療，醫(yī)生對這一困境則除了增強身體素質(zhì)和調(diào)整生活狀態(tài)的建議外也并未提供更好的答復(fù)，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(yī)療頑疾。在此背景下，隨著時下信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，就可以利用計算機技術(shù)來捕捉并處理情感，在人們發(fā)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(chuàng)建模型，研發(fā)得到具備分析解釋能力的計算系統(tǒng)?；诖?，將可智能識別出作為睡眠癱瘓標(biāo)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(shè)備總體設(shè)計

2．1睡眠癱瘓喚醒設(shè)備可行性研究

情感計算的概念是由美國麻省理工學(xué)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(guān)的、由情緒引發(fā)的、或是能夠影響情緒因素的計算［4］。人的情緒不僅包括內(nèi)心感受和外部行為，而且還包含復(fù)雜的神經(jīng)活動和生理變化。這些情緒可由表情、語音、姿態(tài)、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(xué)真實，可以通過儀器的測試來獲得更加客觀有效的結(jié)果。情感計算作為計算機科學(xué)、心理學(xué)和認知科學(xué)的交叉學(xué)科，其研究旨在使計算機解釋人類的情感狀態(tài)，并根據(jù)人類的情感狀態(tài)改變?nèi)祟愋袨?，以適應(yīng)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(zhì)量，為實現(xiàn)人機的和諧交互提供了現(xiàn)實可能。在情感計算發(fā)展的同時，可穿戴式設(shè)備的應(yīng)用也于近年快速流行起來。從2015年開始，可穿戴式設(shè)備的款式激增、并形態(tài)紛呈。其中，手腕式可穿戴設(shè)備，即智能手表或手環(huán)因其功能齊全、攜帶方便等優(yōu)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(huán)。這些可穿戴式智能裝備大多可藍牙同步手機打電話、收發(fā)短信、監(jiān)測睡眠、監(jiān)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(jiān)測功能就讓人們對自己的睡眠質(zhì)量和休息水平建立了具體掌控機制，利于人們合理調(diào)節(jié)自身作息。那么在睡眠這個問題上，除了監(jiān)測睡眠時間與睡眠周期，智能手表或是手環(huán)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(shè)備的發(fā)展為這一設(shè)想提供了豐富的理論依據(jù)和實現(xiàn)途徑。本文將以智能手環(huán)為例，針對這一領(lǐng)域展開如下的研究與論述。

2．2睡眠癱瘓喚醒系統(tǒng)總體設(shè)計

睡眠癱瘓喚醒設(shè)備主要分為采集器、處理器和喚醒器三部分。系統(tǒng)在用戶處于睡眠狀態(tài)后獨立運行，當(dāng)監(jiān)測到或是由用戶主動調(diào)節(jié)到睡眠模式后，各個傳感器能夠?qū)τ脩舻母鱾€生理信號進行數(shù)據(jù)采集，通過信息處理器利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)信息比對、處理，在確認用戶處于睡眠癱瘓狀態(tài)后由喚醒器及時對用戶進行喚醒。當(dāng)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(zhèn)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(xiàn)象稱為皮膚電反射(GalvanicSkinResponse，GSR)［6］。皮膚電阻的變化能同時反映交感神經(jīng)的活動，這種活動往往表現(xiàn)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(biāo)。以往關(guān)于恐懼研究也都采用皮膚電作為指標(biāo)，并且得到了較為可靠的實驗結(jié)果。所以本系統(tǒng)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(gòu)成。系統(tǒng)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2～50kΩ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(shù)而言十分微小，若要進行觀測、分析就需要對其融入放大設(shè)計。基于上述特點，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(nèi)溫度的差異往往也會導(dǎo)致生理信號測量失準(zhǔn)，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。由于外界環(huán)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(zhuǎn)化成串行數(shù)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(yīng)用于智能手環(huán)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(huán)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550nm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(huán)中。

2．2．2睡眠癱瘓系統(tǒng)喚醒模塊設(shè)計

信號喚醒器的主要功能是接收到處理器發(fā)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(shè)計的喚醒器應(yīng)具有體積小、省電、造價低廉、穩(wěn)定性高的特點。在喚醒模塊的設(shè)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(shè)計確定驅(qū)動喚醒器的條件。接著，將調(diào)用使蜂鳴器在給定的條件下的運行程序，實現(xiàn)喚醒的功能。喚醒器聲音要柔和，偏于刺耳的聲音會在相當(dāng)程度上導(dǎo)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(huán)上設(shè)計試聽功能，用戶在調(diào)試后，可選擇自己更為喜歡的喚醒頻率。系統(tǒng)操作簡單，適合所有使用者調(diào)試。

3睡眠癱瘓喚醒設(shè)備用戶體驗設(shè)計原則

研究可知。在智能穿戴設(shè)備的設(shè)計中，添加結(jié)合了設(shè)計對象、應(yīng)用情境、用戶體驗等諸多因素后，將有助于推動智能穿戴設(shè)備由技術(shù)驅(qū)動型向用戶體驗驅(qū)動型的轉(zhuǎn)變。因此，在智能穿戴設(shè)備的設(shè)計中引入體驗設(shè)計的理念具有重要的意義。美國認知心理學(xué)家Norman在《EmotionalDesign》一書中提到體驗設(shè)計的3種層次:本能層、行為層和反思層。依據(jù)交互設(shè)計之父Cooper提出的目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計原則，若希望產(chǎn)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(biāo)。在關(guān)注汲取了由Norman提出的體驗設(shè)計的3個層次的基礎(chǔ)上，Cooper也創(chuàng)建研發(fā)了3種相對應(yīng)的用戶目標(biāo):體驗?zāi)繕?biāo)、人生目標(biāo)和最終目標(biāo)［10］。應(yīng)用于本產(chǎn)品設(shè)計具體體現(xiàn)為:(1)體驗?zāi)繕?biāo):對用戶體驗本能層的認知。概括為用戶在使用產(chǎn)品過程中對于智能手環(huán)主體以及交互方式的體驗，例如手環(huán)的外形設(shè)計以及如何設(shè)定睡眠周期或是睡眠癱瘓喚醒方式等。(2)最終目標(biāo):對應(yīng)用戶體驗的行為層認知。體現(xiàn)用戶使用智能手環(huán)的主要動機，考量產(chǎn)品是否能夠在恰當(dāng)?shù)臅r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(biāo)，才能夠贏得用戶的信任。(3)人生目標(biāo):對應(yīng)用戶體驗的反思層認知。體現(xiàn)了更深層次的用戶需求，挖掘用戶完成最終目標(biāo)后的更深層次的使用動機，即為用戶營造充滿穩(wěn)定、安全感的睡眠環(huán)境乃至培養(yǎng)用戶良好的睡眠習(xí)慣。達成用戶的人生目標(biāo)是提高用戶使用黏度的關(guān)鍵。結(jié)合研究過程中的睡眠癱瘓喚醒設(shè)備的設(shè)計要素及用戶體驗要素的需求描述，以直觀的視覺思維導(dǎo)圖制作用戶體驗?zāi)Ｐ?，如圖2所示。

4結(jié)束語

本文以智能手環(huán)為例，提出了一款睡眠癱瘓癥喚醒設(shè)備的設(shè)計方案。通過對皮膚電反應(yīng)、體溫、心率等生理信號的數(shù)據(jù)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(fā)出的各種生理信號與處于睡眠癱瘓中的標(biāo)志信號進行匹配測驗，若發(fā)現(xiàn)與睡眠癱瘓的功能標(biāo)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(chǎn)品的探究，主要可得出如下研究結(jié)論:(1)本研究從睡眠癱瘓?zhí)卣餍盘柺瞧つw電阻減小、心率加快、體溫升高的特點入手，經(jīng)過針對不同環(huán)境和各類睡眠人群展開實驗測試，提取變化規(guī)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(fā)設(shè)計，完成睡眠癱瘓喚醒設(shè)備的部分設(shè)計方案。(3)結(jié)合用戶體驗設(shè)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(xù)將不斷改進喚醒設(shè)備的準(zhǔn)確率與交互方式，在提高用戶使用體驗的基礎(chǔ)上，為用戶營造更加安心的睡眠休憩環(huán)境，進而提高其生活質(zhì)量。

參考文獻

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作者:楊博雅 原松梅 單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)