改善睡眠质量硬件及监测手段的研究

费叶琦 焦立炜 ，齐加胜 ，牛子铭 ，郭峻伟 ，朱皓辉

(1.南京理工大学紫金学院智能制造学院，南京210046；2.南京林业大学机械电子工程学院，南京210037)

近年来，随着社会发展，生活处处伴随着压力，为了更多的工作机遇及晋升空间，成年人不断的压缩休息时间，在社会工作、生活、房贷、车贷等各种强压之下，仅存的一点睡眠休息时间也常伴随着失眠、焦虑。临床常见的精神疾病焦虑症通常是由失眠引起的，并发有无法入睡、噩梦频发、多次惊醒等恶性症状，也会诱发其他的精神疾病，如双相障碍等，从而严重影响正常生活与工作。

据中国睡眠研究会研究［1］表明：在 18～44 岁区间段的四万受访者中，76%的人没有优质睡眠，46%的人无法在睡眠后完全恢复精力。Grubb S［2］等的研究表明，深度睡眠时脑脊液会对大脑进行清洗，清除脑内毒素。相同时间内，高质量的睡眠较浅度睡眠能更高效恢复精力和体力。因此，在无法保证充足睡眠时长时设法提高睡眠质量才是研究重点。

为了解决睡眠质量低下的问题，社会重点研究了多项能够提高睡眠质量的手段，本文针对影响睡眠的温度、 床垫属性以及对睡眠质量监测的硬件设备进行了展开论述，并对后期提高睡眠质量硬件方面的改进方向提供了一定意见及展望。

1 不同温度调节设备在睡眠时的调节手段

百年前人们就开始研究睡眠这一生理状态，研究了睡眠的机制及睡眠质量影响因素。据朱旻琳［3］研究中指出，温度与睡眠的相互影响有一定的生理基础，在睡眠时，身体调温机能会受到抑制，而人体对环境变化的感知更为敏感。丁迩［4］研究发现，温度与睡眠质量的耦合关系可以通过改变温度来改善睡眠质量。兰丽［5］等研究发现，当床褥系统热阻为 1.8clo且热中性温度为28 ℃时，睡眠质量最优。睡眠环境过冷或过热都会影响睡眠质量，因此调节睡眠环境温度可以显著改变睡眠质量，最常用的控温设备为空气调节器和接触式电暖设备。

空气调节器(Air Condition)利用设备内部介质的物理形态变化所产生的吸、放热来辐射空气，将设备内部的空气吹出达到调控温度的目的，从而来影响睡眠环境。张宇峰［6］研究表明，寝具隔热保温效果不佳时，细小的温度变化也会对睡眠质量造成较大影响。睡眠时体表温度会按一定曲线变化，如何提高夜晚空调工作时的睡眠质量，重点在于如何根据用户的睡眠状态调节空调运行参数，从而提高舒适度。洪伟萍［7］、罗继杰［8］等的研究表明，需要针对不同地区人群习惯来调整温控手段。因此，在温度控制中，怎样能合理调节硬件温度满足个性化的需求成为睡眠影响中必须考虑的问题。针对此，陆子民［9］设计了一种控制装置，能周期性监测睡眠环境温度，再据反馈数据调整空调温度，实现用户睡眠时舒适温度曲线的最大程度拟合，精准动态调节环境温度。市场上各大品牌在空气调节方面也有很多改进，如格力冷静悦品牌空调，根据睡眠习惯分为多种睡眠模式，如：午睡、舒睡模式等，用户可根据自身喜好设定，但设定按键不可调，不能完全贴合每位用户需求；海尔的净界变频空调，可自动监测使用环境来改变送风模式，升级PID 智能控制模式，节能环保，且能智能设置运行模式，在睡眠时自动迎合睡眠曲线，此款产品在前面技术的基础上植入了智能调节的理念，但用户对该系列功能的认知度还不高，以至于产品的该功能未得到市场普及使用。

相对于空气调节器，接触式的电暖设备一般放置于床上，与体表直接接触，从而提供大量热量，达到供温的目的。邓志坚［10］在电暖装置中添加有温控设备，在预设范围内能智能调节温度，从而有效避免低温和烫伤。孙双武［11］发明了一种具有多个独立控制区域的电热毯，可根据人体不同区域的感温程度设置有不同的控温程序，较于传统电热毯而言温度控制方面更加灵活、方便。付存谓［12］等发明了一种适配于智能床的电热毯系统，在电热毯中放置有压力传感器，可根据压力反馈分析出当前传感器所对应的人体部位，通过控制模块再对相应部位执行加热/关闭加热的功能，且每块发热区域独立控制。这种系统减少了发热系统对床体的损害，在温度控制上更加精细与方便，贴合用户各部位需求。而市场上，接触式的电暖设备也应用较为广泛，如彩虹、彩阳，两品牌系列电暖产品都能分区域控温，用户可根据自身需求进行调控。当前电暖装置对于控制系统改进多为加热功能区域单元化，而易忽视调温过程中对人体睡眠造成的不适感，可考虑在控温过程中将温度变化曲线拟合趋于平滑曲线，从而减小温度改变对睡眠的影响。

在睡眠环境体感温度中可考虑研究重点放在如何提高硬件温控的智能化程度方面，结合物联网技术，收集用户睡眠环境信息，建立数据库，进行大数据计算分析并对比相近用户的睡眠曲线(包括睡眠时间、睡眠状态、睡眠阶段等参数)后迭代优化，从而定制个性化睡眠模式。

2 利用不同床垫物理属性提高睡眠质量

人睡眠载体是床垫，床垫支撑人体所有的重量。万昌园［13］研究表明，每个人的睡眠姿态各有不同，如：原木式、海星式、胎儿式。因此选择一个合适床垫是高质量睡眠的重要基础。方菲［14］、任林燕［15］研究表明，不同人的不同睡姿在匹配不同软硬程度的床垫时，软硬合适的床能够均分人体自重给予床的压力，提供有效腰部支撑，减缓肌肉酸疼。以下从影响睡眠的床垫种类出发，对现常见床垫弹簧床、特殊床垫两大类进行论述。

目前市面上最受欢迎的是弹簧床。郭鸿杰［16］、王楚怀［17］等研究发现传统弹簧床软硬程度固定，无法调节，部分硬质弹簧形变量小，无法随着身体曲线变形，不能贴合身体曲线提供支撑力，长时间使用会导致肌肉紧绷、酸疼，软质弹簧由于形变量大无法有效的提供支撑力，也会导致不适感。因此弹簧床要软硬合适，支撑力均匀，不产生压迫，有效舒缓身体，睡眠更加安稳，容易入睡。为此，杨进松［18］发明了可调软硬弹簧床，将弹簧床内部弹簧分区，单元间并排排列，用户可根据自身喜好调节每块单元弹簧弹力，起到调节床垫软硬的目的。黄林林［19］发明的一体床架可调式弹簧床垫，在床垫中架设有可调床架，利用床架变形可将床垫折叠成不同形状以适应用户睡眠姿势，并在弹簧床垫上设有海绵垫，在满足弹力的基础上增加用户体感舒适度。目前市场上如金可儿与席梦思的定制床垫，可根据用户提供的个人参数及需求精准分区并计算每块区域弹簧软硬，为用户不同部位提供更为细致的压力支撑，但价格昂贵，普遍售价在近万元。从现常见弹簧床发现：大部分弹力不可调或用户手动调节但操作繁琐，并且部分品牌定制床垫价格过高。因此，可考虑控制成本的基础上，对现有弹簧床调节方式上采用更为便捷、“傻瓜式” 的按键实现，且实时反馈软硬程度给用户，让用户更直观感受弹簧床垫的调节效果。

除上述介绍，近年来市场上也陆续涌现不同品牌系列床垫，相比传统床垫，通过在使用中改变床垫物理属性或改变床垫外形曲线等方式来贴合睡眠时的身体躺卧曲线，部分厂商在此基础上增加了控制系统与检测系统，用户可根据需求与自身状况来自定睡眠系统，定制适合自身的床垫，拥有更好的睡眠质量。如克劳斯·柏林霍特［20］等发明的一种智能活动床垫，床垫由多段排骨架排列床板及配套床垫组成，用户可根据自身需求，通过床架内置驱动来改变床垫形状。现市场常见的智能床垫一般均具备此类功能，智能化程度不高，且区别只存在于变形量与变形位置，且此类床垫的不同品牌价位均超出了普通用户可接受范围，如国外品牌中索菲利尔和舒达，国内品牌舒福德和路福等。程学军［21］发明的智能调节软硬床垫，弹簧与气囊组成软硬支撑系统，通过压力传感器监测弹簧压力反馈至控制系统，控制系统计算出弹簧变形量后根据用户设定模式自动调节。其中：自动模式下可利用闭环系统调节气囊充放气状态；手动调节模式下可实现对部分区域气囊控制。孙成俊［22］等发明的智能自动调节床垫，床垫有舒适层、 传感层、缓冲层、气囊层四层分层。其中，传感层能够收集用户睡眠资料，能够每日反馈至配套APP 上，进行睡眠质量评分以及疾病预警，分析系统可根据睡眠状态不同做出相应的睡眠建议，更加贴心与健康。但该类智能程度较高的床垫目前还未大规模投产使用。品牌中如格兰莫尔床垫，能够全自动调解床垫参数，适应用户睡眠姿态，缓解肌肉紧绷，疏通血液保证脊椎健康，适应不同用户，每日监测睡眠质量并反馈予用户。

从目前的整体市场来看，智能床市场所销售的品牌调节模式相似、功能单一，不能满足用户对高质量睡眠的需求；另一方面，多功能床垫售价过高，普通用户无法承担，因此未来发展应当考虑控制成本的同时，简化智能床结构，便于维护及提高可靠性的基础上融合多种助眠手段，将控制系统融入家庭智能家居物联网系统之中，提高使用的舒适性与便捷性。

3 监测手段对于睡眠质量提升的必要性

睡眠是重要的生理活动，在改善睡眠质量前要明确当前的睡眠问题，以“对症下药”。张发华［23］等研究表明，脑电波、心电、体动、脉搏等多种体征信号能够客观高效的反映出睡眠质量。因此可通过监测这些信号来判定人的睡眠质量和状态，以及找到解决方法。为减少检测过程对睡眠的影响，普通用户应选择非侵入式的监测手段，当前常用的非侵入式监测方式有：穿戴式脉搏血压监测方式、非接触式监测方式。

穿戴式脉搏血压监测方式，即通过监测血压脉搏的方式来判定用户的睡眠情况。如，刘思佳［24］研究出了能将检测设备贴于手心的监测设备，特定时间收集用户的心跳、脉搏、呼吸等数据参数，将数据反馈至联动APP，并自动整理后以表格形式输出，此类设备特供于医疗，便于患者与医生通过APP 实现信息无障碍互通以及医生实施远程救助。吴建平［25］等发明的穿戴式睡眠检测仪及配套监测方法，可在用户睡眠时监测用户血氧饱和度、肌电信号、脑电信号以及鼾声信号，医生可根据用户反馈数据来判断用户睡眠状态并提出相应建议。随着血压脉搏的监测越来越多地用于家庭，便携性需求日益增加，出现了更多的通过穿戴在手指、 手臂或其他部位来测出血压的便携性设备，如国内华为、小米等知名品牌销售的运动手表等。

穿戴式脉搏血压监测方式人与设备密切接触，而非接触式监测方式则依赖于传感器等非直接采集或采集非人体信号的变化，如人体对床垫的微小压力变化，并进行相关参数的收集、计算，得出睡眠时体态的变化情况。针对体动可从一定程度上分析出睡眠的质量，谢静［26］等设计的微敏式床垫检测系统可通过改变压敏传感器阵列方式来监测微小动感，如转体动作、心跳冲击、呼吸起伏等。郑亮［27］发明的智能监测床垫，可采集用户睡眠时的心跳、呼吸和离床信息，生成睡眠报告，为用户改善睡眠提供参考。相比于穿戴式的检测方式，这种通过压敏来监测睡眠质量的方式更加舒适，不需要穿戴任何附加挂件，且技术成熟，市场上已有的此类床垫品牌有美国杰西、日本百利达等。另一方面，人体在不同睡眠状态下向外界散发出的“信号(如：声音、温度等)”是不同的，可通过收集这些信号来分析出当前睡眠状态。Du［28］、Feng［29］等研究发现生物雷达可以监测不同的睡眠状态，且准确率均高于90%。该类方式采用远程非侵入式的监测方法，无需任何电极或传感器接触，即可在不干扰人体睡眠的情况下，较远距离的对各项生理参数(呼吸、体动等)进行非接触式检测。如格兰莫尔公司出品的Fitsleep 智能助眠仪，能够在不接触用户的情况下采集用户的睡眠参数，同时利用α 波助眠，使用户能够拥有更优质的睡眠。

以上多种监测系统都带有及时反馈功能，但所反馈数据专业性较强，一般用户无法准确解读数据含义并合理进行睡眠环境调整。随着5G 技术的发展，若能结合相同环境、身体状况、年龄等约束条件，将大量个人睡眠质量参数上传，进行大数据计算、比较，通过专家系统的分析，给予用户数据反馈后的合理睡眠方案和科学建议。

4 总结及展望

文中对提高睡眠质量的各影响因素进行了论述，如体感温度、床垫物理属性等，指出了因素中常用的硬件特点及该因素下未来可能研究的方向。与此同时，提出了目前市场上存有的监测方式及特点。从论述中发现睡眠质量的研究作为当前社会的研究重点，仍存在一系列问题值得深入研究，如：

(1)国内关于睡眠的研究越来越受重视，但从睡眠专家到机器判断的过程中，怎样界定为良好睡眠还未有较为完善的系统、 科学的共识及量化考核的标准。因关于睡眠研究多来自于社会调查和实验，实验中不定因素过多，如睡眠环境、用户身体状态及情绪等个体差异，结果的有效参考性不高。就临床来说，可量化考核的客观条件过少，睡眠门诊中专家的主观意识因素占主导，无法保证实验结果的综合性，无法有效地针对单一因素做出分析。如何增强实验结果的可复现性和泛化性是将来提出机器判断睡眠质量的研究难点。

(2)目前研究中环境对睡眠质量影响结论多建立在临床结果上，少有大数据的调查分析，一定程度上影响了实验结果的泛化性，若能将临床实验与大数据分析相结合，建立一个比较准确的判断机制去预估睡眠质量并调整睡眠硬件参数，对科学睡眠指导有着重大的意义。

(3)人为干预睡眠环境可一定程度上改善睡眠质量，如何结合当下智能手段，更个性、精准的提高睡眠质量是未来研究重点。

(4)未来的理想睡眠应能保证睡眠质量的同时，提高人机工效，让用户有更为安全、舒适的体验。睡眠过程中如何平衡用户体验和睡眠质量值得思考。