基于脑电波的助眠眼罩

肖振佳

（漳州松霖智能家居有限公司厦门分公司，福建 厦门 361026）

0 引言

睡眠问题受到越来越多的人关注，睡眠质量已经会对人类健康造成影响，越来越多的人受失眠等睡眠障碍的困扰。睡眠质量以及如何更快、更好地入睡成为研究热点。随着现代科技的飞速发展，脑电信号的采集和分析等技术也取得了显著成就。目前，大部分助眠手段都采用脑电波进行睡眠监测和睡眠分期，还有一些通过脑电波制作脑波音乐，以达到助眠的效果，但是助眠效果都不是很好[1-2]。

针对上述问题，该文研究并设计了基于脑电波的助眠眼罩，通过脑波芯片对获取的脑波进行分析，以得到脑波的原始波形以及4 种主要波形的能量值、放松度和专注度等多种参数，利用放松度来评定用户精神的放松度。首先，通过播放不同类型的助眠音乐来判断是否能发挥让用户放松的作用。其次，通过4 种脑波的波形的能量值分析得到入睡时间，从而判断入睡的困难程度，进而采取适宜的方法让用户更好、更快地入睡，并且有数据作为查询分析的依据，可以为后续的治疗提供帮助。

1 总体逻辑设计

该文设计的助眠眼罩以iOS 苹果手机为客户端，蓝牙连接眼罩设备，通过单片机控制整个系统，实现设备间的信息互通。干电极采集脑电波信号，芯片分析脑波信号并将信号提供给单片机，单片机负责控制切换音乐以及进行入睡检测。

2 App 软件系统结构

软件系统主要为苹果的iOS 系统客户端软件，电路板包括脑电芯片、单片机、蓝牙芯片以及双模功放芯片模组等，通过单片机处理采集的脑电信号来实现控制蓝牙音乐输出以及判断后续入睡检测等功能。

手机软件主要完成监测脑波数据、判断入睡时间、智能唤醒以及界面控制等任务。单击手机软件界面连接按钮就会自动弹出小窗口跳转蓝牙开启界面，软件蓝牙连接流程如图1 所示。蓝牙连接成功后，可以通过眼罩前片的物理按键控制盒发出控制指令，也可以通过App 发出控制指令，实现通过脑电波信号来智能助眠的功能。软件的功能模块如下：1）脑波数据的监测。记录用户每次使用脑波眼罩时的实时数据，并将数据存储到软件的统计历史数据中，方便用户查看。在实时数据界面，软件展示了4 组数据，包括原始波、放松值、占比指数以及音乐的评分。放松值以时间点为横坐标轴，以0～100 为纵坐标轴，采用面积图直观展示用户的精神放松度。通过实时分析用户的脑波放松度数字来获取音乐的放松度评分。2）判断入睡时间。分析用户脑电波中4 种波形的能量值，通过对比前后能量值的大小来判断入睡时间。3）界面控制功能模块。在手机界面单击音乐库中的歌曲，可以直接单击播放；单击上一首或下一首可以切换歌曲；而眼罩前片的物理按键包括开/关机按键、上/下首切割按键以及音量大小调节按键。软件界面还设置了AI 模式和自主模式，可以通过脑波数据智能切歌。

图1 手机软件蓝牙连接逻辑图

3 硬件系统结构

3.1 脑电传感模块的数据采集

TGAM 芯片模块是一款高度集成的单一芯片脑电传感器，它通过3 个干电极采集原始脑电数据，数据通过运算可以得到原始脑电波数据。芯片的数据通过蓝牙模块的通信协议直接发送到软件上并展示出来。电极作为脑电波的采集接触点，采用金属铜作为基材，表面滚镀金属元素，导电率比其他金属高。脑波信号通过单片机处理后，通过蓝牙协议发送数据给App，以实现采集脑电波数据的功能[3]。

3.2 眼罩采集点

为了确保眼罩采集点与人体脸部尺寸可以准确吻合，眼罩电极的采集点须根据国际通用的脑电10-20 系统电极放置法，接地电极设置在额头居中位置，即鼻根向后 10%处为 FPz（额极中线），如图2 所示。接地电极位于鼻根点和枕外隆凸点弧长的距鼻根点10%位置上，而采集电极选择放置左侧额头处，位于FPz（额极中线）左侧10%位置上。而参考电极选择放置右侧额头处，因为参考电极需要与采集电极的脑电信号进行对比，所以距离可以小于参考电极的尺寸。

图2 10-20 系统图

根据《中国成年人人体尺寸（GB/T 10000—1988）》人体头部尺寸及部位图中26～35 岁男性的头矢状弧尺寸，取百分位数为90%的数据（375 mm），而女性的头矢状弧百分位数为90%的数据（349 mm），取平均值为362 mm，FPz（额极中线）位于鼻根点和枕外隆凸点弧长距鼻根点10%的位置上，则眼罩接地电极FPz（额极中线）与鼻根的距离为36 mm。采集电极设置在左前额Fp1处，参考电极放置于右前额Fp2处。根据人体头部尺寸及部位图中26～35 岁男性的头围取百分位数为90%的数据（587 mm），而女性的头围取百分位数为90%的数据（573 mm），取平均值（580 mm），根据Fp1位于FPz（额极中线）左侧10%位置上，采集电极Fp1距离接地电极FPz58 mm，因为参考电极Fp2用来做参考对比，所以参考电极Fp2距离接地电极40 mm。电极位置图和眼罩具体位置如图3 所示。

图3 电极位置图（单位：mm）

4 眼罩本体结构设计

4.1 眼罩本体设计

根据工业设计的外观效果图及3D 模型图纸分析，该眼罩本体考虑内部需要安装电子元件，眼罩前片需要安装按键控制盒，眼罩后片需要打孔安装干电极，因此眼罩设计为前、后2 片的单独结构，安装完电子元件后前、后片通过热压膜热压贴合完成，最后在安装电路板及控制按键。

根据眼罩的3D 模型，前后片眼罩绘制3D 热压模具图纸。前片眼罩厚度为10 mm，后片为15 mm，考虑佩戴的舒适性及美观性，边缘压边为5 mm。眼罩前片选用的布料为全涤成分的面料，四面弹性，方便热压成型。海绵选用回弹性好，不易塌陷，硬度约为25 D～30 D。热压前，眼罩前片的海绵需要双面复合好面料，前片为全涤面料，背面为透气的网格布料，接触脸部的地方更透气舒适。然后按照眼罩尺寸裁切再去上热压模具热压。眼罩热压模具为铝制模具，并通过铝条连接热压机升温加热，模具的温度约为180 ℃～200 ℃，根据眼罩厚度情况保压80 s～100 s。热压完成冷却后在上刀模切边完成眼罩前后片的热压。

4.2 按键盒结构设计

按键盒固定在眼罩前片上，底座与后盖中间夹紧眼罩前片，通过4 个螺丝固定，数据传导线从后盖穿出到底座，电路板安装在底座上，端子线直接与电路板连接。

前盖与底座为了便于拆卸以及电路板的检修，设计为卡扣连接方式。如图4 所示，底座有4 个长方形母扣，中间开口与前盖的公扣配合，公扣的凸台尖角位置都要做导入角，一般取60°或45°，凸台超过母口斜面0.4 mm，凸台顶面与母口开口顶面间隙为0.05 mm，便于公扣卡入母扣且方便取出。前盖与底座配合位置，为了避免干涉，接触的端面无间隙配合，底座的凸台的顶面和右侧面则为0.1 mm的间隙配合，这样设计既可以保证卡扣的安装和拆卸，又可以保证2 个零件直径也没有间隙，配合紧密，外观上更美观，按键盒整体结构如图5 所示。

图4 卡扣尺寸图（单位：mm）

图5 按键盒结构

5 试验测试及结果分析

5.1 入睡时间判断分析

人的脑电波在不同睡眠阶段会发生相应的变化，每个阶段都有其独有的特征。通过分析不同睡眠状态下的脑电波信号不同波的能量变化趋势，可以对睡眠状态进行判断。而δ（德尔塔）波频段的相对能量在入睡后有明显变小的趋势。以30 s 为1 个滑动窗口，每次滑动的距离为10 s，将获取脑波的能量值数据导入算法，以计算入睡时间点。对内部试验人员睡眠脑波的监测数据（如图6 所示）来说，在入睡后脑波功率有明显下降的趋势，通过算法得到的入睡时间点基本与其他睡眠监测设备时间吻合。

图6 睡眠时δ 频段脑波功率变化图

5.2 睡眠监测

睡眠监测是研究睡眠的重要手段，通过研究睡眠分期有助于解决失眠问题，改善睡眠质量。脑电波原始波形图是客观评价睡眠质量的重要手段，通过研究发现，随着睡眠的加深，脑电信号中的δ 波（德尔塔）和θ（西塔）波会增加，而α（阿尔法）波和β（贝塔）波则会减少[4]。通过志愿者睡眠监测结果得出，入睡前后10 min 内，志愿者逐渐进入睡眠期，其δ 波和θ 波功率呈下降的趋势。分别对2 名志愿者进行觉醒期和睡眠期的脑波功率数值分析，结果见表1。觉醒期与入睡后功率值明显下降。

表1 觉醒期与睡眠期不同脑波功率平均值对比

6 结语

该文从软件结构说明、眼罩结构设计以及入睡判断等方面简要概述了脑电波助眠眼罩的设计，通过脑电波获取用户的精神放松度，通过音乐让用户更快地入睡，通过判断用户的入睡时间来获取入睡的时间，从而为改善用户睡眠提供帮忙。睡眠过程中的心率、血氧以及呼吸频率等都会有相应变化，未来将进一步通过脑电波的原始波分析、提取并结合其他更多的生理参数更准确地分析整晚的睡眠分期，从而进一步分析用户的睡眠状况。