摘要:现代化社会的不断发展促使人们的工作和学习节奏加快、生活压力增大，也引发了很多睡眠障碍人群的出现，更为严重者出现了睡眠瘫痪，给人们的生活带来了很大的困扰。本文以智能手环为例，利用情感计算的方法探讨了睡眠瘫痪症唤醒设备的设计构想，拟通过对人的皮肤电反应、体温、心率等生理信号的数据采集，利用神经网络对这些生理信号进行分析处理，将处于睡眠瘫痪状态的用户唤醒，期望解决睡眠瘫痪给人们带来的困扰，提高其生活质量。
关键词:睡眠瘫痪;情感计算;生理信号识别;用户体验
引言
众所周知，人的一生中大约有三分之一的时间是在睡眠中度过的，睡眠对人的健康及生存质量有很大的影响。据世界卫生组织的调查显示，大约有27%的人都存在着睡眠问题，而睡眠瘫痪则是睡眠障碍中比较严重的一种，即是指人在睡眠时，因梦中受惊吓而喊叫，或是在特别情况下出现的不能动弹的现象［1］。随着现代人工作节奏的加快，这种状况的发生也正日渐趋于复杂宽泛。而且，糟糕的睡眠状况将会对人的学习、生活和工作造成极大的危害。因此，通过科学的方法和先进的技术设计研发一个睡眠瘫痪唤醒系统，对于改善人们的睡眠质量、提高人们的健康水平和生活质量具有一定的现实意义。
1睡眠瘫痪的特征、形成原因及其危害
依据脑电图表现，可以将人的睡眠分为5个阶段:入睡期、浅睡期、熟睡期、深睡期和快速动眼期，整夜睡眠经历的睡眠周期个数为3～5个左右［2］。睡眠瘫痪大多发生在睡眠周期中的快速动眼期。在这个阶段中，人们进入熟睡并开始作梦，身体随意肌静止，这种临时性瘫痪有时会导致人们在突然惊醒后依然无法动弹。在快速动眼期中，人体的骨骼肌除了呼吸肌及眼肌外，都处于极低张力的状态。而睡眠瘫痪症则是因在快速动眼期中的未知原因，意识已清醒过来，但是肢体的肌肉仍停留在低张力状态，而造成意识指挥失灵的情形。此种情况下，人们因身体出现异常状态而大脑又无法迅速对其进行解释，从而产生恐惧、惊悚等情绪、甚至产生幻觉。睡眠瘫痪作为一种睡眠障碍现象，一般情况下不会导致严重后果，但是如果频繁的发作仍会对人们正常的工作和休息产生影响。这种现象在人类的幼龄期占据了较高比例。研究表明大约有10%～50%的儿童在3～5岁时常发生噩梦［3］。大约5%的患者会记得一次或几次幼年发生的睡眠瘫痪，并且许多成人也承认偶然会遇到此种情况发生。随着社会的发展进步，人们的工作、学习和生活压力也越来越大，生活不规律、熬夜、失眠以及焦虑已经成为了许多人的生活常态，加之很多人在工作、生活中长期久坐、缺乏运动，致使睡眠瘫痪的发生率大幅提升，并且伴有高龄化趋势。这种较高的恐惧状态在女性身上的表现也更加强烈与明显。大多数人在这种情况下，都会大声呼喊(这种呼喊大多是幻想出来的，实际上是无法发出声音的)，或者会极力抖动身体。有的人在恐惧的情绪中重新入睡紧接着便会做噩梦、从噩梦中惊醒，从而进入睡眠瘫痪的循环。第二天起床后，恐惧的梦境以及疲惫的身心状态甚至会影响一整天工作、学习。到目前为止这种恐怖的生理体验并未研制有效的药物可以调控和治疗，医生对这一困境则除了增强身体素质和调整生活状态的建议外也并未提供更好的答复，因而就使得睡眠瘫痪在一定程度上已然成为了亟待攻克的医疗顽疾。在此背景下，随着时下信息技术的迅猛发展，就可以利用计算机技术来捕捉并处理情感，在人们发生睡眠瘫痪这一病症时，可由传感器捕捉到人的生理信号，并由计算机创建模型，研发得到具备分析解释能力的计算系统。基于此，将可智能识别出作为睡眠瘫痪标志的恐惧、紧张、焦虑等情感，进而将病人从睡眠瘫痪中唤醒。
2基于情感计算的睡眠瘫痪唤醒设备总体设计
2．1睡眠瘫痪唤醒设备可行性研究
情感计算的概念是由美国麻省理工学院媒体实验室的Picard教授于1997年首次提出的，即是指与情绪有关的、由情绪引发的、或是能够影响情绪因素的计算［4］。人的情绪不仅包括内心感受和外部行为，而且还包含复杂的神经活动和生理变化。这些情绪可由表情、语音、姿态、文本等非生理信号来探测感知，也可以由体温、心电、皮电等生理信号而表征传达。其中，人体的生理信号比较科学真实，可以通过仪器的测试来获得更加客观有效的结果。情感计算作为计算机科学、心理学和认知科学的交叉学科，其研究旨在使计算机解释人类的情感状态，并根据人类的情感状态改变人类行为，以适应一些情感的需求。情感计算可以提升计算机与用户之间的沟通质量，为实现人机的和谐交互提供了现实可能。在情感计算发展的同时，可穿戴式设备的应用也于近年快速流行起来。从2015年开始，可穿戴式设备的款式激增、并形态纷呈。其中，手腕式可穿戴设备，即智能手表或手环因其功能齐全、携带方便等优点而吸引了广大的市场受众。苹果、谷歌、索尼、华为、小米等科技厂商竞相推出了智能手表或智能手环。这些可穿戴式智能装备大多可蓝牙同步手机打电话、收发短信、监测睡眠、监测心率、久坐提醒、跑步记步、远程拍照、音乐播放、录像、指南等等。其中配置的诸多功能方便了人们的生活工作，使得人们对自己身体和情感获得了全盘深入了解，比如睡眠监测功能就让人们对自己的睡眠质量和休息水平建立了具体掌控机制，利于人们合理调节自身作息。那么在睡眠这个问题上，除了监测睡眠时间与睡眠周期，智能手表或是手环能否做到将人从噩梦中唤醒?或是更进一步地将人从睡眠瘫痪中唤醒?情感计算的研究和可穿戴式设备的发展为这一设想提供了丰富的理论依据和实现途径。本文将以智能手环为例，针对这一领域展开如下的研究与论述。
2．2睡眠瘫痪唤醒系统总体设计
睡眠瘫痪唤醒设备主要分为采集器、处理器和唤醒器三部分。系统在用户处于睡眠状态后独立运行，当监测到或是由用户主动调节到睡眠模式后，各个传感器能够对用户的各个生理信号进行数据采集，通过信息处理器利用神经网络对监测数据实现信息比对、处理，在确认用户处于睡眠瘫痪状态后由唤醒器及时对用户进行唤醒。当人们紧张时，皮肤血管的舒张程度、汗腺分泌都会随之改变，从而引起皮肤电阻的变化［5］。镇定放松时，皮肤电阻会增大(电流减小);而紧张兴奋时，皮肤电阻降低，这种现象称为皮肤电反射(GalvanicSkinResponse，GSR)［6］。皮肤电阻的变化能同时反映交感神经的活动，这种活动往往表现为紧张、恐惧的情绪变化，因此如果要检测紧张、恐惧等情绪，皮肤电反射是一个良好有效的衡定指标。以往关于恐惧研究也都采用皮肤电作为指标，并且得到了较为可靠的实验结果。所以本系统的采集器部分主要由心率传感器、皮电传感器和温度传感器构成。系统总体框架如图1所示。
2．2．1采集器测量
采集器包括心率传感器、皮电传感器、温度传感器以及加速度计。人的皮肤电阻阻值较大，一般在2～50kΩ之间［7］。而由情绪、呼吸变化引起的皮肤电阻变化幅度较基数而言十分微小，若要进行观测、分析就需要对其融入放大设计。基于上述特点，采用较为灵敏的电桥进行测量，并将测试所得信号进行放大处理。皮肤电反射信号有时会受到外界干扰，室内温度的差异往往也会导致生理信号测量失准，因此，本次研究还增加了对皮肤温度及加速度的测量的传感器。由于外界环境温度的变化会影响到汗腺分泌情况，从而影响皮肤电反射信号，因此需增加一个温度传感器来研究温度对皮肤电反射信号的作用效果。通过总线通信，可直接将温度转化成串行数字信号进行处理。心率测量法有很多，其中较为成熟的有血氧法、光电容积法和心电信号法。具体来说，血氧法需要在人体组织足够薄的地方才可以进行测量，目前只有人的指尖和耳垂符合要求，所以无法应用于智能手环上。心电信号法的测量需要2个测量电极处于身体较远的两点，无法配置在智能手环中，所以本次研究也随即摒弃了这种测量方法。光电容积法的传感器可适用于身体的大部分，且其体积较小。测量时，利用峰值波长为550nm的绿光LED照射腕部皮肤表面，通过测量动脉血管的组织容积在心跳时造成的反射光强度变化，获得微弱的心率信号［9］。这种方法对运动带来的噪声抵抗力较强，并可以使用加速度计去高效滤除运动噪声，而且采用绿光可将因外界温度变化造成的信号漂移降至最小，更加适合搭载到智能手环中。
2．2．2睡眠瘫痪系统唤醒模块设计
信号唤醒器的主要功能是接收到处理器发送的确认为睡眠瘫痪的指令后，启动唤醒功能将用户从睡眠瘫痪中唤醒。本次设计的唤醒器应具有体积小、省电、造价低廉、稳定性高的特点。在唤醒模块的设计中，首先要利用情感计算得到的特征信号的频率、幅值范围设计确定驱动唤醒器的条件。接着，将调用使蜂鸣器在给定的条件下的运行程序，实现唤醒的功能。唤醒器声音要柔和，偏于刺耳的声音会在相当程度上导致患者的紧张、焦虑，从而在醒来后难以再次入睡。在智能手环上设计试听功能，用户在调试后，可选择自己更为喜欢的唤醒频率。系统操作简单，适合所有使用者调试。
3睡眠瘫痪唤醒设备用户体验设计原则
研究可知。在智能穿戴设备的设计中，添加结合了设计对象、应用情境、用户体验等诸多因素后，将有助于推动智能穿戴设备由技术驱动型向用户体验驱动型的转变。因此，在智能穿戴设备的设计中引入体验设计的理念具有重要的意义。美国认知心理学家Norman在《EmotionalDesign》一书中提到体验设计的3种层次:本能层、行为层和反思层。依据交互设计之父Cooper提出的目标导向设计原则，若希望产品能够满足用户的生理需求和心理需求，首先要达到用户的目标。在关注汲取了由Norman提出的体验设计的3个层次的基础上，Cooper也创建研发了3种相对应的用户目标:体验目标、人生目标和最终目标［10］。应用于本产品设计具体体现为:(1)体验目标:对用户体验本能层的认知。概括为用户在使用产品过程中对于智能手环主体以及交互方式的体验，例如手环的外形设计以及如何设定睡眠周期或是睡眠瘫痪唤醒方式等。(2)最终目标:对应用户体验的行为层认知。体现用户使用智能手环的主要动机，考量产品是否能够在恰当的时间将用户从睡眠瘫痪中唤醒，并符合自身的功能需求，同时还将具备自然、人性化的交互体验。只有满足了用户的最终目标，才能够赢得用户的信任。(3)人生目标:对应用户体验的反思层认知。体现了更深层次的用户需求，挖掘用户完成最终目标后的更深层次的使用动机，即为用户营造充满稳定、安全感的睡眠环境乃至培养用户良好的睡眠习惯。达成用户的人生目标是提高用户使用黏度的关键。结合研究过程中的睡眠瘫痪唤醒设备的设计要素及用户体验要素的需求描述，以直观的视觉思维导图制作用户体验模型，如图2所示。
4结束语
本文以智能手环为例，提出了一款睡眠瘫痪症唤醒设备的设计方案。通过对皮肤电反应、体温、心率等生理信号的数据采集，利用情感计算对这些生理信号进行分析处理，将用户睡眠中所发出的各种生理信号与处于睡眠瘫痪中的标志信号进行匹配测验，若发现与睡眠瘫痪的功能标志高度吻合的信号则判定用户处于睡眠瘫痪，进而将用户从睡眠瘫痪中及时唤醒。通过对睡眠瘫痪唤醒产品的探究，主要可得出如下研究结论:(1)本研究从睡眠瘫痪特征信号是皮肤电阻减小、心率加快、体温升高的特点入手，经过针对不同环境和各类睡眠人群展开实验测试，提取变化规律，同时也切实排除了其他信号的干扰。(2)通过对信号采集器、唤醒器的重点研发设计，完成睡眠瘫痪唤醒设备的部分设计方案。(3)结合用户体验设计，该研究将为满足不同层次的用户需要提供有益借鉴。后续将不断改进唤醒设备的准确率与交互方式，在提高用户使用体验的基础上，为用户营造更加安心的睡眠休憩环境，进而提高其生活质量。
参考文献
［1］张迪，万柏坤，明东．基于生理信号的情绪识别研究进展［J］．生物医学工程学杂志，2015，32(1):229－234．
［2］覃君德，龚彩芬．睡眠中发作症状的脑电图特征及其与睡眠分期的关系［J］．临床和实验医学杂志，2015，14(8):690－692．
［3］静进．小儿心理与心理行为疾病［M］．广州:广东科技出版社，2005．
作者:杨博雅 原松梅 单位:哈尔滨工业大学
