前睡眠生物钟作用时效.pdf

抑制入睡前失控认知活动来解除失眠的研究，多以认知行为学方法为基础，通过自主运行的认知活动来中断失控的认知活动，从而解除失眠。然而，效果很不理想。这类研究普遍存在的问题是：无法克服在抑制失控认知活动的同时不破坏生物钟作用时效的两难困难。为了解决以上研究所遇到的困难，本文采用新方法对缩短被试者的入睡潜伏期进行了研究。主要研究内容和结果如下：1）用嵌入式计算机控制的间歇式刺激诱发认知活动，来替代被试者自主进行的连续式认知活动，为克服上述两难问题，提供了一种有效途径。2）通过改变间歇式刺激的间隔，准确测量生物钟作用时效；3）在以生物钟作用时效为基础，通过用外部间歇式的刺激诱发认知活动来缩短的入睡潜伏期的实验中，与对照组相比，潜伏期从平均 25 分下降到 18 分。关键词：失控认知活动；失眠；生物钟作用时效；睡眠潜伏期；II Abstract The methods that the suppression of unwanted pre-sleep thoughts in insomnia is mostly based on cognitive behavior therapy.These researches treat insomnia primary by cognitive activities and uncontrollable cognitive activities to interact on each other to transfer attention that to stop uncontrollable cognitive activities.The difficulty in these researches is that the insomniacs suppress their unwanted pre-sleep thoughts by cognitive activities,but interrupt the biological clock to work at the same time.In order to resolve the difficulty,we research about how to shorten the sleep latency by a new method.Our mainly researches and results are shown as below:1)We use the intermittent stimulus which controlled by embedded computer system to substitute for continuous cognitive activities.It provides a method to resolve the difficulty by this way.2)We can measure the time which needed by biological clock to work to make people fall asleep accurately by changing the interval of stimulus.3)We use intermittent stimulus which based on biological clock to induce cognitive activities can shorten sleep latency.In contrast experiment,the sleep latency reduced from 26 minutes to 15 minutes.Key Words：Uncontrollable cognitive activities;Insomnia;Biological clock;Sleep latency 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 1.1 研究的意义 人脑通过醒睡系统调节昼夜中觉醒状态与睡眠状态的平衡，控制觉醒与睡眠的相互转化1。但是，入睡中“失控认知活动”，如白天的烦恼、忧虑等，往往会抵消生物钟的作用，使醒睡自稳体系的平衡被破坏，导致大脑无法从觉醒状态正常向睡眠状态转化。这种情况导致了大约 30-40%的成年人遭受不同程度的失眠困扰2-5。重置自稳体系状态，对解除失眠尤为重要。服用镇定剂和催眠剂的目的就在于此。但是，长期服用药物对健康不利，且药物的效应是双向的，它一方面能抑制前睡眠过程中失控的认知活动；另一方面往往也会削弱白天活动的效率6-7。近年的许多研究表明，通过基于认知科学的控制，能抑制失控的认知活动。由于这可能发展出一种解除失眠的新方法8-10，因此，受到科学界的高度关注。1.21.2 研究现状 这类方法的基本思想是，失眠者通过自主进行的认知活动转移失控认知活动占用的脑注意资源，中断失控认知活动，进而解除失眠。在这类方法，即认知行为治疗（Cognitive behavior therapy）中，被认为比较有效的主要有:刻意保持清醒：失眠者上床睡觉时努力使自己保持清醒，由此使注意偏离失控认知活动；想象：在上床睡觉时想象一些简单事物，如一个普通物体的形状、颜色，运动和质感11-12。这些方法在控制失眠方面虽然取得了积极进展，但控制效果还很不理想。其表现是，效果往往不能重复，且往往会引起觉醒13-14。迄今为止这一问题还没有得到有效解决。1.31.3 问题的提出 猝睡现象表明，即使十分困倦，如果处于静息的时间很短，脑也不会从觉醒状态进入睡眠状态；但是，如果静息的时间一旦超过一定长度，脑将瞬间进入睡 2 眠状态。例如，在繁忙的十字路口等待绿灯放行时，长途跋涉的汽车司机常常会睡着。这提示，要控制大脑从觉醒状态向睡眠状态转化，生物钟系统必须获得足够长的连续作用时间（即，在这段时间中，无认知活动的发生），我们把这种特性，简称为生物钟作用时效。分析现今的方法容易发现，自主运行的认知活动，都是一些连续性的思维活动，不具备生物钟作用时效发生的条件。另外，要让失眠者自主提供这种条件，实际上是不可能的，因为，把握自主运行的认知活动的快慢和间隔，是要求很高的认知活动，这种操作本身就会干预入睡15。因此我们认为，这可能就是现今控制效果不理想的根源。1.41.4 新构思 1.4.11.4.1 新构思及其目的 针对认知行为治疗失眠的方法中存在的问题，本研究：将自主进行的连续认知活动，改为外部刺激控制的间歇式认知活动。通过变连续的认知活动为间歇的认知活动，才能为生物钟作用时效的发生，提供必要的条件；通过变自主进行的认知活动，为嵌入式计算机控制进行的认知活动，才能避免自主进行的认知活动在抑制失控认知活动的同时，转化为新的失控认知活动。测量生物钟作用时效发生所必须的时间，并以测量结果为依据，调控外部刺激的间隔，以使嵌入式计算机控制进行的认知活动，在抑制失控认知活动的同时，又不破坏生物钟作用时效。1.4.21.4.2 新构思的理论基础与实验基础 为了能有效地抑制失控认知活动，就必须实时了解前睡眠期中的脑状态。然而，传统的脑电、心电、或者脉搏信号，仅能表现睡眠各阶段脑状态，而不能反映前睡眠期的脑状态，因此，本文将根据人对简单刺激的判断和反应能力，来判断前睡眠期的脑状态。为了在有效地抑制失控认知活动的同时，又不破坏满足生物钟作用时效，就必须了解，究竟需要有多长的独立作用时间，脑才能从觉醒状态转变到睡眠状态。3 为此，本文将根据刺激间隔对睡眠潜伏期的影响，在实验中通过不断调整间隔的取值，来确定满足生物钟作用时效的取值。在本文后续章节将分别介绍：第二章，生物钟作用时效测量分析系统；第三章，入睡过程监控仪的软、硬件设计实现；第四章，测量生物钟作用时效；最后，对本研究加以总结，并提出还存在的问题和以后工作的方向。4 第第 2 章章 生物钟作用时效测量分析系统生物钟作用时效测量分析系统 2.12.1 对生物钟作用时效规律的分析 分析验证生物钟作用时效规律是以认知科学为基础的。生物钟作用时效测量是以人的大脑没有失控认知活动为起点，以人刚好睡着（对外界信息无认知反应能力）为终点的。2.2 2.2 生物钟作用时效分析系统 本文对 16 名被试者做了三组实验，用于对比。所选用的生物钟作用时效测评系统是自主研发的入睡过程监控仪。该仪器有四个主要部分组成。这四个部分分别为产生声音刺激的蜂鸣器、采集被试动作反应的加速度传感器、负责计算分析的主控单位以及数据存储单位，如图 2.1。其中采集被试者动作反应的加速度传感器用来获得被试者的反馈信息。另外，还有一个蓝牙串口模块，用于将实验数据通过无线传输到电脑上显示，从而实现实时监测睡眠。图 2.1 入睡过程监控仪硬件组成实物图 测评系统的使用方法：当被试者准备睡觉时，将仪器戴在手指上，实物如图 5 2.2。仪器工作的时候会发出声音信号，作为对人体的刺激信号，声音持续时间长度 200 毫秒，且将声音强度调整到人在清醒状态下，刚好能听到声音。仪器发出声音信号的时间间隔为 6 秒到 25 秒之间的一个随机数值。当人睡觉时，一旦听到这个声音信号，就立即轻轻动一下戴仪器的手指，仪器能检测到人体的动作信息，并将人对声音做出反应的时间和当时的时刻等信息记录下来，保存在仪器内置的存储卡上，以便实验后分析数据。图 2.2 入睡过程监控仪实物图 入睡过程监控仪内置的存储卡存储的数据包括：提供声音刺激的时刻、人对声音信号做出反应的反应时间。如果反应时间超过 2 秒，则认为人没有对该次刺激信号做出反应，反应时间记为 2000 毫秒。通过本实验室编制的软件将记录的实验数据绘制成图形。图形以时间为横坐标，人对刺激信号的反应时间为纵坐标，每一个记录的数据都在此坐标图上绘制成小黑点。为了更直观地观察人对声音刺激信号反应快慢的水平，我们将纵坐标倒置过来，以反应时间 2000 毫秒和实验开始的时刻为坐标原点。这样，反应时间越长，对刺激信号反应越慢，绘制的点越靠近横坐标，反应水平越低；相反，反应时间越短，对刺激信号反应越快，绘制的点越远离横坐标，反应水平越高。6 如图 2.3 图 2.3 睡眠实验数据绘制成图形 通过以上实验数据所绘制的图形（图 2.3）可以看出，刚开始睡觉时（记为a 点），人的大脑比较清醒，对声音刺激反应很快，而且反应时间都比较短。随着人体生物钟不断作用于人的大脑，大脑逐渐困倦起来，对外界声音刺激的反应迟缓。大脑对外界声音刺激能够做出反应，说明没有睡着。图中 b 点是入睡前的时刻，也是人的大脑在睡着前最后一次反应。图中 c 点是刚睡着的时刻，这时的大脑，已经不能对外界的声音刺激做出反应，这意味着大脑已经睡着。本文所提到的睡眠潜伏期是指从开始睡觉到睡着所经历的时间，即图 2.3 中a 点到 c 点的时间长度；生物钟作用时效是指从睡着前，最后一次对外部声音刺激做出反应，到睡着所经历的时间，如图 2.3 中 b 点和 c 点的时间长度。以上两个变量就是本研究需要测量的两个量。其中，测量睡眠潜伏期用来评估该入睡过程监控仪产生的刺激间隔对睡眠潜伏期的影响；测量生物钟作用时效，不仅可以了解睡眠过程中生物钟作用规律，而且我们可以利用测量的结果来 7 调控声音刺激的间隔时间，使入睡过程监控仪对缩短睡眠潜伏期产生更好的效果。2.3 2.3 讨论 生物钟作用规律是人入睡过程中基本的规律，如果外部的干扰刺激周期小于生物钟作用时效，将会影响到人入睡；如果外部的干扰刺激周期太长，将无法有效抑制失控认知活动。因此，入睡过程监控仪所提供的声音刺激需要满足生物钟作用时效的规律。本章提出的“生物钟作用时效”，是本研究的一个重要的概念，也是本研究的重要成果。测量的生物钟作用时效，是外部声音刺激间隔大小的依据。这一测量结果是中断睡眠前失控认知活动，缩短入睡潜伏期的基础。8 第第 3 章章 入睡过程监控仪的软硬件设计实现入睡过程监控仪的软硬件设计实现 3.1 3.1 设计要求 入睡过程监控仪的设计目标：体积小，能方便地戴在手指上；省电，可用充电电池供电，能长时间连续工作；入睡过程监控仪能以一定的时间间隔发出声音刺激，且声音强度可调节；入睡过程监控仪能灵敏地检测到人体的动作信息；入睡过程监控仪能保存睡眠过程中的实验数据；3.2 3.2 整体设计 整个系统的工作流程是，首先入睡过程监控仪以一定的时间间隔发出声音刺激，此时间间隔是在一定范围内随机产生的；戴仪器的手指对这个声音刺激做出反应，此时入睡过程监控仪内置的加速度传感器能够根据手指的动作输出模拟信号至微控制器，微控制器通过内部的模数转换（ADC）模块将此模拟信号转换为数字信号，并与手指动作之前采集的数值相比较，从而判断手指是否对声音刺激信号做出了反应；最后，入睡过程监控仪还需要将数据保存到存储单元中，并将数据通过蓝牙串口模块无线发送到电脑，方便在电脑上实时监控睡眠。图 3.1 入睡过程监控仪系统结构示意图 该系统主要由加速度传感器、ARM 微控制器、提供声音刺激的蜂鸣器、存 9 储实验数据的存储单元和蓝牙串口模块五大部分构成（见图 3.1）。3.3 3.3 系统硬件设计实现 3.3.1 3.3.1 系统主要芯片选型 3.3.1.1 ARM 微控制器芯片选型微控制器芯片选型 现在嵌入式微控制器种类较多，性能差别大，嵌入式系统开发人员选择嵌入式微控制器的范围非常宽广，这使得我们选择一款合适的微控制器非常困难。本文设计的入睡过程监控仪要求低功耗和高可靠性，结合目前市场上流行的低成本、高性能嵌入式微控制器芯片，我们选择了 STM32F103RET6 微控制器芯片。STM32F103RET6 是基于 ARM 体系结构的微处理器芯片，采用 Cortex-M3 内核，是一款高性能、低功耗、低成本的片上系统，可以在处理器平台上运行实时性强、可靠性高的 uc/os-II 操作系统。微控制器芯片主要特征如下：ARM 32 位的 Cortex-M3 CPU；72MHz 最高工作频率；512K 字节闪存程序存储器；高达 64K 字节 SRAM；2.0 至 3.6 伏供电和 I/O 管脚；上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）、掉电监测器；内嵌 4 至 16MHz 高速晶体振荡器；内嵌经出厂调校的 8MHz 的 RC 振荡器；内嵌 40KHz 的 RC 振荡器；内嵌 PLL 供应 CPU 时钟；内嵌使用外部 32KHz 晶体的 RTC 振荡器；三种省电模式：睡眠、停机和待机模式；VBAT 为 RTC 和后备寄存器供电；三个 12 位模数转换器，1us 转换时间（高达 21 通道）；转换范围是 0至 3.6 伏；三采样和保持功能；温度传感器；两个 12 位的数/模转换器；12 通道 DMA 控制器；支持的外设：定时器、ADCs、DAC、SDIO、IISs、SPIs、IICs 和 USARTs；串行线调试（SWD）和 JTAG 接口；Cotex-M3 嵌入式跟踪宏单元；多达 112 个快速 I/O 口；51/80/112 个多功能双向 5V 兼容的 I/O 口；所有 I/O 口可以映像到 16 个外部中断；10 多达 11 个定时器和 13 个通信接口。以上这些优异的性能特征完全能满足我们的设计要求。3.3.1.2 加速度传感器芯片选型加速度传感器芯片选型 加速度传感器，我们选用的是飞思卡尔半导体率先推出的业界第一款三轴向高灵敏度加速度传感器，型号为 MMA7260Q。MMA7260Q 能在 XYZ 三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速度传感器。MMA7260Q 的可选灵敏度允许在 1.5g、2g、4g 和 6g 的不同范围内进行设计。它的 3uA 睡眠模式、500uA低运行电流、1.0ms 的快速启动响应时间以及 6mm*6mm*1.45mm 的 QFN 小巧包装等其他特性，使围绕 MMA7260Q 的设计活动轻松方便、经济高效。这些特性使 MMA7260Q 成为我们设计实现入睡过程监控仪的理想之选。3.3.23.3.2 硬件电路设计实现 3.3.2.1 提供声音刺激的硬件电路设计提供声音刺激的硬件电路设计 本文设计的声音刺激产生电路总体结构如图 3.2 所示。图 3.2 声音刺激产生电路结构图 提供声音刺激的电路主要是通过放大电路来实现的，电路如图 3.3 所示。11 图 3.3 产生声音电路的原理图 此电路最重要的是要实现产生的声音大小可调节，我们是通过 PWM 信号来实现这一点的。即通过微控制器改变输出的 PWM 信号的占空比，从而改变输出信号的有效值，实现声音大小的调节。放大电路是由一个 NPN 型三极管和一个P 型场效应管构成。当没有信号时，NPN 三极管的基极没有输入电压，处于不导通状态，而 NPN 三极管控制着场效应管的栅极，此时，栅极为高电平，不导通，蜂鸣器不会发出声音；当有信号时，情况相反。3.3.2.2 加速度传感器硬件电路设计实现加速度传感器硬件电路设计实现 由于 MMA7260Q 全刻度范围 0g 偏移，且滤波器定点在出厂前已经设置好，不需要额外的器件，因此 MMA7260Q 的硬件电路设计非常简单，如图 3.4 所示。12 图 3.4 加速度传感器原理图 MMA7260Q 有四种灵敏度选择，如表 3.1 所示。g-Select2 g-Select1 g-Range Sensitivity 0 0 1.5g 800mV/g 0 1 2g 600mV/g 1 0 4g 300mV/g 1 1 6g 200mV/g 表 3.1 灵敏度选择表 表中的“0”代表低电平，“1”代表高电平，我们可根据实际需要选择灵敏度，1.5g 灵敏度最高。选择高灵敏度，有时会错误地检测到手指无意识的微小动作；选择低灵敏度，有时会很难检测到手指动作，需要手指做大的动作，影响了睡眠。因此，加速度传感器的灵敏度的选择就显得十分重要。我们选择的灵敏度是 2g。13 3.4 3.4 系统软件设计实现 嵌入式系统软件和硬件是一个不可分割的整体。硬件是整个嵌入式系统的基础，软件则是整个系统的“灵魂”，实现嵌入式系统的具体功能。本研究使用的入睡过程监控仪所有软件是基于 uC/OS-II 开发的。uC/OS-II是一个完整的，可移植、固化、裁剪的抢占式实时多任务内核。uC/OS-II 是用可移植性强的 ANSI C 语言编写的，仅包含很少部分的汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理器使用。uC/OS-II 操作系统具有以下特征：可移植性：因为 uC/OS-II 源码绝大部分是用移植性很强的 ANSI C 写的，只有与处理器硬件平台相关的部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压缩到最低程度，以使 uC/OS-II 便于移植到其他微处理器上；可固化：可通过软件编译后下载嵌入到入睡过程监控仪里面；可裁剪：通过条件编译，可以自己定义 uC/OS-II 中我们所需要的功能；可剥夺性：uC/OS-II 总是运行就绪条件下优先级最高的那个任务；多任务：uC/OS-II 能够管理多达 64 个任务；可确定性：用户能知道 uC/OS-II 的函数调用与服务执行了多长时间；任务栈：uC/OS-II 允许每个任务具有不同的栈空间；uC/OS-II 提供很多的系统服务，例如消息邮箱等；uC/OS-II 的中断管理可以使正在执行的任务暂时挂起；uC/OS-II 具有很高的安全性与稳定性，能用于与人生命攸关的、安全性条件极为苛刻的系统。系统软件框图见图 3.5 所示。整个应用程序由四个任务组成，分别为产生声音刺激的任务、加速度传感器检测人手指动作信息的任务、开/关机键和声音强度调节键扫描任务以及 LED 灯指示状态的任务。14 图 3.5 系统软件框图 为了不对睡眠造成影响，在入睡过程监控仪上仅有一个指示灯，用来显示一些状态。开机后，先让指示灯亮 2 秒钟时间再熄灭，用来表示入睡过程监控仪已正常开机；如果指示灯在入睡过程监控仪工作的时候不停闪烁，表示电池电量不足，提醒应该充电。产生声音刺激的任务首先查询该任务自己的消息邮箱，看是否收到从键盘扫描任务发送过来的消息。如收到消息，说明调节声音刺激强度按键已经被按下，产生声音刺激的任务会驱动蜂鸣器发出声音，且每间隔 1 秒钟减小一定的声音强度，声音刺激强度减到最小后恢复到最大值，然后再每隔 1 秒的时间减小一定的声音强度，如此不断循环，直到被试者感觉声音强度大小合适，松开按键，入睡过程监控仪恢复正常工作，并且保存松开按键时的声音刺激强度。以 6 至 25 秒随机间隔驱动蜂鸣器发出 200ms 的声音刺激，并使能模数转换（ADC），向检测人动作反应的任务发送消息。然后，以 6 秒至 25 秒随机间隔再次驱动蜂鸣器发出声音刺激，如此循环。检测动作反应信息的任务查询该任务自己的邮箱，看是否收到从产生声音刺激的任务发送过来的信号。如果收到信号，表明刚刚入睡过程监控仪产生了声音刺激信号，此时应该采集被试者的动作信息。该任务会在收到信号时，保存当时 15 的加速度传感器采集的值，然后不断采集数据，同保存的值比较，如果相差超过一定的值，表明被试者对刺激信号反应了，任务关掉模数转换（ADC），以节省电池电量，保存实验数据到 SD 卡里面，并将数据通过蓝牙模块无线传输到电脑上，以便实时监控睡眠。如果被试者超过 2 秒钟的时间还没反应，则入睡过程监控以判定被试者没有对声音刺激做出反应，任务关掉模数转换，同时保存数据到SD 卡里面，并将数据通过蓝牙模块无线传输到电脑。任务再次等待消息，如此不断循环。如果连续对 10 次声音刺激，被试者都没有反应，则表示被试者已经睡着，入睡过程监控仪自动关机。键盘扫描任务不断扫描开/关机键和调节声音刺激强度按键。当检测到调节声音刺激强度按键时，向产生声音刺激的任务发送消息，表示调节声音刺激强度的按键已经按下；当检测到开/关机键被按下时，入睡过程监控仪自动切断电源，停止工作。3.5 3.5 本章小结 入睡过程监控仪体积非常小，这样能减小对睡眠产生的干扰；仪器采用小体积的锂电池供电，要求能长时间工作，这对入睡过程监控仪的功耗提出了非常高的要求。本章从硬件和软件两个方面对入睡过程监控仪做了简要介绍。硬件设计部分主要介绍了微控制器和加速度传感器芯片的特性，还介绍了产生声音刺激电路的原理；软件设计部分主要介绍了 uC/OS-II 操作系统的一些特性，并对基于uC/OS-II 操作系统的入睡过程监控仪软件进行了详细介绍。16 第第 4 章章 测量生物钟作用时效测量生物钟作用时效 4.1 4.1 前言 睡眠疾病在一般人群中有很高的发病率，在现在 24 小时社会里，有大约 20%的人至少患有轻度的或者暂时性的睡眠疾病16-20。睡眠不足会引发与睡眠相关的疾病，影响身体健康，使认知受到损害，甚至导致精神疾病21-26。药物是使用最广泛的治疗失眠的方式。但是，常常会有服用药物治疗失眠的患者，报告他们白天工作因服用药物而受到影响27-30。药物治疗失眠对健康不利。因此，研究非药物治疗失眠的方法是具有重要意义的。现在许多睡眠研究以多导睡眠描记法为基础。多导睡眠描记法是睡眠监视和客观测量睡眠质量的一种标准方式，记录了多个生理变量，包括脑电图、心电图、肌电图和眼电图31,32。但是，多导睡眠描记法需要在被试者者睡觉时，身体上粘上若干个电极和传感器，用来获取生理信号。身体上的电极、传感器以及导线，会使得被试者者非常不舒服，严重影响正常的睡眠，测得的数据也会与平常睡眠存在差异。此外，多导睡眠描记法费用高昂，需要在专业的地方或者医院才能实施，不适合家庭使用。从家庭医疗的角度看，治疗失眠的方式应该是非侵入式的、经济方便和不需要专业训练33-35。失眠是因失控的认知活动，导致不能满足生物钟作用时效而引起的。例如上床睡觉时，还有很多白天的焦虑、烦恼、不好的心情或者对睡眠质量的担忧等等，这些因素都会带来无法克制的思绪36-50。因此，抑制失控认知活动，使生物钟获得足够的单独作用时间，为解除失眠带来了一种新方法。本文使用自主设计的入睡过程监控仪，通过入睡过程监控仪发出的声音刺激信号来中断和抑制失控认知活动，对睡眠干扰小，安全方便；测量出生物钟作用时效，用测量结果调控声音刺激，能缩短入睡潜伏期。4.2 4.2 实验 4.2.1 4.2.1 实验设计及目的 17 设计的实验为观察对比实验，相同的被试者，在三种不同的情况下做三组实验；设计、实施、评估者为笔者；评估方式采用单盲法评估。主要观察指标：入睡潜伏期；生物钟作用时效。实验目的：测量生物钟作用时效；同时分析声音刺激信号的间隔时间对睡眠潜伏期的影响。4.2.2 4.2.2 实验对象 录选中南民族大学 16 名研究生，其中男 14 人，女 2 人，年龄 23 岁至 28 岁。他们的匹兹堡睡眠质量指数（Pittsburgh sleep quality index,PSQI）平均值是 4.5。4.2.3 4.2.3 实验设备 实验采用的设备为自主设计的入睡过程监控仪。该仪器由五个主要部分组成。这五个部分分别为产生声音刺激的蜂鸣器、采集被试者动作反应的加速度传感器、负责计算分析的主控单位、数据存储单位以及无线蓝牙模块。其中主控单位给出声音刺激信号后，根据加速度传感器获取被试者反应信息，存储数据，并将数据通过无线蓝牙模块发送出去，方便在电脑上实时监测睡眠。4.2.4 4.2.4 实验程序 实验地点和时间的选择可能会影响到实验结果的准确性，因为有的被试者在一个陌生的环境下无法入睡。为消除时间和睡眠环境的影响，真实地测量出被试者的生物钟作用时效和睡眠潜伏期，入睡过程监控仪由被试者带回自己的宿舍，晚上睡觉时进行实验。实验时，入睡过程监控仪戴在食指上。入睡过程监控仪开机之后，每隔一定的时间会驱动蜂鸣器产生声音刺激信号。驱动蜂鸣器产生的声音刺激信号有两种，一种为持续时间 200ms 的声音刺激信号，此声音刺激信号不需要被试者做出反应，我们把这种声音刺激信号称为非目标刺激；另一种为持续时间 500ms的声音刺激信号，此声音刺激信号要求被试者在睡觉时听到后，尽快做出反应，即轻轻动一下戴仪器的食指，我们把这种声音刺激信号称为目标刺激。两种声音刺激信号的时间长度差别明显，被试者在入睡前能容易地辨别目标刺激和非目标刺激。18 实验前，被试者应手动调节入睡过程监控仪产生的声音刺激信号强度，调整到在被试者清醒状态下，刚好能听到声音刺激信号。当被试者刚好入睡时，发出的声音刺激信号不会将人唤醒，减小对睡眠的影响。睡眠实验示意图如图 4.1 所示。图 4.1 睡眠实验示意图 4.2.5 4.2.5 实验一 入睡过程监控仪只产生目标刺激，即声音长度为 500ms 的刺激信号。产生声音刺激信号的间隔为 6 秒至 25 秒之间的随机值。当被试者连续 10 次对目标刺激都没有反应，则关机。4.2.6 4.2.6 实验二 实验二只产生目标刺激。产生声音刺激间隔为 16 秒至 35 秒之间的随机值。同实验一相比，区别是增加了声音刺激信号的间隔。当被试者连续 10 次对目标刺激信号都没有反应，则认为被试者已经睡着，入睡过程监控仪自动关机。4.2.7 4.2.7 实验三 实验三与实验二相比，区别是增加了非目标刺激，即声音刺激持续时间长度为 200ms 的信号。在该实验中，有两个声音刺激信号，即目标刺激信号和非目标刺激信号。这要求被试者在睡觉时，当听到声音刺激信号，需要分辨两个刺激信号。当声音刺激信号是目标刺激时，需要被试者尽快做出反应；当声音刺激信号是非目标刺激时，被试者不必理会。实验过程中，目标刺激信号和非目标刺激信号是等概率随机出现的。声音刺激信号间隔为 16 秒至 35 秒之间的随机值。19 4.3 4.3 实验结果 入睡过程监控仪将实验数据存储在内置的 TF 卡里面。实验结束后，需要将内置的 TF 卡取出来，用读卡器在电脑上读出实验数据。数据保存在 TF 卡里面的一个文本文档里面，查看数据方便。保存实验数据的文本文档，都是以实验开始时的日期时间来命名的。因此，每次实验都会对应不同名称的文本文档，不用担心数据被覆盖或者混淆的问题。打开保存实验数据的文本文档，里面的实验数据包括实验开始时的日期、时间、产生声音刺激的时刻、刺激类型、被试者反应时间和反应正误。刺激类型指的是目标刺激信号和非目标刺激信号。目标刺激用“1”表示，非目标刺激用“2”来表示。被试者反应时间包括对目标刺激信号的反应时间和对非目标刺激信号的反应时间。反应正误是指被试者对声音刺激信号反应的正确与否。对目标刺激信号反应和对非目标刺激信号不反应，反应是正确的；相反，对目标刺激信号不反应和对非目标刺激信号反应，反应是错误的。反应正确用“0”来表示；反应错误用“1”来表示。如果反应时间超过 2 秒钟，则认为被试者没有对刺激信号做出反应，反应时间记为 2000ms。实验数据的文本文档如图 4.2 所示。20 图 4.2 入睡过程监控仪保存的实验数据 用本实验室自编制的睡眠数据分析软件分析实验数据，只要读入保存实验数据的文本文档即可。睡眠数据分析软件将保存在文本文档中的实验数据绘制成图形。图形以时间为横坐标轴，被试者对声音刺激信号的反应时间为纵坐标轴。目标刺激信号在图形上绘制成“”；非目标刺激在图形上绘制成“”。为了更直观地在图形上观察到被试者对声音刺激信号反应快慢的水平，我们将纵坐标轴倒置过来。被试者对声音刺激信号反应时间越长，即被试者对声音刺激信号反应比较慢，反应水平低，在图形上绘制的“”或者“”就越靠近横坐标轴；被试者对声音刺激信号反应时间越短，即被试者对声音刺激信号反应比较快，反应水平比较高，则在图形上绘制的“”或者“”就越远离横坐标轴。4.3.1 4.3.1 实验一结果 入睡过程监控仪只产生目标刺激信号，目标刺激信号的时间间隔是在 6 秒至25 秒之间的随机值。我们选取 16 名被试者中任意一个人的实验数据，用睡眠数 21 据分析软件打开并绘制成图形，如图 4.3 所示。图 4.3 实验一结果图 从该被试者实验数据绘制的图形，我们可以看出，图中只有“”，没有“”。即本次实验中只有目标刺激信号，没有非目标刺激。实验开始的时间是图中的“a”点，即 12 时 11 分 18 秒。图中的“e”点以及后面的点反应时间都大于 2 秒，被试者没有对目标刺激信号做出反应，说明被试者已经睡着，我们可以近似地认为，被试者在“e”点睡着，“d”点是被试者睡着前最后一次对目标刺激做出反应。被试者从开始睡觉到睡着所经历的时间长度为睡眠潜伏期，即“a”点到“e”点的时间长度。从该图形上，我们能得到被试者入睡潜伏期为 22 分 36 秒。被试者入睡前最后一次有意识的反应到睡着所经历的时间，是我们需要测量的生物钟作用时效，即图 4.3 中“d”点到“e”点的时间长度。在图中，我们可以得到被试者生物钟作用时效为 17 秒。“e”点及后面 10 次目标刺激，被试者没有做出反应，视为被试者已经睡着了，入睡过程监控仪自动关机。实验开始时，被试者的大脑清醒，思维活跃，生物钟作用相对较弱，因此，被试者对目标刺激信号反应比较快，且反应速度比较一致，如图 4.3 中的“a”点到“b”点。随实验进行，被试者大脑思维活动减少，生物钟作用相对增强，被试者对目标刺激信号反应速度降低，甚至没有反应。如图中“c”点存在两种 22 可能，一种可能的情况是被试者刚刚睡着，后来被声音刺激信号唤醒；另一种可能的情况是被试者没有睡着，但注意力不集中，可能由失控的认知活动导致。两种情况都是可能的，需要具体分析。如果“c”点前面有三次以上的目标刺激没有反应，可能是第一种情况，被唤醒，这是因为刺激信号没有满足生物钟作用时效的要求，刺激间隔应增大；相反，则可能是第二种情况，刺