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作者:黃凱 鄧嘉峰(2001-11-05);推薦:徐業良(2001-11-06)
附註:本文參加九十學年度「元智大學工學院學生專題論文競賽」。

睡眠品質評估系統之設計

摘要

本文是國科會整合型計畫「建立高齡者生活品質之智慧型維護系統」架構下所發展的部分成果,目的在以不破壞原有家庭設施功能的外掛式裝置為設計前提,以非察覺性監測高齡者睡眠時各項生理資料。系統裝置包括睡眠體溫量測、睡眠翻身次數累計、睡眠特徵取樣三項子系統,藉由睡眠時體溫、翻身次數與睡眠時間等睡眠特徵的長期監測,可以提供睡眠品質的評估指標。睡眠品質評估系統所獲得的睡眠特徵指標藉由總計畫中的網際網路與資料傳輸機制,經遠端的智慧型診斷系統綜合評估,可提供子女與照顧者身體健康與睡眠品質的客觀指標。

1. 研究背景與目的

近年來,由於醫療的完善,老年的人口比例已經大幅的增加了,根據經建會的資料,臺灣地區在199465歲以上人口即已達7%,而開始邁入高齡化社會。邁入高齡化社會自然也就會伴隨出一些老人問題,Prinz [1977]針對老年人所進行的睡眠評估研究中便察覺到許多高齡人士隨著年齡增長,有夜間睡眠時間減少,起床時間提早的現象;Habte-Gabr等人[1991]所做的研究中同樣地發現隨著年齡增加,總睡眠時間、睡眠前潛伏時間、起床時間等都會隨著改變。許多睡眠學學者所做的研究中都指出高齡人士睡眠異常往往伴隨著較高的死亡風險率,對健康也會造成一定程度的影響,所以睡眠模式的評估對於高齡人士健康而言是一項十分重要的指標[Brabbins, et al, 1993; Benca and Quitans,1997; Manabe, et al., 2000]

國外許多學者的研究試著以“家”作為家庭健康的起點,Stephen[1996]於國際期刊「未來人(The Futurist)」中便預測,2006前來臨之前,排名第六的的科技產品“家庭用的健康監測系統(Home health monitors)”將是改變人類生活形態的重要角色;日本三菱(Matsushita)在東京建造的“Warp Square HII”是以醫療作為訴求的健康之家 [Watts, 1999],由英特爾出資贊助喬治理工學院、羅徹斯特大學所建造的“感應屋(Aware home)”內則設置了感測老人動作、聲音等活動量的感測系統,以網路數位像框方式提供子女或醫生觀察老人居家活動的狀況[Kirschner, 2001]。除了上述執行中的研究計畫,波特蘭市郊的艾利特安養中心籌建的「燕麥田莊」,已於去年十月開幕,每個房間的床鋪都有感應器可以偵測居住者的體重和睡眠中的翻身次數,紅外線感應器可以感知人是否下床沒有回來,從而知道人是否跌落床下【陳寶蓮,2001】。

先進國家人口老化過程所引發的問題已經顯現,除生產力降低等經濟面問題,以及各種社會福利、扶養、醫療等社會安全制度的問題之外,從科技面來看,如何應用各種科技輔助,使得生理機能漸趨衰退的高齡人士,仍然能夠健康、舒適、安全地享受生活,也是一個非常值得重視的重要課題。國內相關研究僅止消極層面,在生命危急時的緊急通報系統,如台北市的獨居老人生命聯防系統與安養院中常見的人體紅外線監測裝置。

本研究是國科會整合型計畫「建立高齡者生活品質之智慧型維護系統」架構下所發展的部分成果,以「睡眠品質評估系統之設計」為題,藉由睡眠時長期監測累積的生理資料,綜合評估使用者的睡眠模式與睡眠特徵,提供子女與照顧者睡眠品質的評估指標,睡眠品質評估系統所獲得的睡眠特徵指標,藉由總計畫「建立高齡者生活品質之智慧型維護系統」中的網際網路與資料傳輸機制,經由遠端的資料庫儲存與智慧型診斷系統的綜合評估,可提供子女與照顧者對高齡者身體健康與睡眠品質的客觀指標。

2. 系統設計概念與目標

人的生活作息中一天中有幾乎三分之一的時間都在床上睡覺,隨著生理機能日漸退化與疾病的影響,高齡人士臥床的時間也隨著增加,睡眠環境是最適合進行長時間健康監測的環境,除了生理機能上的體溫、脈搏的測量,我們更可藉著各式生理感測器建立睡眠模式的評估機制。目前學者在進行睡眠模式評估研究時,主要採用事後問卷訪查與觀察人員定時記錄兩種方式,事後問卷方式容易因受訪者個人感覺與記憶模糊而影響,而觀察人員記錄方式則需要眾多的人力,對於居家環境的睡眠模式評估而言都不是非常適合的方式。

基於上述的緣由,本研究的設計概念旨在發展一種可以即時且長期監控老人的睡眠品質評估系統,同時在不破壞原有睡眠環境的狀態以及非察覺性的要求下,透過簡單的外掛設備來監測獨居老人的睡眠狀態,以非察覺的方式長期的監測並紀錄睡眠者的體溫、翻身次數以及睡眠時間。在開始著手設計之前,我們透過一些簡單的問卷調查以及訪談初步了解一般老人以及照顧者的需求所在並且加以綜合分析。最後,我們歸納出五點設計上的概念與目標並分別作介紹說明。

(1)   非察覺性的監測設計

各監測系統皆以非察覺性的方式來進行長期監測,讓老年人不必重新適應新的環境,也不會受到新設備的影響,導致睡眠習慣的改變,或是影響了原有的生活作息‧

(2)   模組化的外掛式設計

模組化設計的優點是目前設計的趨勢,間單的外掛式設備讓組裝工作更加便捷,在不必更換原有寢具的前提下不但可以維持原先的睡眠環境,更可以省去很多不必要的成本。

(3)   人因工程考量

本論文所研發的系統均是以老年人為出發點,睡眠環境是人一天之中長時間直接接觸的場所,必須考慮的因素包含外掛裝置是否改變原先的睡眠場所而對睡眠造成影響,以及睡眠時直接接觸的裝置必須有人因工程上的考量。

(4)   後端介面與網路連線

本系統最終的目標將是可以和多種居家監測系統作整合並且充分地結合網路的傳輸功能;其做法是以非察覺的方式長期的監測並紀錄睡眠者的體溫、翻身次數以及睡眠時間,並利用網路連線的方式傳送高齡人士睡眠體溫的紀錄資料,提供子女或照顧者睡眠品質評估上的參考指標,最後,我們希望能夠透過智慧型的判斷系統,在生理訊號出現異常時發出即時的警告訊息。

(5)   與現今睡眠研究之區隔

現今之睡眠研究幾乎都是被動式的監測與評估,通常都只針對受測當時的狀況作評估,監測是否有疾病或意外發生。我們的「睡眠品質評估系統」在意義上與現今一般的睡眠研究是有所區隔的,透過長期的睡眠生理訊號擷取紀錄,我們可以了解一個人長期以來的生理變化趨勢,一旦這個人的生理趨勢突然出現不尋常的變化時,往往代表著疾病的發生或前兆。這也就是整個「睡眠品質評估系統」的主要目的所在。

以下內容將細分為睡眠體溫量測系統、睡眠翻身次數量測系統、以及資料擷取與特徵取樣技術三部份作詳細介绍。

3. 睡眠體溫量測系統之設計與測試

本系統的設計目的,是以非察覺的方式長期的監測並紀錄睡眠者的體溫,同時利用網路連線的方式傳送高齡人士睡眠體溫的紀錄資料,提供照顧者或醫療系統作為照顧上的參考,同時透過智慧型的判斷系統,可以在生理訊號出現異常時發出警訊。以下將詳述本系統之設計構想與實際測試結果。

1所示為人體體溫分布圖,圖中明顯的表示出人體的頭、頸部溫度在整個人體中具有較高的溫度(圖中箭頭所示),約為36,因此本研究決定以這個部分為量測的區域。同時由於睡覺時枕頭是不可或缺的物品,而且在頭部透過接觸量測體溫並不會有衣服的阻隔影響熱傳導,所以決定將感測器放置在頭部位置。

1. 人體體溫分布圖【u-health健康網】

在硬體設計上我們設計一個枕頭大小的布質薄軟墊(圖2),在軟墊中裝置數顆微型熱敏電阻(初步規劃為五顆),使用上可將軟墊置於枕頭上或放入枕頭中,透過簡單的分壓電路(圖3),量取電阻分壓與相對應溫度做校正,可得電壓與溫度之關係式。

2. 布質薄軟墊及熱敏電阻安裝位置圖

3. 分壓電路圖

在選用溫度感測器的過程中,我們發現熱敏電阻(如圖4)具有多項特點符合我們需求:

(1)   一般熱敏電阻的量測範圍約從-40~150,已包括室溫至體溫的範圍;

(2)   精確度高,可到0.1以下;

(3)   輸出的電阻可利用簡單的分壓電路將其輸出的電阻改為電壓,可直接以ADDA卡擷取電壓值來換算成溫度值;

(4)   輸出電壓不需透過放大器放大,穩定性較高;

(5)   種類繁多,可以選擇適當大小的熱敏電阻來達到非察覺性的要求。

4. 本設計所採用的熱敏電阻

在硬體製作上,我們將五個熱敏電阻散布安裝在薄軟墊內,藉以加大量測範圍。接下來,將軟墊內電線匯集起來,經由傳輸線連接到外面的操作盒,盒內配有分壓電路以及供給分壓電路的電源供應器,經過盒內的電路後,即可輸出電壓訊號至ADDA卡,完成品整體組件相當簡單,只有(1)布質軟墊、(2)裝置電源供應器及分壓電路的操作盒(如圖5所示),無論使用及操作都非常的便利。

5 體溫量測實際硬體完成品

利用簡單的溫度校正實驗,可以找出熱敏電阻電壓與溫度的線性關係,將線性關係放入軟體程式中運算即可顯現出換算溫度值。圖6是將五條熱敏電阻放在水中作校正,顯示出溫度及電壓的座標圖,從關係圖我們就可以求得兩者的關係式。另外由於接觸頭部所量得的溫度只是頭部的表面溫度,並不是我們所要的體溫,因此我們便透過實際測試找出平均頭部表面溫度與以耳溫槍量測知體溫的差值,作為最後的溫度補正(參見表1)。

6. 溫度與熱敏電阻分壓之關係圖

1. 溫度量測值與耳溫槍量測之體溫比較表

 

量測值℃

體溫℃

差值℃

受測者A

36.0

37.6

1.6

受測者B

36.0

37.1

1.1

受測者C

36.3

37.8

1.5

受測者D

36.1

37.5

1.4

受測者E

36.2

37.7

1.5

平均值

36.12

37.54

1.42

在得到溫度與電壓關係式及表1的補正值(1.42)之後,我們完成了整個程式的撰寫並開始實際測試工作。圖7為兩次測試結果圖,圖中的兩條溫度曲線圖具有相同的趨勢,以室溫為起始點,當受測者頭部接觸到枕頭上的軟墊時,軟墊內的熱敏電阻受到體溫影響,溫度逐漸升高,經過一段時間後(約15分鐘後,視室溫不同而有差異)溫度將會呈現穩定狀態,此時即為體溫量測值;在上升的過程中我們看不到太大的的溫差起伏,可見選用熱敏電阻在穩定性的表現上是非常不錯的。

7. 受測者AB的溫度測試結果圖

在一連串的測試過程中,觀察到兩個重點:

(1)   室溫對最後量測到的最高穩定溫度值並不會有明顯的影響,但是溫度上升至最高點的花費時間會受到有很大的影響,也就是室溫越低,溫度上升的趨勢就越慢。

(2)   每個受測對象所量到的體溫與耳溫槍所量測之體溫都仍會有些許誤差存在(約在0.5以內),但是不同體溫量測方式、甚至量測身體不同部位之體溫,本來就會有差異,且由於我們的目標是對老人睡眠時溫度變化模式做長期的監測,因此這個誤差對整個產品的功能應不會有太大影響。

4. 睡眠翻身次數量測系統之設計與測試

本系統的設計目的在長期監測睡眠者的睡眠品質,利用翻身次數來作為睡眠品質的參考指標。以下將詳述本系統之設計構想以及實際測試結果。

我們的設計構想是在床墊(一般彈簧床墊或薄床墊皆可,本文以彈簧床墊為例)下約在胸背位置橫向裝置一片不鏽鋼板,如圖8所示。不鏽鋼板的結構類似ㄇ字型,鋼板厚度2mm),兩側墊高約兩公分,在不鏽鋼板下方中間位置黏上應變規(Strain Gage),如圖9、圖10所示。當睡眠者翻身時,床墊下的不鏽鋼板會受力產生彎曲的形變,此時不鏽鋼板內應變規的電阻值會產生變化,透過電橋電路及放大電路(圖11)的轉換,當輸出電壓瞬間產生劇烈變化時(如圖12所示,圓圈處陡坡為翻身動作所造成之現象),則可判定為翻身動作。

8. 橫桿裝置位置

9. Strain Gage黏貼示意圖

10. 橫桿側視圖

11. 電橋及放大電路

12. 四次翻身曲線圖

在橫桿結構的設計上,我們採用類似ㄇ字型的形狀,其優點有加強鋼板的抗撓曲能力,提高耐用性及穩定性,並能保護不鏽鋼板下的應變規及線路,避免受到外在環境的傷害。最後完成品如圖13所示,所有組件只有兩個部分(1)橫桿、(2)裝置有電源供應器及所有電路的操作盒,使用時只需將電源開啟並將輸出端接到ADDA卡即可。由於應變規的輸出是電阻值(120Ω),因此無法直接以ADDA卡抓取訊號,所以我們透過由惠司通電橋電路將電阻值轉變為電壓值,但是由於因為輸出電壓值太小,所以再經過放大電路(以741放大器放大1500倍)將電壓值做放大。

13. 翻身監測實際硬體完成品

5. 資料擷取與特徵取樣

本「睡眠品質評估系統」在體溫及翻身次數的資料擷取上,初步規劃是採用ADDA卡(選用研華PG-818H)來達到電壓抓取的工作,之後再透過VB程式的判別與特徵取樣即可完成整個系統的功能,其體溫與翻身次數監測流程如圖圖14所示。

14. 翻身次數與體溫量測流程圖

睡眠體溫量測方面,現階段的軟體的規劃上是利用電腦來作為處理、判別的工具。透過ADDA卡抓取到的電壓以及電壓與溫度的關係式,我們可以經由程式換算得到每個熱敏電阻的溫度,而在頭部實際接觸量測到頭部溫度穩定之後,此時與真實人體溫度勢必會有差值,因此我們透過一連串的實驗,找出平均差值來做為補正值(如表1所示,補正值為1.42)。接下來程式判別的階段,由於軟墊上分布了多個熱敏電阻,睡覺時頭部可能只會接觸到一、二個點,每個熱敏電阻量到的溫度並不會相同,因此我們規劃程式的判斷功能為抓取最高溫的一點,同步顯示並記錄下來。整個程式介面如圖15所示,從介面上可以看到每個熱敏電阻的溫度顯示,另外程式介面上還可以將最高溫個別顯示,同時可以將量到的溫度值儲存起來。

15. 體溫量測程式介面

睡眠翻身次數量測系統方面,在軟體規劃尚首先我們先以簡單的電壓抓取程式做試驗,以體重55公斤的同學為受測對象,要求同學每15秒翻身一次,並以每0.5秒的時間間隔抓取電壓值,最後,畫出的電壓變化曲線圖如圖16所示,圖中的黑色圓圈為翻身時所造成的電壓突變(急劇的電壓上升或下降),其餘的電壓跳動是本身電路的不穩定所造成的,從圖中我們可以看到翻身時的電壓變化還不是很明顯,因此我們再以“maximum overlap”的方法[Stearn and Ruth, 1996],取兩個數值平均過後的值再畫出圖形(圖17),由圖形可以較明顯的看出翻身時的電壓變化。而再將其數值以“maximum overlap”的方法繼續作分析,畫出取不同個數值平均的圖(圖18~21),其中可以看出取七個數值平均的圖形(圖19)較為平滑,且各壓差的區隔較為明顯。

16. 0.5秒間隔抓取結果

17. “maximum overlap”取兩個數值平均後之曲線圖

18. “maximum overlap”取五個數值平均後之曲線圖

19. “maximum overlap”取七個數值平均後之曲線圖

20. “maximum overlap”取九個數值平均後之曲線圖

21. maximum overlap取十六個數值平均後之曲線圖

實際應用上我們必須設定一個壓差值,輸出電壓變化超過此值時即判定為有翻身動作。這個壓差值設定太高,系統將變得不靈敏,微小的翻身動作不易被察知,設定太低,則輸出電壓值的雜訊也可能被誤判為翻身動作。因此我們以體重55公斤的同學進行翻身測試,以每15秒翻身一次共十次,每個壓差設定測試兩次,然後將各種不同壓差設定所監測到的翻身次數做比較並列表如表2。由表2可以看出,壓差設定約在0.023V是最適合該同學翻身判斷的設定值。

2. 壓差設定與量測結果

壓差設定(V)

量測結果()

測試一

測試二

0.027

3

2

0.026

4

4

0.025

6

5

0.024

8

8

0.023

9

10

0.022

10

12

0.021

12

14

0.020

16

17

由前面的分析結果圖,我們在程式中先將每0.5秒抓到的電壓值以“maximum overlap”的方法取七個值來做平均並做紀錄,如果連續的平均電壓值出現連續上升(或下降)並超過某個定值(如表2中的0.023V)三次,程式即判定為翻身,並給予計數一次。同時為了避免重複計數,在翻身次數增加一次時,我們讓程式暫停約兩秒(因為整個翻身過程約2~3秒)。圖22為翻身判別程式的介面,程式的介面可直接調整壓差,以配合市面上各種不同的床墊及不同體重的人。

22. 翻身判別程式介面

6. 系統整合與測試

上述各系統都是以手動的方式去啟動與關閉監測系統,相當的不實用與不方便,只適合一般的測試使用。為了將系統自動化並加入睡眠時間的計時功能,以程式自動判別去控制各系統的開啟與關閉具有其必要性。因此我們將體溫量測系統與翻身監測系統做結合,以量測到的溫度值來設定開關,當溫度值超過30時(可依室溫再做調整),顯示介面才會出現目前的溫度值,並啟動翻身程式及睡眠時間的計時裝置,如圖23所示。以此方式啟動在睡眠計時,由於在到達30所花費的時間或許會有不同,可能會有幾分鐘的誤差,但是對於整個長期監測的結果並不會有太大的影響。

23. 整合程式之介面

在圖23的程式介面中,右上角部分為網路傳輸的部分,功用在於將體溫值、翻身次數值以及睡眠時間累計透過網路傳送到其他的電腦,如此,高齡人士的子女或是照顧者便可以藉由網路來得知這些訊息,適時的提供照顧與關懷。

本系統在九十年十月份資策會所舉辦之第五屆長青資訊月的展覽中實際展出我們設計的產品功能(圖24),並藉由展出的機會實地測試我們所完成的「睡眠品質評估系統」的各項功能,及與「建立高齡者生活品質之智慧型維護系統」整合型計劃中其他開發項目作整合。在目前所完成的體溫量測、翻身次數累計以及睡眠時間計時統計的項目上,已經可以達到具體的功能要求。

24. 參加第五屆長青資訊月現場剪影

7. 結論與未來展望

本研究的最終目的在發展一種可以即時且長期監控老人的睡眠健康監測系統,可以和多種居家監測系統作整合並且充分地結合網路的傳輸功能,透過這個系統,我們可以藉由生理資料的紀錄評估睡眠品質與睡眠狀態,並讓遠端照護者透過網際網路及時獲得相關資訊。

我們目前所完成的雛形系統中還有很多可以再進步的空間,技術方面像是如何快速地到達體溫量測的穩定值,如何加強翻身判別的穩定性及準確性等,都是可以再強化的部分;同時,如果要再更進一步的達到商品化的要求,捨棄昂貴的ADDA卡與個人電腦將是必要的,結合單晶片並發展無線傳輸機制,應是未來的發展方向。

8. 致謝

本文承蒙國科會計劃資助研究,特此感謝。同時,對於最佳化實驗室的徐業良教授及各位學長,我們也同樣抱以誠摯的感謝,沒有大家的支持與監督協助,這段路將會倍加崎嶇,最後,也感謝王崇飛老師、謝建興教授、吳昌暉教授所提供的寶貴意見。另外,感謝資策會的邀請,讓我們有機會參加第五屆長青資訊月的展覽,展現我們在老人福祉科技上的努力成果。

9. 參考文獻

Benca, R.M., and Quitans J.,,1997 “Sleep and host defenses: Areview”,Sleep,20:1027-1-37

Brabbins, C. J., Dewey, M.E., Copeland J.R.M., Davidson I.A., McWilliam, C., Saunders. P., Sharma. V.K., and Sulluvan, C., and et al., 1993, “Insomnia in the elderly: Prevalence gender differences and relationships with morbidity and mortality”, Int J Geriatr Psychiatry 8:473-480.

Habte-Gabr, E., Wallance, R.B., Colsher, P.L., Hulbert, J.R., White, L.R., and Smith, I.M.,1997,”sleep patterns in the healthy aged”

Kirschner, S.K., 2001,“二十五年後的未來住家將是什麼樣子”,科技時代no.5

Manabe, K., Matsui, T., Yamaya, M., Sato-Nakagawa ,1997 “Sleep and host defenses: Areview”

Prinz, P.N., 1997,”sleep patterns in the healthy aged”,J Gerontol, 32:179-186

Stearn, S. D., and Ruth, A. D., Signal Processing Algorithms in Matlab,1996.

Stephen, M., and William, K., 1996.”The top 10 innovative products for 2006: Technology with a human tough,”The Futurist, v33,Iss.4,p.16-20

Watts, J., 1999. “The healthy home of the future comes to Japan,” The Lancet, v353.

陳寶蓮譯,中國時報民國九十年四月六日