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作者:鄭智銘(2002-07-19);推薦:徐業良(2002-07-20)

睡眠監測相關研究簡介

1.     睡眠監測的背景

早期人們認為睡眠狀態中,人體與大腦是屬於休息靜止的狀態,直到十九世紀才有學者實際利用儀器客觀地記錄睡眠狀態中人體血壓、呼吸、脈搏與尿量等生理情況。1929年德國精神科醫師Hans Berger以置於頭皮上的電極記錄腦波訊號,發現藉此可以觀察腦部活動的情形,隨後的學者便藉腦波圖研究睡眠狀態中的大腦活動情形,發現依據睡眠由淺至深不同時期的腦波變化,可將睡眠時期歸類為四個階段,今日我們稱之為NREM睡眠的一到四階段。

1953年,睡眠學研究之父Nathaniel Kleitman與其學生,進行睡眠腦波記錄時發現了睡眠狀態中一個特殊的階段,這一階段的腦波與清醒時十分相似,並伴隨著快速眼動特徵,稱之為快速動眼期(rapid eye movement, REM)。一個完整的睡眠週期便是在非快速動眼期(non-rapid eye movement, NREM)與快速動眼期(REM)兩個部分交替,入睡後隨著睡眠由淺至深,首先進入NREM時期一到四階段,隨後進入REM時期,隨後再回到NREM睡眠,整夜便在這大約60~90分鐘週期的循環中度過。直到REM睡眠的發現,我們才得以一窺睡眠狀態的全貌。

睡眠狀態中的NREMREM時期所反應的生理特徵不盡相同,NREM時期心跳減緩血壓下降,呼吸緩慢而淺,血氧量降低,腸胃蠕動與內分泌減緩,對養分與氧氣需求量與排泄物量均降低,身體動作減緩且幾乎沒有眼球運動。而REM睡眠時期呼吸、心跳、血壓是呈不規則,而臉部肌肉完全放鬆,男性勃起,眼球快速動作。目前腦波圖仍是目前研究睡眠最客觀的依據,藉由監測睡眠中腦波變化,我們可以區分睡眠中的不同時期。

2.     睡眠監測設備的發展

2.1 睡眠多重生理記錄

1970年史丹佛大學成立睡眠實驗室之後,睡眠領域的研究開始應用於臨床醫學上,研究學者以客觀的測試儀器監測睡眠中的生理變化,藉此進行睡眠行為以及睡眠相關的疾病研究,目前進行睡眠評估與研究常使用如圖1所示的睡眠多重生理記錄(PSG, Polysomnographic),作為客觀的生理監測標準,常見的監測項目包括(1)腦波圖、(2)眼動圖、(3)肌電圖、(4)心電圖、(5)鼻、口腔呼吸流量、(6)腹胸呼吸運動、(7)血氧、(8)打鼾次數等,依據受測者需要刪減或增加監測項目。其中腦波圖與眼動圖主要作為辨別睡眠不同階段的依據,肌電圖常作為磨牙、肢體異常抖動的監測,而睡眠中的呼吸與打鼾監測則是呼吸中止症相當重要的觀察項目。


1. 睡眠多重生理記錄【葉世彬睡眠檢查室】

一般使用PSG進行睡眠監測必須在特定的實驗室進行,且需黏貼大量的腦波電極、心電圖電極、肌電電極、血氧計等,在不熟悉的環境下以及大量電極的黏貼,往往對受測者的睡眠造成影響,也十分的不便。隨著感測器技術的進步以及睡眠研究的進展,許多研究學者致力於如何以更輕巧、更簡便、提供足夠生理資訊的感測裝置,作為睡眠狀態監測與相關疾病研究的創新設備。

2.2 身體活動監測

Kayed[1979]以圖2的手腕貼片偵測身體活動、眼部動作貼片電極、以及肌電圖三項特徵,作為判別睡眠狀態中NREM時期、REM時期與清醒的指標,圖3的監測圖表中我們可以明顯鑑別不同睡眠階段的特徵。Cole[1992]Sadeh[1994]、以及Pollak[2001]三位學者的研究中,以如圖4所示紀錄肢體活動的腕動計(Wrist actigraphy),作為鑑別睡眠與清醒的依據,在Cole的研究中,準確率為90.2%Koninck[1983]的研究中發現,如圖5所示,由NREM睡眠深眠期回到淺眠階段常伴隨著身體的活動,藉此可以作為睡眠週期鑑別的依據以及睡眠品質評估的指標。

2. 偵測身體活動感測器[Kayed, 1979]

3. 以身體活動、眼動與肌動辨別睡眠與清醒[Kayed, 1979]

4. 市售腕動計[http://www.minimitter.com/]

5. 睡眠的不同階段與身體活動 [Koninck, et al. 1983]

2.3 身體體溫監測

Gillberg[1982]將受測者分為不同實驗組,分別於一天中的不同時間入睡,藉此摒除生理時鐘對體溫變化的影響。研究中發現,不論受測者在一天當中的什麼時候入睡,如圖6所示,睡眠後體溫下降率(每10分鐘的改變率),在睡著後會下降,在醒來時會上升。Murphy[1997],在研究中發現將近90%的受測者體溫下降率最大值會在睡前的一段時間內,圖7中圓點記號代表體溫下降率最大點(以每分鐘體溫變化為單位),而三角形記號為受測者實際入睡時間。

6. 睡眠前後體溫的變化[Gillberg, 1982]

7. 入睡前體溫下降率最大值[Murphy,1997]

2.4 非察覺式睡眠監測

目前市面上已經有許多配戴式、輕量化的小型睡眠監測裝置,圖8為目前市售產品,雖然配戴式的翻身監測裝置、腕動計、腳動計、呼吸監測裝置等。相較於睡眠多重生理記錄器PSG複雜昂貴的裝置,市售配戴式睡眠監測裝置已經十分輕巧輕量化,但對受測者而言睡眠時不免還是會有不適感,甚至影響睡眠,而感測裝置所連接大量的訊號線,也十分不便。如果要在日常居家環境中長期、持續性監測睡眠品質,如何降低感測裝置對睡眠的影響,甚至在非察覺性的情況下紀錄所需要的睡眠生理特徵,便是一項值得研究的課題。

8 市售家用睡眠監測使用情形[Pro-Tech Services]

為了在非察覺性的狀態下監測睡眠時身體的動作,Tamura[1996]利用床上的溫度感測裝置,感測因為身體動作而造成的溫度變化,藉此鑑別身體活動的情形。在圖9中我們可以看到因身體動作而造成的心跳率(HR)頻率增快,床上溫度也因睡眠姿勢改變而產生波動。Nishida[1997]更設計了圖10中裝設大量感測器的床,包括床上的壓力感測器、CCD、與麥克風,藉此觀察睡眠中的活動,圖11我們可以看到因不同姿勢所造成的壓力點分佈圖,並藉由最大壓力點分佈情形可以判別受測者仰睡或臥睡的姿勢。

9. 利用床上溫度的改變率鑑別身體翻身動作[Tamura, 1996]

10. 睡眠監測床[Nishida, 1997]

11. 依據壓力點分佈判別睡眠姿勢[Nishida, 1997]

隨著睡眠學領域研究與感測技術的進步,睡眠監測裝置的設計上傾向能適合家庭使用的裝置,不再使用大型大量的感測裝置,而是以具有巧思設計概念所設計的產品。如圖12所示,Harada[2000]所設計的睡眠監測裝置,藉由枕頭下放置的壓力感測裝置,在圖13左圖中可以看到因呼吸時壓力改變而產生的規律性波動,當睡眠姿勢改變時,所引起的壓力劇烈變化可作為身體動作判別的指標,圖13右圖我們可以看到睡眠呼吸中止症在呼吸動作停止時波形成一直線。Tamura[1992],以圖14設置於床墊上的光纖感測器,利用光纖因壓力而產生強度變化的原理,可以藉由因身體動作而產生的壓力變化判別身體的動作。

12 診頭下的壓力感測裝置[Harada ,2000]

13. 藉由壓力改變判別呼吸、身體動作以及呼吸中止[Harada, 2000]

14. 應用光纖壓力感測器偵測身體動作[Tamura, 1992]

3. 結論

隨著睡眠研究領域以及感測技術的進步,更精巧、更輕量化配戴式的睡眠感測裝置是設計上的一個趨勢,為了不影響睡眠的進行,許多學者致力於非察覺性睡眠監測裝置的設計。對睡眠監測而言,能夠在原本居家環境中的睡眠場所進行睡眠監測,是最適合的地點,許多研究的訴求便是希望能建立適合居家環境下使用的睡眠監測系統,藉此取代在實驗室陌生的入睡環境,以及不舒服的大量電極與訊號線,非察覺性的設計更是適用於高齡者與幼齡小孩的睡眠監測。

參考資料

Cole, R. J., Kripke, D. F., Gruen, W., Mullaney, D. J., and Gillin, J. C., 1992, “Automatic sleep/wake identification from wrist activity,” Sleep, 15, pp. 461-469.

Gillberg, M., and Akerstedt, T., 1982, “Body temperature and sleep at different times of day,” Sleep, 5, pp. 378-388.

Harada, T., Sakata, A., Mori, T., and Sato, T., 2000, “Sensor pillow system: Monitoring respiration and body movement in sleep,” Intelligent Robots and Systems, Proceedings 2000 IEEE/RSJ International Conference on IROS 2000, 1, pp. 351 –356.

Kayed, K., Hesla, P. E., and Rψsjψ, ψ., 1979, “The actioculographic monitor of sleep,” Sleep, 2, pp. 253-260.

Koninck, J. D., Gagnon, P., and Lallier, S., 1983, “Sleep position in the young adult and their relationship with the subjective quality of sleep,” Sleep, 6, pp. 52-59.

Mini Mitter Co., Inc., http://www.minimitter.com/

Murphy, P. J., and Campbell, S. S., 1997, “Nighttime drop in body temperature: A physiological trigger for sleep onset?” Sleep, 20, pp.505-511.

Nishida, Y., Takeda, M., Mori, T., Mizoguchi, H. and Sato, T., 1997, “Monitoring patient respiration and posture using human symbiosis system,” Intelligent Robots and Systems, Proceedings of the 1997 IEEE/RSJ International Conference on IROS '97, 2, pp. 632-639.

Pollak, C. P., Tryon, W. W., Nagaraja, H., and Dzwonczyk, R., 2001, “How accurately does wrist actigraphy identify the states of sleep and wakefulness,” Sleep, 24, pp. 957-965.

Pro-Tech Services, http://www.ptservices.com

Sadeh, A., Sharkey, K. M., and Carskadon, M. A., 1994, “Activity-based sleep-wake identification: an empirical test of methodological issues,” Sleep, 17, pp. 201-207.

Tamura, T., Miyasako, S., Fujimoto, T., and Togawa, T., 1996, “Monitoring bed temperature in elderly in the home”, 18th annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and biology society, Amsterdam.

Tamura, T., Nishigaichi, A., Nomura, T., 1992, “Monitoring of body movement during sleep in bed,” Engineering in Medicine and Biology Society, 1992, 14, Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE , 4, pp. 1483-1484.

葉世彬睡眠檢查室,http://home.pchome.com.tw/health/index.htm.