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作者:陳明周(2004-06-18);推薦:徐業良(2004-06-18);最後更新:陳明周(2004-06-25)
附註:本文為九十三學年度元智大學機械工程研究所陳明周碩士論文「鼾聲監測裝置之設計與製作」第一章。

第一章 研究背景與目的

1.1 睡眠打鼾問題

在傳統觀念中,多認為打鼾是熟睡的表現,甚至覺得打鼾愈大聲,代表睡眠品質愈好,因此多不會注意到打鼾背後的問題。中華民國胸腔病學會在1991年間就曾針對國人的打鼾情況,在頭份、大溪地區實施盛行率調查,發現我國四十歲以上的人口,睡眠中呈現鼾聲的盛行率是43.48%(男性51.69%,女性35.52%),其中輕、中、重度鼾聲的盛行率分別為26.83%13.21%、與3.44%【蕭光明,1995】。重度打鼾患者可能患有「睡眠呼吸中止症(obstructive sleep apnea syndrome, OSAS)」,在美國做過睡眠呼吸中止症侯的盛行率調查,統計結果有高達1%~8.5%的人口有這樣的問題[Partine, 1992],足見打鼾問題的嚴重性。兒童亦會有打鼾的情況,根據統計以4~7歲兒童較常見,其中10%是單純的打打鼾,3%併有睡眠呼吸中止症[Gislason,1995],此情況間接造成兒童情緒改變、注意力不集中、學習障礙等等,由於學齡前兒童正是學習的最佳時機,家長不可輕忽,以免影響孩子學習的狀況。

打鼾者的呼吸道通常比正常人狹窄,白天清醒時咽喉部肌肉收縮使呼吸道保持開放,不會發生堵塞,但夜間睡眠時神經興奮性下降、肌肉鬆弛,因此呼吸道受阻變窄,當氣流通過狹窄部位時,呼吸會感到困難,導致必須以比平常呼吸多47倍的力量方能呼吸,當強力的呼吸通過狹窄的氣管時,會引起懸雍垂或後顎帆的異常振動,於是引起鼾聲,嚴重時甚至會引發睡眠呼吸中止症,影響人的身體健康。造成呼吸道受阻引發打鼾的直接原因列舉如下(本資料整理自國內各醫院網站提供之健康資訊):

(1)   鼻部原因:鼻中隔偏曲,鼻息肉,鼻甲肥大,鼻粘膜充血肥厚、慢性鼻炎等。

(2)   咽部原因:扁桃體及腺樣體增大肥大,懸雍垂肥大,軟齶肥大低垂,舌體肥大。

(3)   先天性解剖畸形:下頜骨發育畸形(如小頜畸形),下頜骨後縮等。

(4)   機能性原因:白天清醒時氣道正常,睡眠時氣道周圍肌肉張力減低,加之仰臥時舌根後墜,造成氣道狹窄而出現打鼾。

除上述的直接原因之外,還有一些間接原因導致容易打鼾:

(1)   肥胖:體型肥胖或頸部粗短者,因為舌頭相對較大,咽喉四壁的脂肪寬鬆且多,氣道因而比較狹窄,空氣經過時震動也較常人為大。尤其在使用鎮定劑或酒精的肥胖者會更加嚴重。

(2)   性別:男性明顯高於女性。

(3)   內分泌疾病:甲狀腺功能減退症。上氣道出現粘液性水腫引起氣道狹窄,再加之呼吸中樞對低氧,高二氧化碳刺激的敏感性下降,引起打鼾或加重打鼾。

(4)   肢端肥大症:舌體增生肥大、扁桃腺過大,引起氣道狹窄。

(5)   飲酒及服用鎮靜安眠藥:會抑制呼吸,加重打鼾。此外,過度勞累時亦會引發打鼾現象產生。

(6)   吸煙:引起上呼吸道發炎水腫,引起呼吸道狹窄。

(7)   遺傳:常可見到家族性打鼾患者。

(8)   年齡:雖然任何年齡均可能有打鼾的現象,但一般隨著年紀的增加打鼾比率也隨之增加。主要是因為咽喉開口處的肌肉無力,加上舌根向後倒,阻擋了氣流的暢通而所致。

(9)   鼻塞時造成氣道受阻,由於用口呼吸,咽喉中的呼氣流會產生渦流,發出鼾聲。

(10)   患有全身性疾病:如胸部的疾病、糖尿病、高血壓、心臟血管疾病以及類風濕性關節炎等的病患,都會比較容易打鼾。也因此打鼾不只是構造上的問題,也要考量是否為身體上其它病因所造成。

另外還有少一部分人是因爲中樞性的原因引起打鼾,其原因為在腦部裡有一個屬於二氧化碳感知器的呼吸中樞,當二氧化碳濃度不夠或改變時,都會造成腦部的呼吸中樞受到刺激,它就會發出呼吸訊號到胸部,因此有此類症狀的人在呼吸的動作過程中若有不順暢,就會發生打鼾的現象。

就醫學上診斷而言,睡眠呼吸中止症候群的診斷標準如下,病人需符合下列AB標準,再加上C標準條件,可診斷為睡眠呼吸中止症【曾若琦,民81年】

A.         不能以其它原因做更好解釋的白天嗜睡

B.         不能以其它原因做更好解釋的以下情形,符合二者或二者以上

l          睡眠中的窒息或喘息

l          睡眠中反覆醒來

l          無法恢復精神的睡眠

l          白天疲勞

l          注意力不集中

C.         夜間監測證實每小時的睡眠中有5次或以上超過10秒的阻塞性呼吸事件,或每7小時睡眠有30次的事件。這事件包括任何阻塞呼吸停止、呼吸低下或因費力呼吸而醒來的情形。

在臨床上睡眠呼吸中止症候群可根據其發生原因分為三種形式:一為阻塞型(obstructive type),這是來自上呼吸道阻塞所引起,特別是在口咽部位,患者口鼻沒有氣流產生,但其胸部腹部仍有呼吸運動;第二為中樞型(central type),這是因為短暫性中樞神經缺乏對肌肉的驅動所引起,患者口鼻沒有氣流產生而且胸部腹部也沒有呼吸運動;第三種為混合型(mixed type),也就是同時包括有上述兩種情況。其中以阻塞性睡眠呼吸中止症(OSAS)最為常見。

阻塞型睡眠呼吸中止症的病人睡覺時,咽喉(上呼吸道)會變得狹小而使得呼吸困難,腦部感應到呼吸困難後就會用更多力氣去呼吸,用力呼吸的結果會導致將休息中的大腦被吵醒,以換取咽喉肌肉變堅挺同時打開呼吸通道,整個過程與打鼾相似,但阻塞的程度超過打鼾。當病人醒來後刺激咽喉肌肉使咽喉暢通,呼吸所用的力氣就會變小,呼吸又會回到正常的狀態,病人又可以再次入睡。入睡後同樣的情形又會反覆一再發生:

呼吸通道變窄→用力呼吸→大腦被吵醒→呼吸道暢通→再次入睡

像這種會干擾睡眠的循環一個晚上可以發生十幾次甚至上百次。由於大部分每一次呼吸被阻斷及大腦被吵醒的時間都很短暫,所以病人第二天醒來都不記得有發生過這些事。但是這樣的循環會使得患者無法熟睡而且身體得不到足夠的氧氣,導致白天容易感到疲倦及嗜睡,記憶力、注意力、學習能力和工作效率都逐漸變差,發生交通意外和職業災害的可能性也高於失人;身體長期缺氧,血液含氧量不足,大腦及全身器官的功能首當其衝,雖然傷害的速度緩慢,但身體健康就在這樣的蠶食之下不知不覺流失【潘震澤譯,民91年】。

睡眠呼吸中止症對人體的傷害還包括心臟血管方面,由於夜間長期缺氧造成週邊及肺部血管收縮,使病患出現高血壓及肺動脈壓力升高,心臟負荷增加而造成心臟衰竭。血管收縮會造成缺血性心臟疾病,常有病患晚上出現心絞痛,甚至引發心肌梗塞或猝死。長期心臟負荷,加上血流不足的情況下,心率不整便經常出現。此外血管在高血壓影響下,易造成血管壁破壞,演變為腦部血管阻塞(中風)【潘震澤,民91年】。

1.2 打鼾的監測

嚴格說來,單純的打鼾若沒有造成生活品質上的困擾,並沒有治療的必要,但嚴重的打鼾若不治療又會造成嚴重的影響,因此如何分辦打鼾的嚴重性、有沒有造成健康的影響,是醫師臨床診斷上重要的問題。現行醫院對睡眠與打鼾問題最準確的的檢查方法為使用「夜間多項生理監測儀(overnight polysomnography)」。夜間多項生理監測儀可以記錄一整夜的睡眠週期,呼吸暫停以及呼吸變淺的次數、型態、缺氧指數、心電圖的變化、口鼻腔氣流、胸部腹部呼吸運動、耳垂血氧計等訊號的記錄、打鼾次數…等情形,詳述如下【丁燿明,民83年】:

(1)   腦電波(EEG):判斷患者是否已入睡眠及已進入何睡眠時期。

(2)   肌電圖(EMG):判別患者的肌肉是否仍處於緊張狀態中,以了解患者是否處於快速動眼睡眠期。

(3)   眼動圖(EOG):了解患者眼球轉動的情形,以判定患者是否進眼球快速動眼睡眠期。

(4)   氣流偵測(Airflow monitor)或呼吸末二氧化碳濃度測定(%End tidal CO2):測量患者鼻腔是否有氣流產生,以決定患者是否在呼吸。

(5)   胸部及腹部運動監視(Thoracic and abdominal movement monitor):看患者是否有呼吸運動產生。

(6)   氧氣飽和度追蹤(Oxygen saturation monitor):在整個睡眠檢查中,偵察患者血中氧氣飽和度的變化情形,以及氧氣飽和度有否降低百分之四或以上。

(7)   心動圖(ECG):尋找患者在睡眠呼吸中止中是否有心律不整的情形。

(8)   睡姿(Sleep position):一般來說,仰睡較容易打鼾,側睡情況會稍微改善。

夜間多項生理監測儀的執行可分為兩種模式,一種是在醫院或研究機構會設立睡眠實驗室,患者至實驗室中進行檢查;一種是由技術人員將儀器攜至患者家中進行檢查。以下為節錄自林口長庚醫學中心睡眠實驗室對夜間多項生理監測儀的監測流程所做的介紹【林口長庚醫學中心睡眠實驗室】:

….本科為利於患者睡眠,特闢六間安靜舒適的小房間,安排病人於睡眠前半小時到一小時報到,量完身高體重,換上舒適的睡衣,詳細問診、測量血壓後,給病人連接上包括腦波、肌電圖、心電圖、口鼻氣流感應、胸腹帶、麥克風、血氧脈衝儀等導線,進入睡眠呼吸多項監測儀,記錄整夜的睡眠狀況。從監視螢幕上,我們可以楚看到,病人的姿勢、動作,以及各個睡眠週期的階段…..

由上述的介紹可以看出,在實驗室中進行檢查可以有醫護人員全程監控,因此最大的好處就是若是感測器的線路脫落可以立刻進行補救,避免由於實驗失敗而需要重新實驗的問題。在患者家中進行檢查,患者可以有熟悉的睡眠環境,但過程中無人監測,若線脫落只能重新再進行一次檢查。根據實際經驗,在技術人員熟練的操作下,完成所有感測器的貼黏與說明,至少也需要45~60分鐘的時間。

使用夜間多項生理監測儀雖然非常精確,但需要在身上配戴多種儀器,不方便也影響睡眠,而且只能在特定實驗室中進行,也不適合做長期與普遍的監測。此外由於打鼾並不健康的概念尚未普及,因此一般患者除非到了非常嚴重的地步不會走進醫院進行這項檢查。因此針對打鼾問題的偵測,有必要發展更簡單、非察覺性、適合在居家睡眠環境下作長期監測的方法。

睡眠時的打鼾行為外界所能觀察到的變化有聲音、鼻部的氣體流動、以及喉嚨的振動,在鼾聲監測裝置的訊號擷取方式上,也是上述三方面著手。如圖1所示,Lopez等學者[1994]使用鼻罩將鼻孔出氣導入空氣壓力感測器,量測鼻部氣體流動來監測打鼾狀況,如此做法的優點是除了可以清楚紀錄打鼾情形之外,甚至連呼氣中氮氣、氧氣等氣體所佔比例也能測量,缺點是量測時試驗者需載上鼻罩,既不方便又影響睡眠,不符合非察覺性的原則。圖2DYMEDIX Corporation所設計的貼片式鼾聲感測器,量測打鼾聲時喉嚨及鼻腔的振動,具有體積輕巧、靈敏度高、不受環境異音影響的優點,不過需在患者身上黏貼感測器,亦不符合非察性的原則。

1. 量測鼻部氣體流動的實驗設備圖

2. 貼片式鼾聲感測器(圖片來源:http://www.dymedix.com/products.shtml

Alfaro等學者[1995]以及Kim等學者[1999]使用麥克風收音的方式針對鼾聲所造成的聲音進行量測,Alfaro等學者將麥克風放在離試驗者口部30cm處,Kim等學者則以兩個麥克風,一個放在喉頭上,一個放在頭上同時進行監測。麥克風收音的缺點為雜訊多,易受環境背景聲音影響,優點為麥克風體積小可輕易隱藏、設備便宜、靈敏度高,不需與試驗者接觸,合乎非察覺性監測的原則。

以聲音感測方式作鼾聲監測,除了來自外界的雜音會影響訊號的可信度外,試驗者躺在床上的位置、面部所朝方向等因素,可能也都會所影響。Smithson[1995]做了有關鼾聲評估的實驗,將感測麥克風擺設於試驗者頭上90cm處,實驗發現試驗者橫躺與仰臥造成的誤差小於2分貝,用揚聲器模擬打鼾音源放在床的中央與兩側,誤差也在2分貝內。根據這樣的實驗結果,他認為鼾聲音量判斷的公差應為±2分貝,且將麥克風擺設在試驗者頭部上方是一個適當的位置。

擷取到的鼾聲訊號,Smithson[1995]使用一種「音量累計分配圖(cumulative distribution of the overnight sound level)」,來量化打鼾的等級。如圖3所示,記綠整晚房間內的音量大小,並依音量大小與所佔時間比例繪圖,如此一來只須觀察曲線與x-y軸所圍面積的大小,即可判斷打鼾情形的嚴重程度。這個方法可將整晚打鼾的情形簡化成一個數字表示,大幅節省資料儲空間,亦不失參考價值與可信度。

% Time Sound Level Exceeded for:

---Empty room

Heavy snore

 

3. 以一房間為例的音量累計分配圖,虛線表空房間時的情形,實線表有人在房間內打鼾的情形(測試時間相同)

以麥克風作為鼾聲訊號的擷取容易受到雜訊以及背景雜音的影響,在消除雜訊的手段,大致可分成從硬體的增加RC電路濾波器、軟體數位濾波器、以及利用特殊演算法…等方式。硬體濾波器能去除高頻、低頻雜訊,只留下鼾聲頻帶內的訊號,Smithson[1995]研究中表示鼾聲的最低頻率略小於100Hz,可以作為聲音濾波的頻帶標準。雖然鼾聲多半分佈於100Hz以下的頻域,但一般日常的談話聲、笑聲。咳嗽聲等也多包含有這個頻帶內的聲音,因此僅以濾波器方式做處理仍有不足。

Jane [2000]等學者使用625個聲音樣本訓練類神經系統,藉由22項頻域與時域的聲音特徵輸入值,系統可以在離線狀態下分析經由錄音設備所儲存的聲音資料,辨識鼾聲並摒除其他雜音與雜訊。圖4為一充滿雜訊的訊號,經過處理後仍能清楚分辨鼾聲與非鼾聲;圖5顯示一突波聲音出現,系統則將其視為如咳嗽等雜訊而不列入考慮。

4. 充滿雜訊的訊號經過類神經演算法亦能分辨

5. 一突波經過類神經演算法後的輸出

1.3 本研究目的

人類有三分之一的時間處於睡眠狀態,睡眠品質不但影響個人生理健康,更是心理健康與生活品質狀態的重要指標。評估睡眠疾病與睡眠品質常見的方式是使用夜間多項生理監測儀,藉由腦波圖、眼動圖、心電圖、鼻口腔呼吸流量、腹胸呼吸運動、血氧、打鼾次數…等生理訊號,進行綜合性的評估。各項睡眠監測項目中,鼾聲是睡眠中最常見且最普遍的睡眠相關疾病。若鼾聲只是輕哼幾下,還無傷大雅,但嚴重的打鼾則可能伴隨呼吸暫停或睡眠呼吸中止症的危險,導致腦部缺氧、睡眠中斷,經年累月之後記憶力、注意力、性功能、工作效率和工作品質都會受到影響。

使用夜間多項生理監測儀雖然非常精確,但需要在身上配戴多種儀器,不方便也影響睡眠,而且只能在特定實驗室中進行,也不適合做長期與普遍的監測。本研究即在發展一種適合居家環境使用之鼾聲監測儀器,能監測睡眠鼾聲與睡眠呼吸中止症鼾聲模式特徵。技術上結合濾波技術、訊號處理技術、以及生理訊號感測技術,以「非察覺性(non-conscious)」為設計重點,對受測者的鼾聲與睡眠呼吸中止症情形做長期監控,能做即時鼾聲感測與顯示,並能以記憶卡將感測歷程記錄下來,供醫師做診斷之參考。產品定位上屬於居家使用產品,故低售價、大眾化也是考量重點,產品包裝上更將結合鬧鐘,成為一般居家使用產品。

參考文獻

Alfaro, M.P., Leehan, J.A., Banuelos, V.M., Sosa, S.C., Gonzalez, R., 1995, “Frequency analysis of simulated snoring sounds using Burg’s estimator,” Engineering in Medicine and Biology Society, vol. 2, p.949-950.

Gislason T., Benediktsdottir B., 1995, “Snoring, apnea episodes and nocturnal hypoxemia among children 6 months to 6 years old: an epidemiologic study of lower limit of prevalence,” Chest, vol. 107, p.963~966.

Jane, R., Sola-Soler, J., Fiz, J.A., Morera, J., 2000, “Automatic detection of snoring signals: validation with simple snorers and OSAS patients,” Engineering in Medicine and Biology Society, vol. 4, p. 3129-3131.

Kim, H.Y., Park, H.J., Park, K.S., 1999, “Real-time analysis of snoring in polysomnographic recording,” BMES/EMBS Conference, vol. 2, p. 885.

Lopez, F.J., Behbehani, K., Kamangar, F., 1994, “An artificial neural network based snore detector,” Engineering in Medicine and Biology Society, vol.2, p1107-1108.

Partine M, Telakivi T, 1992, “Epidemiology of obstructive sleep apnea syndrome,” Sleep, 15:1-4.

Smithson, A.J., Griffiths, C.J., Drinnan, M.J., Gibson, G.J., 1995, “Methods for assessing snoring”, Sleep Monitoring, p.1-3.

DYMEDIX Corporation, http://www.dymedix.com/index.shtml

丁燿明,民國83年,“睡眠呼吸中止症侯群簡介”,高雄醫師會誌vol.7p.21-24

林口長庚醫院精神科,http://www.cgmh.org.tw/intr/intr2/c3360/C3360.htm

曾若琦、謝文斌,民國82年,“睡眠呼吸暫停(sleep apnea)”,當代醫學,第29卷第8期,p.31-36

潘震澤譯,民國91年,“睡眠的迷人世界”,遠流出版事業有限公司。

蕭光明、陳怡竹、劉勝義、張西川、陳芳祝、彭瑞鵬,民國83年,“睡眠呼吸中止症患者之血色素、紅血球生成素、血鐵含量及2,3-DPG研究”,胸腔醫學10:1-0