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作者:阮致維(2005-04-01);推薦:徐業良(2005-04-03)

P-Series PS2睡眠多項生理檢查儀介紹

本研究使用Compumedics公司所生產的「睡眠多項生理檢查儀(Polysomnography, PSG)」作睡眠階段判讀。Compumedics公司在1987年於澳洲的墨爾本創立,最初在發展一個全電腦化的睡眠診所,隨著這個診所的成功,Compumedics在睡眠診斷市場上發展出一套可攜式、輕巧的PSG,於1991年發表了P-SeriesS-Series的可攜式系統,本研究使用的是P-Series PS2(如圖1),本文介紹其基本原理與使用方式。

1. 睡眠多項生理檢查儀(Compumedics Inc. P-Series PS2)

1.     P-Series PS2睡眠多項生理檢查儀整體架構與功能

如圖2P-Series PS2分為感測器(Sensor)、病患介面盒(Patient Interface Box, PIB)、以及可攜式主機(Portable Main Unit)三部分,並搭配睡眠分析軟體共同使用。感測器共可量測腦電圖(EEG)、眼動圖(EOG)、肌電圖(EMG)、心電圖(ECG)、呼吸氣流(Air Flow)、胸和腹呼吸動作(THROB & ABDO)、睡眠體位(Body Position)、腿部動作(Limb Movement)、鼾聲(Snore)、血氧(SaO2)、光線(Light)、心跳(Pulse Rate)等共12項生理訊號。所有的生理感測器除了血氧計為裝設於主機上之外,其餘感測器使用時皆須連接於介面盒。

2. P-Series PS2睡眠多項生理檢查儀整體架構圖[PS2 User’s Manual]

病患介面盒在收集所有感測資料後,利用傳輸線將類比資料先傳回至可攜式主機內,由主機內ANA PCBCPU PCB將生理訊號放大、濾波(高通∕低通濾波及交流電源60Hz濾波)、以及類比數位轉換處理後,顯示於主機之螢幕上(LCD Display)。主機並加裝PCMCIA記憶卡20Mb,能儲存8小時的睡眠資料,記憶卡可擴充至440Mb,使用9V可充電式電池可持續記錄10-24小時的睡眠資料,並可選擇使用外部電源。

記錄於PCMCIA記憶卡的睡眠資料匯入電腦內,可由睡眠分析軟體“W-Series Replay”進行分析(包含睡眠歷程的分析與判讀)與標記的動作。分析軟體顯示畫面可以每頁(epoch)30秒的結果輸出各項生理波形圖,稱為「睡眠圖譜(polysomnogram)」。最後所得之分析結果可依需求輸出規格化睡眠報告,且能將各項睡眠資料(全項目或單一項目)輸出成PSG檔案格式“European Data Format(EDF)”

如圖2,可攜式主機上有2個序列埠,可連接數據機在遠端進行睡眠檢查監控,或可選擇配備同步影像錄影(VCR),或裝置陽壓呼吸器幫浦(CPAP Pump)

本研究目的在以呼吸、鼾聲、身體活動等外顯行為判讀睡眠階段,並與以EEGEOGEMG等生理訊號判讀睡眠階段作對照與驗證,因此以下介紹著重在P-Series PS2相關感測器使用與睡眠階段判讀方式的介紹。

2.     腦電圖的量測與判讀

本節內容大部分整理自「臨床睡眠檢查學」一書【劉勝義,民93年】。人體大腦皮質有垂直排列的錐體神經元(neuron)分布,神經元內的樹突和細胞體會於活動時產生局部的電位變化,即所謂的生理電位。人體大腦皮質細胞能由於互相連接在一起,使得周圍靠近大腦皮質附近的錐體神經元可產生相同的電位變化,因而得以透過貼附電極的方式紀錄下來。腦波的生理電位通常很微弱,大約在5-30mV左右,型態屬於0.5-60Hz的交流訊號。睡眠檢查中的「腦電圖(Electroencephalographg, EEG)」的功能,便在將這些腦部產生的生理訊號轉換為可見的波形變化,讓睡眠時的不同腦波能用來解讀各項睡眠資訊。

作腦波測量測時必須按照「國際10-20腦波電極配置法」[Jasper, H. H., 1958]操作標準黏貼電極(如圖3),其要點整理如下:

(1)    頭部縱線以鼻跟(nasion)和枕骨隆突(inion)之間作為劃分,將兩位置間的全部距離定為10%20%20%20%20%10%6個部分(5個電極配置點),名稱依序為FpzFzCzPz、和Oz(如圖3A)。

(2)    頭部周線以鼻跟(nasion)和枕骨隆突(inion)之間作為劃分,分為左半部與右半部周線(如圖3B)。將兩位置間的全部距離各定為10%20%20%20%20%10%6個部分(5個電極配置點),以右半部來看從鼻跟至枕骨隆突間的5個電極配置點依序為Fp2F8T4T6、和O2,左半部則依序為F p1F7T3T5、和O1(如圖3B)。

(3)    頭部橫線以左右兩耳的耳前點(pre-auricular)之間作為劃分,將兩位置間的全部距離定為10%20%20%20%20%10%6個部分,由左而右名稱依序為T3C3CzC4、和T4(如圖3C)。

3. 國際10-20腦波電極配置法[Malmivuo and Plonsey, 1995]

腦波的量測方式分為「單極誘導(monopolar derivation)」與「雙極誘導(bipolar derivation)」兩種類型。單極誘導使用一個探查電極(C3C4)和一個參考電極黏貼固定於頭皮表面,使用探查電極與參考電極之相對值作為比較,故能獲得最大的腦波振幅。雙極誘導使用兩個探查電極(C3F3P3)和一個參考電極黏貼固定於頭皮表面,兩探查電極皆能反映腦波訊號,故腦波振幅較小。P-Series PS2採用雙極誘導進行睡眠檢查,使用一組探查電極C3/A2C4/A1進行睡眠階段的判讀,而O1/A2位置則用於判讀清醒與入睡。

睡眠期間腦部在清醒與入睡階段皆表現出不同的腦波型態,整體上這些型態可由頻率(frequency)、振幅(amplitude)、和形狀(morphology)進行研判。腦波頻率可分為4種不同的波形,有a(8-13cps)b(>13cps)q(4-8cps)、及d(<4cps),其中cps表示每秒幾個波(circle per second),腦波振幅則主要在確認超過75mV的高振幅慢波。

腦波形狀可分為4種不同的類型,有頭頂銳波(vertex sharp waves)K-複合波(K-complex)、紡錘波(spindle)以及齒波(sawtooth wave),說明如下:

(1)      頭頂銳波(vertex sharp waves):徐波(緩慢的波形)頻率範圍內的尖銳負波,通常出現於NREM Stage 1的後半。

(2)      K-複合波(K-complex):尖銳負波及隨後較慢正波的組合波,出現於NREM -Stage 1

(3)      紡錘波(spindle)12-14cps的短暫性律動波形,振幅通常會顯示漸增漸減的變化,為NREM Stage 2的特徵。

(4)      齒波(saw tooth wave):振幅較低且附有刻痕的鋸齒狀波形,為REM的特徵。

4為使用P-Series PS2實際量測腦波,並以軟體分析後所得判讀結果。圖中藍色框內顯示腦波類型及記錄瞬間各腦波類型所佔的百分比例,紅框內則顯示計算出的腦波特徵,有紡錘波、K-複合波以及REM特徵,可幫助NREM Stage1Stage2REM時期的判讀。右側則以圖形顯示長時間記錄之各腦波類型所佔的百分比例和腦波特徵。

4. 以腦波來判讀睡眠階段

3.     眼動圖的量測與判讀

眼球轉動時會造成角膜(cornea)與網膜(retina)間電位的變化,此微弱的電位變化可經由左眼與右眼所貼附的探查電極記錄。位於眼球前方的角膜與位於眼球後方的網膜原本即存在微弱的電位差異,所以眼球基本上可視為一個導體的小電場,而角膜是正電位、網膜則是負電位。如圖5(a)5(b)所示,記錄眼動圖的兩個探查電極分別安裝於右(R)外眼角上方一公分與左(L)外眼下方一公分的部位,參考電極則貼附於鼻根位置。當眼球向右快速或緩慢移動,右眼的前面角膜會靠近右眼的探查電極而被記錄到偏移向上的正波形(圖5(a));當眼球向左快速或緩慢移動,左眼後方網膜則靠近左眼的探查電極而被記錄成偏移向下的負波形(圖5(b))。眼球向下時則與眼球向右轉的變化相同,但振幅較低;同理,眼球向上的記錄結果則與眼球向左轉時一樣,只是振幅較低【劉勝義,民93年】。

5(a).眼球向右轉動與P-Series PS2記錄結果

5(b).眼球向左轉動與P-Series PS2記錄結果

通常當人開始入睡時會預先或伴隨著眼球緩慢轉動的現象,因此眼球緩慢轉的動作能夠用來協助判讀NREM-Stage 1。此外腦波覺醒(arousal)時亦會有緩慢的眼球轉動,也可用來協助其現象發生時的判讀,所謂的腦波覺醒解釋為腦波頻率突然改變,但不會造成清醒、睡眠階段的改變,為睡眠時出現的短暫腦部現象[Ramon, 2000](最後參考資料未列此篇)

6P-Series PS2實際量測EOG經軟體分析後所得數據資料,淺藍色區域標示眼球等相位(in-phase)運動,指兩眼眼球同時向左或向右運動;淺綠色區域則標示眼球異相位(anti-phase)運動,指單眼眼球同時作相反方向的運動。

6. REM時期眼動圖變化

4.     肌電圖的量測與判讀

肌肉是由會受運動神經終板(moter and plates)刺激的收縮性肌纖維(contractile)所組成,當神經元產生刺激放電時則會產生電位變化,睡眠檢查所記錄的結果即記錄這些運動神經終板造成的總電位變化。當較多的神經元產生刺激時會造成肌肉收縮,電位變化則呈現較大的振幅;反之較少的神經元產生刺激時則會使肌肉呈現放鬆的狀態,出現微弱的肌動波。在非快速動眼時期,肌肉雖為放鬆的狀態但能維持一定的肌肉緊密度,仍可見微弱的肌動波;而在快速動眼期運動神經元受到大腦抑制,因此肌肉會呈現完全放鬆,肌電圖幾乎為一直線。在此時期的大腦抑制只對身體的隨意肌有效,但唯一的特例是控制眼球轉動的肌肉【劉勝義,民93年】。

7P-Series PS2經實際量測EMG經軟體分析後所得數據資料,圖中箭頭代表在NREM時期的肌電訊號大小,以藍色條紋代表活動性高低。左方的紅色箭頭顯示睡眠檢查者於NREM Stage12有較高的肌肉活動,而右方的紅色箭頭則顯示因REM 時期肌肉活動受到大腦抑制產生相對較低的肌肉活動性。

7. 以肌電圖輔助判讀睡眠階段

5.     睡眠階段的判讀

人在睡眠過程中腦波會隨著時間而產生不同的變化,按照腦波頻率的不同可分為「慢波睡眠(Slow Wave Sleep, SWS)」與「快波睡眠(Rapid Wave Sleep, RWS)」兩個時期,慢波睡眠又稱「非快速動眼期(non-rapid eye movement, NREM)」,快波睡眠則稱為「快速動眼期(rapid eye movement, REM)」,整晚的睡眠過程即在NREMREM大約60~90分鐘的週期中循環交替4~6次。入睡後睡眠會由淺至深,先進入NREM(Stage 1~4),隨後進入REM時期,然後再回到NREM睡眠,如此為一個完整的睡眠週期【賴德仁】。圖8為實際以PSG量測,並經軟體判讀顯示之睡眠週期NREM-REM循環。

8. 實際以PSG量測,並經軟體判讀顯示之睡眠週期NREM-REM循環

判讀不同睡眠階段主要以腦波出現的波形特徵作為依據,圖9中的腦波圖形為受測者睡眠時由P-Series PS2C4/A1位置實際量測取得,以下說明腦波波形特徵與睡眠階段關係[Rechtschaffen and Kales, 1968]

(1)   清醒(Awake)

出現振幅低、快速、且不特定的腦波,但多以a(8-13cps)為主。隨著睡意的增加,a波的寬度會稍寬。

(2)   NREM-Stage 1

開始進入睡眠,腦電圖a波降低(a波低於50%),主要以q(3-7cps)為主。在此時期人對於外界的刺激仍有反應,能察覺肢體麻木、肌肉顫動、身體浮沉等感覺,對於片段的清醒亦可以回憶。從圖9NREM-Stage 1的腦電圖波形可以看出腦波頻率較清醒時為低。

(3)   NREM-Stage 2

淺度的睡眠時期,此時開始出現紡錘波(12-14cps),單個紡錘波特徵為至少會持續0.5秒,另外會出現先負向波再正向波的K-複合波,波形(振幅大於75mV)至少持續0.5秒。從圖9NREM-Stage 2的腦電圖波形,可見經軟體判讀的K-複合波與紡錘波。

(4)   NREM-Stage 3

中至深度的睡眠,出現高振幅的d(2~4cps)d波占20%~50%,期間偶有紡錘波會出現。

(5)   NREM-Stage 4

深度睡眠,腦電圖出現大量的d(2~4cps)且振幅大於75mV,約占了50%以上。比較圖9NREM-Stage 3Stage 4的腦電圖波形,可以看出腦波頻率更低。

(6)   快速動眼期(REM)

此時期的腦電圖特徵與清醒時相似,會出現快速低幅齒波及a波,此一時期睡眠深度較NREM為深。除了腦波變化外,同時呼吸、心跳、血壓呈不規則的變動,而臉部肌肉完全放鬆、男性勃起以及眼球快速動作。圖9最下方是軟體判讀為REM的腦電圖波形。

(7)   動作期(Movement)

所謂的動作期是指睡眠時候的身體移動或體位改變造成的訊號雜訊,使得難以判斷為清醒或睡眠。當睡眠資料超過半頁為模糊時,即應該視為動作期。

9. 睡眠階段腦波特徵

眼動圖主要記錄睡眠時眼球緩慢與快速的動作情形,為判定REM時期的特徵之一。睡眠進入REM後,眼球會產生等相位或異相位的眼球運動,如圖10所示。

10. REM眼動圖

頦下肌電圖(mentalis/submentalis electromygram, M.S. EMG),主要在量測下顎前端、下方或咀嚼肌的生理電位變化,不同的睡眠時期肌肉的活動會產生變化,這些變化視為REM時期的重要判讀因素。如圖11清醒與REM時期的肌電圖

11. 清醒與REM時期的肌電圖

P-Series PS2睡眠多項生理檢查儀是依據1968年出版的臨床睡眠檢查的判讀法則—「人類睡眠期標準化術語、技術和判讀工作手冊」[Rechtschaffen and Kales, 1968] 睡眠階段的判讀上。手冊中建議以腦電圖、眼動圖、和頦下肌電圖等三項生理檢查項目進行睡眠階段的判讀,整理如表1

1. 睡眠階段與EEGEOGEMG關係表

Stage

EEG 特徵

EOG特徵

EMG特徵

Wakefulness

低幅的a(8-13cps)、且混合其他波形

快速動眼或無快速動眼、低眼球運動

存在高活動

Movement time

不顯著

不顯著

有非常高的活動

NREM Stage 1

振幅較低,但有相對振幅較高的q(3-7cps)、後期出現頭頂銳波

低眼球運動

有低幅活動

NREM Stage 2

出現紡錘波(12-14cps)且至少大於0.5秒、出現K-複合波且須大於0.5

通常接近入睡時會有低眼球運動

有低幅活動

NREM Stage 3

高振幅(>75μV)dcpsd20%~50%

無,以腦電圖判斷

有低幅活動

NREM Stage 4

大量(>50%)高振幅低波活動

無,以腦電圖判斷

有低幅活動

Stage REM

相對低幅活動,出現齒波、q波、和a

快速動眼運動

活動受到抑制

6.     呼吸的量測與判讀

P-Series PS2睡眠多項生理檢查儀能夠從呼吸監測項目(呼吸氣流、呼吸動作、血氧)分辨出三項不同的呼吸障礙特徵,包括「阻塞型睡眠呼吸中止症(obstructive sleep apnea – hypopnea syndrome, OSAHS)」、「中樞型睡眠呼吸中止症(central apnea)」、以及「混合型睡眠呼吸中止症(mixed apnea)」。阻塞型睡眠呼吸中止症是指上呼吸道停止或部分阻塞,胸腹維持呼吸動作;中樞型睡眠呼吸中止症是無呼吸之力量(上呼吸道停止、胸腹無呼吸動作);混合型睡眠呼吸中止症則為上呼吸道維持停止而呼吸動作在停止後出現動作。

P-Series PS2與本研究有關之呼吸監測項目敘述如下:

(1)   呼吸氣流(Air flow)量測與判讀

呼吸氣流的監測在PSG上多採用熱電阻與熱電偶兩種感測方式,皆是利用呼吸氣流的改變所造成的溫度變化來偵測呼吸。P-Series PS2採用熱電偶感應式偵測呼吸氣流的溫度變化,因此只需將呼吸氣流感測器裝設於鼻部下即可偵測呼吸變化。圖12為以PSG實際記錄在30秒內量測的呼吸氣流變化,輸出資料並無呼吸次數的計算,呼吸次數必須另以人工進行判讀或將其資料先輸出後以外部撰寫程式進行計算。

12. PSG實際記錄在30秒內量測的呼吸氣流變化

(2)   胸和腹呼吸動作(THROB&ABDO)量測與判讀

P-Series PS2使用壓電感測器偵測呼吸動作,利用呼吸中胸、腹部擴張與收縮的變化來偵測壓電材料造成的電位變化,實際量測電位變化如圖13。量測時只需將胸腹呼吸帶綁附於檢查者身上,只須注意調整呼吸帶鬆緊以維持良好呼吸訊號輸出。

13. PSG實際記錄在30秒內量測的呼吸動作變化。

(3)   鼾聲(Sound)量測與判讀

P-Series PS2使用麥可風蒐集打鼾產生的較大聲響,判讀是否發生打鼾的症狀。使用時只需將麥克風安裝在測試者身上的喉嚨部位,即可於夜間睡眠檢測時偵測是否打鼾。

7.     肢體活動監測項目

P-Series PS2與本研究有關之肢體活動監測項目敘述如下:

(1)   睡眠體位(Body position)量測與判讀

睡眠體位通常與睡眠的舒適度有關,好的良好體位能促進並提高睡眠品質,監測體位變化能明白整晚的睡姿對睡眠檢查結果的影響程度。體位的改變在睡眠中是屬於頻繁且正常的現象,不需太過擔心是否會受到影響,人會在淺意識狀態下自然地改變體位讓自身處於舒適的體位,所以整晚睡姿改變從十次到數十次都屬正常。

進行量測時體位感測器通常裝設黏貼在胸前的呼吸帶上,感測器能從內部的重力開關使電路內產生開與關信號,因此當體位改變時即能確認人體俯仰和左右的睡眠體位。感測器能偵測四種睡眠體位,有左側睡(Left)、右側睡(Right)、仰睡(Back)和俯睡(Front)。圖14為以PSG實際於夜間睡眠所記錄的體位變化,以顏色標示不同睡眠體位,F表示俯睡、L代表左側睡、R代表右側睡、B代表仰睡。

14. PSG實際於夜間睡眠所記錄的體位變化與腿部動作計算

(2)   腿部動作(limb movement)量測與判讀

週期性肢體抽動(periodic limb movements in sleep, PLMS),亦即在睡眠中會產生夜間痙攣導致週期性的肢體抽動。由於這些抽動多半發生在腿部,而且可能會在一腿轉移至另一腿,因此P-Series PS2同時記錄兩腿的前脛骨肌電圖。圖14下方為以PSG實際於夜間睡眠所記錄的腿部動作,並可輸出動作次數。

參考資料

Jasper, H. H., 1958,The Ten-twenty Electrode Systems of the International Federation,” Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.10: 371-375.

Sanchis, J. R. S., Guerrero, J., Olivas, E. S., Beneto, A., Gomez, E., Lopez, A. J. S., 2000, “Neural Networks for the Detection of EEG Arousal During Sleep”, 6th Internet World Congress for Biomedical Sciences, February 2000, University of Castilla-La Mancha, Spain.

Malmivuo, J., Plonsey, R., 1995. Bioelectromagnetism-Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields, New York OXFORD UNIVERSITY PRESS.

Rechtschaffen A, Kales A, eds, 1968, A Manual of Standardized Terminology: Techniques and Scoring Systems for Sleep Stage of Human Subjects, Los Angeles, Calif: UCLA Brain Information Service/Brain Research Institute

劉勝義,臨床睡眠檢查學,民國93年,合記圖書出版社。

賴德仁,睡眠障礙,http://www.csh.org.tw/Default-1.htm