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「可攜式居家睡眠品質評估系統開發計畫」計畫書

作者:鄭智銘(2005-04-11);推薦:徐業良(2005-04-11)

1.     研究背景與目的

睡眠品質的好壞影響了一天的生活品質與工作效率,也是影響生理與心理健康的重要因素。亞洲睡眠協會(Asian Sleep Research Society)2000年針對亞洲地區包括菲律賓、泰國、以及台灣,共3,668名成人所做的調查報告中指出,睡眠品質不良在亞洲地區是個普遍的現象,以台灣地區45歲以上中年族群為例,高達八成有睡眠問題【亞洲睡眠協會,2000】。亞洲睡眠協會在2003年再次針對亞洲地區台灣、香港、新加坡、馬來西亞及日本等五個國家,八千多位成人進行的睡眠品質調查,調查結果也顯示台灣地區成人約有一半的比例睡不好,四十五歲以上族群,有高達八成自認為存在睡眠問題。大多數受訪者同意睡眠品質不良會導致工作效率降低並導致其他健康問題,但84%的受訪者不重視睡眠品質,40%的受訪者接受並忍受睡眠品質的不良,有嚴重睡眠問題的患者,更高達80%的比例從未與醫師討論或反應睡眠不良的困擾【亞洲睡眠協會,2003】。可見多數民眾不重視自我的睡眠品質,並且缺乏瞭解、改善睡眠品質的工具與管道

一般睡眠品質評估的方式可以區分為自我主觀評量、客觀儀器測量、以及睡眠觀察三類。主觀評量法藉由主觀的事後問卷調查受試者睡眠總時間、睡眠品質與睡眠困擾等問題,依據主觀的感受作為評估依據,測試結果易受受試者主觀感受影響,許多睡眠中的疾病與現象無法藉由主觀評量而得知;客觀儀器測量最常使用睡眠多項生理檢查儀(Polysomnography, PSG),這是目前最詳細準確的測試方式,包括心電圖、腦波、眼電圖等項目,然而受測者必須在特定的實驗室進行睡眠測試,身上大量的感應電極與訊號線妨礙睡眠並且十分不便;睡眠觀察則是藉由醫護人員或實驗人員從旁觀察受試者的睡眠狀態,好處是儀器不會因儀器妨礙原本的睡眠行為,但需要大量的人力與時間進行觀察與紀錄,也可以藉由攝影記錄的方式減少人力負擔,但是睡眠觀察所耗費的成本頗大,所觀測的結果僅能作為總睡眠時間、睡眠活動、與某些特定睡眠疾病的觀察,相對而言較不符合效率。整體而言,以上三種常用的睡眠品質評估的方式都不適合一般大眾在居家環境下以客觀數據自我評估睡眠品質。

元智大學「老人福祉科技研究中心(Gerontechnology Research Center, GRC)」在居家環境下睡眠品質評估設備之研究,已有多年經驗,並有具體成果。GRC中設置有睡眠品質評估實驗室,並擁有完整一套睡眠多項生理檢查儀。本計畫將與民揚生化公司合作開發「可攜式居家睡眠品質評估系統」,在不干擾使用者睡眠的前提下,在居家睡眠環境中長期、持續性地監測影響睡眠品質的各項因素,藉由睡眠中呼吸頻率、身體活動、鼾聲等三項外顯行為,分析受測者睡眠歷程,提供使用者自身睡眠品質的評估指標,瞭解睡眠品質不良的因素,以尋求適當的治療。

「可攜式居家睡眠品質評估系統」結合非察覺性生理感測技術、睡眠醫學、單晶片與網路技術,並將與PSG之睡眠品質評估結果互相驗證配合民揚生化公司商品化考量,本計畫以開發可商品化之產品原型為目標系統設計強調“可攜式”,外型輕巧、安裝方便,適合居家環境中使用。相較於目前睡眠診所中臨床使用之睡眠評估系統,僅能在特定環境下進行一次或數夜的睡眠監測,本系統藉由MMC卡儲存長期持續性的睡眠監測資料,提供長期持續性的睡眠監測與睡眠品質評估,對於一般大眾睡眠品質評估、睡眠問題診斷、以及睡眠醫學研究等領域,提供了一項客觀性的評估工具。

2.     設計概念

2.1 影響睡眠品質的因素

許多睡眠學研究學者藉由睡眠的臨床觀察,定義了睡眠不良的客觀指標,Lerner[1982]認為睡眠不良的特徵包括(1)睡眠效率(睡眠時間∕臥床時間)差、(2)覺醒時間長、以及(3)REM與深眠減少等三項。Cohen等人[1993]定義下列其中任何一項睡眠困擾的發生即為睡眠品質不良:(1)睡眠少於6小時、(2)睡眠潛伏期(躺下到入睡)大於30分鐘、以及(3)夜裡醒來超過3次。目前評估睡眠品質評量標準最常使用的「匹茲堡睡眠品質評量表PSQI(Pittsburgh sleep quality index),其內容主要包括(1)主觀的睡眠品質、(2)睡眠潛伏期、(3)睡眠時間、(4)睡眠效率、(5)睡眠困擾、(6)白天功能、(7)使用安眠藥等七類的評估問題。

睡眠多項生理檢查儀(PSG)的發展,提供了一項客觀的評估睡眠的工具,藉由PSG可以觀察到睡眠可以分為NREM(Non-Rapid Eye Movement)的四個階段與REM(Rapid Eye Movement)睡眠階段。NREM12期為淺眠,34期為深眠,REM則為作夢時期。一般而言定義NREM34期為深眠時期,腦部可以獲得充分的休息,而REM時期腦波與清醒時無異,但身體會達到清醒時無法達到的充分鬆弛狀態而獲得充分的休息。

其他睡眠疾病也會影響睡眠的品質。Ancoli-Israel[1991]等人研究發現,「週期性肢體運動異常(PLM, Periodic Limb Movement Disorder)」這種疾病在平常族群約為4~24%,而高齡者族群盛行率高達45%,睡眠時患者會因肢體抖動而影響睡眠。打鼾者睡眠時常受到鼾聲的干擾,臨床觀察發現,許多不是呼吸中止症的單純性打鼾患者,也會有難以達到深眠階段、深眠時數降低、與睡眠效率降低等影響,患者無法獲得充分的休息【宋茜,民國93年】。

從以上相關文獻可以歸納出評估睡眠品質的四項重要指標,包括(1)睡眠潛伏期(含睡眠效率)、(2)睡眠中覺醒次數、(3)REM與深眠階段時間、以及(4)其他影響睡眠因素(如打鼾與肢體抖動)本計畫發展的「可攜式居家睡眠品質評估系統」便將針對上述評估睡眠品質的四項重要指標進行評估。打鼾與肢體抖動為單純的外顯行為,而睡眠與清醒、深眠與淺眠、以及NREMREM的區別,則必須整合身體活動、呼吸頻率、鼾聲的改變進行綜合性的評估與判斷。

2.2 外顯式睡眠活動與睡眠階段的關聯

目前判斷睡眠階段的方式,以腦波為為主要的依據,但我們也可以藉由睡眠時身體各種外顯行為的模式改變,作為判斷睡眠階段的依據

早在1979年,Kayed便以腕動計紀錄發現身體活動的模式在REMNREM、清醒三個階段相異的模式特徵。如圖1所示可以看到清醒時身體活動頻繁混亂,而NREM時期幾乎沒有大型的身體活動,REM時期則隨著眼動的模式而伴隨著身體活動

1. 身體活動的模式在REMNREM、清醒三個階段相異的模式特徵

2~4為實際使用PSG記錄睡眠狀態中的生理訊號【劉勝義,民93】,觀察發現淺眠期呼吸頻率約每分鐘15次,在深眠期降低為每分鐘14次,而REM時期則不規律變化,有時高達每分鐘19次。本計畫發展的「可攜式居家睡眠品質評估系統」中,呼吸頻率的變化將作為推測受測者所在的睡眠時期的指標之一,並進一步綜合鼾聲與身體活動的量測做出更準確的判斷

2. 淺眠期【劉勝義,民93,僅擷取部分圖表】

3. 深眠期【劉勝義,民93,僅擷取部分圖表】

4. REM期【劉勝義,民93,僅擷取部分圖表】

2.3 非察覺式睡眠監測技術

許多研究學者致力於如何在不干擾睡眠的非察覺性前提下,開發睡眠狀態監測與相關疾病研究的創新設備。如圖5為日本Nishida等人所設計的“Healthcare Supporting Room”[http://www.dh.aist.go.jp/research/enabling/ee-physio-e.htm],其中包含攝影機、麥克風、佈滿壓力感測器的床、與生理感測器等裝置,藉此監測受測者睡眠狀態中的行為。圖6(a)為其中壓力床的外觀,圖6(b)210個壓力感測器壓力床的實際測試情形,可以藉由壓力點分佈的情形觀察受測者睡眠時身體姿勢的變化。

5. Healthcare Supporting Room整體架構

6. Healthcare Supporting Room系統中的壓力床

7所示為日本Wang[2003]等人所設計的壓電式PVDF感測墊,可以監測睡眠中呼吸頻率與心電圖等訊號,不需在身體黏貼貼片與訊號線。在睡眠時呼吸監測的研究上,許多學者採用氣墊(air mattress)搭配壓力感測器的方式擷取呼吸訊號[Chow et. al, 2003; Hernandez et. al, 1995]

7. PVDF 壓電感測墊

本計畫發展的「可攜式居家睡眠品質評估系統」目前亦規劃採用氣墊搭配其他壓電式材料設計非察覺性的睡眠生理感測墊,進行身體活動與呼吸頻率的監測。

2.4 可攜式居家睡眠品質評估系統設計概念

綜合上述,本計畫所開發之「可攜式居家睡眠品質評估系統」,在不干擾使用者睡眠的前提下,在居家睡眠環境中長期持續性地監測呼吸頻率、身體活動、鼾聲等三項外顯行為,分析受測者睡眠歷程,睡眠潛伏期(含睡眠效率)、睡眠中覺醒次數、REM與深眠階段時間、以及其他影響睡眠因素(如打鼾與肢體抖動)等睡眠品質四項重要指標,提供使用者自身睡眠品質的評估指標,瞭解睡眠品質不良的因素,以尋求適當的治療。

本計畫所開發之「可攜式居家睡眠品質評估系統」必須滿足以下需求:

(1)   採用非察覺性生理感測技術,不需複雜的貼片與纜線,在不影響睡眠的前提下進行睡眠監測與評估。如前所述,目前呼吸頻率及身體活動規劃採用氣墊搭配其他壓電式材料設計。

(2)   本系統睡眠品質評估結果,必須與PSG評估結果能夠互相驗證。

(3)   藉由呼吸訊號與鼾聲感測器訊號,綜合評估是否有呼吸中止症的徵兆。

(4)   能藉由單晶片運算與MMC儲存媒體,進行長期的睡眠診斷與睡眠品質評估,並提供適當的睡眠監測資料讀取介面與輸出格式。

(5)   配合民揚生化公司商品化考量,以開發可商品化之產品原型為目標,系統設計強調“可攜式”,外型輕巧、安裝方便,適合居家環境中使用。

3.     執行方法與進度

8為本計畫執行架構,以一年時間、四個月為一階段,共分為三個階段執行共五項工作。圖8上半部「文獻蒐集整理與PSG測試」、「評估睡眠階段演算法發展」兩項工作為研究性質工作,下半部「硬體系統建立」及「軟體介面建立」兩項工作則為實務設計製作工作,最後則是「系統整合、測試、商品化」工作。以下分別詳述各階段工作內容。

8. 本計畫執行架構

3.1 文獻蒐集整理與PSG測試

如圖8所示,文獻蒐集整理的重點在對相關設備發展現況以及睡眠品質評估方式作更廣泛、深入的瞭解。PSG測試工作重點則在於睡眠之外顯行為與睡眠階段關連性資料建立。本計畫將使用Compumedics公司P-Series PS2PSG,可以監測腦波圖、心電圖、肌電圖、呼吸、眼動、鼾聲、身體與肢體活動等項目,並可以評估並記錄整夜不同階段的睡眠歷程,將此裝置收集不同測試者的整夜睡眠資訊,隨機抽樣選取睡眠資訊樣本,深入分析在睡眠狀態中深眠、淺眠與REM三個時期時,身體的外顯行為是否有一定的模式,以及哪些因子為判定睡眠階段重要的評估因子,並藉此建立睡眠中外顯行為與睡眠各階段的關連性,並與文獻中的研究結果相對照。

3.2 根據外顯行為評估睡眠階段演算法的發展

如前所述,本計畫初步歸納出評估睡眠品質的四項重要指標,包括(1)睡眠潛伏期(含睡眠效率)、(2)睡眠中覺醒次數、(3)REM與深眠階段時間、以及(4)其他影響睡眠因素(如打鼾與肢體抖動)。在前期工作中建立睡眠中外顯行為與睡眠各階段的關連性後,本項工作在以三項外顯行為感測訊號(呼吸頻率、身體活動、鼾聲)為輸入,以模糊邏輯配合統計方法,發展一套評估睡眠階段演算法,判別睡眠與清醒、深眠與淺眠、以及NREMREM的等,進而推導出前述評估睡眠品質的四項重要指標。此項工作中仍然以PSG為主要工具,將演算法根據外顯行為所推斷之睡眠階段,與PSG根據EEGEOGEMG等生理訊號所推斷之睡眠階段相互對應,進而反覆修改演算法,使演算法根據外顯行為所推斷之睡眠階段能夠與PSG吻合。

3.3 可攜式居家睡眠品質評估系統硬體系統的設計製作

9為本計畫發展之可攜式居家睡眠品質評估系統架構圖。硬體方面主要包括呼吸與身體活動感測墊、鼾聲感測器、以及分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)等三項。

(1)     呼吸與身體活動感測墊:目前規劃將以氣墊式搭配壓電式材料設計非察覺性的睡眠生理感測墊,進行身體活動與呼吸頻率的監測。呼吸與身體活動感測墊將是硬體設計上主要工作,包括感測墊製作、感測訊號擷取、處理、與判讀等。

(2)     鼾聲感測器:本中心團隊在鼾聲感測器已有開發經驗,將針對本計畫需求,將先前成果作細部修改,並整合呼吸監測訊號,評估是否有呼吸中止症的徵兆。

(3)     分散式資料伺服器:圖10為本中心研發團隊所開發、以單晶片處理器為核心的分散式資料伺服器,以MMC記憶卡作為資料儲存媒體,並有HTTPTCPUDP server的各項功能,可進行遠距監測、遠端控制、生理訊號處理、與睡眠品質評估等功能,並提供使用者登入擷取資料。本計畫中將根據計畫需求設計DDS之感測器介面及感測資料處理程序。

9. 可攜式居家睡眠品質評估系統架構圖

10. DATA SERVER

3.4 可攜式居家睡眠品質評估系統軟體介面建立

如圖8所示,可攜式居家睡眠品質評估系統軟體介面建立主要包括MMC卡中睡眠資料儲存格式的設定、DDS近端睡眠資料讀取介面設計、與網際網路遠端睡眠資料讀取介面設計等三項工作。

目前初步規劃之遠端睡眠資料讀取介面如圖11所示,使用者可從網路登入分散式資料伺服器,鍵入IP與日期連線後,會顯示該日的睡眠監測資料。以圖11為例共有兩筆監測數據,隨即點選其中一筆資料進行深入分析,會顯示總睡眠時數、睡眠潛伏期、深眠時數、REM時數、鼾聲、肢體抖動等數據資料,並於右半部顯示整夜的睡眠歷程。

11. 可攜式居家睡眠品質評估系統使用者介面

3.5 系統整合、測試、與商品化準備

在根據外顯行為評估睡眠階段演算法發展完成、軟硬體設計完成且個別功能測試無誤後,最後一項工作就是將演算法整合於系統中,並反覆測試、與PSG睡眠品質評估結果對照驗證。最後並配合民揚生化公司作商品化之準備,製作完成二套完整可攜式居家睡眠品質評估系統原型,送交民揚生化公司。

4.     本計畫衍生技術與技術授權

本計畫除可攜式居家睡眠品質評估系統原型外,預期將衍生技術還包括非察覺性睡眠生理感測技術與裝置、根據外顯行為評估睡眠階段演算法、以及可攜式居家睡眠品質評估的資料處理、儲存與分析的系統架構等。

本計畫產生之相關智慧財產權及技術授權規定,概依「行政院國家科學委員會補助提升產業技術及人才培育研究計畫先期技術移轉授權合約書」規定原則辦理(如附件),唯民揚生化公司不需支付授權金,即擁有計畫結束後第一年技術授權之權利。

5.     經費規劃

項目名稱

說明

單位

數量

單價

金額

備註

人事費

主持人費

人月

 

 

 

比照國科會研究計畫規定

博士班研究助理

人月

 

 

 

碩士班研究助理

人月

 

 

 

業務費

電腦耗材、郵電、差旅、資料檢索、影印、文具、紙張

 

 

 

 

消耗性電子材料

電子感測元件、電子耗材、線材等

 

 

 

 

單晶片處理器

資料運算處理與睡眠品質評估(包含MMC卡)

 

 

 

 

非察覺性生理監測裝置

呼吸與身體活動感測墊設計測試與原型製作

 

 

 

 

非察覺性生理監測裝置

鼾聲監測裝置設計測試與原型製作

 

 

 

 

小計

 

 

學校管理費

前項經費總和15%

 

依本校規定

總計

 

 

參考資料

Buysse, D.J., Renolds III, C.F., Monk, T.H., Hoch, C.C., Yeager, A.I. and Kupfer, D.J., 1988, “The Pittsburgh sleep quality index: a new instrument for psychiatric practice and research,” Psychiary Research, Vol. 28, pp. 193-213.

Chow, P., Nagendra, G., Abisheganaden, J., Wang, Y.T., 2000, “Respiratory monitoring using an air-mattress system”, Physiological Measurement, Vol. 21, No. 3, pp. 345-354.

Cohen, D.C., Eisdorfer, C., Prize, P., Breen, A., Davis, M. and Dadsby, A., 1993, “Sleep disturbances in the institutionalized aged,” Journal of the American Geriatrics Society, Vol. 31, pp. 79-82.

Healthcare Supporting Room, http://www.dh.aist.go.jp/research/enabling/ee-physio-e.htm.

Hernandez, L., Waag, B., Hsiao, H, Neelon, V., 1995, “A new noninvasive approach for monitoring respiratory movements of sleeping”, Physiological Measurement, Vol. 16 No. 3, pp.161-167.Kayed, K., Hesla, P. E., and Rosjo, O., 1979, “The actioculographic monitor of sleep”, Sleep, Vol. 2, pp. 253-260.

Lerner, R., 1982, “Sleep loss in the aged: implications for nursing practice,” Journal of Gerontological Nursing, Vol. 8, pp.323-328.

Wang, F., Tanaka, M., and Chonan, S., 2003, “Development of a PVDF Piezopolymer Sensor for Unconstrained In-sleep Cardiorespiratory Monitoring”, Journal of Intelligent Material System and Structure, Vol. 14, pp. 185-200.

亞洲睡眠協會,20002000年睡眠調查

亞洲睡眠協會,20032003年睡眠調查

宋茜,打鼾怎麼辦?安立出版社,民93年。

劉勝義,臨床睡眠檢查學,台記圖書出版社,民93年。