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作者:阮致維(2005-04-13);推薦:徐業良(2005-04-13);最近更新:阮致維(2005-07-26)
附註:本文為九十四學年度元智大學機械工程研究所阮致維碩士論文「以外顯行為訊號判讀睡眠階段」第三章。

以外顯行為訊號判讀睡眠階段-睡眠實驗設計

本章節為觀察睡眠時外顯行為(如呼吸、肢體動作)與睡眠階段是否有明顯關連,先以一位受測者以PSG獲得之睡眠資料作初步整理與觀察,並就睡眠實驗進行規劃與設計,並進而蒐集了14位受測者的睡眠資料數據進行整理,以程式計算出每分鐘單位時間的平均呼吸頻率、標準差、以及變異係數,以供後續與睡眠階段進行比對。

1.     外顯行為與睡眠階段關係初步觀察

受測者於元智大學老人福祉科技研究中心之睡眠品質實驗室夜間睡眠檢查一晚,整理受測者睡眠資料共6小時15分(375分鐘)。圖1PSG判讀之睡眠階段,圖中顏色區塊代表各睡眠階段的關係,未標示顏色表示清醒、淺綠色表示NREM-Stage2、淺藍色表示NREM-Stage3、深藍色表示NREM-Stage4,棕色表示REM。圖1顯示分析資料有三個NREMREM的睡眠週期,且各時間分佈為清醒時間佔50分鐘,NREM時期佔270分鐘,REM時期佔55分鐘。

1. PSG判讀受測者之睡眠階段

5分鐘為一計算時間單位,計算呼吸頻率和腿部活動與各睡眠階段之關係如表1。可以看出清醒以及REM時期呼吸頻率較快並有較大的呼吸變化,而NREM時期則呈現呼吸頻率較低且穩定的狀態;在身體活動上,清醒時期出現的單位時間活動次數較高,NREMREM則呈現較低的身體活動。

1. 呼吸頻率和身體活動與睡眠階段之關係

 

清醒

NREM

REM

時間(min)單位時間

5010個單位

27054個單位

5511個單位

呼吸頻率呼吸次數/5min

16.84

15.35

16.65

呼吸頻率的標準差

3.116

0.65

1.063

腿部動作次數/單位時間

0.50

0.28

0.11

將呼吸頻率以及腿部動作次數與睡睡眠階段之趨勢整理如圖2,圖上方的顏色區域代表各睡眠階段,其中黑色表示清醒、藍色表示NREM、棕色則表示REM。藍色曲線代表每單位時間(5 min)下的呼吸次數,腿部動作則以粉紅色線段代表有無。由圖2可觀察清醒階段有較頻繁的腿部動作以及較快的呼吸頻率,NREM時期呼吸頻率較低、腿部動作較少,而REM時期則呼吸頻率較高,但腿部動作仍較少。

2. 呼吸頻率與腿部動作和睡眠階段的對照

NREM I, II期(淺眠)NREM III, IV期(深眠)來觀察(如圖3),淺眠期腿部動作次數多,深眠期腿部動作幾乎沒有。

3. 腿部動作次數與淺眠和深眠關係

4以每分鐘為計算單位時間,取清醒轉換至NREM69分鐘的數據資料,可以觀察在清醒階段呼吸頻率較高、不穩定,而在NREM階段呼吸頻率緩和、穩定。5則為NREM轉換至REM睡眠期間共33分鐘的數據資料,可以觀察到NREM轉換至REM階段時呼吸頻率有明顯變化,頻率明顯提高且有不穩定的現象。

4. 清醒與NREM呼吸頻率變化

5. REM階段呼吸頻率變化

從以上初步觀察可以知道清醒、REMNREM、乃至於深眠與淺眠階段,呼吸頻率及穩定程度、以及腿部動作次數有明顯不同。下一節中敘述正式實驗設計,取得更多受測者數據進一步證實此觀察。

2.     睡眠實驗設計

本實驗針對身體健康、作息正常、且無呼吸障礙、無周期性肢體抽動的14位受測者進行睡眠檢查。受測者年齡分佈為20歲至26歲,來自於大學與研究所在學生。受測者在實驗前需填寫「夜間睡眠檢查問卷」(附錄A)【劉勝義,民93年】,確認無罹患心血管疾病、無嗜睡、無罹患呼吸疾病;對於受測者無呼吸障礙要求的定義為“呼吸中止與淺呼吸指數(apnea/hypopnea index, AHI)”或“呼吸障礙指數(respiratory disturbance index, RDI)”小於5,由檢查完畢後的分析報告確認正常與否。此外無週期性肢體抽動的要求為周期性肢體抽動次數每小時需少於5(PLM Index,次/每小時),若超過5次即被認定為可能罹患睡眠週期性肢體抽動,此項疾病可能會影響身體活動的一般性資料蒐集。14位受測者的年齡平均值為22.07歲、BMI指數平均值為24.16RDI指數平均值為1.65PLM Index平均值為0.16

本實驗使用P-Series PS2按照標準的夜間睡眠多項生理檢查程序進行睡眠檢查,檢查項目包括腦電圖、眼動圖、肌電圖、呼吸氣流、胸腹呼吸動作、鼾聲、血氧、腿部活動、與睡姿感測等項目,其中腦電圖、眼動圖、肌電圖提供PSG作睡眠階段判讀,呼吸氣流、胸腹呼吸動作、鼾聲、血氧提供PSG判讀是否有呼吸障礙症狀。呼吸氣流、胸腹呼吸動作、鼾聲、腿部活動、與睡姿感測等項目則用來提供後續身體活動與睡眠階段關連性的判讀,同時並以呼吸與身體活動感測墊(biomat)擷取身體活動訊號,輔助提供身體活動與睡眠階段關連性的判讀。

檢查人員須於事前通知受測者遵守檢查須知項目,內容說明如下:

(1)    檢查當日請沐浴洗頭,勿抹髮油,勿噴髮膠,男性請刮鬍子,女性請勿化妝及抹保養品。

(2)    檢查當日避免喝酒、茶及服用安眠藥。

(3)    一般用藥照服。

(4)    請穿著寬鬆舒適衣服。

(5)    當日儘量停止午睡。

睡眠檢查實驗程序如下:

(1)    檢查日前一天正常睡眠,檢查當天受測者需要提前正常睡眠時間前1.5小時至睡眠品質實驗室。

(2)    與檢查人員進行檢查前的前置作業,完成填寫「睡眠檢查夜間問卷」與感測器貼附。

(3)    儀器訊號埠按照睡眠多項生理檢查儀標準設定。安裝完畢後進行儀器生理校正檢視個別電極的功能以及腦電圖、眼動圖、肌電圖的阻抗是否低於標準值(30k歐姆),阻抗過大會影響訊號的擷取,需重新貼附電極。

(4)    確認儀器功能正常後開始正式紀錄睡眠資料,睡眠環境空調溫度設定為27度,入睡檢查蒐集總計連續8小時的睡眠資料。

(5)    隔日早晨,檢查人員確認儀器各生理項目正常與否,是否有電極脫落或功能不正常的狀況。儀器確認完畢後取下各貼附的電極與感測器,同時填寫「睡眠檢查晨間問卷」(附錄B)【劉勝義,民93年】。此問卷的填寫主要在輔助醫師或睡眠檢查技師在睡眠圖譜上的判讀,以受測者主觀認定的入睡時間與醒來次數和電腦判讀結果進行比對,可解釋電腦判讀的結果。此外填寫入睡時間與睡眠時間的項目可在最後的統計上解釋不同受測者在睡眠階段的時間長短差異。

睡眠檢查完畢後將P-Series PS2PCMCIA記憶卡中的原始睡眠檢查資料儲存至分析電腦內,以睡眠分析軟體“W-Series Replay”進行分析(包含睡眠歷程的分析與判讀)與標記,最後於判讀完睡眠階段後將其中包含的生理項目(呼吸氣流、胸腹呼吸動作、鼾聲、腿部活動、與睡姿感測)資料與睡眠階段進行比對,期望建立各睡眠階段睡眠外顯行為特徵,據以建構以非察覺式生理訊號判讀睡眠階段演算法。

3.     睡眠實驗資料整理

睡眠實驗所蒐集資料主要為呼吸訊號、身體活動資料、及睡眠階段判讀資料,其中身體活動次數較少,本研究中以人工檢閱的方式在觀察左右兩腿的訊號變化後,計算腿部活動次數。PSG根據腦波每30秒輸出睡眠階段判讀資料,本研究以每分鐘為時間單位,因此會出現一分鐘內有兩種不同睡眠階段,本研究以先出現的睡眠階段為主。如一分鐘內含有清醒與其他睡眠階段,清醒的判讀常是因身體活動造成,因此若出現此種情況時則判讀為清醒外的睡眠階段。最後每位受測者整晚取得的睡眠階段判讀資料簡易區分為清醒、NREM-淺眠(Stage I, II)NREM-深眠(Stage III, IV)、及REM四部分。

PSG呼吸訊號取樣頻率為8Hz,輸出資料包括呼吸氣流及胸與腹部呼吸動作,可根據所需時間(epoch)範圍輸出整晚或部份的原始資料。原始呼吸資料中因含有訊號雜訊,故先以16overlap的方式作平滑化,再以電腦程式計算每分鐘的呼吸頻率平均值、標準差、與變異係數。

每分鐘呼吸頻率計算概念可分為兩種,第一種是於資料片段內以每分鐘計數呼吸次數後輸出每分鐘呼吸頻率。此種方式近似於人工檢閱結果,計算方式較簡單,但容易因計算單位時間過短(如1分鐘)而有較大的計算誤差,且無法輸出該單位時間內呼吸頻率的標準差。第二種方法則計算呼吸間的每次間隔時間並經換算成呼吸頻率,如此每次呼吸計算可得一個呼吸頻率,最後求得每分鐘呼吸頻率平均值輸出,亦可計算該分鐘內呼吸頻率之標準差。

本研究採用第二種計算概念,撰寫程式來找出呼吸訊號波峰與波峰的間隔時間秒(如圖6),經計算後得到一個呼吸頻率(次/每分鐘),最後如式(1)1分鐘內數次的平均呼吸頻率,並可計算該分鐘內呼吸頻率之標準差。呼吸訊號取樣頻率為8Hz,以程式計算出呼吸訊號波峰與波峰的資料點個數再除以8後即可求得間隔時間,精確度為1/8秒。

   

6. 呼吸間單次間隔時間說明圖

平滑化後的呼吸訊號雖可簡化程式的判讀,但仍然可能出現雜訊小波峰,導致計算出過大、明顯錯誤的呼吸頻率。一般正常成年人的呼吸頻率為每分鐘16次,15-20歲的平均呼吸頻率為每分鐘20次且青少年時期呼吸頻率較快,本研究保守設定程式的正常呼吸頻率範圍為每分鐘10次至20次,高於或低於此呼吸頻率範圍的數值皆視為異常況態,此異常狀態通常來自於身體活動造成的呼吸訊號波動。

如圖7說明正常呼吸訊號的計算,從圖內1分鐘14個呼吸訊號當中可計算出13個呼吸頻率,可得1分鐘內的平均呼吸頻率為14.729次,標準差為1.118次。8則說明異常呼吸訊號的計算,當13個呼吸頻率中有因小訊號起伏造成的異常數值時,會經程式剔除後再計算每分鐘的平均呼吸頻率為14.299次,標準差為1.120次。

7. 正常呼吸訊號每分鐘呼吸頻率計算

8. 異常呼吸訊號每分鐘呼吸頻率計算 

以此程式整理14個受測者整晚睡眠資料,包含有睡眠階段分布、呼吸頻率變化、標準差、以及腿部活動次數的數據。每位受測者並表列出於睡眠四階段,清醒、NREM-淺眠、NREM-深眠下所統計的各階段的總時間、每分鐘呼吸頻率的總平均、每分鐘呼吸頻率標準差的總平均、每分鐘變異係數的平均、以及每分鐘腿部動作頻率及每分鐘平均次數。分析資料如附錄C

參考資料

Sako, T., Burioka, N., Suyama H., Normura, T., Takeshima, T., and Shimizu, E., 2001. Nonlinear behavior of human respiratory movement during different sleep stages,Chronobiology International, Vol. 18, Iss. 1, p 71-83

劉勝義,臨床睡眠檢查學,民國93年,合記圖書出版社。

附錄A 睡眠檢查夜間問卷

姓名:                                                    檢查日期:

性別:                    年齡:                    體重:            公斤        身高:            公分

 

一、請問您是否有高血壓?是         

    請問您是否有定時服用降血壓藥物?是         

    服用                    藥物,已有     年。

    請問您是否有冠狀動脈疾病?是         

    請問您是否有狹心症(心絞痛)?是         

    請問您是否有心肌梗塞?是         

    請問您是否有中風?是         

二、請問是否有人說您睡覺時會打鼾?

        是,打鼾已有     年,請您回答下列鼾聲之嚴重度

            1.輕微鼾聲,不會對他人造成困擾。

            2.明顯鼾聲,隔門可聞,常會對他人造成困擾。

            3.重度鼾聲,室友或配偶無法同室而眠。

        

三、請問您是否有日間嗜睡的情形?

        是,日間嗜睡    年,請您回答下列日間嗜睡之嚴重度

      1.輕微嗜睡,在需要較少注意力的場合(例如觀看電視、閱讀書報、或參加旅遊)容易睡著。

            2.中度嗜睡,在需要一些注意力的場合(例如參加演講、會議或音樂會)容易睡著。

            3.重度嗜睡,在需要較多注意力的場合(例如吃飯、交談、走路或開車)容易睡著。

        

四、請問您是否經常發生鼻塞?是         

五、請問您是否因為日間嗜睡發生車禍?是         

附錄B 睡眠檢查晨間問卷

姓名:                                                    檢查日期:

性別:                    年齡:                    體重:            公斤        身高:            公分

 

1.          您昨夜關燈後,隔了多久才入睡?              分。

2.          您覺得昨晚睡了多久?                分。

3.          您覺得昨夜醒來多少次?         次。

4.          您覺得昨夜醒來多久?                分。

5.          您昨夜和平常在家的入睡時間,有何不同?(請圈選)

□比平常更久        □比平常久    □和平常相同        □比平常短    □比平常更短

6.          您昨夜和平常在家的睡眠時間有何不同?(請圈選)

□比平常更久        □比平常久    □和平常相同        □比平常短    □比平常更短

7.          您昨夜和平常在家的睡眠時間有何不同?(請圈選)

□比平常更差        □比平常差    □和平常相同        □比平常好    □比平常更好

8.          您現在覺得精神狀態如何?(請圈選)

□非常疲倦而且極度想睡    □稍微疲倦而且反應遲鈍

□精神恢復而且反應正常    □完全清醒而且精神飽滿

9.          您今早如何醒來?(請圈選)

□吵鬧聲        □不舒服        □技師    □自然

□其他,請描述                                         

10.      您記得昨晚作夢嗎?

□無        □有,請描述                                   

11.      您今早是否有任何身體上的不舒服?

□無        □有,請描述                                   

12.      您昨天是否服用認何藥物?

□無        □有,請描述                                    

附錄C 分析資料

9. 睡眠分析圖-受測樣本1

1. 睡眠資料統計-受測樣本1

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

68

187

82

51

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

15.359

15.665

15.679

16.851

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.718

0.426

0.817

1.56

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.91(62/68)

0.112(21/187)

0.096(8/82)

0.039(2/51)

每分鐘變異係數的平均(%)

11.189

6.278

5.207

9.349

10. 睡眠分析圖-受測樣本2

2. 睡眠資料統計-受測樣本2

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

33

133

92

55

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

14.849

12.645

12.686

15.144

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.293

1.068

0.690

1.569

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.73(24/33)

0.038(5/133)

0

0

每分鐘變異係數的平均(%)

8.691

8.371

5.438

10.340

11. 睡眠分析圖-受測樣本3

3. 睡眠資料統計-受測樣本3

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

21

272

79

72

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

14.797

14.530

15.909

14.510

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

2.300

2.106

1.884

2.139

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

1.143(24/21)

0.125(34/272)

0.127(10/79)

0.028(2/72)

每分鐘變異係數的平均(%)

15.607

14.559

11.944

14.803

12. 睡眠分析圖-受測樣本4

4. 睡眠資料統計-受測樣本4

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

97

241

90

35

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

16.546

15.440

16.832

16.830

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.519

1.392

1.012

1.879

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.588(57/97)

0.083(20/241)

0.022(2/90)

0.171(6/35)

每分鐘變異係數的平均(%)

9.452

9.114

6.049

11.327

13. 睡眠分析圖-受測樣本5

5. 睡眠資料統計-受測樣本5

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

33

178

118

61

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

15.227

15.396

16.445

16.210

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.911

1.157

0.783

1.921

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.76(25/33)

0.10(18/178)

0.03(3/118)

0.07(4/61)

每分鐘變異係數的平均(%)

12.586

7.568

4.772

11.896

14. 睡眠分析圖-受測樣本6

6. 睡眠資料統計-受測樣本6

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

61

207

149

67

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

15.446

14.883

15.306

16.848

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.907

1.378

1.040

1.807

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.279(17/61)

0.072(15/207)

0.074(11/149)

0.09(6/67)

每分鐘變異係數的平均(%)

12.345

9.260

6.783

10.821

15. 睡眠分析圖-受測樣本7

7. 睡眠資料統計-受測樣本7

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

85

144

101

39

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

15.36

17.44

17.80

16.96

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

2.670

1.381

1.096

1.559

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

2.223(189/85)

0.167(24/144)

0.020(2/101)

0

每分鐘變異係數的平均(%)

17.471

8.025

6.184

9.125

16. 睡眠分析圖-受測樣本8

8. 睡眠資料統計-受測樣本8

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

38

269

116

61

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

16.50

14.75

15.09

14.16

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

2.327

1.592

1.335

1.949

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.684(26/38)

0.104(28/269)

0.060(7/116)

0

每分鐘變異係數的平均(%)

14.2968

10.770

7.457

13.67

17. 睡眠分析圖-受測樣本9

9. 睡眠資料統計-受測樣本9

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

8

251

115

37

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

15.043

14.873

15.345

15.266

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.901

1.119

0.888

1.493

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.625(5/8)

0.108(27/251)

0.078(9/115)

0.054(2/37)

每分鐘變異係數的平均(%)

12.925

7.555

5.764

9.774

18. 睡眠分析圖-受測樣本10

10. 睡眠資料統計-受測樣本10

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

38

224

81

104

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

14.924

12.566

13.173

14.150

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.942

1.309

1.204

1.983

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.895(34/38)

0.0625(14/224)

0.049(4/81)

0.067(7/104)

每分鐘變異係數的平均(%)

13.048

10.243

9.118

13.986

19. 睡眠分析圖-受測樣本11

11. 睡眠資料統計-受測樣本11

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

60

200

104

65

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

15.966

17.744

18.671

17.265

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.889

1.161

0.927

1.496

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.75(45/60)

0.05(10/200)

0.096(10/104)

0.015(1/65)

每分鐘變異係數的平均(%)

11.973

6.675

5.007

8.880

20. 睡眠分析圖-受測樣本12

12. 睡眠資料統計-受測樣本12

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

30

165

50

1

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

18.783

18.670

19.270

18.909

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

2.156

1.232

0.701

*

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.6(18/30)

0.212(35/165)

0.08(4/50)

0

每分鐘變異係數的平均(%)

12.255

6.776

3.671

*

21. 睡眠分析圖-受測樣本13

13. 睡眠資料統計-受測樣本13

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

21

174

104

61

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

15.457

13.319

13.164

13.6717

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

2.079

1.316

0.954

1.867

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.762(16/21)

0.052(9/174)

0.029(3/104)

0.131(8/61)

每分鐘變異係數的平均(%)

13.439

9.694

7.180

13.582

.22睡眠分析圖-受測樣本14

14. 睡眠資料整理-受測樣本14

睡眠階段

清醒

NREM-淺眠

NREM-深眠

REM

總時間(min)

13

200

110

38

每分鐘呼吸頻率的總平均(1/min)

15.373

14.859

15.434

16.483

每分鐘呼吸頻率標準差的總平均(/min)

1.214

1.173

0.876

1.717

每分鐘腿部動作頻率 (次數/總時間)

0.462(6/13)

0.155(31/200)

0.055(6/110)

0.026(1/38)

每分鐘變異係數的平均(%)

7.889

7.939

5.679

10.396