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改寫:阮致維(2005-07-25);推薦:徐業良(2005-07-25)
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」第一章。

以外顯行為訊號判讀睡眠階段-研究背景與目的

1.     睡眠品質評估方式

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。

2.     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。

3.     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】

4.     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。

5.     研究目的

本研究為「可攜式居家睡眠品質評估系統」開發計畫的一部份。「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。

本研究即在嘗試以外顯行為訊號判讀睡眠階段,重點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。

建立睡眠中外顯行為與睡眠各階段的關連性後,本項工作在以二項外顯行為感測訊號(呼吸頻率、身體活動)為輸入,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等。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。

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。