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作者:吳科沅(2012-07-28);推薦:徐業良(2012-08-23)
附註:本文為一百學年度元智大學機械工程研究所吳科沅碩士論文「適用於居家環境具止鼾功能之智慧型床墊設計與開發」第一章。

第一章 研究背景與目的

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,所以多不會注意到打鼾背後的問題。其實不管是心理還是生理層面,打鼾都會影響到睡眠者的睡眠情況,因此改善睡眠者打鼾現象是一個重要的課題。

本章首先由鼾聲的成因來討論睡眠打鼾問題,接下來則整理打鼾監測與改善相關文獻,並歸納出本研究的目的。

1.1    睡眠打鼾問題

打鼾是常見的睡眠問題,也是睡眠呼吸相關疾病的可能徵兆,重度打鼾患者可能患有「睡眠呼吸中止症(obstructive sleep apnea syndrome, OSAS)。在一般人口分佈中,約有4%的中年男性與2%女性有睡眠呼吸中止症[Young et al., 1993; Penzel et al., 2000; Atul and David, 2002],根據統計台灣至少有68萬人(3%)罹患阻塞型睡眠呼吸中止症,其中以40歲以上的男性罹病比率最高(25%)【陳濘宏,2005】,兒童亦會有打鼾的情況,根據Gislason[1995]在冰島地區的統計,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,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

如圖1-1所示,有打鼾問題的打鼾者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[U.S. Department of Health and Human Services, 2010]

1-1. (a)打鼾示意圖         (b)呼吸中止示意圖

(圖片來源:http://www.konigdds.com/sleep-apnea.html

有鼾聲的病人睡覺時,上呼吸道肌肉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,以換取上呼吸道肌肉變堅挺同時打開呼吸通道。當病人醒來後刺激上呼吸道肌肉暢通,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。此情況會導致白天容易感到疲倦及嗜睡,記憶力、學習能力和工作效率都逐漸變差,對外在的行為影響也相當的顯著,包括了情緒不穩、暴躁、易怒以及注意力降低等[Baruch and Peretz, 2005],這些外在行為之影響會伴隨患者得到憂鬱症的可能性提高[Aloia, et al., 2009]

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,因此如何分辨打鼾的嚴重性、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:

(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是在醫院或研究機構所設立之睡眠實驗室,患者至實驗室中進行檢查。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,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。因此針對打鼾問題的監測,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1-2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1-3DYMEDIX 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。

1-2. 量測鼻部氣體流動的實驗設備圖

1-3. 貼片式鼾聲感測器(圖片來源:http://www.dymedix.com/products.shtml

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。由於呼吸的頻率屬於低頻的範圍,多數鼾聲像呼吸一樣具有持續、規律性的特性,Smithson等人[1995]發現鼾聲集中在100Hz的低頻地帶,鼾聲樣本主要在0~200Hz的聲音頻帶內。在這個領域中多以麥克風收集受測者鼾聲並進行頻譜或時域特性的分析,Jane等人[2000]利用類神經網路設計了一套自動監測鼾聲的電腦系統,藉由聲音特徵的輸入,判別鼾聲與一般呼吸聲音的差異,準確率為90%;如圖1-4Watanabe等人[2010]於手機中整合可感測0.1Hz10kHz之間音頻訊號的低頻麥克風,放置手機於使用者的床墊或枕頭,透過麥克風擷取使用者整晚睡眠的聲音,可經由演算法解析出使用者正常呼吸、有鼾聲、與呼吸中止等不同狀態。

1-4. Watanabe等人[2010]使用手機透過麥克風擷取使用者整晚睡眠的聲音

為有效提升鼾聲判斷的準確度,除了設計麥克風接收頻率以及相關訊號處理的電路與演算法之外,如何提高麥克風收集訊號的品質也是許多研究的重點。Herzog等人[2009]認為非接觸式容易得到較寬頻譜訊號,可獲得較多資訊來源以進行訊號分析,而Keong等人[2008]則探討不同非接觸式麥克風擺放位置與訊號品質、使用者舒適度之間的關係。利用聲音特徵分析做作鼾聲監測及睡眠呼吸中止症的篩選,具有設備輕巧、適合居家長期使用、及非接觸式等特點,適用於睡眠呼吸中止症病患的先期篩選以及居家環境中睡眠監測系統的建立。

1.3    打鼾的改善

治療鼾聲方式分成醫學治療和外在行為治療。外在行為治療雖然無法根治鼾聲的症狀,但是可以有效改善鼾聲程度。Schmidt Nowar等人[1995]開發一套下顎前移裝置,可使呼吸道變得較為寬闊幫助呼吸氣流的進出,可降低鼾聲的發生率Giles等人[2006]設計一鼻腔面罩幫助睡眠者於睡眠時保持鼻腔氣體流通順暢,明顯減少因鼻腔疾病造成的鼾聲與呼吸中止症的發生。

目前許多以外在行為治療來止鼾的商品問世,多為手錶型配戴於手腕處,並利用振動或電脈衝刺激睡眠者方式止鼾,例如HIVOX公司[http://www.hivoxproduct.com/]“Snore WatchTMMicroCare公司[http://www.microcare.com/]“Snore Stopper” (圖1-5)、Silent Night公司的“True Sleep”FRANCEBED公司[http://www.francebed.co.jp/]いびき軽減枕V-1” (圖1-6)等。

1-5. Snore WatchTMSnore Stopper

1-6. FRANCEBED公司的いびき軽減枕V-1

除了上述之利用振動或電脈衝刺激睡眠者方式止鼾外,從睡姿改善睡眠中打鼾也是為其中一種改善打鼾之方法。Neill等人[1997]測量8例患有嚴重阻塞性睡眠呼吸中止症分別在仰臥、上半身升到30度和側躺時之上呼吸道阻塞的壓力,從睡姿評估可否改善呼吸道之穩定度。其使用正氣壓呼吸機(nCPAP)重複測量非快速動眼睡眠時之上呼吸道閉合壓力(UACP)和上呼吸道開合壓力(UAOP),表1-1為其平均所測得之壓力,cmH2O為一壓力單位(公分水柱),數字愈大表示打開呼吸道的壓力越大,也可表示阻塞的情況越嚴重。

1-1. 平均所測得之壓力

 

上半身升到30

仰臥

側躺

UACP

-4.0±3.2cmH2O

0.3±2.4cmH2O

-1.1±2.2cmH2O

UAOP

5.3±2.1cmH2O

10.4±3.5cmH2O

5.5±2.1cmH2O

如表1-1所示,上呼吸道閉合壓力(UACP)在三種不同的姿勢所測出來的上呼吸道阻塞的壓力雖然差異不大,但可觀察出上半身升到30度這種姿勢之壓力比另兩種睡姿小;而在上呼吸道開合壓力( UAOP)之壓力時可以看到側躺(5.5 +/- 2.1 cm H2O)以及上半身升到30(5.3 +/- 2.11 cm H2O)這兩種睡姿所需要的壓力較小,幾乎只有仰躺(10.4 +/- 3.5 cm H2O)時之50%。作者得到之結論為上半身提升到30度和側躺可以顯著的改善睡眠中呼吸的穩定性。

如圖1-7,國外知名床具廠商利用上述介紹之睡姿改善睡眠中打鼾,也發一套智慧床組「星夜(Starry Night)[http://www.starrynightbed.com/],除了具備娛樂休閒功能外,能自動偵測使用者睡眠時期的鼾聲,並控制床架抬高床頭高度約7度,調整使用者呼吸道中下顎和舌根之間相對位置以達到止鼾的功能。

1-6. 星夜(Starry Night)

1.4    本研究目的

成年人一生中有三分之一的時間處於睡眠狀態,鼾聲會影響到自己的睡眠品質與個人生理健康。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,但嚴重的鼾聲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。隨著感測器技術的進步以及睡眠研究的發展,許多學者致力研究如何以更輕巧、更簡便、非接觸式、甚至非察覺性的感測技術做睡眠監測,讓睡眠監測不再侷限於醫療院所或睡眠實驗室的醫療服務,而是可以在居家環境中進行的日常保健行為。

如圖1-8所示,本研究與世大化成公司合作開發適合居家環境使用之「具止鼾功能之智慧型床墊」,主要目的有三:

(1)  以「非察覺性(non-conscious)」方式監測睡眠中鼾聲與活動,並能將感測歷程記錄下供使用者瀏覽;

(2)  設計頭部抬升機構,在偵測到鼾聲時能自動將頭部位置提高,以改善睡眠者打鼾現象;

(3)  本研究止鼾床墊以世大化成之溫感釋壓泡棉材料及該公司專業製程製作,並進行功能性初步評估,完成商品化之準備。

1-8. 研究目的

本論文在第二章介紹具止鼾功能之床墊設計概念與系統架構,第三章說明鼾聲監測裝置設計與建置,第四章說明頭部抬升機構設計與分析結果,第五章說明系統測試結果,最後在第六章提出本論文結論

參考資料

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