金巍 池敏越 陳業(yè)藝

(美的集團(tuán)中央研究院，佛山，528311)

睡眠環(huán)境學(xué)SleepEnvironmentalScience

睡眠監(jiān)測系統(tǒng)以及與之聯(lián)動(dòng)的環(huán)境家電用于提升睡眠質(zhì)量的應(yīng)用展望

金巍 池敏越 陳業(yè)藝

(美的集團(tuán)中央研究院，佛山，528311)

本文首先引用了各種公開的數(shù)據(jù)，說明了睡眠質(zhì)量對(duì)于健康的意義，以及改善睡眠環(huán)境對(duì)于改善睡眠質(zhì)量的重要性。然后介紹了一種可以用于改善睡眠的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)以及與之組成閉環(huán)反饋系統(tǒng)的環(huán)境家電。文中從睡眠監(jiān)測的系統(tǒng)構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證方法、干預(yù)手段以及聯(lián)動(dòng)策略等角度多方位介紹了該系統(tǒng)的原理和應(yīng)用。在陳述原理的同時(shí)也陳列了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大量理論依據(jù)。最后，本文展望了這種睡眠監(jiān)測及干預(yù)系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。

睡眠監(jiān)測；睡眠干預(yù)；心率變異性；心沖擊圖

1 引言

每年的3月21日是世界睡眠日，睡眠對(duì)于健康的意義，已經(jīng)被越來越多生命科學(xué)工作者們揭示。根據(jù)中國睡眠研究會(huì)2013年公布的數(shù)據(jù)，我國人群中，有各類睡眠障礙的人群占38%，高于27%的世界平均水平，且呈低齡化趨勢。

睡眠質(zhì)量對(duì)于生命健康的意義非同一般。睡眠質(zhì)量不好，不但會(huì)影響記憶力[1]、情緒[2]，還會(huì)影響人體免疫系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)。很多研究表明，缺乏真正意義的睡眠，會(huì)直接或間接導(dǎo)致高血壓[3]、糖尿病[4-5]、肥胖癥[6]等多種疾病。

引起睡眠的因素非常復(fù)雜。根據(jù)睡眠障礙的誘因，睡眠障礙從廣義上可以分為內(nèi)源性睡眠障礙(即由于身體自身原因?qū)е碌乃哒系K)和外源性睡眠障礙(即環(huán)境條件或病理?xiàng)l件引起的睡眠障礙)，以及晝夜紊亂。

根據(jù)美國疾病防控中心(CDC)2005～2006年做得一項(xiàng)國家健康與營養(yǎng)調(diào)查(NHANES)，在6 319名16歲以上包含各種族群的調(diào)查對(duì)象中，失眠和睡眠呼吸障礙占了睡眠障礙人群的絕大多數(shù)[7]。對(duì)于睡眠呼吸障礙，市場上已有很多產(chǎn)品(如睡眠呼吸機(jī))有效的解決了這一問題。相對(duì)來說，失眠的原因復(fù)雜多樣，即包含了內(nèi)源性因素，又包含了外源性因素和晝夜紊亂因素。市場上尚未出現(xiàn)非常有針對(duì)性的治療產(chǎn)品。眾多研究表明，我們?nèi)粘５乃攮h(huán)境或許適宜睡眠，但并非完美，還有很大改善的空間。而基于這一結(jié)論，無論失眠人群的失眠誘因如何變化，睡眠環(huán)境的改善無疑都將提高人們的睡眠質(zhì)量。

本文所介紹的系統(tǒng)旨在通過改善睡眠環(huán)境來提高使用者(特別是因環(huán)境因素導(dǎo)致的失眠及有失眠趨勢的亞健康人群)的睡眠質(zhì)量。

2 監(jiān)測系統(tǒng)

為了科學(xué)的對(duì)睡眠行為進(jìn)行正向干預(yù)，需要首先解決睡眠狀態(tài)監(jiān)測問題。

根據(jù)腦電波的成分，AASM將成年人睡眠分為5個(gè)階段。市場上常見的多導(dǎo)睡眠監(jiān)測儀(Polysomnography，PSG)通常按照這個(gè)分期原則進(jìn)行睡眠分期。分期的依據(jù)主要是腦電(EEG)以及其他基本生命體征(心率、呼吸、體動(dòng)、眼電、鼾聲等參數(shù))的監(jiān)測結(jié)果。這種睡眠監(jiān)測設(shè)備通常在醫(yī)療睡眠中心由專業(yè)醫(yī)護(hù)工作者使用，不適合家庭使用。因此，作為睡眠監(jiān)測技術(shù)的家用化商業(yè)轉(zhuǎn)型，基于心沖擊(Ballistocardiography，BCG)原理的睡眠監(jiān)測技術(shù)越來越多的被產(chǎn)品化并在市場上銷售。

2.1 BCG原理的睡眠監(jiān)測產(chǎn)品

2.1.1 BCG監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)本文所介紹的系統(tǒng)，除了可以通過BCG監(jiān)測完成睡眠過程的監(jiān)測，還可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和分期，進(jìn)行睡眠環(huán)境的調(diào)節(jié)，達(dá)到改善睡眠的效果。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

本文所描述的監(jiān)測系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的信號(hào)采集架構(gòu)。包括傳感器模塊、信號(hào)采集處理模塊、算法模塊以及用戶接口、通信模塊(如圖1)。

2.1.2 BCG產(chǎn)品的優(yōu)勢 與PSG比較，本產(chǎn)品具有以下五種優(yōu)勢：①非接觸式測量，可被廣泛應(yīng)用于家庭環(huán)境，不會(huì)影響睡眠的舒適性；②制造成本低廉，商業(yè)前景光明；③小型化設(shè)計(jì)潛力巨大，為各種使用場景提供可行性；④算法所需處理器資源相比低很多，為實(shí)時(shí)睡眠分期提供了可能。

2.1.3 BCG產(chǎn)品測量原理的局限性 ①可以監(jiān)測的生命體征參數(shù)單一，當(dāng)前的技術(shù)僅能提供心率、呼吸率、體動(dòng)的監(jiān)測；②相比PSG和監(jiān)護(hù)儀，監(jiān)測的體征參數(shù)精度較低；③睡眠分期依據(jù)心率變異性(HRV)或呼吸率的變化進(jìn)行睡眠分期，相比PSG依據(jù)EEG而言，相關(guān)性較弱；④睡眠分期算法一般只能分辨清醒、淺睡及深睡，很難精準(zhǔn)做到5個(gè)睡眠分期。

雖然BCG的測量方法存在上述局限，但是已經(jīng)可以滿足家庭用于睡眠干預(yù)的需求。本文重點(diǎn)介紹一下我們對(duì)監(jiān)測算法的研究和迭代方法。

2.2 測量體征提取 本系統(tǒng)采用心沖擊原理測量得到心率、呼吸率、體動(dòng)參數(shù)。

心沖擊信號(hào)是由人體的微振動(dòng)造成的，可以看作是心臟搏動(dòng)、胸廓起伏及肢體運(yùn)動(dòng)這三個(gè)動(dòng)作共同產(chǎn)生的。所以理論上可以從混合信號(hào)中分離出心跳信號(hào)、呼吸信號(hào)及體動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而得出心率、呼吸率和體動(dòng)參數(shù)。其中心跳信號(hào)和呼吸信號(hào)均屬于周期信號(hào)，而體動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)為非周期的沖擊信號(hào)。

心跳信號(hào)和呼吸信號(hào)頻率成分不同。波形從上看，心沖擊信號(hào)是疊加在呼吸信號(hào)之上的小信號(hào)。由于頻率成分相差較大，可以通過各種濾波算法提取出大致的心率和呼吸信號(hào)，再使用峰值識(shí)別或閾值跨越的方法，即可識(shí)別出心率和呼吸率。

體動(dòng)信號(hào)與心率、呼吸信號(hào)相比，沒有顯著的頻率特征，但是其幅度往往遠(yuǎn)大于上述兩個(gè)信號(hào)。因此，當(dāng)發(fā)生體動(dòng)時(shí)，所監(jiān)測到的沖擊信號(hào)趨近飽和。而根據(jù)飽和狀態(tài)之后信號(hào)的幅值情況又可以識(shí)別出上床和離床動(dòng)作，從而達(dá)到記錄在床和離床時(shí)間的目的。

2.3 睡眠結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)分期 通過對(duì)心率的連續(xù)監(jiān)測，可以得到心率在整個(gè)睡眠過程中的變化趨勢。心率變異(HRV)是指瞬時(shí)心率或者瞬時(shí)心動(dòng)周期的微小變化。它主要受控制心臟戒律的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的影響。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，睡眠與控制心臟動(dòng)力學(xué)特性的交感調(diào)制、副交感調(diào)制有關(guān)。因此，心率、RR間期或HRV在一定程度上反映睡眠狀態(tài)[8]。正常成人夜間HRV的譜分析發(fā)現(xiàn)，HRV是睡眠狀態(tài)、時(shí)間和EEG覺醒的函數(shù)。在低分辨率下，HRV與睡眠結(jié)構(gòu)有著密切的等級(jí)相關(guān)性[9-11]。

基于上述原理，我們開發(fā)了基于HRV、呼吸率變化及體動(dòng)的睡眠分期算法。算法對(duì)心率趨勢數(shù)據(jù)取了若干分鐘的滑動(dòng)窗，根據(jù)窗內(nèi)數(shù)據(jù)的HRV統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合體動(dòng)、呼吸率得變化將睡眠階段分為覺醒期、淺睡期和深睡期。首先，當(dāng)睡眠狀態(tài)再上述三個(gè)階段轉(zhuǎn)變時(shí)，心率和呼吸率都會(huì)經(jīng)歷明顯的變化。把每一階段這兩個(gè)參數(shù)的變化率同步采集下來，再同步做一下相關(guān)性計(jì)算。相關(guān)性計(jì)算的結(jié)果中，每一次睡眠狀態(tài)的切換都會(huì)形成相關(guān)結(jié)果的一次峰值。設(shè)置一個(gè)經(jīng)驗(yàn)閾值，則很容易實(shí)時(shí)找出睡眠過程中的分期狀態(tài)變換點(diǎn)。然后，需要判斷每一個(gè)分析時(shí)段屬于哪個(gè)睡眠分期。這里用到心率變化率和呼吸率變化率這兩個(gè)指標(biāo)。以覺醒期時(shí)的上述兩個(gè)指標(biāo)作為基準(zhǔn)，指標(biāo)的變化率有兩個(gè)方向，睡眠加深和睡眠變淺。當(dāng)兩個(gè)指標(biāo)的變化一致時(shí)，可以通過準(zhǔn)確判斷出睡眠階段。當(dāng)兩個(gè)指標(biāo)變化不一致時(shí)，以心率變化率指標(biāo)為優(yōu)先指標(biāo)，通過特定權(quán)重計(jì)算后再進(jìn)行睡眠階段判定。不同睡眠階段有不同的變化率范圍，深睡期和淺睡期的范圍有部分交疊，該交疊部分需要加上體動(dòng)情況，輔助進(jìn)行判定。這種分期方法的最大特點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性,而實(shí)時(shí)性為睡眠干預(yù)提供了前提。

2.4 開發(fā)架構(gòu)和驗(yàn)證平臺(tái) 體征提取算法及睡眠分期算法建模完成以后，算法的性能需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行快速迭代，從而達(dá)到性能提升的目的。下圖(圖2)是一種實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)收集及算法迭代的方案架構(gòu)。通過前文所述的算法需求及數(shù)學(xué)建模，最初的算法模型被建立起來。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)室同步測試，許多睡眠過程中的BCG數(shù)據(jù)以及同步監(jiān)測的PSG數(shù)據(jù)被收集起來。

數(shù)據(jù)管理及算法驗(yàn)證平臺(tái)

當(dāng)睡眠案例數(shù)越來越多，需要設(shè)計(jì)一個(gè)睡眠數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將所收集到的數(shù)據(jù)有效的管理起來。睡眠數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的作用有三個(gè)：a.存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；b.數(shù)據(jù)歸類和檢索；c.數(shù)據(jù)編輯。下圖介紹了數(shù)據(jù)管理及算法驗(yàn)證平臺(tái)的平臺(tái)架構(gòu)即操作流程。

圖2 睡眠算法開發(fā)架構(gòu)

圖3 睡眠算法評(píng)測平臺(tái)流程

算法驗(yàn)證平臺(tái)(下稱平臺(tái))一方面集成了操作系統(tǒng)封裝后的睡眠算法，一方面又可以自由檢索和調(diào)用睡眠數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)。使用不同特征的睡眠數(shù)據(jù)運(yùn)行當(dāng)前版本的算法后，算法驗(yàn)證平臺(tái)將自動(dòng)把睡眠算法所得到的結(jié)果與PSG所得到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，并得到當(dāng)前版本算法的性能規(guī)格。對(duì)算法的性能評(píng)估包含了很多維度。

對(duì)于體征算法，平臺(tái)提供了與PSG對(duì)標(biāo)的平均偏差統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)方差統(tǒng)計(jì)以及相關(guān)性統(tǒng)計(jì)。以心率為例，在我們當(dāng)前睡眠數(shù)據(jù)庫中所收集到的52例有效參比數(shù)據(jù)(心率點(diǎn)數(shù)9726)當(dāng)中，心率測量的準(zhǔn)確性指標(biāo)如下：

平均偏差：-1.43,標(biāo)準(zhǔn)方差：2.49,相關(guān)度r2=0.94。

其中心率采樣點(diǎn)的數(shù)值范圍覆蓋50-110，呈正態(tài)分布(如圖3)。

圖4 心率驗(yàn)證數(shù)據(jù)分布及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)于睡眠分期算法，平臺(tái)不但可以得到當(dāng)前版本算法相對(duì)于PSG的性能規(guī)格，還可以圖形化顯示整個(gè)案例睡眠過程中的趨勢對(duì)比，使開發(fā)者對(duì)于算法的缺陷一目了然，很大程度提升了開發(fā)者的開發(fā)能力和開發(fā)效率。下圖(圖4)是一個(gè)睡眠案例的整個(gè)睡眠過程。圖中顯示了我們所開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)與PSG的同步圖形化數(shù)據(jù)。

圖5 整晚睡眠監(jiān)測結(jié)果與PSG對(duì)比圖

其中綠色是PSG的心率讀數(shù)，紅色是被測設(shè)備的心率讀數(shù)，橙色是PSG的睡眠分期結(jié)果，藍(lán)色是被測設(shè)備的睡眠分期結(jié)果。這里，PSG的睡眠分期結(jié)果由ICSD3的5個(gè)階段映射為清醒、淺睡、深睡3個(gè)階段。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，睡眠分期的結(jié)果與PSG吻合度達(dá)到了75.29%的水平。

3 反饋系統(tǒng)

前面介紹的睡眠監(jiān)測性能的提升和實(shí)時(shí)分期的根本意義就在于對(duì)睡眠過程進(jìn)行干預(yù)，從而達(dá)到改善睡眠的效果。

決定人體睡眠質(zhì)量的環(huán)境因素很多。比較有共識(shí)的因素包括溫度、濕度、風(fēng)速、聲、光等因素。其中，溫度、濕度、體表風(fēng)速三者是相互結(jié)合，相互影響并相互制約的因素。關(guān)于溫濕度、風(fēng)速影響人體舒適度的理論基礎(chǔ)，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7730中有明確的定義。標(biāo)準(zhǔn)中給出了人體舒適度受環(huán)境溫濕度、體表風(fēng)速以及人體代謝水平、運(yùn)動(dòng)水平、衣物熱隔離情況等因素影響的量化方法。其中，代謝水平是隨著睡眠狀態(tài)改變的顯著變量。因此，定義好那些不會(huì)隨著睡眠狀態(tài)改變的變量因子，如環(huán)境濕度、運(yùn)動(dòng)水平、衣物隔離情況等，就可以推算出最適宜人體睡眠狀態(tài)的合理溫度、風(fēng)速指標(biāo)?；谏鲜鲈砗蜆?biāo)準(zhǔn)，很多業(yè)內(nèi)同行也做了針對(duì)睡眠的先行研究，從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了通過調(diào)節(jié)溫濕度、體表風(fēng)速來改善睡眠的可行性[12-14]。

除了溫濕度和風(fēng)速，光對(duì)于睡眠的改善也是近些年睡眠研究的一大熱點(diǎn)，同時(shí)也是我們研究的一大課題。說到光對(duì)睡眠的作用，不得不提到褪黑素。褪黑素是由松果體分泌的天然人體激素。大量研究表明，褪黑素是調(diào)節(jié)人體晝夜節(jié)律的主要激素，它可以引起睡意和促進(jìn)睡眠。而特定波長，特定強(qiáng)度的光刺激可以促進(jìn)或抑制褪黑素的分泌[9-13]。因此，通過改變環(huán)境光刺激的波長和強(qiáng)度，可以調(diào)節(jié)人體睡眠的節(jié)律。

根據(jù)上述理論，結(jié)合前述的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)我們完善了睡眠監(jiān)測反饋系統(tǒng)中的睡眠干涉部分。整個(gè)系統(tǒng)反饋邏輯如圖5所描述。

圖6 睡眠監(jiān)測及反饋系統(tǒng)邏輯圖

該系統(tǒng)的監(jiān)測和反饋中心是睡眠中的人。當(dāng)使用者睡眠時(shí)，睡眠監(jiān)測系統(tǒng)將其心率、呼吸、體動(dòng)等體征信號(hào)以及環(huán)境溫濕度信息實(shí)時(shí)采集下來，并分析計(jì)算出睡眠分期結(jié)果。一方面監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)將監(jiān)測和計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給環(huán)境電器，如空調(diào)、風(fēng)扇和助眠燈，讓這些環(huán)境電器根據(jù)使用者的睡眠狀態(tài)調(diào)節(jié)最適宜的設(shè)定值，從而達(dá)到改善睡眠的目的；另一方面，監(jiān)測系統(tǒng)將每晚的監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)皆品?wù)器，云服務(wù)器中的算法根據(jù)使用者一段時(shí)間的睡眠情況對(duì)使用者的睡眠健康進(jìn)行綜合評(píng)估，將診斷結(jié)果以及飲食、作息建議等信息通過個(gè)人移動(dòng)終端反饋給使用者以起到早期預(yù)測、促進(jìn)睡眠健康的效果。

4 展望

通過對(duì)睡眠監(jiān)測及反饋系統(tǒng)的開發(fā)，我們初步建立了睡眠健康監(jiān)測及反饋的閉環(huán)。這個(gè)閉環(huán)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都將成為未來的發(fā)展方向。例如，利用多樣的傳感器技術(shù)在精準(zhǔn)度和產(chǎn)品成本之間為客戶提供多種選擇；再如開發(fā)多種睡眠干預(yù)手段——利用睡眠枕進(jìn)行淺睡喚醒、止鼾等。這些都是我們正在開發(fā)或?qū)⒁_發(fā)的產(chǎn)品形式。隨著人們對(duì)睡眠健康的逐步重視，這些睡眠產(chǎn)品將會(huì)為用戶帶來越來越多實(shí)惠的價(jià)值。

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ApplicationOverviewofaSleepMonitoringSystemandtheEnvironmentalAppliancesWorkingasaClose-loopforSleepImprovement

Jin Wei，Chi Minyue，Chen Yeyi
(CentralResearchInstituteofMideaGroup,Foshan, 528311)

Sleep，as a major part of life，has been revealed by previous researches to be associated to many chronic diseases.This article means to introduce a system，which is designed to monitor the sleeping stages and communicate with environmental appliances.Sleep monitoring is implemented by acquiring vital signs like heart rate and respiration rate，as well as body movement.Sleep stages are then derived from the change of these parameters over sleep period.The communication with environmental appliances like air-conditionings，electric fans and smart lights and their interventions to sleep environment forms a close loop，which works to improve users′ sleep quality by improving their sleep environment according to different stages of sleep.The article started from the significance of sleep quality to health with some data and references.Then the introduction to the above-mentioned system followed from several dimensions，such as literature evidences of system application，system scheme and configuration，and the development and verification of the system.Finally，a brief discussion to future expension of the system ended up the article.

Sleep monitor；Sleep intervention；Heart rate variability；Ballistocardiography

金巍(1979—)，男，2005年畢業(yè)于英國薩里大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程中心，碩士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師職稱，現(xiàn)任美的集團(tuán)中央研究院先行研究高級(jí)工程師

池敏越,E-mail:minyue.chi@midea.com.cn

R338.63

：A

：2095-7130(2017)04-218-223