盡管許多人患有睡眠障礙，但是大多數(shù)人未被診斷出來(lái)，導(dǎo)致健康受損。現(xiàn)有的多導(dǎo)睡眠圖（PSG）方法不容易實(shí)現(xiàn)，這種方法成本高昂，會(huì)給患者帶來(lái)負(fù)擔(dān)，并且需要專門的設(shè)施和人員。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，喬治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）Woon-Hong Yeo研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種家庭便攜式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括無(wú)線睡眠傳感器和嵌入機(jī)器學(xué)習(xí)的可穿戴電子設(shè)備。研究人員展示了該系統(tǒng)在多例患者睡眠質(zhì)量評(píng)估和睡眠呼吸暫停檢測(cè)中的應(yīng)用。與使用大量笨重傳感器的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同，這種柔軟、完全集成的可穿戴平臺(tái)可以在任何地方為用戶提供自然睡眠狀態(tài)的檢測(cè)。在一項(xiàng)臨床研究中，這種檢測(cè)大腦、眼睛和肌肉信號(hào)的面部貼片顯示出與多導(dǎo)睡眠圖方法相當(dāng)?shù)男阅堋．?dāng)將健康對(duì)照組與睡眠呼吸暫停患者進(jìn)行比較時(shí)，該可穿戴系統(tǒng)檢測(cè)阻塞性睡眠呼吸暫停的準(zhǔn)確率為88.5%。此外，深度學(xué)習(xí)提供了自動(dòng)的睡眠評(píng)分，展示了便攜性和即時(shí)可用性。

本研究所開發(fā)的便攜式可穿戴睡眠監(jiān)測(cè)儀包含兩個(gè)小貼片：一個(gè)用于測(cè)量前額的腦電圖（EEG）和眼電圖（EOG），另一個(gè)用于測(cè)量下巴的肌電圖（EMG）。這些生理信號(hào)被實(shí)時(shí)分析，以檢測(cè)睡眠階段和睡眠障礙。與其它的可穿戴式睡眠監(jiān)測(cè)儀相比，這種柔性且不顯眼的貼片具有格外小的外形尺寸，可與皮膚無(wú)縫貼合，在睡眠期間實(shí)現(xiàn)高保真、可靠的信號(hào)檢測(cè)。所有測(cè)量數(shù)據(jù)都通過(guò)藍(lán)牙（Bluetooth）無(wú)線傳輸?shù)?a target="_blank">智能手機(jī)或平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上，然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，用于自動(dòng)睡眠評(píng)分和呼吸暫停事件檢測(cè)。總的來(lái)說(shuō)，該柔性可穿戴平臺(tái)為用戶提供了舒適性、易用性和便攜性，使得用戶可以在沒(méi)有技術(shù)人員的情況下輕松地按照說(shuō)明在家測(cè)量他們的睡眠。

用于評(píng)估睡眠質(zhì)量和睡眠呼吸暫停的家庭睡眠監(jiān)測(cè)貼片

下圖展示了可穿戴系統(tǒng)的架構(gòu)和制造流程的細(xì)節(jié)。研究人員按照PSG設(shè)置和美國(guó)睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)（AASM）的標(biāo)準(zhǔn)仔細(xì)選擇電極的目標(biāo)位置，用于測(cè)量EEG、EOG和下巴EMG。因此，該系統(tǒng)具有雙通道EEG電極（EEG1和EEG2）、雙通道EOG電極（EOG1和EOG2）和單通道下巴EMG電極以及接地和參考電極。為了制造多個(gè)器件，研究人員開發(fā)了一種可擴(kuò)展的制造方法，使用激光微加工制造可拉伸電極和互連線。飛秒激光工藝可實(shí)現(xiàn)各種材料的高精度加工和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高通量制造。

睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)和制造

這項(xiàng)研究通過(guò)與金標(biāo)準(zhǔn)PSG設(shè)置的橫向比較，證實(shí)了制造的可穿戴睡眠設(shè)備的性能。可穿戴貼片的特征信號(hào)形態(tài)與PSG的特征信號(hào)形態(tài)具有高度相似性，貼片的數(shù)據(jù)可以區(qū)分每個(gè)睡眠/覺(jué)醒階段。所開發(fā)系統(tǒng)的平均信噪比為22.77 dB，與PSG的平均信噪比（25.52 dB）相當(dāng)。與標(biāo)準(zhǔn)PSG系統(tǒng)相比，可穿戴貼片具有便攜性、可訪問(wèn)性和多日使用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這種設(shè)備在家里可以很容易地用于檢測(cè)一周的睡眠數(shù)據(jù)。

與金標(biāo)準(zhǔn)PSG比較的睡眠質(zhì)量臨床研究結(jié)果

根據(jù)使用無(wú)線可穿戴貼片從健康對(duì)照組中測(cè)量的EEG睡眠圖可知，受試者顯示出穩(wěn)定而均勻的睡眠階段周期，沒(méi)有呼吸暫停的跡象。在分析中，研究人員還使用了多錐度譜圖分析來(lái)量化EEG和EOG在時(shí)域和頻域中的各種特征，提供了比傳統(tǒng)單錐度譜圖更準(zhǔn)確的分析。與健康參與者相比，嚴(yán)重睡眠呼吸暫停患者表現(xiàn)出完全不同的、高度碎片化的睡眠周期，并伴有頻繁的覺(jué)醒，導(dǎo)致睡眠質(zhì)量惡化和疲勞。研究結(jié)果顯示了這種數(shù)據(jù)分析在區(qū)分健康睡眠和呼吸暫停之間差異方面的能力。

患者睡眠階段的測(cè)量和睡眠呼吸暫停的檢測(cè)

在這項(xiàng)工作中，研究人員使用深度學(xué)習(xí)CNN開發(fā)了一種自動(dòng)睡眠分類和評(píng)分方法。當(dāng)將來(lái)自可穿戴貼片的自動(dòng)評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)與來(lái)自PSG評(píng)分案例的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，兩種方法之間存在很強(qiáng)的一致性，準(zhǔn)確率分別為88.41%和88.17%，科恩（Cohen）的kappa值分別為0.81和0.82。這項(xiàng)研究顯示了所開發(fā)的系統(tǒng)在提供實(shí)時(shí)、自動(dòng)化和準(zhǔn)確的睡眠階段和障礙檢測(cè)方面的潛力，這將推動(dòng)便攜式睡眠監(jiān)測(cè)和家庭醫(yī)療保健的發(fā)展。

使用CNN的自動(dòng)睡眠評(píng)分和睡眠呼吸暫停的定量診斷

總而言之，研究人員報(bào)道了一種可穿戴生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，該系統(tǒng)可提供家庭無(wú)線睡眠監(jiān)測(cè)，用于睡眠質(zhì)量和睡眠呼吸暫停的臨床評(píng)估。這項(xiàng)工作首次展示了使用多傳感器集成貼片和深度學(xué)習(xí)算法自動(dòng)檢測(cè)睡眠障礙。該可穿戴平臺(tái)顯示了方便、可靠和準(zhǔn)確的睡眠監(jiān)測(cè)和分析的潛力，具有增強(qiáng)的可訪問(wèn)性和有效性。所開發(fā)的系統(tǒng)提供了一種多模式的生理測(cè)量，可與皮膚無(wú)縫貼合。材料和制造工藝的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠集成和可用性，同時(shí)提供了大面積系統(tǒng)的可擴(kuò)展制造。

與標(biāo)準(zhǔn)PSG相比，一項(xiàng)初步臨床研究證明了其高信號(hào)質(zhì)量以及視覺(jué)和自動(dòng)睡眠評(píng)分的可行性。對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練反映了該設(shè)備檢測(cè)阻塞性睡眠呼吸暫停相關(guān)覺(jué)醒的潛力。基于CNN的自動(dòng)睡眠評(píng)分和呼吸暫停檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析方法可以進(jìn)一步驗(yàn)證所開發(fā)系統(tǒng)的高性能適用性。未來(lái)的研究將集中在提高可穿戴電極的透氣性和可重復(fù)使用性上。為電極開發(fā)可更換的粘合層將降低成本，同時(shí)促進(jìn)可穿戴睡眠監(jiān)測(cè)儀的長(zhǎng)期使用。此外，該系統(tǒng)將集成其他睡眠傳感器，用于測(cè)量血氧飽和度、二氧化碳和運(yùn)動(dòng)，提高呼吸暫停檢測(cè)的準(zhǔn)確性和有效性。最后，研究人員計(jì)劃對(duì)患者進(jìn)行大規(guī)模的臨床研究，以驗(yàn)證家庭睡眠監(jiān)測(cè)和自動(dòng)疾病診斷的有效性。

審核編輯：劉清