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

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，喬治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）Woon-Hong Yeo研究團隊開發(fā)了一種家庭便攜式監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括無線睡眠傳感器和嵌入機器學(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)量評估和睡眠呼吸暫停檢測中的應(yīng)用。與使用大量笨重傳感器的傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)不同，這種柔軟、完全集成的可穿戴平臺可以在任何地方為用戶提供自然睡眠狀態(tài)的檢測。在一項臨床研究中，這種檢測大腦、眼睛和肌肉信號的面部貼片顯示出與多導(dǎo)睡眠圖方法相當(dāng)?shù)男阅?。?dāng)將健康對照組與睡眠呼吸暫停患者進行比較時，該可穿戴系統(tǒng)檢測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)提供了自動的睡眠評分，展示了便攜性和即時可用性。

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

用于評估睡眠質(zhì)量和睡眠呼吸暫停的家庭睡眠監(jiān)測貼片

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)置和美國睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會（AASM）的標(biāo)準(zhǔn)仔細(xì)選擇電極的目標(biāo)位置，用于測量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。為了制造多個器件，研究人員開發(fā)了一種可擴展的制造方法，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)測設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)和制造

這項研究通過與金標(biāo)準(zhǔn)PSG設(shè)置的橫向比較，證實了制造的可穿戴睡眠設(shè)備的性能?？纱┐髻N片的特征信號形態(tài)與PSG的特征信號形態(tài)具有高度相似性，貼片的數(shù)據(jù)可以區(qū)分每個睡眠/覺醒階段。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、可訪問性和多日使用的獨特優(yōu)勢。這種設(shè)備在家里可以很容易地用于檢測一周的睡眠數(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)使用無線可穿戴貼片從健康對照組中測量的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量化EEG和EOG在時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?；颊弑憩F(xiàn)出完全不同的、高度碎片化的睡眠周期，并伴有頻繁的覺醒，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。

患者睡眠階段的測量和睡眠呼吸暫停的檢測

在這項工作中，研究人員使用深度學(xué)習(xí)CNN開發(fā)了一種自動睡眠分類和評分方法。當(dāng)將來自可穿戴貼片的自動評分?jǐn)?shù)據(jù)與來自PSG評分案例的數(shù)據(jù)進行比較時，兩種方法之間存在很強的一致性，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。這項研究顯示了所開發(fā)的系統(tǒng)在提供實時、自動化和準(zhǔn)確的睡眠階段和障礙檢測方面的潛力，這將推動便攜式睡眠監(jiān)測和家庭醫(yī)療保健的發(fā)展。

使用CNN的自動睡眠評分和睡眠呼吸暫停的定量診斷

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

與標(biāo)準(zhǔn)PSG相比，一項初步臨床研究證明了其高信號質(zhì)量以及視覺和自動睡眠評分的可行性。對現(xiàn)有數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練反映了該設(shè)備檢測阻塞性睡眠呼吸暫停相關(guān)覺醒的潛力?；贑NN的自動睡眠評分和呼吸暫停檢測的數(shù)據(jù)分析方法可以進一步驗證所開發(fā)系統(tǒng)的高性能適用性。未來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，同時促進可穿戴睡眠監(jiān)測儀的長期使用。此外，該系統(tǒng)將集成其他睡眠傳感器，用于測量血氧飽和度、二氧化碳和運動，提高呼吸暫停檢測的準(zhǔn)確性和有效性。最后，研究人員計劃對患者進行大規(guī)模的臨床研究，以驗證家庭睡眠監(jiān)測和自動疾病診斷的有效性。

審核編輯：劉清