用于睡眠質(zhì)量和呼吸暫停臨床評估的家庭無線睡眠監(jiān)測貼片

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

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，喬治亞理工學院（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習的可穿戴電子設備。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睡眠圖方法相當?shù)男阅堋．攲⒔】祵φ战M與睡眠呼吸暫?；颊哌M行比較時，該可穿戴系統(tǒng)檢測阻塞性睡眠呼吸暫停的準確率為88.5%。此外，深度學習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)都通過藍牙（Bluetooth）無線傳輸?shù)?a target="_blank">智能手機或平板電腦等移動設備上，然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（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)的架構和制造流程的細節(jié)。研究人員按照PSG設置和美國睡眠醫(yī)學學會（AASM）的標準仔細選擇電極的目標位置，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雜結(jié)構的高通量制造。

睡眠監(jiān)測設備的系統(tǒng)架構和制造

這項研究通過與金標準PSG設置的橫向比較，證實了制造的可穿戴睡眠設備的性能?？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。與標準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)。

與金標準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)單錐度譜圖更準確的分析。與健康參與者相比，嚴重睡眠呼吸暫?；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習CNN開發(fā)了一種自動睡眠分類和評分方法。當將來自可穿戴貼片的自動評分數(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習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。

與標準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)集的訓練反映了該設備檢測阻塞性睡眠呼吸暫停相關覺醒的潛力?；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