以外顯行為訊號判讀睡眠階段－睡眠實驗設計

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1、以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 作作者者：致致維維( (2 20 00 05 5- -0 04 4- -1 13 3) )；推推薦薦：徐徐業業( (2 20 00 05 5- -0 04 4- -1 13 3) )；最最近近新新：致致維維( (2 20 00 05 5- -0 07 7- -2 26 6) )。 附附註註：本本文文為為九九十十四四學學元元智智大大學學機機械械工工程程研研究究所所致致維維碩碩士士文文以以外外顯顯為為訊訊號號判判睡睡眠眠階階段段第第三三章章。 以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 本章節為觀察睡眠時外顯為 （如呼吸、肢體動作） 與

2、睡眠階段是否有明顯關，先以一位受測者以 PSG 獲得之睡眠資作初步整與觀察，並就睡眠實驗進規劃與設計，並進而蒐集 14 位受測者的睡眠資據進整，以程式計算出每分鐘單位時間的平均呼吸頻、標準差、以及變係，以供後續與睡眠階段進比對。 1. 外顯為與睡眠階段關係初步觀察外顯為與睡眠階段關係初步觀察 受測者於元智大學人祉科技研究中心之睡眠品質實驗室夜間睡眠檢查一晚，整受測者睡眠資共 6 小時 15 分（375 分鐘） 。圖 1 為 PSG 判之睡眠階段，圖中顏色區塊代表各睡眠階段的關係，未標示顏色表示清醒、淺色表示NREM-Stage2、淺色表示 NREM-Stage3、深色表示 NREM-Stage

3、4，棕色表示REM。圖 1 顯示分析資有三個 NREM 至 REM 的睡眠週期，且各時間分佈為清醒時間佔 50 分鐘，NREM 時期佔 270 分鐘，REM 時期佔 55 分鐘。 圖圖 1. PSG 判受測者之睡眠階段判受測者之睡眠階段 以 5 分鐘為一計算時間單位，計算呼吸頻和腿部活動與各睡眠階段之關係如表 1。可以看出清醒以及 REM 時期呼吸頻較快並有較大的呼吸變化，而 NREM 時期http:/grc.mech.yzu.edu.tw/ 1以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 則呈現呼吸頻較低且穩定的態；在身體活動上，清醒時期出現的單位時間活動次 較高，NREM 和 REM 則呈現較低的身

4、體活動。 表表 1. 呼吸頻和身體活動與睡眠階段之關係呼吸頻和身體活動與睡眠階段之關係 清醒 NREM REM 時間(min)單位時間 50（10 個單位）270（54 個單位）55（11 個單位） 呼吸頻（呼吸次/5min） 16.84 15.35 16.65 呼吸頻的標準差 3.116 0.65 1.063 腿部動作次/單位時間 0.50 0.28 0.11 將呼吸頻以及腿部動作次與睡睡眠階段之趨勢整如圖 2，圖上方的顏色區域代表各睡眠階段，其中黑色表示清醒、色表示 NREM、棕色則表示 REM。色曲線代表每單位時間(5 min)下的呼吸次，腿部動作則以粉紅色線段代表有無。由圖2 可觀察清

5、醒階段有較頻繁的腿部動作以及較快的呼吸頻，NREM 時期呼吸頻較低、腿部動作較少，而 REM 時期則呼吸頻較高，但腿部動作仍較少。 圖圖 2. 呼吸頻與腿部動作和睡眠階段的對照呼吸頻與腿部動作和睡眠階段的對照 以 NREM I, II 期（淺眠）NREM III, IV 期（深眠）觀察（如圖 3） ，淺眠期腿 部動作次多，深眠期腿部動作幾乎沒有。 http:/grc.mech.yzu.edu.tw/ 2以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 圖圖 3. 腿部動作次與淺眠和深眠關係腿部動作次與淺眠和深眠關係 圖 4 以每分鐘為計算單位時間，取清醒轉換至 NREM 共 69 分鐘的據資，可以觀察在清醒

6、階段呼吸頻較高、穩定，而在 NREM 階段呼吸頻緩和、穩定。圖 5 則為 NREM 轉換至 REM 睡眠期間共 33 分鐘的據資，可以觀察到 NREM 轉換至 REM 階段時呼吸頻有明顯變化，頻明顯提高且有穩定的現象。 http:/grc.mech.yzu.edu.tw/ 3以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 圖圖 4. 清醒與清醒與 NREM 呼吸頻變化呼吸頻變化圖圖 5. REM 階段呼吸頻變化階段呼吸頻變化 從以上初步觀察可以知道清醒、REM、NREM、乃至於深眠與淺眠階段，呼吸頻及穩定程、以及腿部動作次有明顯同。下一節中敘述正式實驗設計，取得多受測者據進一步證實此觀察。 2. 睡眠實驗

7、設計睡眠實驗設計 本實驗針對身體健康、作息正常、且無呼吸障礙、無周期性肢體抽動的 14 位受測者進睡眠檢查。受測者齡分佈為 20 歲至 26 歲，自於大學與研究所在學生。受測者在實驗前需填寫夜間睡眠檢查問卷 （附 A） 【勝義，民 93 】 ，確認無http:/grc.mech.yzu.edu.tw/ 4以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 患心血管疾病 、 無嗜睡 、 無患呼吸疾病 ； 對於受測者無呼吸障礙要求的定義為“呼吸中止與淺呼吸指(apnea/hypopnea index, AHI)或“呼吸障礙指(respiratory disturbance index, RDI)小於 5，由檢查完

8、畢後的分析報告確認正常與否。此外無週期性肢體抽動的要求為周期性肢體抽動次每小時需少於 5 次(PLM Index，次/每小時)，超過 5 次即被認定為可能患睡眠週期性肢體抽動，此項疾病可能會影響身體活動的一般性資蒐集。14 位受測者的齡平均值為 22.07 歲、BMI 指平均值為 24.16、RDI 指平均值為 1.65、PLM Index 平均值為 0.16。 本實驗使用 P-Series PS2 按照標準的夜間睡眠多項生檢查程序進睡眠檢查，檢查項目包括腦電圖、眼動圖、肌電圖、呼吸氣、胸腹呼吸動作、鼾聲、血氧、腿部活動、與睡姿感測等項目，其中腦電圖、眼動圖、肌電圖提供 PSG 作睡眠階段判，

9、呼吸氣、胸腹呼吸動作、鼾聲、血氧提供 PSG 判是否有呼吸障礙症。呼吸氣、胸腹呼吸動作、鼾聲、腿部活動、與睡姿感測等項目則用提供後續身體活動與睡眠階段關性的判，同時並以呼吸與身體活動感測墊(biomat)擷取身體活動訊號，輔助提供身體活動與睡眠階段關性的判。 檢查人員須於事前通知受測者遵守檢查須知項目，內容明如下： (1) 檢查當日請沐浴洗頭，勿抹髮油，勿噴髮膠，男性請刮鬍子，性請勿化妝及抹保養品。 (2) 檢查當日避免喝酒、及服用安眠藥。 (3) 一般用藥照服。 (4) 請穿著寬鬆舒適衣服。 (5) 當日儘停止午睡。 睡眠檢查實驗程序如下： (1) 檢查日前一天正常睡眠，檢查當天受測者需要提

10、前正常睡眠時間前 1.5 小時至睡眠品質實驗室。 (2) 與檢查人員進檢查前的前置作業，完成填寫睡眠檢查夜間問卷與感測器貼附。 (3) 儀器訊號埠按照睡眠多項生檢查儀標準設定。安裝完畢後進儀器生校正檢視個別電極的功能以及腦電圖、眼動圖、肌電圖的阻抗是否低於標準值（30k 歐姆） ，阻抗過大會影響訊號的擷取，需重新貼附電極。 (4) 確認儀器功能正常後開始正式紀睡眠資，睡眠環境空調溫設定為 27，入睡檢查蒐集總計續 8 小時的睡眠資。 http:/grc.mech.yzu.edu.tw/ 5以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 (5) 隔日早晨，檢查人員確認儀器各生項目正常與否，是否有電極脫或功能

11、正常的況。儀器確認完畢後取下各貼附的電極與感測器，同時填寫睡眠檢查晨間問卷 （附 B） 【勝義，民 93 】 。此問卷的填寫主要在輔助醫師或睡眠檢查技師在睡眠圖譜上的判，以受測者主觀認定的入睡時間與醒次和電腦判結果進比對，可解釋電腦判的結果。此外填寫入睡時間與睡眠時間的項目可在最後的統計上解釋同受測者在睡眠階段的時間長短差。 睡眠檢查完畢後將P-Series PS2的PCMCIA記憶卡中的原始睡眠檢查資儲存至分析電腦內，以睡眠分析軟體“W-Series Replay”進分析（包含睡眠程的分析與判）與標記，最後於判完睡眠階段後將其中包含的生項目（呼吸氣、胸腹呼吸動作、鼾聲、腿部活動、與睡姿感測）

12、資與睡眠階段進比對，期望建各睡眠階段睡眠外顯為特徵，據以建構以非察覺式生訊號判睡眠階段演算法。 3. 睡眠實驗資整睡眠實驗資整 睡眠實驗所蒐集資主要為呼吸訊號、身體活動資、及睡眠階段判資，其中身體活動次較少，本研究中以人工檢閱的方式在觀察左右腿的訊號變化後，計算腿部活動次。PSG 根據腦波每 30 秒輸出睡眠階段判資，本研究以每分鐘為時間單位，因此會出現一分鐘內有種同睡眠階段，本研究以先出現的睡眠階段為主。如一分鐘內含有清醒與其他睡眠階段，清醒的判常是因身體活動造成，因此出現此種情況時則判為清醒外的睡眠階段。最後每位受測者整晚取得的睡眠階段判資簡區分為清醒、NREM-淺眠(Stage I, I

13、I)、NREM-深眠(Stage III, IV)、及 REM四部分。 PSG 呼吸訊號取樣頻為 8Hz，輸出資包括呼吸氣及胸與腹部呼吸動作，可根據所需時間(epoch)範圍輸出整晚或部份的原始資 。 原始呼吸資中因含有訊號雜訊，故先以 16 點 overlap 的方式作平化，再以電腦程式計算每分鐘的呼吸頻平均值、標準差、與變係。 每分鐘呼吸頻計算概可分為種，第一種是於資片段內以每分鐘計呼吸次後輸出每分鐘呼吸頻。此種方式近似於人工檢閱結果，計算方式較簡單，但容因計算單位時間過短（如 1 分鐘）而有較大的計算誤差，且無法輸出該單位時間內呼吸頻的標準差。第二種方法則計算呼吸間的每次間隔時間並經換算

14、成呼吸頻，如此每次呼吸計算可得一個呼吸頻，最後求得每分鐘呼吸頻平均值輸出，亦可計算該分鐘內呼吸頻之標準差。 http:/grc.mech.yzu.edu.tw/ 6以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 本研究採用第二種計算概，撰寫程式找出呼吸訊號波峰與波峰的間隔時間秒（如圖 6） ，經計算後得到一個呼吸頻（次/每分鐘） ，最後如式(1)將 1分鐘內次的平均呼吸頻itiitf/60=f ，並可計算該分鐘內呼吸頻之標準差。呼吸訊號取樣頻為 8Hz，以程式計算出呼吸訊號波峰與波峰的資點個再除以 8 後即可求得間隔時間，確為 1/8 秒。 圖圖 6. 呼吸間單次間隔時間明圖呼吸間單次間隔時間明圖 平化後

15、的呼吸訊號雖可簡化程式的判，但仍然可能出現雜訊小波峰，導致計算出過大、明顯錯誤的呼吸頻。一般正常成人的呼吸頻為每分鐘 16 次，15-20歲的平均呼吸頻為每分鐘 20 次且青少時期呼吸頻較快，本研究保守設定程式的正常呼吸頻範圍為每分鐘 10 次至 20 次，高於或低於此呼吸頻範圍的值皆視為常況態，此常態通常自於身體活動造成的呼吸訊號波動。 如圖 7 明正常呼吸訊號的計算，從圖內 1 分鐘 14 個呼吸訊號當中可計算出 13個呼吸頻，可得 1 分鐘內的平均呼吸頻為 14.729 次，標準差為 1.118 次。圖 8 則明常呼吸訊號的計算，當 13 個呼吸頻中有因小訊號起伏造成的常值時，會經程式剔除後再計算每分鐘的平均呼吸頻為 14.299 次，標準差為 1.120 次。 http:/grc.mech.yzu.edu.tw/ 7以外顯為訊號判睡眠階段睡眠實驗設計 圖圖 7. 正常呼吸訊號每分鐘呼吸頻計算正常呼吸訊號每分鐘呼吸頻計算 圖圖 8. 常呼吸訊號每分鐘呼吸頻計算常呼吸訊號每分鐘呼吸頻計算 以此程式整 14 個受測者整晚睡眠資，包含有睡眠階段分布、呼