自然睡眠測(cè)量技術(shù)發(fā)展和信息挖掘

楊軍 俞夢(mèng)孫 曹征濤

·基礎(chǔ)研究·

自然睡眠測(cè)量技術(shù)發(fā)展和信息挖掘

楊軍 俞夢(mèng)孫 曹征濤

睡眠過(guò)程生理參數(shù)的連續(xù)測(cè)量是研究認(rèn)識(shí)睡眠的客觀手段。自2003年起本課題組發(fā)明的自然睡眠監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始在部隊(duì)和臨床推廣應(yīng)用，本研究小組持續(xù)關(guān)注使用此技術(shù)產(chǎn)品在臨床和相關(guān)研究課題所獲得的睡眠數(shù)據(jù)，并探索其可能獲得的健康、疾病狀態(tài)信息，發(fā)展其功能，開(kāi)拓其可能的應(yīng)用領(lǐng)域。本文報(bào)告在此研究過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)和體會(huì)，尤其對(duì)于睡眠過(guò)程長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生理參數(shù)中的信息挖掘提出可行的路徑。

自然睡眠監(jiān)測(cè)；睡眠參數(shù)；信息挖掘

本研究小組在俞夢(mèng)孫院士的帶領(lǐng)下于2000年發(fā)明床墊式睡眠監(jiān)測(cè)技術(shù)，于2003年研制成功的床墊式睡眠監(jiān)測(cè)產(chǎn)品系統(tǒng)，作為醫(yī)學(xué)保障裝備應(yīng)用于飛行員飛行前夜的睡眠監(jiān)測(cè)。2004年開(kāi)始應(yīng)用于臨床睡眠呼吸障礙檢測(cè)以及體檢。該技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)了在自然睡眠的情況下連續(xù)測(cè)量生理參數(shù)、檢測(cè)睡眠結(jié)構(gòu)、檢測(cè)睡眠呼吸障礙事件和體動(dòng)事件等功能。

床墊式睡眠監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)以人為本，打破了傳統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)分立測(cè)量的慣常思路，以簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)思路，可靠地獲得睡眠過(guò)程連續(xù)參數(shù)，再藉由深入挖掘、整合多參數(shù)信息得到。研究小組根據(jù)實(shí)際問(wèn)題和需求繼續(xù)深入研究，在進(jìn)一步評(píng)價(jià)整體健康狀態(tài)方面提出應(yīng)用中醫(yī)理論解讀睡眠過(guò)程參數(shù)的新思路，并提出以睡眠參數(shù)評(píng)價(jià)應(yīng)激狀態(tài)的技術(shù)路線，在高原軍事醫(yī)學(xué)和低氧訓(xùn)練中應(yīng)用睡眠參數(shù)評(píng)價(jià)低氧應(yīng)激狀態(tài)和訓(xùn)練效果，在不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，自然睡眠監(jiān)測(cè)呈現(xiàn)出獨(dú)特的意義和價(jià)值。

睡眠是人整體身心狀態(tài)的獨(dú)特窗口。當(dāng)我們獲得了仔細(xì)觀察它的可能性，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)透過(guò)這個(gè)窗口，生命狀態(tài)展現(xiàn)出其它工具和手段難以描繪的圖景。本文概略報(bào)告2004年開(kāi)始應(yīng)用于軍事醫(yī)學(xué)保障和臨床醫(yī)學(xué)至今，本小組在發(fā)展自然睡眠監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)而深入挖掘睡眠過(guò)程參數(shù)中的信息方面的進(jìn)展。

1 數(shù)據(jù)

本研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為經(jīng)人工校正的睡眠包括近10年來(lái)70余名飛行員千余例日常連續(xù)數(shù)據(jù)（宿舍床墊即為檢測(cè)床墊），以及來(lái)自臨床和研究課題的2 476人3 478例自然檢測(cè)睡眠數(shù)據(jù)。課題數(shù)據(jù)分別來(lái)自國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃、國(guó)家 973項(xiàng)目分題，以及國(guó)家自然科學(xué)基金和正在進(jìn)行的國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃。課題研究相關(guān)所獲得數(shù)據(jù)大部分為1人至少測(cè)量2次以上，包括了調(diào)理前后對(duì)比數(shù)據(jù)［1］。

2 方法

臨床睡眠監(jiān)測(cè)最常見(jiàn)用于睡眠呼吸事件檢測(cè)，其它用于嗜睡檢測(cè)等。雖然神經(jīng)、精神、心理障礙病患多存在睡眠障礙，由于一方面難以耐受基于腦電圖等的多導(dǎo)睡眠圖技術(shù)方法，一方面尚無(wú)明確評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于這類(lèi)病患人群睡眠狀態(tài)雖然備受關(guān)注，但是客觀檢測(cè)并未普及。自然睡眠監(jiān)測(cè)技術(shù)解決了上述問(wèn)題第一方面，但要做到真正成為臨床判斷的參考，尚需研究。

本研究并未專(zhuān)門(mén)或者直接著眼于某種現(xiàn)行分類(lèi)的疾病。在實(shí)現(xiàn)了自然睡眠基本參數(shù)測(cè)量之后，首先應(yīng)用測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)自于飛行部隊(duì)，這些數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是“日?！?，而不是在實(shí)驗(yàn)室和專(zhuān)門(mén)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，同一個(gè)人的連續(xù)數(shù)日、數(shù)周甚至數(shù)月，由于熟悉，我們已經(jīng)可以僅通過(guò)趨勢(shì)圖即辨別出是某個(gè)人的睡眠數(shù)據(jù)。睡眠參數(shù)顯然包含了個(gè)體獨(dú)特的印記—它不是偶然的。這一重要提示引導(dǎo)我們進(jìn)入對(duì)于連續(xù)時(shí)間參數(shù)序列的觀察和深入研究。整晚參數(shù)趨勢(shì)圖是本研究關(guān)注的重要方面［2］。另一方面即是睡眠中的事件的深入分析和表達(dá)。此兩方面的研究和成果，是發(fā)展自然睡眠監(jiān)測(cè)技術(shù)的基石。而在特定情況下的創(chuàng)新應(yīng)用，如高原低氧環(huán)境下睡眠監(jiān)測(cè)，則通過(guò)呼吸事件和睡眠參數(shù)等高原睡眠特征，獨(dú)辟蹊徑解決了高原習(xí)服狀態(tài)的量化評(píng)價(jià)問(wèn)題。

3 自然睡眠監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 整晚睡眠趨勢(shì)圖中的個(gè)體睡眠模式信息和狀態(tài)信息挖掘 顯然，發(fā)現(xiàn)事件是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢測(cè)的常規(guī)思路，尤其建立事件與疾病之間的特異性關(guān)系。但我們實(shí)現(xiàn)基于基本生理參數(shù)的睡眠結(jié)構(gòu)檢測(cè)，其方法的根本并非基于特異性事件或者某一種特異性波形，而是以個(gè)體的整晚連續(xù)參數(shù)為參考點(diǎn)。在趨勢(shì)圖及其動(dòng)態(tài)的走向和形態(tài)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其升降變化的幅度、斜率、持續(xù)的時(shí)間等，將睡眠做為一個(gè)過(guò)程來(lái)描述，關(guān)注過(guò)程，這是本研究一個(gè)重要著眼點(diǎn)。這一過(guò)程的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)參數(shù)中蘊(yùn)涵著個(gè)體整體狀態(tài)的信息，需要更多的研究和挖掘。自然睡眠監(jiān)測(cè)記錄了心沖擊圖、完整的呼吸波、體動(dòng)以及血氧（選配）等。測(cè)量計(jì)算的參數(shù)包括連續(xù)的心動(dòng)周期、呼吸率等。本研究通過(guò)整晚連續(xù)心動(dòng)周期和呼吸率、呼吸波形等參數(shù)實(shí)現(xiàn)了與多導(dǎo)睡眠圖相當(dāng)?shù)乃呓Y(jié)構(gòu)。但是，除了睡眠結(jié)構(gòu)，睡眠過(guò)程中尚有更多的信息。

根據(jù)中醫(yī)理論，晝?yōu)殛?yáng)，夜為陰。而陰中尚有陰，陰中亦有陽(yáng)。本小組提出了以中醫(yī)的陰陽(yáng)和經(jīng)脈循行等理論解讀睡眠過(guò)程的假說(shuō)。依此假說(shuō)，在2 000例各類(lèi)病患、亞健康和健康人睡眠數(shù)據(jù)中進(jìn)行觀察比對(duì)，得到了基本驗(yàn)證，并探索在健康狀態(tài)評(píng)估方面的應(yīng)用。

在研究中，以“生長(zhǎng)化收藏”的圓運(yùn)動(dòng)為人體生命基本運(yùn)動(dòng)，睡眠過(guò)程是一日之中斂藏的部分，同時(shí)也是次日陽(yáng)氣生發(fā)的基礎(chǔ)。從這一角度去觀察睡眠過(guò)程的參數(shù)，去體察參數(shù)升降中的陰陽(yáng)，當(dāng)機(jī)體阻滯不通，升降化收藏不調(diào)，圓運(yùn)動(dòng)“不圓”，在睡眠過(guò)程中即表現(xiàn)出整個(gè)過(guò)程的參數(shù)變化以及睡眠結(jié)構(gòu)均失去正常分布，而機(jī)體的正邪、虛實(shí)也能夠顯其端倪。300余例治療和健康調(diào)理前后的睡眠數(shù)據(jù)和主訴、體檢結(jié)果證實(shí)了這一辨識(shí)方法的有效性。陰陽(yáng)離絕極端的情況，如睡眠過(guò)程參數(shù)表現(xiàn)為沒(méi)有顯示陽(yáng)氣的任何變化波動(dòng)、陰中無(wú)陽(yáng)，即為陽(yáng)絕，如見(jiàn)到肝癌晚期睡眠參數(shù)有此特征。本研究認(rèn)為從此角度去認(rèn)識(shí)人體健康狀態(tài)和動(dòng)態(tài)變化，很有希望成為中醫(yī)辨證的客觀量化表達(dá)的補(bǔ)充。

3.2 挖掘和睡眠中的事件 自然睡眠監(jiān)測(cè)技術(shù)憑借其天然優(yōu)勢(shì)以簡(jiǎn)潔巧妙的方式解決了睡眠呼吸測(cè)量問(wèn)題，在簡(jiǎn)化操作與粘縛裝置的同時(shí)，并未降低其可靠性。在設(shè)計(jì)中充分考慮到為了提取需要信息的必要環(huán)節(jié)，如高位數(shù)、高采樣頻率以獲得完整的呼吸波。這些設(shè)計(jì)保證了可靠檢測(cè)睡眠呼吸事件，在呼吸波分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合心率、血氧、體動(dòng)等多參數(shù)關(guān)聯(lián)分析，進(jìn)而鑒別出中樞性、阻塞性等不同類(lèi)型性質(zhì)的呼吸事件［3］。

在高原睡眠研究過(guò)程中，進(jìn)一步可靠檢測(cè)出低氧引起的中樞性的高原型睡眠呼吸事件，如周期性呼吸等；低氧還會(huì)導(dǎo)致體動(dòng)事件、睡眠片斷，在高原型睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中均為此設(shè)計(jì)了體動(dòng)事件的檢測(cè)量化。

3.3 事件的時(shí)間分布 就如心臟事件在凌晨常為高發(fā)，不同事件在睡眠中發(fā)生的時(shí)間蘊(yùn)涵著信息。事件的時(shí)間分布值得深入研究，了解發(fā)生的實(shí)質(zhì)，同時(shí)也指出治療和預(yù)防的方向。我們也認(rèn)為從中醫(yī)陰陽(yáng)、經(jīng)脈、營(yíng)衛(wèi)的角度去認(rèn)識(shí)，可能是看到實(shí)質(zhì)的途徑。

3.4 多參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)及其細(xì)微變化 我們目前主要關(guān)注的是睡眠中的心率、呼吸頻率和呼吸波、血氧值等參數(shù)。正常健康成人參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)有一定的規(guī)律。對(duì)于偏離健康的人群，可能出現(xiàn)不同的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以表現(xiàn)在趨勢(shì)圖中，也可能表現(xiàn)在一個(gè)事件的短時(shí)間過(guò)程中。如正常人在快速眼動(dòng)睡眠期心率和呼吸頻率會(huì)同時(shí)加快，當(dāng)出現(xiàn)二者并不同步變化時(shí)，我們推測(cè)提示機(jī)體存在氣血的不平衡，或者心肺功能的不協(xié)調(diào)。再如一個(gè)呼吸暫停事件過(guò)程，通常的綜合參數(shù)變化表現(xiàn)包括血氧逐漸下降，心率減慢，再恢復(fù)呼吸時(shí)心率加快出現(xiàn)皮層下微覺(jué)醒，如果這一過(guò)程中心率幾乎未見(jiàn)變化，同樣提示機(jī)體協(xié)調(diào)功能不完善。

3.5 用睡眠來(lái)評(píng)價(jià)的個(gè)體應(yīng)激狀態(tài) 應(yīng)激是現(xiàn)代病、慢性病的主要原因。應(yīng)激的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間直接導(dǎo)致發(fā)病以及疾病復(fù)發(fā)。而各種的軍事訓(xùn)練同樣都是應(yīng)激反應(yīng)，善用應(yīng)激，能夠提升能力，應(yīng)激過(guò)度，則損傷健康。俞夢(mèng)孫院士提出睡眠參數(shù)是應(yīng)激反應(yīng)的泛函，各種不同類(lèi)型的應(yīng)激均可以用睡眠作為尺度，為科學(xué)訓(xùn)練、預(yù)防疾病提供量化依據(jù)。

3.6 睡眠參數(shù)中的身心狀態(tài) 睡眠反應(yīng)身心狀態(tài)也有其不可替代的作用。在臨床中見(jiàn)到大量主訴失眠、易醒或多夢(mèng)的睡眠數(shù)據(jù)。我們的基本認(rèn)識(shí)是身心一元。以抑郁癥為例，在一定的階段抑郁會(huì)明顯反映在凌晨1至3 時(shí)肝經(jīng)時(shí)段的參數(shù)幅度明顯增大隆起且時(shí)間延長(zhǎng)；而長(zhǎng)時(shí)間服用鎮(zhèn)靜類(lèi)藥物后睡眠參數(shù)會(huì)表現(xiàn)出變化明顯減小，實(shí)際是陰中之陽(yáng)的陽(yáng)氣不足了，或者說(shuō)肝腎功能減弱了［4］。精神心理類(lèi)的疾病如果從身心兩方面一起調(diào)治，能夠讓健康和平衡保持在一個(gè)較合適的水平。而睡眠參數(shù)作為評(píng)價(jià)參考，顯然是最合適的選擇。

4 討論

由于本研究小組的軍事醫(yī)學(xué)背景和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為睡眠監(jiān)測(cè)之意義可能超越了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)本身。睡眠過(guò)程的獨(dú)特性確定無(wú)疑，其對(duì)于人的狀態(tài)及其變化的評(píng)估的價(jià)值不可低估。

當(dāng)醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)向以人為本，而不僅僅圍繞針對(duì)特定疾病指標(biāo)和治療，當(dāng)狀態(tài)檢測(cè)和辨識(shí)成為健康服務(wù)的的核心的時(shí)候，睡眠參數(shù)中的人體整體狀態(tài)信息將有可能為人們的健康提供全面的、有價(jià)值的提示，并成為中醫(yī)辨證的有利手段。

筆者也相信隨著材料、傳感器的快速發(fā)展，自然睡眠監(jiān)測(cè)會(huì)更便利，睡眠監(jiān)測(cè)會(huì)在醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)監(jiān)督和健康服務(wù)中發(fā)揮更廣泛的作用。

［1］ 楊軍，俞夢(mèng)孫. 多參數(shù)信息融合實(shí)現(xiàn)非腦電的睡眠結(jié)構(gòu)分期[J]. 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2006，25（3）：315-321.

［2］ 楊軍，俞夢(mèng)孫，楊秀巖，等. 睡眠生理參數(shù)中醫(yī)解讀初探[J]. 國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志，2013，36(2)：74-76.

［3］ 俞夢(mèng)孫，楊軍. 睡眠呼吸課題組,微動(dòng)敏感床墊睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)睡眠呼吸事件的原理與判斷規(guī)則[M].北京：人民軍醫(yī)出版社，2011.

［4］ 俞夢(mèng)孫.一次人類(lèi)健工程的實(shí)踐—高原健康工程[J]. 空軍醫(yī)學(xué)雜志，2013（1）：92-96.

Development of Natural Sleep Monitoring Technique and Data Mining

Yang Jun*, Yu Mengsun, Cao Zhengtao.*Aeromedicine Institute of P.L.A, Beijing 100036 China

Yang Jun，Email：marrow@sina.com

Continuously measuring sleep parameter is an objective way to understand human sleep course. The natural sleep monitoring technique which invented by our team has been applied in the army and clinic. The paper reports on what author had found from theresearchof natural sleep monitoring technique.Diverse applications of sleep measuring were discussed In open vision.

Natural sleep monitoring technique；Sleep parameter；Data mining

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目 81072895；國(guó)家科技支撐計(jì)劃2012BAI25B01

100036 北京，空軍航空醫(yī)學(xué)研究所

俞夢(mèng)孫，E-mail：marrow@sina.com