自然睡眠測量技術發展和信息挖掘

楊軍 俞夢孫 曹征濤

·基礎研究·

自然睡眠測量技術發展和信息挖掘

楊軍 俞夢孫 曹征濤

睡眠過程生理參數的連續測量是研究認識睡眠的客觀手段。自2003年起本課題組發明的自然睡眠監測技術開始在部隊和臨床推廣應用，本研究小組持續關注使用此技術產品在臨床和相關研究課題所獲得的睡眠數據，并探索其可能獲得的健康、疾病狀態信息，發展其功能，開拓其可能的應用領域。本文報告在此研究過程中的發現和體會，尤其對于睡眠過程長時間連續生理參數中的信息挖掘提出可行的路徑。

自然睡眠監測；睡眠參數；信息挖掘

本研究小組在俞夢孫院士的帶領下于2000年發明床墊式睡眠監測技術，于2003年研制成功的床墊式睡眠監測產品系統，作為醫學保障裝備應用于飛行員飛行前夜的睡眠監測。2004年開始應用于臨床睡眠呼吸障礙檢測以及體檢。該技術逐步實現了在自然睡眠的情況下連續測量生理參數、檢測睡眠結構、檢測睡眠呼吸障礙事件和體動事件等功能。

床墊式睡眠監測的設計以人為本，打破了傳統檢測參數分立測量的慣常思路，以簡潔的設計思路，可靠地獲得睡眠過程連續參數，再藉由深入挖掘、整合多參數信息得到。研究小組根據實際問題和需求繼續深入研究，在進一步評價整體健康狀態方面提出應用中醫理論解讀睡眠過程參數的新思路，并提出以睡眠參數評價應激狀態的技術路線，在高原軍事醫學和低氧訓練中應用睡眠參數評價低氧應激狀態和訓練效果，在不同的研究和應用領域，自然睡眠監測呈現出獨特的意義和價值。

睡眠是人整體身心狀態的獨特窗口。當我們獲得了仔細觀察它的可能性，我們會發現透過這個窗口，生命狀態展現出其它工具和手段難以描繪的圖景。本文概略報告2004年開始應用于軍事醫學保障和臨床醫學至今，本小組在發展自然睡眠監測技術，進而深入挖掘睡眠過程參數中的信息方面的進展。

1 數據

本研究的數據基礎為經人工校正的睡眠包括近10年來70余名飛行員千余例日常連續數據（宿舍床墊即為檢測床墊），以及來自臨床和研究課題的2 476人3 478例自然檢測睡眠數據。課題數據分別來自國家十一五科技支撐計劃、國家 973項目分題，以及國家自然科學基金和正在進行的國家十二五科技支撐計劃。課題研究相關所獲得數據大部分為1人至少測量2次以上，包括了調理前后對比數據［1］。

2 方法

臨床睡眠監測最常見用于睡眠呼吸事件檢測，其它用于嗜睡檢測等。雖然神經、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睡眠圖技術方法，一方面尚無明確評價標準，對于這類病患人群睡眠狀態雖然備受關注，但是客觀檢測并未普及。自然睡眠監測技術解決了上述問題第一方面，但要做到真正成為臨床判斷的參考，尚需研究。

本研究并未專門或者直接著眼于某種現行分類的疾病。在實現了自然睡眠基本參數測量之后，首先應用測量的數據來自于飛行部隊，這些數據的特點是“日常”，而不是在實驗室和專門醫療機構，同一個人的連續數日、數周甚至數月，由于熟悉，我們已經可以僅通過趨勢圖即辨別出是某個人的睡眠數據。睡眠參數顯然包含了個體獨特的印記—它不是偶然的。這一重要提示引導我們進入對于連續時間參數序列的觀察和深入研究。整晚參數趨勢圖是本研究關注的重要方面［2］。另一方面即是睡眠中的事件的深入分析和表達。此兩方面的研究和成果，是發展自然睡眠監測技術的基石。而在特定情況下的創新應用，如高原低氧環境下睡眠監測，則通過呼吸事件和睡眠參數等高原睡眠特征，獨辟蹊徑解決了高原習服狀態的量化評價問題。

3 自然睡眠監測技術發展和創新應用

3.1 整晚睡眠趨勢圖中的個體睡眠模式信息和狀態信息挖掘 顯然，發現事件是現代醫學檢測的常規思路，尤其建立事件與疾病之間的特異性關系。但我們實現基于基本生理參數的睡眠結構檢測，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，而是以個體的整晚連續參數為參考點。在趨勢圖及其動態的走向和形態中發現規律，發現其升降變化的幅度、斜率、持續的時間等，將睡眠做為一個過程來描述，關注過程，這是本研究一個重要著眼點。這一過程的長時間連續參數中蘊涵著個體整體狀態的信息，需要更多的研究和挖掘。自然睡眠監測記錄了心沖擊圖、完整的呼吸波、體動以及血氧（選配）等。測量計算的參數包括連續的心動周期、呼吸率等。本研究通過整晚連續心動周期和呼吸率、呼吸波形等參數實現了與多導睡眠圖相當的睡眠結構。但是，除了睡眠結構，睡眠過程中尚有更多的信息。

根據中醫理論，晝為陽，夜為陰。而陰中尚有陰，陰中亦有陽。本小組提出了以中醫的陰陽和經脈循行等理論解讀睡眠過程的假說。依此假說，在2 000例各類病患、亞健康和健康人睡眠數據中進行觀察比對，得到了基本驗證，并探索在健康狀態評估方面的應用。

在研究中，以“生長化收藏”的圓運動為人體生命基本運動，睡眠過程是一日之中斂藏的部分，同時也是次日陽氣生發的基礎。從這一角度去觀察睡眠過程的參數，去體察參數升降中的陰陽，當機體阻滯不通，升降化收藏不調，圓運動“不圓”，在睡眠過程中即表現出整個過程的參數變化以及睡眠結構均失去正常分布，而機體的正邪、虛實也能夠顯其端倪。300余例治療和健康調理前后的睡眠數據和主訴、體檢結果證實了這一辨識方法的有效性。陰陽離絕極端的情況，如睡眠過程參數表現為沒有顯示陽氣的任何變化波動、陰中無陽，即為陽絕，如見到肝癌晚期睡眠參數有此特征。本研究認為從此角度去認識人體健康狀態和動態變化，很有希望成為中醫辨證的客觀量化表達的補充。

3.2 挖掘和睡眠中的事件 自然睡眠監測技術憑借其天然優勢以簡潔巧妙的方式解決了睡眠呼吸測量問題，在簡化操作與粘縛裝置的同時，并未降低其可靠性。在設計中充分考慮到為了提取需要信息的必要環節，如高位數、高采樣頻率以獲得完整的呼吸波。這些設計保證了可靠檢測睡眠呼吸事件，在呼吸波分析的基礎上，結合心率、血氧、體動等多參數關聯分析，進而鑒別出中樞性、阻塞性等不同類型性質的呼吸事件［3］。

在高原睡眠研究過程中，進一步可靠檢測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；低氧還會導致體動事件、睡眠片斷，在高原型睡眠監測系統中均為此設計了體動事件的檢測量化。

3.3 事件的時間分布 就如心臟事件在凌晨常為高發，不同事件在睡眠中發生的時間蘊涵著信息。事件的時間分布值得深入研究，了解發生的實質，同時也指出治療和預防的方向。我們也認為從中醫陰陽、經脈、營衛的角度去認識，可能是看到實質的途徑。

3.4 多參數之間的關聯及其細微變化 我們目前主要關注的是睡眠中的心率、呼吸頻率和呼吸波、血氧值等參數。正常健康成人參數之間的關聯有一定的規律。對于偏離健康的人群，可能出現不同的關聯關系，可以表現在趨勢圖中，也可能表現在一個事件的短時間過程中。如正常人在快速眼動睡眠期心率和呼吸頻率會同時加快，當出現二者并不同步變化時，我們推測提示機體存在氣血的不平衡，或者心肺功能的不協調。再如一個呼吸暫停事件過程，通常的綜合參數變化表現包括血氧逐漸下降，心率減慢，再恢復呼吸時心率加快出現皮層下微覺醒，如果這一過程中心率幾乎未見變化，同樣提示機體協調功能不完善。

3.5 用睡眠來評價的個體應激狀態 應激是現代病、慢性病的主要原因。應激的強度、持續時間直接導致發病以及疾病復發。而各種的軍事訓練同樣都是應激反應，善用應激，能夠提升能力，應激過度，則損傷健康。俞夢孫院士提出睡眠參數是應激反應的泛函，各種不同類型的應激均可以用睡眠作為尺度，為科學訓練、預防疾病提供量化依據。

3.6 睡眠參數中的身心狀態 睡眠反應身心狀態也有其不可替代的作用。在臨床中見到大量主訴失眠、易醒或多夢的睡眠數據。我們的基本認識是身心一元。以抑郁癥為例，在一定的階段抑郁會明顯反映在凌晨1至3 時肝經時段的參數幅度明顯增大隆起且時間延長；而長時間服用鎮靜類藥物后睡眠參數會表現出變化明顯減小，實際是陰中之陽的陽氣不足了，或者說肝腎功能減弱了［4］。精神心理類的疾病如果從身心兩方面一起調治，能夠讓健康和平衡保持在一個較合適的水平。而睡眠參數作為評價參考，顯然是最合適的選擇。

4 討論

由于本研究小組的軍事醫學背景和應用經驗，我們認為睡眠監測之意義可能超越了現代醫學本身。睡眠過程的獨特性確定無疑，其對于人的狀態及其變化的評估的價值不可低估。

當醫學轉向以人為本，而不僅僅圍繞針對特定疾病指標和治療，當狀態檢測和辨識成為健康服務的的核心的時候，睡眠參數中的人體整體狀態信息將有可能為人們的健康提供全面的、有價值的提示，并成為中醫辨證的有利手段。

筆者也相信隨著材料、傳感器的快速發展，自然睡眠監測會更便利，睡眠監測會在醫學、醫學監督和健康服務中發揮更廣泛的作用。

［1］ 楊軍，俞夢孫. 多參數信息融合實現非腦電的睡眠結構分期[J]. 中國生物醫學工程學報，2006，25（3）：315-321.

［2］ 楊軍，俞夢孫，楊秀巖，等. 睡眠生理參數中醫解讀初探[J]. 國際生物醫學工程雜志，2013，36(2)：74-76.

［3］ 俞夢孫，楊軍. 睡眠呼吸課題組,微動敏感床墊睡眠監測系統檢測睡眠呼吸事件的原理與判斷規則[M].北京：人民軍醫出版社，2011.

［4］ 俞夢孫.一次人類健工程的實踐—高原健康工程[J]. 空軍醫學雜志，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

國家自然科學基金面上項目 81072895；國家科技支撐計劃2012BAI25B01

100036 北京，空軍航空醫學研究所

俞夢孫，E-mail：marrow@sina.com