基于主成分分析的不受睡眠姿勢影響的呼吸容積動態(tài)監(jiān)測方法

周廣敏，劉官正（通信作者）

1 中國科學(xué)院大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院（浙江省腫瘤醫(yī)院）·中國科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與腫瘤研究所 （浙江杭州 310022）；2 中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院·廣東省傳感技術(shù)與生物醫(yī)療儀器重點實驗室（廣東廣州 510275）

睡眠問題大多與呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)，如睡眠呼吸暫停綜合征等[1-3]。呼吸容積的精確監(jiān)測對呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)睡眠障礙的早預(yù)防、早診斷和早治療具有重要作用。呼吸氣流計是一種非侵入性的直接測量肺部氣流的設(shè)備，其結(jié)果是呼吸監(jiān)測的金標(biāo)準(zhǔn)，但長時間監(jiān)測會對受試者造成不適感[4]。胸腹表面呼吸運動的測量也可用來評估呼吸容積的變化，但呼吸感應(yīng)體積描記術(shù)需使用呼吸綁帶來檢測胸部和腹部的呼吸信號，綁帶在睡眠過程中較易發(fā)生滑動，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。目前，阻抗（impedance，IP）技術(shù)是一種較為流行的呼吸容積監(jiān)測方法，具有易于使用、安全、成本低、靈敏度高、信息豐富及便于長期無創(chuàng)監(jiān)測等優(yōu)點[6]。胸腔呼吸IP 是一種十分方便且精確的呼吸容積測量方法，從20世紀(jì)中葉以來一直被許多研究者廣泛研究和改進[7]。Yasuda 等[8]測量受試者在仰臥時的胸腔呼吸IP 時，通過使用一種基于自適應(yīng)濾波器的按比例縮小的傅里葉線性組合器來移除心電信號的干擾，從而提高了受試者在仰臥時的呼吸容積測量精確度。Poupard 等[9]測量受試者的胸腔呼吸IP 時，通過使用樣條濾波的方法來減少心臟運動偽影對IP 的干擾，從而提高了在某一姿勢（仰臥、左側(cè)臥或右側(cè)臥）時呼吸容積測量的精確度。Sepp? 等[10]通過尋找最適宜的胸部電極貼放位置來提高呼吸容積測量的精確度，他們分別測量了5個單通道在站立、仰臥和右側(cè)臥位下的呼吸IP。以上研究僅關(guān)注了不同姿勢對呼吸容積信號監(jiān)測的影響，卻未涉及姿勢變換對監(jiān)測的影響。

睡眠姿勢是睡眠過程中的自然行為，在連續(xù)睡眠監(jiān)測中，睡眠姿勢的變換會影響睡眠呼吸容積監(jiān)測的準(zhǔn)確度，但關(guān)于如何減少睡眠姿勢變換對監(jiān)測結(jié)果的影響的研究較少見。為最大限度減少姿勢變換對監(jiān)測結(jié)果的影響，本研究通過實時采集人體左肺和右肺的呼吸IP，并使用基于主成分分析（principal component analysis，PCA）的數(shù)據(jù)融合算法來提高睡眠呼吸容積監(jiān)測的精確度，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究使用了在2014年6月募集的10名健康男性大學(xué)生志愿者的數(shù)據(jù)，平均年齡（23±2）歲，平均身高（175±7 ）cm，平均腰圍（80±3） cm。受試者身體狀況均良好，均不存在咳嗽、氣喘或其他肺部疾病，且均已簽署知情同意書，未獲得任何報酬或從研究中得到其他好處。

1.2 儀器與方法

使用多導(dǎo)生理信號記錄儀（MP150，BIOPAC，USA）進行測量。激勵源的參數(shù)設(shè)置：刺激電流強度400 μA，刺激頻率50 kHz，刺激波形為正弦波，均符合人體安全要求[11]。生物阻抗放大器模塊用來采集呼吸IP[12]。呼吸氣流計用來采集呼吸流速（pneumotachograph，PNT）信號。

使用四極法測量IP[13-17]。以胸骨中線（median sternum，MS）、腋中線（midline axillary，MA）和乳頭連成的水平線（horizontal line of nipples，HLN）為標(biāo)志來貼放電極，且激勵電極以I 表示，測量電極以V 表示。測量左肺阻抗（left lung impedance，IPL）信號時，將正極 I1+和 V1+分別固定于左側(cè)腋中線（left midline axillary，LMA）與 HLN 交點處的上端和下端；將負(fù)極I1-和V1-分別固定于MS 的左側(cè)與HLN 交點處的上端和下端。測量右肺阻抗（right lung impedance，IPR）信號時，將正極I2+和V2+分別固定于MS的右側(cè)與HLN 交點處的上端和下端；將負(fù)極I2-和V2-分別固定于右側(cè)腋中線（right midline axillary，RMA）與 HLN交點處的上端和下端。測量胸腔阻抗（thorax impedance，IPTH）信號時，將I1+和V1+分別固定于LMA 與HLN 交點處的上端和下端；將I2-和V2-分別固定于RMA 與HLN 交點處的上端和下端。具體電極貼放位置見圖1。

圖1 電極貼放位置

模擬安靜睡眠時3種標(biāo)準(zhǔn)睡眠姿勢的變換，依次測量受試者在仰臥、左側(cè)臥和右側(cè)臥位下的胸腔、左肺和右肺的呼吸IP 及PNT，每種睡眠姿勢的測量時間為5 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

數(shù)據(jù)處理和分析過程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理和分析

1.3.1 數(shù)據(jù)處理

為便于后期的數(shù)據(jù)處理，同時保證信號不失真，采用BIOPAC的Acqknowledge 4.2軟件的降采樣功能將采集到的PNT、IPTH、IPL和IPR的采樣率降為7.812 Hz，隨后使用截止頻率為0.05～0.50 Hz的巴特沃斯帶通濾波器對數(shù)據(jù)作濾波處理[10]，再通過z-score方法對數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理[18]。通過阻抗技術(shù)獲得的胸腔、左肺和右肺本身就是容積信號，分別表示為胸腔呼吸阻抗容積（respiration impedance-volume of the thorax，VIPTH）信號、左肺呼吸阻抗容積（respiration impedance-volume of the left lung，VIPL）信號、右肺呼吸阻抗容積（respiration impedance-volume of the right lung，VIPR）信號，然后通過運用積分運算將PNT信號轉(zhuǎn)換為金標(biāo)準(zhǔn)呼吸容積（respiration volume，VPNT）信號。

因睡眠姿勢變換在睡眠過程中具有不可控制性，為減少睡眠姿勢變換對呼吸容積監(jiān)測的影響，本研究提出了一種基于PCA 的數(shù)據(jù)融合方法[19-20]，通過融合左肺和右肺兩通道的數(shù)據(jù)，來獲得魯棒性的呼吸信號，即左右肺融合的呼吸阻抗容積（respiration impedance-volume of the fused left and right lung, VIPLR）信號。

2 結(jié)果

2.1 當(dāng)睡眠姿勢不變時使用單通道阻抗測量

當(dāng)睡眠姿勢不變時，3種睡眠姿勢的各通道信號與VPNT 的r 及各通道信號分別在不同姿勢下與VPNT 的r 見圖3。圖3（a）是3種睡眠姿勢的各通道（VIPTH、VIPL、VIPR） 與 VPNT 的 r 的 均 值， 從 中 可 看 出 VIPTH、VIPL、VIPR與 VPNT 的 r 的均值分別為0.9528、0.8935、0.8906，VIPTH最高，VIPL與 VIPR接近。圖3（b）是 VIPTH在不同姿勢下與VPNT 的r，從中可看出，VIPTH在仰臥、左側(cè)臥和右側(cè)臥時與VPNT 的r 均達到了0.95，且在仰臥時的標(biāo)準(zhǔn)偏差稍大于側(cè)臥。圖3（c）是VIPL在不同姿勢下與VPNT的r，從中可看出，VIPL與VPNT 的相關(guān)性在左側(cè)臥時最高，其r 是0.9706，且標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，但在右側(cè)臥時相關(guān)性最低，其r 僅為0.7462，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。圖3（d）是VIPR在不同姿勢下與VPNT 的r，從中可看出，VIPR與VPNT 的相關(guān)性在右側(cè)臥時最高，其r 是0.9574，且標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，但在左側(cè)臥時相關(guān)性最低，其r 僅為0.7787，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。以上結(jié)果表明，當(dāng)睡眠姿勢不變時，VIPTH受睡眠姿勢的影響較小，獲得的信號最好；VIPL在左側(cè)臥時最好，在右側(cè)臥時最差；VIPR在右側(cè)臥時最好，在左側(cè)臥時最差；單通道VIPL和VIPR受睡眠姿勢的影響較大，且在不同睡眠姿勢下VIPL和VIPR具有互補的作用。

圖3 當(dāng)睡眠姿勢不變時，3 種睡眠姿勢的各通道信號與VPNT 的r 及各通道信號分別在不同姿勢下與VPNT 的r

2.2 當(dāng)睡眠姿勢變換時使用雙通道阻抗測量

當(dāng)睡眠姿勢變換時，各通道（VIPTH、VIPL、VIPR）及VIPLR與VPNT的r見圖4。由圖可知，當(dāng)睡眠姿勢發(fā)生變換時，VIPTH與VPNT的r是0.9155；VIPL、VIPR與VPNT的r均較低，但通過PCA方法獲得的VIPLR與VPNT的r高達0.9501，且標(biāo)準(zhǔn)偏差最小。VIPLR與VPNT的相關(guān)性和VIPTH與VPNT的相關(guān)性有顯著差異（P＜0.05），和VIPL與VPNT的相關(guān)性及VIPR與VPNT的相關(guān)性有極顯著差異（P＜0.01）。

以上結(jié)果表明，當(dāng)睡眠姿勢發(fā)生變換時，VIPTH與VPNT 的 r 從0.9528（圖3a）降低到0.9155（圖4），表明VIPTH受睡眠姿勢變換的影響較大；此外，VIPL、VIPR受睡眠姿勢變換的影響也較大；與單通道 VIPTH比較，通過PCA方法獲得的VIPLR（雙通道）與VPNT 具有最好的一致性，r 從0.9155提高到0.9501（圖4）。

圖4 當(dāng)睡眠姿勢變換時，各通道信號與VPNT 的r

當(dāng)睡眠姿勢變換時，各通道（VIPTH、VIPL、VIPR）及VIPLR與VPNT 的MAE 見圖5。由圖可知，當(dāng)睡眠姿勢發(fā)生變換時，通過PCA 方法獲得的VIPLR與VPNT 的MAELR值最小，為39 ml，且標(biāo)準(zhǔn)偏差也最小；VIPTH與 VPNT 的MAETH的值為52 ml，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大；VIPL與 VPNT 的MAEL值為89 ml，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大；VIPR與 VPNT 的 MAER值為81 ml，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。而且，VIPLR與 VPNT 的MAELR和 VIPL與 VPNT 的 MAEL、VIPR與 VPNT 的 MAER有極顯著差異（P＜0.01）；VIPLR與 VPNT 的 MAELR和 VIPTH與VPNT 的MAETH比較有顯著差異（P＜0.05）。以上結(jié)果表明，當(dāng)睡眠姿勢發(fā)生變換時，與VIPTH（單通道）比較，VIPLR（雙通道）與VPNT 的絕對誤差下降了25%，表明VIPLR與VPNT 的實時誤差性最小。

圖5 當(dāng)睡眠姿勢變換時，各通道信號與VPNT 的MAE

3 討論

在阻抗法測量呼吸容積的相關(guān)研究中，本研究關(guān)注并提出了一個新的主題，即分析和最大限度降低睡眠姿勢變換對睡眠呼吸容積評估的影響。Yasuda 等[8]僅測量了在仰臥位時的VIPTH，測量時間也僅有100 s，得到在仰臥時的r 為0.865。Poupard 等[9]測量在仰臥、左側(cè)臥和右側(cè)臥位下的VIPTH，每個姿勢的測量時間為3 min，得出3種姿勢的平均r 為0.813。Sepp? 等[10]測量了在站立、仰臥和右側(cè)臥位下的5個單通道VIPTH，每個姿勢的測量時間僅有25 s，得到3種姿勢的平均r 為0.943。以上這些研究都未涉及姿勢變換，且使用的均為單通道阻抗測量方法。

本研究運用基于PCA 的數(shù)據(jù)融合方法從采集到的VIPL和VIPR中獲取VIPLR，結(jié)果顯示，與經(jīng)典的單通道VIPTH比較，VIPLR與VPNT 的 r 提高到了0.9501，MAE 下降了25%，表明基于PCA 的睡眠呼吸容積評估方法是一種可信度較高的睡眠呼吸容積評估新方法，能夠最大限度地克服睡眠姿勢對測定結(jié)果的影響。

但是本研究仍存在不足之處，需在今后的研究中予以改進，如在未來的研究中應(yīng)加入女性及不同年齡段的受試者，從而使研究結(jié)果更具說服力，同時進行整夜的監(jiān)測試驗來進一步驗證方法的準(zhǔn)確性，并且可增加自動睡姿識別試驗，以便于臨床應(yīng)用。