孙民贵

(美国匹茨堡大学神经外科、神经生物工程和电子工程学)



睡眠生物工程学

家用电子感应技术在睡眠和生活方式评价中的应用

Home Electronic Induction Technology in Sleep and Lifestyle Evaluation

孙民贵

(美国匹茨堡大学神经外科、神经生物工程和电子工程学)

关键词电子感应技术；睡眠；生活方式

近年来随着新技术的发展，众多穿戴式和非穿戴式的电子器件、新技术相继投入市场，用于记录、评估白天和夜间的相关事件。这些技术为睡眠研究提供了新的选择和思路。对睡眠疾病的患者来说，除药物和仪器之外，某些新技术的出现为治疗方案提供了新的选择。这些技术中有的主要用于白天，有的用于夜间，还有一些能起到改善睡眠的作用。

提到穿戴设备，我们首先会想到腕表和手环，其实此类设备还有很多，如电子眼镜、运动鞋(可记录活动情况)、帽子(摄像和运动监测)，衣服(记录呼吸和心率)、项链、袜子(监测走路情况)、指环(记录心率和血氧)等。

我们实验室设计制作了eButton，即电子胸章。将其佩戴于胸前，可以用于评价生活方式和生活中的特殊事件。胸章中配置了1～2个摄像头、GPS、三轴加速、光照感应器、磁力计、气压计和高度。佩戴后能后监测饮食结构、记录进食时间、便于计算热量和营养组成；获得每天的活动路线、活动规律等；睡眠方面除了分析醒和睡之外，可以获得安静睡眠和睡眠中的活动情况；运动方面能以图表形式反映静坐、轻度活动、中重度活动；还能够测监测某些生理参数，如心率和呼吸。

电子胸章由于配置了摄像头，可能会涉及隐私方面担忧，为此我们实验室特别设计了电子腰带扣。此设备尤其适用于老年男性，传感器元件与电子胸章基本一致，仅移除了摄像头。具有方便佩戴、不易遗忘、无不适感、不涉及隐私保护的优点。

电子胸章和电子腰带扣这类设备可以帮助人们更加合理、科学地进行生活方式管理，尤其是饮食和运动方面，便于将相关信息转换为可视化、量化、可回顾的数据。这些特点与当前倡导的精确医疗的要求不谋而合。

与睡眠相关的电子感应技术

1)便携式睡眠呼吸监测。减少了繁琐的脑电电极，针对睡眠呼吸暂停，监测呼吸气流、胸腹带和血氧等主要参数。

2)前额单通道EEG监测(Zeo Sleep Monitor)。一款可直接监测脑电的穿戴式设备。使用了含导电聚合物的纺织电极和三轴加速度传感器，可以获得前额部的脑电信号和睡眠活动情况。与脑电电极相比，佩戴舒适性大为改善，可以实现在家中监测睡眠的目的。

3)智能床垫。由我国俞梦孙教授设计研发，采用压电晶体传感器和PVDF材料制成。可监测睡眠期间的呼吸、心率、身体活动等参数。

4)智能枕头。床垫造价较高，不便于携带，随着新技术的发展，出现了智能枕头(smart pillow)。智能枕头由2组部件组成。一个是外形类似于纽扣或药片的元件，置于枕头上；另一个是置于床头的扬声装置，可以播放音乐、广播等。纽扣形的传感器可感知测试者是否进入睡眠状态，随着由醒入睡的过程，音乐播放可自行停止。该设备外形美观，也可作为卧室内的装饰品。

5)床脚垫即垫在床脚下设备。可获得心率和呼吸数据。优点为自动运行、便于携带、无线传输、操作简便。还能根据重量变化评估睡眠姿势、自动测量体重。

6)防紫外线智能手环专为女性设计的一款感光设备。外形类似于一款水晶宝石，配有腕带，时尚美观。能够监测紫外线水平，防止皮肤老化和晒伤。此外，光照对人类昼夜节律有着重要的调节作用。通过评估光暴露的程度，有助于保生物钟的保持和调节。

7)智能床单和智能床。智能床单由三层特殊的布料制成，含有半导体纺织材料，面料轻薄柔软，可以图像的形式反馈压力、睡姿等信息。智能床由许多含有压缩空气的小气囊组成。每个气囊独立接受电子控制，根据压力变化调节位置高低，可分散压力，找到最舒服的姿势，甚至可以自动翻身。

8)智能床头灯该设备能够随着入睡逐渐关闭灯光，清晨时以适当的光照强度自动开启，帮助人们得以舒适地醒来。

9)智能手表。含有运动传感器的手表。除评估夜间睡眠质量外，还可以在设定时间范围内，选择舒适的时间点将使用者叫醒。

10)电子止鼾枕。内部含有鼾声传感器。感应到鼾声时，枕头可自动调整头部位置，直到鼾声减小或消失时，并保持该位置。

11)绿光眼镜。该眼镜可释放特定波长的光照，用以调整生物钟。光照能够影响测褪黑素水平和调节昼夜节律。该产品多用于调整时差、昼夜节律障碍，特别适用于倒班工作者。

从历史来看，睡眠医学的发展离不开工程学的进展。多导睡眠监测(PSG)和持续气道正压通气(CPAP)都是当时的新技术。由此可见，新的家用、无线、低成本的器件前景广阔，某些产品有甚至可能成为现有镇静安眠药的一个补充。然而，目前的新技术也存在一定问题。例如，穿戴式设备主要面向消费者，生产者主要以商业性为目的，产品仅作为家用，并不是诊断工具。而临床工作者多习惯使用公认的PSG评价睡眠，这与产品设计工程师对新器件的关注点完全不同。因此，这些新技术对睡眠的评估是否准确，对睡眠质量有无帮助等问题尚缺乏足够的临床评价。今后如何对不同器件、不同物理量进行合理的临床测试和技术改进，有赖于工程师、医生和厂商的沟通和协作。相信通过三方力量的共同努力，家用电子感应技术必将为睡眠医学发展和生活方式管理方面提供更多的帮助和选择。

(段莹整理)

作者简介：孙民贵，男，美国匹茨堡大学神经外科、神经生物工程和电子工程学教授，国家千人计划高级研究学者，研究方向：包括生物电子学，生物信号和图像处理、电生理、神经工程、医用无线电、可穿戴电子系统在生物医学方面的应用

中图分类号：256.23;R338.63

文献标识码：A

文章编号：2095-7130(2016)02-101-102

Bioengineering and Sleep Medicine