孫民貴
(美國匹茨堡大學(xué)神經(jīng)外科、神經(jīng)生物工程和電子工程學(xué))
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睡眠生物工程學(xué)
家用電子感應(yīng)技術(shù)在睡眠和生活方式評價(jià)中的應(yīng)用
Home Electronic Induction Technology in Sleep and Lifestyle Evaluation
孫民貴
(美國匹茨堡大學(xué)神經(jīng)外科、神經(jīng)生物工程和電子工程學(xué))
關(guān)鍵詞電子感應(yīng)技術(shù);睡眠;生活方式
近年來隨著新技術(shù)的發(fā)展,眾多穿戴式和非穿戴式的電子器件、新技術(shù)相繼投入市場,用于記錄、評估白天和夜間的相關(guān)事件。這些技術(shù)為睡眠研究提供了新的選擇和思路。對睡眠疾病的患者來說,除藥物和儀器之外,某些新技術(shù)的出現(xiàn)為治療方案提供了新的選擇。這些技術(shù)中有的主要用于白天,有的用于夜間,還有一些能起到改善睡眠的作用。
提到穿戴設(shè)備,我們首先會想到腕表和手環(huán),其實(shí)此類設(shè)備還有很多,如電子眼鏡、運(yùn)動鞋(可記錄活動情況)、帽子(攝像和運(yùn)動監(jiān)測),衣服(記錄呼吸和心率)、項(xiàng)鏈、襪子(監(jiān)測走路情況)、指環(huán)(記錄心率和血氧)等。
我們實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制作了eButton,即電子胸章。將其佩戴于胸前,可以用于評價(jià)生活方式和生活中的特殊事件。胸章中配置了1~2個(gè)攝像頭、GPS、三軸加速、光照感應(yīng)器、磁力計(jì)、氣壓計(jì)和高度。佩戴后能后監(jiān)測飲食結(jié)構(gòu)、記錄進(jìn)食時(shí)間、便于計(jì)算熱量和營養(yǎng)組成;獲得每天的活動路線、活動規(guī)律等;睡眠方面除了分析醒和睡之外,可以獲得安靜睡眠和睡眠中的活動情況;運(yùn)動方面能以圖表形式反映靜坐、輕度活動、中重度活動;還能夠測監(jiān)測某些生理參數(shù),如心率和呼吸。
電子胸章由于配置了攝像頭,可能會涉及隱私方面擔(dān)憂,為此我們實(shí)驗(yàn)室特別設(shè)計(jì)了電子腰帶扣。此設(shè)備尤其適用于老年男性,傳感器元件與電子胸章基本一致,僅移除了攝像頭。具有方便佩戴、不易遺忘、無不適感、不涉及隱私保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。
電子胸章和電子腰帶扣這類設(shè)備可以幫助人們更加合理、科學(xué)地進(jìn)行生活方式管理,尤其是飲食和運(yùn)動方面,便于將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為可視化、量化、可回顧的數(shù)據(jù)。這些特點(diǎn)與當(dāng)前倡導(dǎo)的精確醫(yī)療的要求不謀而合。
與睡眠相關(guān)的電子感應(yīng)技術(shù)
1)便攜式睡眠呼吸監(jiān)測。減少了繁瑣的腦電電極,針對睡眠呼吸暫停,監(jiān)測呼吸氣流、胸腹帶和血氧等主要參數(shù)。
2)前額單通道EEG監(jiān)測(Zeo Sleep Monitor)。一款可直接監(jiān)測腦電的穿戴式設(shè)備。使用了含導(dǎo)電聚合物的紡織電極和三軸加速度傳感器,可以獲得前額部的腦電信號和睡眠活動情況。與腦電電極相比,佩戴舒適性大為改善,可以實(shí)現(xiàn)在家中監(jiān)測睡眠的目的。
3)智能床墊。由我國俞夢孫教授設(shè)計(jì)研發(fā),采用壓電晶體傳感器和PVDF材料制成??杀O(jiān)測睡眠期間的呼吸、心率、身體活動等參數(shù)。
4)智能枕頭。床墊造價(jià)較高,不便于攜帶,隨著新技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了智能枕頭(smart pillow)。智能枕頭由2組部件組成。一個(gè)是外形類似于紐扣或藥片的元件,置于枕頭上;另一個(gè)是置于床頭的揚(yáng)聲裝置,可以播放音樂、廣播等。紐扣形的傳感器可感知測試者是否進(jìn)入睡眠狀態(tài),隨著由醒入睡的過程,音樂播放可自行停止。該設(shè)備外形美觀,也可作為臥室內(nèi)的裝飾品。
5)床腳墊即墊在床腳下設(shè)備??色@得心率和呼吸數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)為自動運(yùn)行、便于攜帶、無線傳輸、操作簡便。還能根據(jù)重量變化評估睡眠姿勢、自動測量體重。
6)防紫外線智能手環(huán)專為女性設(shè)計(jì)的一款感光設(shè)備。外形類似于一款水晶寶石,配有腕帶,時(shí)尚美觀。能夠監(jiān)測紫外線水平,防止皮膚老化和曬傷。此外,光照對人類晝夜節(jié)律有著重要的調(diào)節(jié)作用。通過評估光暴露的程度,有助于保生物鐘的保持和調(diào)節(jié)。
7)智能床單和智能床。智能床單由三層特殊的布料制成,含有半導(dǎo)體紡織材料,面料輕薄柔軟,可以圖像的形式反饋壓力、睡姿等信息。智能床由許多含有壓縮空氣的小氣囊組成。每個(gè)氣囊獨(dú)立接受電子控制,根據(jù)壓力變化調(diào)節(jié)位置高低,可分散壓力,找到最舒服的姿勢,甚至可以自動翻身。
8)智能床頭燈該設(shè)備能夠隨著入睡逐漸關(guān)閉燈光,清晨時(shí)以適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度自動開啟,幫助人們得以舒適地醒來。
9)智能手表。含有運(yùn)動傳感器的手表。除評估夜間睡眠質(zhì)量外,還可以在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi),選擇舒適的時(shí)間點(diǎn)將使用者叫醒。
10)電子止鼾枕。內(nèi)部含有鼾聲傳感器。感應(yīng)到鼾聲時(shí),枕頭可自動調(diào)整頭部位置,直到鼾聲減小或消失時(shí),并保持該位置。
11)綠光眼鏡。該眼鏡可釋放特定波長的光照,用以調(diào)整生物鐘。光照能夠影響測褪黑素水平和調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律。該產(chǎn)品多用于調(diào)整時(shí)差、晝夜節(jié)律障礙,特別適用于倒班工作者。
從歷史來看,睡眠醫(yī)學(xué)的發(fā)展離不開工程學(xué)的進(jìn)展。多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(PSG)和持續(xù)氣道正壓通氣(CPAP)都是當(dāng)時(shí)的新技術(shù)。由此可見,新的家用、無線、低成本的器件前景廣闊,某些產(chǎn)品有甚至可能成為現(xiàn)有鎮(zhèn)靜安眠藥的一個(gè)補(bǔ)充。然而,目前的新技術(shù)也存在一定問題。例如,穿戴式設(shè)備主要面向消費(fèi)者,生產(chǎn)者主要以商業(yè)性為目的,產(chǎn)品僅作為家用,并不是診斷工具。而臨床工作者多習(xí)慣使用公認(rèn)的PSG評價(jià)睡眠,這與產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師對新器件的關(guān)注點(diǎn)完全不同。因此,這些新技術(shù)對睡眠的評估是否準(zhǔn)確,對睡眠質(zhì)量有無幫助等問題尚缺乏足夠的臨床評價(jià)。今后如何對不同器件、不同物理量進(jìn)行合理的臨床測試和技術(shù)改進(jìn),有賴于工程師、醫(yī)生和廠商的溝通和協(xié)作。相信通過三方力量的共同努力,家用電子感應(yīng)技術(shù)必將為睡眠醫(yī)學(xué)發(fā)展和生活方式管理方面提供更多的幫助和選擇。
(段瑩整理)
作者簡介:孫民貴,男,美國匹茨堡大學(xué)神經(jīng)外科、神經(jīng)生物工程和電子工程學(xué)教授,國家千人計(jì)劃高級研究學(xué)者,研究方向:包括生物電子學(xué),生物信號和圖像處理、電生理、神經(jīng)工程、醫(yī)用無線電、可穿戴電子系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用
中圖分類號:256.23;R338.63
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:2095-7130(2016)02-101-102
Bioengineering and Sleep Medicine