周廣敏，劉官正（通信作者）

1 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院（浙江省腫瘤醫(yī)院）·中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣東廣州 510275）

睡眠問(wèn)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(cè)對(duì)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(jì)是一種非侵入性的直接測(cè)量肺部氣流的設(shè)備，其結(jié)果是呼吸監(jiān)測(cè)的金標(biāo)準(zhǔn)，但長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)會(huì)對(duì)受試者造成不適感[4]。胸腹表面呼吸運(yùn)動(dòng)的測(cè)量也可用來(lái)評(píng)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(lái)檢測(cè)胸部和腹部的呼吸信號(hào)，綁帶在睡眠過(guò)程中較易發(fā)生滑動(dòng)，從而影響測(cè)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(cè)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(zhǎng)期無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[6]。胸腔呼吸IP 是一種十分方便且精確的呼吸容積測(cè)量方法，從20世紀(jì)中葉以來(lái)一直被許多研究者廣泛研究和改進(jìn)[7]。Yasuda 等[8]測(cè)量受試者在仰臥時(shí)的胸腔呼吸IP 時(shí)，通過(guò)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(lái)移除心電信號(hào)的干擾，從而提高了受試者在仰臥時(shí)的呼吸容積測(cè)量精確度。Poupard 等[9]測(cè)量受試者的胸腔呼吸IP 時(shí)，通過(guò)使用樣條濾波的方法來(lái)減少心臟運(yùn)動(dòng)偽影對(duì)IP 的干擾，從而提高了在某一姿勢(shì)（仰臥、左側(cè)臥或右側(cè)臥）時(shí)呼吸容積測(cè)量的精確度。Sepp? 等[10]通過(guò)尋找最適宜的胸部電極貼放位置來(lái)提高呼吸容積測(cè)量的精確度，他們分別測(cè)量了5個(gè)單通道在站立、仰臥和右側(cè)臥位下的呼吸IP。以上研究?jī)H關(guān)注了不同姿勢(shì)對(duì)呼吸容積信號(hào)監(jiān)測(cè)的影響，卻未涉及姿勢(shì)變換對(duì)監(jiān)測(cè)的影響。

睡眠姿勢(shì)是睡眠過(guò)程中的自然行為，在連續(xù)睡眠監(jiān)測(cè)中，睡眠姿勢(shì)的變換會(huì)影響睡眠呼吸容積監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，但關(guān)于如何減少睡眠姿勢(shì)變換對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響的研究較少見(jiàn)。為最大限度減少姿勢(shì)變換對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，本研究通過(guò)實(shí)時(shí)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(lái)提高睡眠呼吸容積監(jiān)測(cè)的精確度，現(xiàn)報(bào)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(shū)，未獲得任何報(bào)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(hào)記錄儀（MP150，BIOPAC，USA）進(jìn)行測(cè)量。激勵(lì)源的參數(shù)設(shè)置：刺激電流強(qiáng)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(lái)采集呼吸IP[12]。呼吸氣流計(jì)用來(lái)采集呼吸流速（pneumotachograph，PNT）信號(hào)。

使用四極法測(cè)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(lái)貼放電極，且激勵(lì)電極以I 表示，測(cè)量電極以V 表示。測(cè)量左肺阻抗（left lung impedance，IPL）信號(hào)時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)處的上端和下端。測(cè)量右肺阻抗（right lung impedance，IPR）信號(hào)時(shí)，將正極I2+和V2+分別固定于MS的右側(cè)與HLN 交點(diǎn)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(diǎn)處的上端和下端。測(cè)量胸腔阻抗（thorax impedance，IPTH）信號(hào)時(shí)，將I1+和V1+分別固定于LMA 與HLN 交點(diǎn)處的上端和下端；將I2-和V2-分別固定于RMA 與HLN 交點(diǎn)處的上端和下端。具體電極貼放位置見(jiàn)圖1。

圖1 電極貼放位置

模擬安靜睡眠時(shí)3種標(biāo)準(zhǔn)睡眠姿勢(shì)的變換，依次測(cè)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(shì)的測(cè)量時(shí)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(guò)程見(jiàn)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(shí)保證信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)作濾波處理[10]，再通過(guò)z-score方法對(duì)數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理[18]。通過(guò)阻抗技術(shù)獲得的胸腔、左肺和右肺本身就是容積信號(hào)，分別表示為胸腔呼吸阻抗容積（respiration impedance-volume of the thorax，VIPTH）信號(hào)、左肺呼吸阻抗容積（respiration impedance-volume of the left lung，VIPL）信號(hào)、右肺呼吸阻抗容積（respiration impedance-volume of the right lung，VIPR）信號(hào)，然后通過(guò)運(yùn)用積分運(yùn)算將PNT信號(hào)轉(zhuǎn)換為金標(biāo)準(zhǔn)呼吸容積（respiration volume，VPNT）信號(hào)。

因睡眠姿勢(shì)變換在睡眠過(guò)程中具有不可控制性，為減少睡眠姿勢(shì)變換對(duì)呼吸容積監(jiān)測(cè)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(guò)融合左肺和右肺兩通道的數(shù)據(jù)，來(lái)獲得魯棒性的呼吸信號(hào)，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(hào)。

2 結(jié)果

2.1 當(dāng)睡眠姿勢(shì)不變時(shí)使用單通道阻抗測(cè)量

當(dāng)睡眠姿勢(shì)不變時(shí)，3種睡眠姿勢(shì)的各通道信號(hào)與VPNT 的r 及各通道信號(hào)分別在不同姿勢(shì)下與VPNT 的r 見(jiàn)圖3。圖3（a）是3種睡眠姿勢(shì)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(shì)下與VPNT 的r，從中可看出，VIPTH在仰臥、左側(cè)臥和右側(cè)臥時(shí)與VPNT 的r 均達(dá)到了0.95，且在仰臥時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差稍大于側(cè)臥。圖3（c）是VIPL在不同姿勢(shì)下與VPNT的r，從中可看出，VIPL與VPNT 的相關(guān)性在左側(cè)臥時(shí)最高，其r 是0.9706，且標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，但在右側(cè)臥時(shí)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(shì)下與VPNT 的r，從中可看出，VIPR與VPNT 的相關(guān)性在右側(cè)臥時(shí)最高，其r 是0.9574，且標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，但在左側(cè)臥時(shí)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(shì)不變時(shí)，VIPTH受睡眠姿勢(shì)的影響較小，獲得的信號(hào)最好；VIPL在左側(cè)臥時(shí)最好，在右側(cè)臥時(shí)最差；VIPR在右側(cè)臥時(shí)最好，在左側(cè)臥時(shí)最差；單通道VIPL和VIPR受睡眠姿勢(shì)的影響較大，且在不同睡眠姿勢(shì)下VIPL和VIPR具有互補(bǔ)的作用。

圖3 當(dāng)睡眠姿勢(shì)不變時(shí)，3 種睡眠姿勢(shì)的各通道信號(hào)與VPNT 的r 及各通道信號(hào)分別在不同姿勢(shì)下與VPNT 的r

2.2 當(dāng)睡眠姿勢(shì)變換時(shí)使用雙通道阻抗測(cè)量

當(dāng)睡眠姿勢(shì)變換時(shí)，各通道（VIPTH、VIPL、VIPR）及VIPLR與VPNT的r見(jiàn)圖4。由圖可知，當(dāng)睡眠姿勢(shì)發(fā)生變換時(shí)，VIPTH與VPNT的r是0.9155；VIPL、VIPR與VPNT的r均較低，但通過(guò)PCA方法獲得的VIPLR與VPNT的r高達(dá)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(shì)發(fā)生變換時(shí)，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(shì)變換的影響較大；此外，VIPL、VIPR受睡眠姿勢(shì)變換的影響也較大；與單通道 VIPTH比較，通過(guò)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(shì)變換時(shí)，各通道信號(hào)與VPNT 的r

當(dāng)睡眠姿勢(shì)變換時(shí)，各通道（VIPTH、VIPL、VIPR）及VIPLR與VPNT 的MAE 見(jiàn)圖5。由圖可知，當(dāng)睡眠姿勢(shì)發(fā)生變換時(shí)，通過(guò)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?。籚IPTH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(shì)發(fā)生變換時(shí)，與VIPTH（單通道）比較，VIPLR（雙通道）與VPNT 的絕對(duì)誤差下降了25%，表明VIPLR與VPNT 的實(shí)時(shí)誤差性最小。

圖5 當(dāng)睡眠姿勢(shì)變換時(shí)，各通道信號(hào)與VPNT 的MAE

3 討論

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

本研究運(yùn)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(píng)估方法是一種可信度較高的睡眠呼吸容積評(píng)估新方法，能夠最大限度地克服睡眠姿勢(shì)對(duì)測(cè)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(jìn)，如在未來(lái)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(shuō)服力，同時(shí)進(jìn)行整夜的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，并且可增加自動(dòng)睡姿識(shí)別試驗(yàn)，以便于臨床應(yīng)用。