越来越多的人受到睡眠质量欠佳的困扰, 因此搭建一套简便、有效的睡眠脑电监测系统是十分必要的。它能够记录整晚睡眠脑电信息, 进行自动睡眠分期, 并且得到睡眠质量评分。系统采用单导联(三个电极)的简便方式进行采集, 电极安放在前额叶, 以防睡眠时脱落。分别采用了盘状电极和一次性心电图电极来采集睡眠脑电, 以便为电极选择提供参考。振幅整合脑电图算法和样本熵算法被用于睡眠脑电处理中, 结果显示两套算法都能进行自动睡眠分期与评价。本系统能够用于整晚睡眠监测和定量评价。
引用本文： 李慧, 叶大田, 彭诚. 便携式睡眠脑电监测系统的研制. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(3): 548-552, 557. doi: 10.7507/1001-5515.20150100 复制
引言
随着亚健康人群的增多，越来越多的人受到睡眠质量欠佳问题的困扰，人们对于睡眠质量改善的要求愈加迫切。因此，无论在临床研究还是在科研领域，睡眠的研究受到重视。临床上大多采用多导睡眠图进行睡眠监测，即同时记录和分析多项睡眠生理学指标进行睡眠医学研究和睡眠疾病诊断[1]，其记录方面包括脑电图、心电图、血氧饱和度、眼电图和肌电图等。这种设备功能较为齐全，但需要专业人员在医院病房内进行长时间观察，不宜推广到家庭使用。广泛用于人群睡眠情况统计的匹兹堡睡眠质量指数表[2-3]主要建立在志愿者的主观描述上，只是一种定性分析。市场上便携式睡眠监测仪主要有两类，一类是睡眠呼吸监测系统，另一类是睡眠脑电监测系统。睡眠呼吸监测系统主要用于睡眠呼吸暂停低通气综合征患者的监测，监测通路包括血氧饱和度、脉率、口/鼻气流、鼾声、胸/腹部呼吸努力度、体位等，具有安装、分析简便的特点，代表产品为飞利浦Alice PDx便携式睡眠监测仪。睡眠脑电监测系统主要用于家庭睡眠情况监测，它可获取大脑睡眠脑电信息，进行睡眠分期处理和睡眠质量分析，具有操作简单、结果可靠的特点，代表产品为美国ZEO公司产品。
脑电是睡眠研究的一个重要而有效的途径，其信号中包含了大量生理和病理信息，在睡眠和人类脑科学的研究中起着十分重要的作用。本文旨在介绍一种简便、有效、适合用于家庭长时间使用的睡眠脑电监测系统，它能够记录整晚的睡眠脑电信息，进行自动睡眠分期，并且得到睡眠质量评分。
1 系统整体设计
系统主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括电极部分和脑电信号采集部分，软件部分包括计算机分析部分，系统的整体框图如图 1所示。电极部分分别使用盘状电极和一次性心电图电极进行睡眠脑电的采集。脑电信号采集部分使用新拓生物电放大器获取原始脑电信号。计算机分析部分分别利用振幅整合脑电图(amplitude-integrated electroencephalogram, aEEG)算法和样本熵(sample entropy, SampEn)算法进行自动睡眠分期，并且得到睡眠质量评分。
图1
系统整体框图
Figure1.
Block diagram of the overall system
2 系统硬件部分
2.1 电极部分
睡眠脑电采集时间较长，干扰较多，因此对电极的要求较高。采集电极不仅能够长时间使用，抗干扰性强，而且电极本身应简单方便，对睡眠的影响降为最低。传统脑电采集主要使用盘状电极，本文尝试将一次性心电图电极引入到脑电采集中，探究其使用功效，以便为电极选择提供参考。盘状电极即镀银盘状有孔电极，将导电膏填满后固定在头皮上可获取清晰、无伪差、不失真的脑电信号，其接触阻抗较小。一次性心电图电极在电极盘与皮肤之间加少许导电膏，接触阻抗较小，可得到高质量的信号，具有无创、易安置和稳定的特点。
为了降低操作难度，减少睡眠的不舒服感，电极简化是十分必要的。结合ZEO头带的设计思路[4]，本文采用单导联的方式进行脑电信号的采集。安放位置为前额叶，因为此处对睡眠质量的影响较低，安放较为容易，而且可以综合采集到脑电信号、眼动信号和额部肌电信号，便于信号的后期分析处理。
2.2 脑电采集仪器
脑电采集部分采用新拓生物电放大器，它可获得原始脑电信号，便于后期信号的处理分析。新拓生物电放大器是双极性、单导联系统，采样率为1 000次/s，分辨率为0.5μV。新拓生物电放大器与采集电极和微型计算机分别相连，组成睡眠脑电采集系统。
ZEO系统被用作参考系统，它能提供睡眠分期结果和睡眠质量评分。ZEO系统通过获取原始脑电信号进行睡眠脑电自动分期，它显示了各个睡眠期的开始和结束时间，累积了各个睡眠期的时长，提供了睡眠质量评分。它采用人工神经网络的方式进行睡眠分期，此神经网络使用信号的时间和频率相关特征综合判断睡眠阶段，从而实现对应于Rechtschaffen & Kales(简称R & K)标准的最佳估计[4]。
2.3 睡眠脑电采集实验
睡眠脑电采集实验在清华大学深圳研究生院生物医学工程研究中心进行。志愿者年龄为20~30岁，并且均无明显睡眠障碍。实验开始时间按照志愿者平时睡眠习惯进行，结束时间为其早晨自然苏醒后。实验开始前先用75%酒精擦拭安放电极的皮肤，再用磨砂膏轻轻打磨，从而降低接触阻抗。志愿者需要同时佩戴ZEO头带和新拓电极，二者在垂直方向尽量保持一致，从而保证测得较为一致的脑电信号。为了降低环境的改变对睡眠的影响，实验第一晚为适应性睡眠，只使用ZEO采集数据但不作分析处理。通过ZEO结果与个人感受综合评定是否有睡眠障碍，是否适应了新的睡眠环境。若无障碍且适应了环境，则随后佩戴ZEO电极和新拓电极同时采集数据并且进行分析处理；若存在睡眠障碍，则继续一晚的适应性睡眠，再次评定是否有睡眠障碍且适应了环境，如果此次无障碍且适应，则开展正式实验，如果仍然不适应，则终止本次实验。
3 系统软件部分
3.1 振幅整合脑电图算法
aEEG算法是一种从长时间的脑电信号中提取时间压缩的幅度信息，以反映大脑背景活动整体水平的无创监护方法[5]。aEEG算法忽略脑电波频率细节的变化，而突出其在大时间尺度的幅度趋势变化，其核心是时间轴压缩和幅度调整。利用aEEG算法进行睡眠脑电分期及睡眠质量评分的流程如图 2所示。
图2
aEEG算法处理流程
Figure2.
Flow chart of the aEEG sleep staging algorithm
aEEG算法在文献[6]中有详细介绍，本文不再赘述。图 3显示了一例睡眠分期结果。表 1列出了用aEEG算法对4例数据(由一次性心电图电极采集)的分期结果，括号内为ZEO结果，便于比较分析。表 2列出了用aEEG算法对4例数据(由盘状电极采集)的分期结果，括号内为ZEO结果。深睡期和快速眼动(rapid eyes movement, REM)期对睡眠质量影响较大，因此着重统计这两个睡眠期的匹配程度。统计8例结果，深睡期最大误差时间不超过34 min，误差时间占其总睡眠时间的比例不大于8.40%；REM期最大误差时间不超过25 min，误差时间占其总睡眠时间的比例不大于6.01%。aEEG算法结果与ZEO结果有较好的一致性，因此证明了aEEG算法用于自动睡眠脑电分期的可行性。由于不同志愿者的脑电灵敏度不同，因此要得到统一的睡眠分期决策指标首先要将边带归一化，以便能共同用于后期睡眠脑电分期处理，不必顾虑所使用电极的不同带来的差异性。
图3
aEEG算法结果
(a)aEEG结果；(b)上边带盒形图序列；(c)aEEG分期结果
Figure3. Results of aEEG algorithm(a) aEEG results; (b) box-plot sequence of the upper margin; (c) aEEG staging result
表1
aEEG算法结果与ZEO结果(心电图电极)
Table1.
Result comparison between aEEG algorithm and ZEO by disposable medical ECG electrodes
表2
aEEG算法结果与ZEO结果(盘状电极)
Table2.
Result comparison between aEEG algorithm and ZEO by silver disc electrodes
3.2 样本熵算法
SampEn是一种量化时间序列不规则度(或复杂性)的嵌入熵[7-8]，它被用于评价维数变化时，反映脑电序列产生新模式概率的大小[9]。脑电信号随机性越大、复杂度越高，SampEn值越大；反之，脑电越规则，SampEn值越小。整个睡眠过程是由睡眠各期不断循环构成的。处于相同睡眠期内，脑电序列产生新模式的概率变化很小，而当从一种睡眠期向另一种睡眠期转换时，产生新模式的概率变化将加大，因此利用SampEn来度量各个睡眠期脑电的复杂度和随机性是合理的。利用SampEn进行睡眠脑电分期及睡眠质量评分的流程如图 4所示。
图4
SampEn算法处理流程
Figure4.
Flow chart of the SampEn algorithm
SampEn算法在文献[6]中有详细介绍，本文不再赘述。图 5显示了1例睡眠分期结果。表 3列出了用SampEn算法对4例数据(由一次性心电图电极采集)的分期结果，括号内为ZEO结果。表 4列出了用SampEn算法对4例数据(由盘状电极采集)的分期结果，括号内为ZEO结果。统计8例结果，深睡期最大误差时间不超过55 min，误差时间占其总睡眠时间的比例不大于14.0%；REM期最大误差时间不超过30 min，误差时间占其总睡眠时间的比例不大于7.61%。SampEn算法结果与ZEO结果有较好的一致性，因此证明了SampEn算法用于自动睡眠脑电分期的可行性。由于不同志愿者的脑电灵敏度不同，因此要得到统一的睡眠分期决策指标首先要将SampEn曲线进行归一化，以便能共同用于后期睡眠脑电分期处理，不必顾虑所使用电极的不同带来的差异性。
图5
SampEn算法结果
(a)SampEn曲线；(b)SampEn盒形图序列；(c)SampEn算法自动分期结果
Figure5. Results of sample entropy algorithm(a) SampEn curve; (b) box-plot sequence of SampEn; (c) SampEn staging result
表3
SampEn算法结果与ZEO结果(心电图电极)
Table3.
Result comparison between SampEn algorithm and ZEO by disposable medical ECG electrodes
表4
SampEn算法结果与ZEO结果(盘状电极)
Table4.
Result comparison between SampEn algorithm and ZEO by silver disc electrodes
4 讨论与结论
本文介绍了一套便携式睡眠监测系统，并证明了其具有一定的实用性和可行性。系统采用双极性、单导联方式进行采集，电极放置在前额部，降低了采集对睡眠质量的影响。采用盘状电极和一次性心电图电极分别进行睡眠脑电的采集，为电极选择提供参考。提出了两套睡眠脑电处理算法，为睡眠质量评价提供了定量指标。
本组采集到的样本量较小，后期需要大样本的学习与调整，扩展采样人群范围，增加睡眠脑电图分类，提高决策指标的准确性。增加大量睡眠样本，训练并提取睡眠各期特征，有可能获得更精确的用以睡眠自动分期的aEEG指标或SampEn指标。aEEG算法是原始睡眠脑电经过时间轴压缩和幅度调整得到的信号，它忽略了频率细节的变化，突出了幅度变化的趋势。SampEn算法度量了各个睡眠期脑电的复杂度和随机性。两种方法分别从时域和频域进行睡眠分期处理，互为补充。
此外，本文分别使用盘状电极和一次性心电图电极采集睡眠脑电信号，结果证明了一次性心电图电极用于脑电采集的可行性。此外，一次性心电图电极比盘状电极具有一定的优越性：
(1)一次性心电图电极免去了涂抹导电膏的步骤，操作较为简便。其自带的导电膏不易干燥，附着性稳定，采集结果准确。而盘状电极不仅需要涂抹导电膏，而且需要火胶棉进行固定，操作繁琐，需要有经验的医生进行放置。
(2)一次性心电图电极价格便宜，平均为0.55角/个，而盘状电极价格从20~60元/根不等。此外，盘状电极内部连线容易损坏，且不易察觉，容易造成结果的误判。
引言
随着亚健康人群的增多，越来越多的人受到睡眠质量欠佳问题的困扰，人们对于睡眠质量改善的要求愈加迫切。因此，无论在临床研究还是在科研领域，睡眠的研究受到重视。临床上大多采用多导睡眠图进行睡眠监测，即同时记录和分析多项睡眠生理学指标进行睡眠医学研究和睡眠疾病诊断[1]，其记录方面包括脑电图、心电图、血氧饱和度、眼电图和肌电图等。这种设备功能较为齐全，但需要专业人员在医院病房内进行长时间观察，不宜推广到家庭使用。广泛用于人群睡眠情况统计的匹兹堡睡眠质量指数表[2-3]主要建立在志愿者的主观描述上，只是一种定性分析。市场上便携式睡眠监测仪主要有两类，一类是睡眠呼吸监测系统，另一类是睡眠脑电监测系统。睡眠呼吸监测系统主要用于睡眠呼吸暂停低通气综合征患者的监测，监测通路包括血氧饱和度、脉率、口/鼻气流、鼾声、胸/腹部呼吸努力度、体位等，具有安装、分析简便的特点，代表产品为飞利浦Alice PDx便携式睡眠监测仪。睡眠脑电监测系统主要用于家庭睡眠情况监测，它可获取大脑睡眠脑电信息，进行睡眠分期处理和睡眠质量分析，具有操作简单、结果可靠的特点，代表产品为美国ZEO公司产品。
脑电是睡眠研究的一个重要而有效的途径，其信号中包含了大量生理和病理信息，在睡眠和人类脑科学的研究中起着十分重要的作用。本文旨在介绍一种简便、有效、适合用于家庭长时间使用的睡眠脑电监测系统，它能够记录整晚的睡眠脑电信息，进行自动睡眠分期，并且得到睡眠质量评分。
1 系统整体设计
系统主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括电极部分和脑电信号采集部分，软件部分包括计算机分析部分，系统的整体框图如图 1所示。电极部分分别使用盘状电极和一次性心电图电极进行睡眠脑电的采集。脑电信号采集部分使用新拓生物电放大器获取原始脑电信号。计算机分析部分分别利用振幅整合脑电图(amplitude-integrated electroencephalogram, aEEG)算法和样本熵(sample entropy, SampEn)算法进行自动睡眠分期，并且得到睡眠质量评分。
图1
系统整体框图
Figure1.
Block diagram of the overall system
2 系统硬件部分
2.1 电极部分
睡眠脑电采集时间较长，干扰较多，因此对电极的要求较高。采集电极不仅能够长时间使用，抗干扰性强，而且电极本身应简单方便，对睡眠的影响降为最低。传统脑电采集主要使用盘状电极，本文尝试将一次性心电图电极引入到脑电采集中，探究其使用功效，以便为电极选择提供参考。盘状电极即镀银盘状有孔电极，将导电膏填满后固定在头皮上可获取清晰、无伪差、不失真的脑电信号，其接触阻抗较小。一次性心电图电极在电极盘与皮肤之间加少许导电膏，接触阻抗较小，可得到高质量的信号，具有无创、易安置和稳定的特点。
为了降低操作难度，减少睡眠的不舒服感，电极简化是十分必要的。结合ZEO头带的设计思路[4]，本文采用单导联的方式进行脑电信号的采集。安放位置为前额叶，因为此处对睡眠质量的影响较低，安放较为容易，而且可以综合采集到脑电信号、眼动信号和额部肌电信号，便于信号的后期分析处理。
2.2 脑电采集仪器
脑电采集部分采用新拓生物电放大器，它可获得原始脑电信号，便于后期信号的处理分析。新拓生物电放大器是双极性、单导联系统，采样率为1 000次/s，分辨率为0.5μV。新拓生物电放大器与采集电极和微型计算机分别相连，组成睡眠脑电采集系统。
ZEO系统被用作参考系统，它能提供睡眠分期结果和睡眠质量评分。ZEO系统通过获取原始脑电信号进行睡眠脑电自动分期，它显示了各个睡眠期的开始和结束时间，累积了各个睡眠期的时长，提供了睡眠质量评分。它采用人工神经网络的方式进行睡眠分期，此神经网络使用信号的时间和频率相关特征综合判断睡眠阶段，从而实现对应于Rechtschaffen & Kales(简称R & K)标准的最佳估计[4]。
2.3 睡眠脑电采集实验
睡眠脑电采集实验在清华大学深圳研究生院生物医学工程研究中心进行。志愿者年龄为20~30岁，并且均无明显睡眠障碍。实验开始时间按照志愿者平时睡眠习惯进行，结束时间为其早晨自然苏醒后。实验开始前先用75%酒精擦拭安放电极的皮肤，再用磨砂膏轻轻打磨，从而降低接触阻抗。志愿者需要同时佩戴ZEO头带和新拓电极，二者在垂直方向尽量保持一致，从而保证测得较为一致的脑电信号。为了降低环境的改变对睡眠的影响，实验第一晚为适应性睡眠，只使用ZEO采集数据但不作分析处理。通过ZEO结果与个人感受综合评定是否有睡眠障碍，是否适应了新的睡眠环境。若无障碍且适应了环境，则随后佩戴ZEO电极和新拓电极同时采集数据并且进行分析处理；若存在睡眠障碍，则继续一晚的适应性睡眠，再次评定是否有睡眠障碍且适应了环境，如果此次无障碍且适应，则开展正式实验，如果仍然不适应，则终止本次实验。
3 系统软件部分
3.1 振幅整合脑电图算法
aEEG算法是一种从长时间的脑电信号中提取时间压缩的幅度信息，以反映大脑背景活动整体水平的无创监护方法[5]。aEEG算法忽略脑电波频率细节的变化，而突出其在大时间尺度的幅度趋势变化，其核心是时间轴压缩和幅度调整。利用aEEG算法进行睡眠脑电分期及睡眠质量评分的流程如图 2所示。
图2
aEEG算法处理流程
Figure2.
Flow chart of the aEEG sleep staging algorithm
aEEG算法在文献[6]中有详细介绍，本文不再赘述。图 3显示了一例睡眠分期结果。表 1列出了用aEEG算法对4例数据(由一次性心电图电极采集)的分期结果，括号内为ZEO结果，便于比较分析。表 2列出了用aEEG算法对4例数据(由盘状电极采集)的分期结果，括号内为ZEO结果。深睡期和快速眼动(rapid eyes movement, REM)期对睡眠质量影响较大，因此着重统计这两个睡眠期的匹配程度。统计8例结果，深睡期最大误差时间不超过34 min，误差时间占其总睡眠时间的比例不大于8.40%；REM期最大误差时间不超过25 min，误差时间占其总睡眠时间的比例不大于6.01%。aEEG算法结果与ZEO结果有较好的一致性，因此证明了aEEG算法用于自动睡眠脑电分期的可行性。由于不同志愿者的脑电灵敏度不同，因此要得到统一的睡眠分期决策指标首先要将边带归一化，以便能共同用于后期睡眠脑电分期处理，不必顾虑所使用电极的不同带来的差异性。
图3
aEEG算法结果
(a)aEEG结果；(b)上边带盒形图序列；(c)aEEG分期结果
Figure3. Results of aEEG algorithm(a) aEEG results; (b) box-plot sequence of the upper margin; (c) aEEG staging result
表1
aEEG算法结果与ZEO结果(心电图电极)
Table1.
Result comparison between aEEG algorithm and ZEO by disposable medical ECG electrodes
表2
aEEG算法结果与ZEO结果(盘状电极)
Table2.
Result comparison between aEEG algorithm and ZEO by silver disc electrodes
3.2 样本熵算法
SampEn是一种量化时间序列不规则度(或复杂性)的嵌入熵[7-8]，它被用于评价维数变化时，反映脑电序列产生新模式概率的大小[9]。脑电信号随机性越大、复杂度越高，SampEn值越大；反之，脑电越规则，SampEn值越小。整个睡眠过程是由睡眠各期不断循环构成的。处于相同睡眠期内，脑电序列产生新模式的概率变化很小，而当从一种睡眠期向另一种睡眠期转换时，产生新模式的概率变化将加大，因此利用SampEn来度量各个睡眠期脑电的复杂度和随机性是合理的。利用SampEn进行睡眠脑电分期及睡眠质量评分的流程如图 4所示。
图4
SampEn算法处理流程
Figure4.
Flow chart of the SampEn algorithm
SampEn算法在文献[6]中有详细介绍，本文不再赘述。图 5显示了1例睡眠分期结果。表 3列出了用SampEn算法对4例数据(由一次性心电图电极采集)的分期结果，括号内为ZEO结果。表 4列出了用SampEn算法对4例数据(由盘状电极采集)的分期结果，括号内为ZEO结果。统计8例结果，深睡期最大误差时间不超过55 min，误差时间占其总睡眠时间的比例不大于14.0%；REM期最大误差时间不超过30 min，误差时间占其总睡眠时间的比例不大于7.61%。SampEn算法结果与ZEO结果有较好的一致性，因此证明了SampEn算法用于自动睡眠脑电分期的可行性。由于不同志愿者的脑电灵敏度不同，因此要得到统一的睡眠分期决策指标首先要将SampEn曲线进行归一化，以便能共同用于后期睡眠脑电分期处理，不必顾虑所使用电极的不同带来的差异性。
图5
SampEn算法结果
(a)SampEn曲线；(b)SampEn盒形图序列；(c)SampEn算法自动分期结果
Figure5. Results of sample entropy algorithm(a) SampEn curve; (b) box-plot sequence of SampEn; (c) SampEn staging result
表3
SampEn算法结果与ZEO结果(心电图电极)
Table3.
Result comparison between SampEn algorithm and ZEO by disposable medical ECG electrodes
表4
SampEn算法结果与ZEO结果(盘状电极)
Table4.
Result comparison between SampEn algorithm and ZEO by silver disc electrodes
4 讨论与结论
本文介绍了一套便携式睡眠监测系统，并证明了其具有一定的实用性和可行性。系统采用双极性、单导联方式进行采集，电极放置在前额部，降低了采集对睡眠质量的影响。采用盘状电极和一次性心电图电极分别进行睡眠脑电的采集，为电极选择提供参考。提出了两套睡眠脑电处理算法，为睡眠质量评价提供了定量指标。
本组采集到的样本量较小，后期需要大样本的学习与调整，扩展采样人群范围，增加睡眠脑电图分类，提高决策指标的准确性。增加大量睡眠样本，训练并提取睡眠各期特征，有可能获得更精确的用以睡眠自动分期的aEEG指标或SampEn指标。aEEG算法是原始睡眠脑电经过时间轴压缩和幅度调整得到的信号，它忽略了频率细节的变化，突出了幅度变化的趋势。SampEn算法度量了各个睡眠期脑电的复杂度和随机性。两种方法分别从时域和频域进行睡眠分期处理，互为补充。
此外，本文分别使用盘状电极和一次性心电图电极采集睡眠脑电信号，结果证明了一次性心电图电极用于脑电采集的可行性。此外，一次性心电图电极比盘状电极具有一定的优越性：
(1)一次性心电图电极免去了涂抹导电膏的步骤，操作较为简便。其自带的导电膏不易干燥，附着性稳定，采集结果准确。而盘状电极不仅需要涂抹导电膏，而且需要火胶棉进行固定，操作繁琐，需要有经验的医生进行放置。
(2)一次性心电图电极价格便宜，平均为0.55角/个，而盘状电极价格从20~60元/根不等。此外，盘状电极内部连线容易损坏，且不易察觉，容易造成结果的误判。
