睡眠呼吸障礙（SRBD）是一種睡眠疾病，其患病率高、并發癥多，但病情不易察覺，嚴重危害人體健康。目前，家用SRBD監測設備是領域內的研究熱點之一，以提高患者對病情的認識和關注。本文針對SRBD的家庭監護領域，橫向對比了近年來的前沿研究成果，旨在全面分析各類技術的優勢和局限性，并指明未來研究方向和商業化方向。根據系統設計，可以將新型家用SRBD監護設備劃分為可穿戴型和無約束型兩類。兩類設備各有優劣，可穿戴設備相對簡單、便攜，但舒適度和續航性能有待提升；而無約束設備則更隱蔽、舒適，但分析算法較為復雜。目前，領域內的研究主要集中在系統設計和性能測試上，但算法優化和臨床試驗的工作仍有待推進。本文可以幫助科研人員快速而全面地把握領域內的科研進展，從而拓寬科研思路，尋求未來研究的突破點和創新點。此外，本文也歸納了現有的商業化睡眠監護產品，并展望新型家用SRBD監護設備的商業潛力，力圖推動科研成果的轉化落地。
引用本文： 吳詠霖, 陳晨, 韓芳, 陳煒. 新型傳感技術在睡眠呼吸障礙家庭監護的前沿研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2022, 39(4): 798-805. doi: 10.7507/1001-5515.202112066 復制
引言
睡眠期間的呼吸活動，與睡眠質量息息相關。睡眠期間發生的異常呼吸，諸如打鼾、睡眠呼吸暫停（sleep apnea，SA）、睡眠低通氣（sleep hypopnea，SH）等，都會導致睡眠紊亂、降低睡眠質量，長此以往還會損傷心血管健康，甚至誘發精神疾病，大大增加了全因死亡率[1]。在各類睡眠呼吸障礙（sleep-related breathing disorders，SRBD）中，最具有代表性的是睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（sleep apnea-hypopnea syndrome，SAHS），主要癥狀為SA和SH。SA按照發病機制可分為阻塞性SA（obstructive SA，OSA）、中樞性SA（central SA，CSA）和混合性SA（mixed SA，MSA）。其中OSA最為常見，在男性肥胖群體中高發，而患者普遍對病情缺乏認識[1]。本文主要關注的SRBD為SAHS。
目前，基于多導睡眠圖（polysomnography，PSG）技術的儀器是診斷SAHS的金標準設備。PSG設備可以全面采集睡眠期間的生理信號，包括心電（electrocardiograph，ECG）信號、口鼻氣流、胸腹運動等。以SAHS的診斷為例，通常需要在醫院用PSG設備監測整夜睡眠，然后計算呼吸暫停低通氣指數（apnea hypopnea index，AHI），從而實現疾病的量化評估[1]。然而，PSG設備的價格高昂，配套的傳感配件繁多，需要專員操作，所以通常只在醫院、睡眠實驗中心等專業場所中使用，很難在居家環境中普及。而SRBD往往是慢性、長期、不易察覺的，家庭監護的缺乏，是SAHS發病率高，但檢出率低、就診率低的主要原因。
近幾年，新冠肺炎也給SRBD監護帶來了新的挑戰。由于存在氣溶膠和接觸傳播風險，各大醫院均暫停了PSG監測，限制了SRBD的治療和診斷，也加速了對居家環境下的新型SRBD監護設備的探索。本文所提及的新型SRBD監護設備指可以通過舒適、便攜的方式，可在居家環境下實現SRBD的初步篩查、就醫提醒、預后評估等一類設備，但不局限于美國睡眠醫學學會所分級的3型家庭SA監測設備（home SA test，HSAT）。HSAT主要是指包含至少2個呼吸參數、1個心臟參數以及血氧飽和度共4個參數的設備，可用于輔助臨床評估OSA。而居家SRBD設備對于測量所涵蓋的信號種類、測量方式、測量精度等并不做具體要求。但是，SRBD設備會綜合考慮居家環境下的具體要求，如環境私密性、監測舒適性、使用便捷性等問題。針對居家環境中的SRBD監護問題，近年來也有不少相關的前沿研究。
本文歸納總結了近5年來發表的關于SRBD家庭監護設備的高水平文章，橫向對比了不同的新型傳感技術應用于SRBD家庭監護的優勢和局限性，旨在闡明未來的研究方向和商業化方向。SRBD家庭監護的系統設計需要充分考慮新型傳感技術的特點，同時盡可能滿足居家環境下的使用需求。近年來，主流的系統設計路線可被劃分為可穿戴型和無約束型兩類。在第1章中，本文全面總結了兩類設備的前沿研究成果，主要涵蓋了傳感原理、測量性能、處理算法和算法性能。在第2章中，首先討論了各類新型SRBD家庭監護設備的優勢和劣勢，并從硬件、軟件和臨床試驗等多個角度出發，探討未來的研究重點和研究方向，幫助科研工作者快速了解領域全貌；與此同時，本文還分析了SRBD家庭監護設備的商業化價值，通過對比現有的商業化睡眠監護產品，探討SRBD家庭監護設備的市場空間和產品定位，推動科研成果的轉化落地。最后，在第3章中對基于新型傳感技術的SRBD家庭監護設備做出了總結和展望。
1 研究現狀
針對居家環境中的SRBD監護問題，近年來科研的核心思路是：改良信號采集方式，以及提高配套軟件性能。研究人員們將最新傳感技術創新地用于呼吸測量任務，通過采集與呼吸具有關聯性的各類生理信號，直接或間接地感知呼吸節律，從中發現異常呼吸事件。基本目標為在保證醫療價值的前提下，最大程度地改善設備的使用體驗，讓SRBD健康監護能夠自然地融入生活。在信號采集的探索研究中，目前的系統設計路線有以下兩種：第一，將傳感器融入可穿戴配件中，實現靈活、便攜的呼吸測量；第二，將傳感器融入臥室環境中，避免了對人體的約束，實現舒適、隱蔽的呼吸測量。此外，配合硬件采集系統的信號處理算法研究也十分重要。配套算法需要根據系統的傳感原理，針對特定信號，提取基本呼吸參數，并進一步實現異常呼吸的自動檢測，不斷優化算法的檢測精度和運行效率。這些軟硬件的研究相輔相成，全面展示了新型SRBD測量設備的實際應用價值，未來有望投入生產，真正改善人們的生活。如圖1所示，本文將近年來新型SRBD監護設備的研究方向分為可穿戴型和無約束型兩大類，后文將按照類別，對各項技術的研究成果依次展開論述。
圖1
基于新型傳感技術的家用SRBD監護設備的主要研究方向分類圖
Figure1.
Main research topics of home SRBD monitors based on novel sensing technology
1.1 可穿戴型
隨著電子產品的集成度提高，可穿戴化是健康監測設備的重要發展方向之一。近幾年可穿戴SRBD監護設備有了許多進展，如表1所示，這些設備都非常簡單便攜。其測量原理一是直接感知呼吸節律，例如測量口鼻氣流的熱量、記錄胸腹呼吸運動，從而估計呼吸活動的周期性；二是間接獲取呼吸節律，基于呼吸對其他生理信號的調制作用，例如脈搏、ECG信號等，提取與呼吸節律相關的衍生型呼吸信號[2]。
表1
新型可穿戴型家用SRBD監護設備所用的傳感技術及測量性能
Table1.
Sensing technologies and measuring performance of novel wearable home SRBD monitors
1.1.1 直接測量
口鼻氣流直接反映了呼吸狀態。Zhang等[3]制作了一款適合睡眠使用的柔性鼻腔熱傳感器，由于鼻腔內氣流集中、環境穩定，因此呼吸的細微變化也能被檢測到。
測量胸腹部的體積變化，可以直接得到呼吸波形。van Steenkiste等[4]用可穿戴生物電阻抗儀來測量胸阻抗，并用長短期記憶網絡劃分OSA、CSA和SH。但傳統的傳感器通常堅硬沉重、透氣性差，因此智能紡織品備受關注。Lo Presti等[5]將光纖布拉格光柵聚合物制作成應力傳感綁帶，從胸腹運動中估算呼吸率（respiratory rate，RR）。Lin等[6]則比較了呼吸綁帶的測量部位，構建自適應非諧波模型提取胸、腹部數據特征，用支持向量機（support vector machine，SVM）劃分OSA、CSA和正常呼吸，證明結合胸腹數據的監測效果更好。柔性傳感器也可以制作成衣物，穿戴更加舒適。導電紗線經過編織后，對細微壓力變化高度敏感，Fan等[7]在衣服的胸部和腕部織入導電紗線，同時測量呼吸波和脈搏波，為診斷SAHS提供更多信息。Roudjane等[8]在短袖的胸腹部位編入6個對形變敏感的螺旋光纖傳感器，可以得到呼吸時間、呼吸周期和RR等參數，并檢測SA事件。
1.1.2 間接測量
脈搏波的幅度、傳導時間等特征，都可用來評估SAHS[7, 9]。Meng等[9]用聚酯—金屬混合纖維編織成脈搏波傳感腕帶，即使脈搏微弱或發生肢體運動，也可以準確測量脈搏，并進一步評估SA。光電容積描記法（photoplethysmography，PPG）是一種高度商業化的脈搏傳感技術。Singh等[10]將PPG傳感器貼在胸骨上，此處的血流響應速度比指尖更快，但容易脫落而導致誤差。Nabavi等[11]在用于治療OSA的下頜前移裝置中增加了PPG傳感器、溫度計和加速度計，可以同時檢測心率、RR、血氧飽和度和睡姿，讓患者可以在治療的同時跟蹤療效，提升了舒適度。
呼吸對ECG信號具有調制作用，可以從ECG信號中提取ECG衍生呼吸（ECG derived respiration，EDR）信號。Lazaro等[12]設計了一款可以測量ECG信號的臂帶，共有三個信號通道，然后通過分析呼吸對QRS復合波斜率和R波角度的調制作用來估計RR。持續工作能力是可穿戴設備的重要評價指標，Surrel等[13]從ECG信號和EDR信號中提取特征，然后用低復雜度的異常值去除算法和SA時域評分法檢測OSA，可以在可穿戴ECG信號測量設備上連續工作46 d。結合ECG傳感器與運動傳感器，可以用身體活動推斷更豐富的呼吸參數[14]。即使在ECG信號中出現了房顫等異常心律，也可以準確提取EDR信號，并估計RR[15]，拓寬了適用人群范圍。
相比貼片電極，可穿戴設備采集的脈搏波和ECG信號中含有更多噪聲，但仍能輕松提取心跳間隔（RR interval，RRI）信號[2]。近年來，有一些研究使用深度學習實現了基于RRI信號的SA檢測，為可穿戴設備提供算法支持。Shen等[16]使用多尺度擴展注意力網絡提取RRI信號特征，并優化具有時間依賴性的加權損失函數，緩解了SA事件數量少于正常呼吸的不平衡現象。Ye等[17]用多尺度頻率擴展網絡提取RRI信號特征，在數據缺失的情況下也能準確檢測OSA，符合可穿戴數據特點，并降低了算法功耗。Faust等[18]先用三階高斯過程進行帶通濾波，再用長短期記憶網絡提取RRI信號特征，有效提高了分類精度。然而這些算法依賴數據標簽，而無監督學習可以改善這種情況[19]。另外，深度學習需要大量數據，所以這些研究只使用了公開數據集，未來還需要在可穿戴設備上進行臨床測試。
1.2 無約束型
無約束型設備與可穿戴設備最大的區別在于使用者不需要和設備直接接觸。這類系統有兩種設計方案，如表2所示，一種與床上用品融合，另一種放置在床鋪周圍，無論是近距離還是遠距離測量，都避免了設備對肢體的束縛，具有舒適、無感的優勢。
表2
新型無約束型家用SRBD監護設備所用的傳感技術及測量性能
Table2.
Sensing technologies and measuring performance of novel unconstrained home SRBD monitors
1.2.1 近距離測量
隨著材料科學發展，耐用、柔軟的傳感材料帶來了床上呼吸感知設備的革新，主要以床墊的形式，從近距離采集睡眠生理信號，對睡姿、衣著和遮蓋的限制更小，具有優勢。
人體胸腹起伏對床鋪的壓力會產生變化，用壓敏材料可以感知胸腹運動。Park等[20]將聚氯乙烯薄膜壓力傳感器放在胸部下方，能精準檢測低頻、平穩的呼吸。Azimi等[21]基于一款由72個光纖壓力傳感器制成的床墊，用患者第一周的數據調整模型參數，實現了個性化、長時間的CSA監測。Matar等[22]則提出了一種姿勢自適應算法，按照不同睡姿的壓力分布差異重建呼吸信號，提高了壓敏床墊的性能。
床墊測量心沖擊信號和心臟生理信號時，會受到呼吸調制。Zhou等[23]將導電紗線編織成床單，包含60個均勻分布的傳感單元和1個位于胸部的傳感單元，可以準確測量心沖擊信號，再用濾波器分離得到呼吸信號，從波形上可以觀察到SA現象，結合睡姿判斷就可實現SA的自動報警，并提醒更換睡姿。Peng等[24]設計了一款電容耦合式的柔性ECG信號傳感床墊，用奇異譜分析提取EDR信號，實現了睡眠心肺參數的全面測量。
1.2.2 遠距離測量
睡眠呼吸活動會產生各種動態信號，例如呼吸氣流、胸腹運動、血管搏動等，對空間中的物質產生擾動，因此用一組特殊信號的發射器和接收器，就可以得到呼吸信號。
深度攝像機可以用來跟蹤胸腹起伏運動。Sun等[25]利用形態學方法提取深度圖像骨架，從而估計呼吸區域，在多種場景下都能有效提取呼吸頻率。Rehouma等[26]將深度攝像機應用到兒科重癥監護病房，建立嬰兒身體的三維表面模型，通過分析連續幀之間的表面體積變化來跟蹤呼吸活動，能夠估計嬰兒呼吸的潮氣量、RR和每分鐘的通氣量。然而視頻數據具有隱私泄露風險，并且算法復雜度更高。
聲音具有多普勒效應，Wang等[27]用商用超聲播放器和麥克風構成一組聲學雷達，探測湍流樣的呼吸氣流，用功率譜密度估計RR，可以準確識別SA和呼吸不足事件。
以近紅外（near infrared，NIR）和遠紅外（far infrared，FIR）為代表的紅外傳感技術，常用來感知運動和溫度。van Gastel等[28]用NIR技術實現遠程睡眠PPG監測，能夠準確估計RR。Deng等[29]將NIR攝像機和深度攝像機結合，同時探測呼吸、頭部姿勢和身體姿勢，從而區分睡眠中的正常換氣、過度換氣和身體運動。Scebba等[30]用NIR攝像機測量胸腹運動，同時用FIR攝像機測量胸腹運動和鼻孔熱氣流，然后基于多光譜算法融合NIR信號和FIR信號的特征，改善RR測量效果，并提升OSA和CSA的檢測準確率，證明了多傳感技術結合的優異性。
無線電雷達可用來物體偵測和定距，例如高度商業化的無線局域網（Wi-Fi）已廣泛用于室內的運動傳感。胸腹運動會改變Wi-Fi傳播路徑，Zhang等[31]同時考慮了靜態和動態的傳播路徑，即使設備與人體相距10 m或有墻體阻擋，仍可以測量RR。除Wi-Fi外，Yang等[32]將C波段無線電構成雷達系統，并鋪設電磁波吸收材料來減少多徑傳播的干擾，用峰值檢測處理方法估計RR和檢測SA。Hung等[33]則用脈沖式超寬帶雷達以較高的精度來測量精細運動，從頻域上能夠準確提取RR。多人的呼吸測量也可用無線電實現，比如單轉換步進頻率連續波、單頻連續波和Wi-Fi，有望應用到多人的睡眠呼吸監護任務中[34-36]。
2 討論
2.1 新型傳感技術在SRBD家庭監護的應用優勢和難點
目前針對家庭SRBD監護的可穿戴和無約束設備有各自的優勢和難點，通過結合人工智能算法，可以豐富智能傳感設備在健康監測及健康管理等方面的應用價值。
第一，可穿戴設備簡單、便攜，但舒適度和續航能力有待提升，體現在：① 舒適度和信號質量的平衡：通常可穿戴設備需要將設備固定在身體上，以此保證采集信號的質量，故佩戴方式不夠舒適[3-4, 10, 12]。如果佩戴過松，則容易發生傳感器的脫落和偏移，引入噪聲[2, 4, 10]。將柔性傳感材料融入衣物等常規物品中，是一種有效的解決方案[5-9]。除此之外，也可以改變佩戴方式，提升舒適度[11]。② 續航能力和便攜性的平衡：電池的重量會降低便攜性，在新型能源出現前，只能盡可能降低系統功耗。在保證醫療價值的前提下，減少算法本身的復雜度，或降低無線通訊的數據傳輸量是有效的解決方案[13]。
第二，無約束設備隱蔽、舒適，但分析算法復雜，研發成本高，體現在：① 床墊采集的呼吸信號容易淹沒在噪聲中，導致信號源分離比較困難[20-24]。使用個性化算法，能有效提升測量性能[21-22]。另外，用于制作床墊的特殊傳感材料的成本也比較高。② 攝像機監測存在隱私泄露、身體遮擋等問題，導致測量失效[26, 28]。多傳感技術的融合可以一定程度上改善遮擋問題[29-30]。但多傳感系統的硬件成本更高，分析算法更復雜，并不適合家庭使用，反而可用于一些特殊醫療場所[26]。③ 無線電具有良好的私密性，但難以解決身體遮擋問題[31-33]。同時，新型射頻技術的研發依賴昂貴的收發設備[32-33]。但是基于商用無線電的研究方向仍具有一定潛力，需要進一步提升數據處理算法[31]。
第三，在硬件系統中配備合適的算法，可以充分發揮智能傳感設備的醫療診斷價值。許多以傳感材料研發為主的研究中，目前僅完成了波形形態分析和呼吸率測量，而缺乏配套的自動SA檢測算法，應用層面的探索略顯不足，還需要后續跟進[3, 5, 7, 8, 10-12, 20, 22-24, 26, 28, 31]。部分研究簡單用峰值檢測方法，對設備測量呼吸和檢測SA的能力進行初步驗證[32-33]。也有研究更進一步，先提取信號特征，然后用機器學習劃分正常和異常呼吸，但特征選擇需要一定的專業知識[6, 13, 21, 30]。深度學習能夠自動提取特征，但對數據量的要求很高，并且解釋性下降[4, 16-18]。無監督、半監督學習方法可以削弱對標簽的依賴性[19]。這些分析方法的表現各有不同，應當根據設備采集的信號特點，選擇合適的算法。另外，多傳感器、多模態的數據融合也很重要，能夠有效提高抗噪能力[14, 23, 29-30]。此外，算法復雜度與設備的實時性和續航能力密切相關，值得深入研究[13, 17]。
2.2 新型家用SRBD監護研究的商業化潛力
目前對于新型傳感技術在家庭SRBD監護的應用，仍處于實驗室研發階段，距離真正投入市場，還有很多路要走。前文已詳細綜述了近些年的科研成果，本節將介紹現有的商業化睡眠監護產品，闡明新型家用SRBD監護設備的定位，從而展望未來可能的科研方向和商業化路線。
現有的商業化睡眠監護產品包括傳統的PSG儀器、便攜式PSG儀器和簡化版PSG儀器。傳統的PSG設備以Embla NDx（Natus Medical Inc.，美國）、Grael 4K（Compumedics Ltd.，美國）為代表，可支持全面的睡眠生理信號監測，并不斷迭代升級自動分析算法，在臨床和科研領域已有廣泛的應用。然而傳統的PSG設備無法隨意移動，并且需要專業人士全程參與；為了擴大受眾面，由此出現了便攜式的PSG設備。目前已經有了許多成熟的產品，例如Embletta MPR（Natus Medical Inc.，美國）、Somté（Compumedics Ltd.，美國）等，這類設備精度略低于傳統PSG設備，但仍能滿足公認的睡眠測量要求。但是便攜式PSG設備仍含有大量采集電極，相應的配置也較為復雜。為了進一步提高設備的便攜性和舒適性，出現了簡化版的PSG設備。這種設備充分精簡了測量目標，著重解決特定的睡眠測量任務。例如針對SAHS診斷的HSAT設備，至少同時測量呼吸氣流、呼吸運動、心律和血氧飽和度這4種參數。目前也有一些睡眠呼吸篩查式的便攜PSG設備，例如Nox T3s（Nox Medical Co.，美國）、NPSG-B（上海諾城電氣股份有限公司，中國）等，在診斷SRBD中發揮了重要作用，但精度不可避免地低于傳統PSG設備。本文所綜述的新型SRBD監護設備，并不局限于美國睡眠醫學學會所劃分的簡化版PSG，而是涵蓋了使用全新的傳感測量方式的可用于SRBD監護的一類設備，充分考慮了居家環境中對環境私密性、監測舒適性、使用便捷性的需求，將健康監護真正融入日常生活。
這類新型監護設備的測量精度存在一定程度的下降，但是使用體驗、性價比都能得到顯著提升，這種提升對于家用產品來說極具商業競爭力。尤其是對一些特殊群體而言，例如中老年、嬰幼兒，在居家環境中監測睡眠呼吸，可以避免出現緊張情緒，反映更真實的健康狀態，并且舒適的測量方式也不會干擾自然睡眠，適合長期使用。美國醫學學會指出，日常化的家用睡眠呼吸監測設備，可以作為醫院診斷的輔助。當患者出現不明原因的嗜睡和疲勞時，可以先在家中自行觀察夜間有無出現呼吸障礙癥狀，如有異常再到醫院進行精確檢查，并保持日常健康觀察習慣，這種家庭和醫院相結合的方式，能提高診斷效率，合理分配醫療資源[1]。基于新型傳感技術的更加輕量、舒適的家用SRBD監護儀，剛好可以滿足這種日常的家庭監護需求。除了SRBD本身外，家用SRBD監護設備在其他慢性病、流行病等的預防和治療上還有很多潛在應用，值得進一步挖掘。有研究指出OSA與新冠肺炎患者病情惡化具有相關性，也有研究表明及時治療OSA有望改善阿茲海默癥的癥狀[37-39]。未來，可以增加相應的自動分析算法，從應用層面豐富設備功能，提高商業化價值。
3 總結與展望
可穿戴型設備、無約束型設備是SRBD家庭監護的兩大主流研究方向。可穿戴型設備具有輕巧便攜的優勢，以直接或間接的方式測量呼吸，而無約束型設備更加隱蔽舒適，以近距離或遠距離的形式測量呼吸，滿足不同人群的家庭睡眠呼吸監護需求。目前相關領域研究主要集中于新型傳感技術搭建而成全新的測量系統，并驗證其測量性能，系統設計需要貼合傳感技術的特點，與傳感技術同步迭代革新。在開發硬件系統的同時，配套算法也應受到重視，以保證新型設備的準確性和穩定性，同時探索在各類SRBD及其它慢性疾病的應用。現有研究大部分只開展了實驗室內的小規模測試，缺乏大批量、長時間的臨床數據驗證。此外，現有設備涵蓋的監測信號種類不同、監測方式不一、驗證指標存在差異，迫切需要建立公認的跨設備評價標準。同時，還需要進一步細化設備的使用條件、適用人群等，明確設備在相關SRBD初篩、評估、診斷、預后等不同情況下的使用規范等。綜上所述，未來可以在改進硬件系統、提升軟件算法、增加臨床試驗、豐富應用場景、完善行業標準等方向開展研究，為家庭睡眠監護提供舒適、便捷的解決方案。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：吳詠霖負責資料收集、文章撰寫、文章修改；陳晨、陳煒和韓芳對文章框架和主題提供了指導性的意見，并負責文章修改。
引言
睡眠期間的呼吸活動，與睡眠質量息息相關。睡眠期間發生的異常呼吸，諸如打鼾、睡眠呼吸暫停（sleep apnea，SA）、睡眠低通氣（sleep hypopnea，SH）等，都會導致睡眠紊亂、降低睡眠質量，長此以往還會損傷心血管健康，甚至誘發精神疾病，大大增加了全因死亡率[1]。在各類睡眠呼吸障礙（sleep-related breathing disorders，SRBD）中，最具有代表性的是睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（sleep apnea-hypopnea syndrome，SAHS），主要癥狀為SA和SH。SA按照發病機制可分為阻塞性SA（obstructive SA，OSA）、中樞性SA（central SA，CSA）和混合性SA（mixed SA，MSA）。其中OSA最為常見，在男性肥胖群體中高發，而患者普遍對病情缺乏認識[1]。本文主要關注的SRBD為SAHS。
目前，基于多導睡眠圖（polysomnography，PSG）技術的儀器是診斷SAHS的金標準設備。PSG設備可以全面采集睡眠期間的生理信號，包括心電（electrocardiograph，ECG）信號、口鼻氣流、胸腹運動等。以SAHS的診斷為例，通常需要在醫院用PSG設備監測整夜睡眠，然后計算呼吸暫停低通氣指數（apnea hypopnea index，AHI），從而實現疾病的量化評估[1]。然而，PSG設備的價格高昂，配套的傳感配件繁多，需要專員操作，所以通常只在醫院、睡眠實驗中心等專業場所中使用，很難在居家環境中普及。而SRBD往往是慢性、長期、不易察覺的，家庭監護的缺乏，是SAHS發病率高，但檢出率低、就診率低的主要原因。
近幾年，新冠肺炎也給SRBD監護帶來了新的挑戰。由于存在氣溶膠和接觸傳播風險，各大醫院均暫停了PSG監測，限制了SRBD的治療和診斷，也加速了對居家環境下的新型SRBD監護設備的探索。本文所提及的新型SRBD監護設備指可以通過舒適、便攜的方式，可在居家環境下實現SRBD的初步篩查、就醫提醒、預后評估等一類設備，但不局限于美國睡眠醫學學會所分級的3型家庭SA監測設備（home SA test，HSAT）。HSAT主要是指包含至少2個呼吸參數、1個心臟參數以及血氧飽和度共4個參數的設備，可用于輔助臨床評估OSA。而居家SRBD設備對于測量所涵蓋的信號種類、測量方式、測量精度等并不做具體要求。但是，SRBD設備會綜合考慮居家環境下的具體要求，如環境私密性、監測舒適性、使用便捷性等問題。針對居家環境中的SRBD監護問題，近年來也有不少相關的前沿研究。
本文歸納總結了近5年來發表的關于SRBD家庭監護設備的高水平文章，橫向對比了不同的新型傳感技術應用于SRBD家庭監護的優勢和局限性，旨在闡明未來的研究方向和商業化方向。SRBD家庭監護的系統設計需要充分考慮新型傳感技術的特點，同時盡可能滿足居家環境下的使用需求。近年來，主流的系統設計路線可被劃分為可穿戴型和無約束型兩類。在第1章中，本文全面總結了兩類設備的前沿研究成果，主要涵蓋了傳感原理、測量性能、處理算法和算法性能。在第2章中，首先討論了各類新型SRBD家庭監護設備的優勢和劣勢，并從硬件、軟件和臨床試驗等多個角度出發，探討未來的研究重點和研究方向，幫助科研工作者快速了解領域全貌；與此同時，本文還分析了SRBD家庭監護設備的商業化價值，通過對比現有的商業化睡眠監護產品，探討SRBD家庭監護設備的市場空間和產品定位，推動科研成果的轉化落地。最后，在第3章中對基于新型傳感技術的SRBD家庭監護設備做出了總結和展望。
1 研究現狀
針對居家環境中的SRBD監護問題，近年來科研的核心思路是：改良信號采集方式，以及提高配套軟件性能。研究人員們將最新傳感技術創新地用于呼吸測量任務，通過采集與呼吸具有關聯性的各類生理信號，直接或間接地感知呼吸節律，從中發現異常呼吸事件。基本目標為在保證醫療價值的前提下，最大程度地改善設備的使用體驗，讓SRBD健康監護能夠自然地融入生活。在信號采集的探索研究中，目前的系統設計路線有以下兩種：第一，將傳感器融入可穿戴配件中，實現靈活、便攜的呼吸測量；第二，將傳感器融入臥室環境中，避免了對人體的約束，實現舒適、隱蔽的呼吸測量。此外，配合硬件采集系統的信號處理算法研究也十分重要。配套算法需要根據系統的傳感原理，針對特定信號，提取基本呼吸參數，并進一步實現異常呼吸的自動檢測，不斷優化算法的檢測精度和運行效率。這些軟硬件的研究相輔相成，全面展示了新型SRBD測量設備的實際應用價值，未來有望投入生產，真正改善人們的生活。如圖1所示，本文將近年來新型SRBD監護設備的研究方向分為可穿戴型和無約束型兩大類，后文將按照類別，對各項技術的研究成果依次展開論述。
圖1
基于新型傳感技術的家用SRBD監護設備的主要研究方向分類圖
Figure1.
Main research topics of home SRBD monitors based on novel sensing technology
1.1 可穿戴型
隨著電子產品的集成度提高，可穿戴化是健康監測設備的重要發展方向之一。近幾年可穿戴SRBD監護設備有了許多進展，如表1所示，這些設備都非常簡單便攜。其測量原理一是直接感知呼吸節律，例如測量口鼻氣流的熱量、記錄胸腹呼吸運動，從而估計呼吸活動的周期性；二是間接獲取呼吸節律，基于呼吸對其他生理信號的調制作用，例如脈搏、ECG信號等，提取與呼吸節律相關的衍生型呼吸信號[2]。
表1
新型可穿戴型家用SRBD監護設備所用的傳感技術及測量性能
Table1.
Sensing technologies and measuring performance of novel wearable home SRBD monitors
1.1.1 直接測量
口鼻氣流直接反映了呼吸狀態。Zhang等[3]制作了一款適合睡眠使用的柔性鼻腔熱傳感器，由于鼻腔內氣流集中、環境穩定，因此呼吸的細微變化也能被檢測到。
測量胸腹部的體積變化，可以直接得到呼吸波形。van Steenkiste等[4]用可穿戴生物電阻抗儀來測量胸阻抗，并用長短期記憶網絡劃分OSA、CSA和SH。但傳統的傳感器通常堅硬沉重、透氣性差，因此智能紡織品備受關注。Lo Presti等[5]將光纖布拉格光柵聚合物制作成應力傳感綁帶，從胸腹運動中估算呼吸率（respiratory rate，RR）。Lin等[6]則比較了呼吸綁帶的測量部位，構建自適應非諧波模型提取胸、腹部數據特征，用支持向量機（support vector machine，SVM）劃分OSA、CSA和正常呼吸，證明結合胸腹數據的監測效果更好。柔性傳感器也可以制作成衣物，穿戴更加舒適。導電紗線經過編織后，對細微壓力變化高度敏感，Fan等[7]在衣服的胸部和腕部織入導電紗線，同時測量呼吸波和脈搏波，為診斷SAHS提供更多信息。Roudjane等[8]在短袖的胸腹部位編入6個對形變敏感的螺旋光纖傳感器，可以得到呼吸時間、呼吸周期和RR等參數，并檢測SA事件。
1.1.2 間接測量
脈搏波的幅度、傳導時間等特征，都可用來評估SAHS[7, 9]。Meng等[9]用聚酯—金屬混合纖維編織成脈搏波傳感腕帶，即使脈搏微弱或發生肢體運動，也可以準確測量脈搏，并進一步評估SA。光電容積描記法（photoplethysmography，PPG）是一種高度商業化的脈搏傳感技術。Singh等[10]將PPG傳感器貼在胸骨上，此處的血流響應速度比指尖更快，但容易脫落而導致誤差。Nabavi等[11]在用于治療OSA的下頜前移裝置中增加了PPG傳感器、溫度計和加速度計，可以同時檢測心率、RR、血氧飽和度和睡姿，讓患者可以在治療的同時跟蹤療效，提升了舒適度。
呼吸對ECG信號具有調制作用，可以從ECG信號中提取ECG衍生呼吸（ECG derived respiration，EDR）信號。Lazaro等[12]設計了一款可以測量ECG信號的臂帶，共有三個信號通道，然后通過分析呼吸對QRS復合波斜率和R波角度的調制作用來估計RR。持續工作能力是可穿戴設備的重要評價指標，Surrel等[13]從ECG信號和EDR信號中提取特征，然后用低復雜度的異常值去除算法和SA時域評分法檢測OSA，可以在可穿戴ECG信號測量設備上連續工作46 d。結合ECG傳感器與運動傳感器，可以用身體活動推斷更豐富的呼吸參數[14]。即使在ECG信號中出現了房顫等異常心律，也可以準確提取EDR信號，并估計RR[15]，拓寬了適用人群范圍。
相比貼片電極，可穿戴設備采集的脈搏波和ECG信號中含有更多噪聲，但仍能輕松提取心跳間隔（RR interval，RRI）信號[2]。近年來，有一些研究使用深度學習實現了基于RRI信號的SA檢測，為可穿戴設備提供算法支持。Shen等[16]使用多尺度擴展注意力網絡提取RRI信號特征，并優化具有時間依賴性的加權損失函數，緩解了SA事件數量少于正常呼吸的不平衡現象。Ye等[17]用多尺度頻率擴展網絡提取RRI信號特征，在數據缺失的情況下也能準確檢測OSA，符合可穿戴數據特點，并降低了算法功耗。Faust等[18]先用三階高斯過程進行帶通濾波，再用長短期記憶網絡提取RRI信號特征，有效提高了分類精度。然而這些算法依賴數據標簽，而無監督學習可以改善這種情況[19]。另外，深度學習需要大量數據，所以這些研究只使用了公開數據集，未來還需要在可穿戴設備上進行臨床測試。
1.2 無約束型
無約束型設備與可穿戴設備最大的區別在于使用者不需要和設備直接接觸。這類系統有兩種設計方案，如表2所示，一種與床上用品融合，另一種放置在床鋪周圍，無論是近距離還是遠距離測量，都避免了設備對肢體的束縛，具有舒適、無感的優勢。
表2
新型無約束型家用SRBD監護設備所用的傳感技術及測量性能
Table2.
Sensing technologies and measuring performance of novel unconstrained home SRBD monitors
1.2.1 近距離測量
隨著材料科學發展，耐用、柔軟的傳感材料帶來了床上呼吸感知設備的革新，主要以床墊的形式，從近距離采集睡眠生理信號，對睡姿、衣著和遮蓋的限制更小，具有優勢。
人體胸腹起伏對床鋪的壓力會產生變化，用壓敏材料可以感知胸腹運動。Park等[20]將聚氯乙烯薄膜壓力傳感器放在胸部下方，能精準檢測低頻、平穩的呼吸。Azimi等[21]基于一款由72個光纖壓力傳感器制成的床墊，用患者第一周的數據調整模型參數，實現了個性化、長時間的CSA監測。Matar等[22]則提出了一種姿勢自適應算法，按照不同睡姿的壓力分布差異重建呼吸信號，提高了壓敏床墊的性能。
床墊測量心沖擊信號和心臟生理信號時，會受到呼吸調制。Zhou等[23]將導電紗線編織成床單，包含60個均勻分布的傳感單元和1個位于胸部的傳感單元，可以準確測量心沖擊信號，再用濾波器分離得到呼吸信號，從波形上可以觀察到SA現象，結合睡姿判斷就可實現SA的自動報警，并提醒更換睡姿。Peng等[24]設計了一款電容耦合式的柔性ECG信號傳感床墊，用奇異譜分析提取EDR信號，實現了睡眠心肺參數的全面測量。
1.2.2 遠距離測量
睡眠呼吸活動會產生各種動態信號，例如呼吸氣流、胸腹運動、血管搏動等，對空間中的物質產生擾動，因此用一組特殊信號的發射器和接收器，就可以得到呼吸信號。
深度攝像機可以用來跟蹤胸腹起伏運動。Sun等[25]利用形態學方法提取深度圖像骨架，從而估計呼吸區域，在多種場景下都能有效提取呼吸頻率。Rehouma等[26]將深度攝像機應用到兒科重癥監護病房，建立嬰兒身體的三維表面模型，通過分析連續幀之間的表面體積變化來跟蹤呼吸活動，能夠估計嬰兒呼吸的潮氣量、RR和每分鐘的通氣量。然而視頻數據具有隱私泄露風險，并且算法復雜度更高。
聲音具有多普勒效應，Wang等[27]用商用超聲播放器和麥克風構成一組聲學雷達，探測湍流樣的呼吸氣流，用功率譜密度估計RR，可以準確識別SA和呼吸不足事件。
以近紅外（near infrared，NIR）和遠紅外（far infrared，FIR）為代表的紅外傳感技術，常用來感知運動和溫度。van Gastel等[28]用NIR技術實現遠程睡眠PPG監測，能夠準確估計RR。Deng等[29]將NIR攝像機和深度攝像機結合，同時探測呼吸、頭部姿勢和身體姿勢，從而區分睡眠中的正常換氣、過度換氣和身體運動。Scebba等[30]用NIR攝像機測量胸腹運動，同時用FIR攝像機測量胸腹運動和鼻孔熱氣流，然后基于多光譜算法融合NIR信號和FIR信號的特征，改善RR測量效果，并提升OSA和CSA的檢測準確率，證明了多傳感技術結合的優異性。
無線電雷達可用來物體偵測和定距，例如高度商業化的無線局域網（Wi-Fi）已廣泛用于室內的運動傳感。胸腹運動會改變Wi-Fi傳播路徑，Zhang等[31]同時考慮了靜態和動態的傳播路徑，即使設備與人體相距10 m或有墻體阻擋，仍可以測量RR。除Wi-Fi外，Yang等[32]將C波段無線電構成雷達系統，并鋪設電磁波吸收材料來減少多徑傳播的干擾，用峰值檢測處理方法估計RR和檢測SA。Hung等[33]則用脈沖式超寬帶雷達以較高的精度來測量精細運動，從頻域上能夠準確提取RR。多人的呼吸測量也可用無線電實現，比如單轉換步進頻率連續波、單頻連續波和Wi-Fi，有望應用到多人的睡眠呼吸監護任務中[34-36]。
2 討論
2.1 新型傳感技術在SRBD家庭監護的應用優勢和難點
目前針對家庭SRBD監護的可穿戴和無約束設備有各自的優勢和難點，通過結合人工智能算法，可以豐富智能傳感設備在健康監測及健康管理等方面的應用價值。
第一，可穿戴設備簡單、便攜，但舒適度和續航能力有待提升，體現在：① 舒適度和信號質量的平衡：通常可穿戴設備需要將設備固定在身體上，以此保證采集信號的質量，故佩戴方式不夠舒適[3-4, 10, 12]。如果佩戴過松，則容易發生傳感器的脫落和偏移，引入噪聲[2, 4, 10]。將柔性傳感材料融入衣物等常規物品中，是一種有效的解決方案[5-9]。除此之外，也可以改變佩戴方式，提升舒適度[11]。② 續航能力和便攜性的平衡：電池的重量會降低便攜性，在新型能源出現前，只能盡可能降低系統功耗。在保證醫療價值的前提下，減少算法本身的復雜度，或降低無線通訊的數據傳輸量是有效的解決方案[13]。
第二，無約束設備隱蔽、舒適，但分析算法復雜，研發成本高，體現在：① 床墊采集的呼吸信號容易淹沒在噪聲中，導致信號源分離比較困難[20-24]。使用個性化算法，能有效提升測量性能[21-22]。另外，用于制作床墊的特殊傳感材料的成本也比較高。② 攝像機監測存在隱私泄露、身體遮擋等問題，導致測量失效[26, 28]。多傳感技術的融合可以一定程度上改善遮擋問題[29-30]。但多傳感系統的硬件成本更高，分析算法更復雜，并不適合家庭使用，反而可用于一些特殊醫療場所[26]。③ 無線電具有良好的私密性，但難以解決身體遮擋問題[31-33]。同時，新型射頻技術的研發依賴昂貴的收發設備[32-33]。但是基于商用無線電的研究方向仍具有一定潛力，需要進一步提升數據處理算法[31]。
第三，在硬件系統中配備合適的算法，可以充分發揮智能傳感設備的醫療診斷價值。許多以傳感材料研發為主的研究中，目前僅完成了波形形態分析和呼吸率測量，而缺乏配套的自動SA檢測算法，應用層面的探索略顯不足，還需要后續跟進[3, 5, 7, 8, 10-12, 20, 22-24, 26, 28, 31]。部分研究簡單用峰值檢測方法，對設備測量呼吸和檢測SA的能力進行初步驗證[32-33]。也有研究更進一步，先提取信號特征，然后用機器學習劃分正常和異常呼吸，但特征選擇需要一定的專業知識[6, 13, 21, 30]。深度學習能夠自動提取特征，但對數據量的要求很高，并且解釋性下降[4, 16-18]。無監督、半監督學習方法可以削弱對標簽的依賴性[19]。這些分析方法的表現各有不同，應當根據設備采集的信號特點，選擇合適的算法。另外，多傳感器、多模態的數據融合也很重要，能夠有效提高抗噪能力[14, 23, 29-30]。此外，算法復雜度與設備的實時性和續航能力密切相關，值得深入研究[13, 17]。
2.2 新型家用SRBD監護研究的商業化潛力
目前對于新型傳感技術在家庭SRBD監護的應用，仍處于實驗室研發階段，距離真正投入市場，還有很多路要走。前文已詳細綜述了近些年的科研成果，本節將介紹現有的商業化睡眠監護產品，闡明新型家用SRBD監護設備的定位，從而展望未來可能的科研方向和商業化路線。
現有的商業化睡眠監護產品包括傳統的PSG儀器、便攜式PSG儀器和簡化版PSG儀器。傳統的PSG設備以Embla NDx（Natus Medical Inc.，美國）、Grael 4K（Compumedics Ltd.，美國）為代表，可支持全面的睡眠生理信號監測，并不斷迭代升級自動分析算法，在臨床和科研領域已有廣泛的應用。然而傳統的PSG設備無法隨意移動，并且需要專業人士全程參與；為了擴大受眾面，由此出現了便攜式的PSG設備。目前已經有了許多成熟的產品，例如Embletta MPR（Natus Medical Inc.，美國）、Somté（Compumedics Ltd.，美國）等，這類設備精度略低于傳統PSG設備，但仍能滿足公認的睡眠測量要求。但是便攜式PSG設備仍含有大量采集電極，相應的配置也較為復雜。為了進一步提高設備的便攜性和舒適性，出現了簡化版的PSG設備。這種設備充分精簡了測量目標，著重解決特定的睡眠測量任務。例如針對SAHS診斷的HSAT設備，至少同時測量呼吸氣流、呼吸運動、心律和血氧飽和度這4種參數。目前也有一些睡眠呼吸篩查式的便攜PSG設備，例如Nox T3s（Nox Medical Co.，美國）、NPSG-B（上海諾城電氣股份有限公司，中國）等，在診斷SRBD中發揮了重要作用，但精度不可避免地低于傳統PSG設備。本文所綜述的新型SRBD監護設備，并不局限于美國睡眠醫學學會所劃分的簡化版PSG，而是涵蓋了使用全新的傳感測量方式的可用于SRBD監護的一類設備，充分考慮了居家環境中對環境私密性、監測舒適性、使用便捷性的需求，將健康監護真正融入日常生活。
這類新型監護設備的測量精度存在一定程度的下降，但是使用體驗、性價比都能得到顯著提升，這種提升對于家用產品來說極具商業競爭力。尤其是對一些特殊群體而言，例如中老年、嬰幼兒，在居家環境中監測睡眠呼吸，可以避免出現緊張情緒，反映更真實的健康狀態，并且舒適的測量方式也不會干擾自然睡眠，適合長期使用。美國醫學學會指出，日常化的家用睡眠呼吸監測設備，可以作為醫院診斷的輔助。當患者出現不明原因的嗜睡和疲勞時，可以先在家中自行觀察夜間有無出現呼吸障礙癥狀，如有異常再到醫院進行精確檢查，并保持日常健康觀察習慣，這種家庭和醫院相結合的方式，能提高診斷效率，合理分配醫療資源[1]。基于新型傳感技術的更加輕量、舒適的家用SRBD監護儀，剛好可以滿足這種日常的家庭監護需求。除了SRBD本身外，家用SRBD監護設備在其他慢性病、流行病等的預防和治療上還有很多潛在應用，值得進一步挖掘。有研究指出OSA與新冠肺炎患者病情惡化具有相關性，也有研究表明及時治療OSA有望改善阿茲海默癥的癥狀[37-39]。未來，可以增加相應的自動分析算法，從應用層面豐富設備功能，提高商業化價值。
3 總結與展望
可穿戴型設備、無約束型設備是SRBD家庭監護的兩大主流研究方向。可穿戴型設備具有輕巧便攜的優勢，以直接或間接的方式測量呼吸，而無約束型設備更加隱蔽舒適，以近距離或遠距離的形式測量呼吸，滿足不同人群的家庭睡眠呼吸監護需求。目前相關領域研究主要集中于新型傳感技術搭建而成全新的測量系統，并驗證其測量性能，系統設計需要貼合傳感技術的特點，與傳感技術同步迭代革新。在開發硬件系統的同時，配套算法也應受到重視，以保證新型設備的準確性和穩定性，同時探索在各類SRBD及其它慢性疾病的應用。現有研究大部分只開展了實驗室內的小規模測試，缺乏大批量、長時間的臨床數據驗證。此外，現有設備涵蓋的監測信號種類不同、監測方式不一、驗證指標存在差異，迫切需要建立公認的跨設備評價標準。同時，還需要進一步細化設備的使用條件、適用人群等，明確設備在相關SRBD初篩、評估、診斷、預后等不同情況下的使用規范等。綜上所述，未來可以在改進硬件系統、提升軟件算法、增加臨床試驗、豐富應用場景、完善行業標準等方向開展研究，為家庭睡眠監護提供舒適、便捷的解決方案。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：吳詠霖負責資料收集、文章撰寫、文章修改；陳晨、陳煒和韓芳對文章框架和主題提供了指導性的意見，并負責文章修改。
