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多参数信息融合实现非脑电的睡眠结构分期


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2 卷 3 期  5
20 0 6年 6月  

中 国  生  物  医  



工  程  学

报 

Vo . 5 12 

No.  3

C i s Ju a   i ei l n i en  hn e or lfBo d a  gn r g e  n o m c E e i

Jn   2 o  ue o6

多参数 信 息 融合 实现 非脑 电 的睡 眠 结构 分 期 
杨 军     俞梦孙 王宏山 张宏金      赵显亮  
( 军 航 空 医学 研 究 所 , 京  103 ) 空 北 00 6 



要 :目前 临 床 睡 眠 分 析 的 主 要 手 段 是 多 导 睡 眠 图 (o sm or h S , 仪 器 记 录 被 测 者 整 晚 的 脑 电 、 动  Pl o nga ,PG) 用 y p 眼

电和 颏 肌 电等 生 理 参 数 , 算 机 进 行 自动 睡 眠 分 期 , 由技 术 人 员 依 据 国 际 标 准 进 行 校 正 。 几 十 年 来 PG 保 持 着  计 再 S

睡眠分期金标准 的地位 。提 出在不使 用脑 电的条件下 , 利用较 易获得 的心 动周期 、 吸 、 动 等基本生 理参 数 , 呼 体 提 
取 其 中与 睡 眠过 程 及 其 变 化 有 关 的 规 律 和 信 息 , 立 知识 规 则 库 , 用 不 确 定 推 理 的 证 据 理 论 进 行 多 参 数 睡 眠 信  建 采 息 融 合 计 算 , 现 睡 眠 结 构 分 期 。5 例 与 PG 对 照试 验 结 果 表 明 : 睡 的 平均 符合 率 达 9 % 以上 , 本 睡 眠结 构  实 O余 S 醒 0 基

的平均符合率达 7 %以上 , 明该技术 达到了应 用的要求 。 5 证   关键词 :睡眠结构分期 ; 信息融合 ; 不确定推理 ; 证据理 论 

A  n EEG  p o c   o S e p An lssb   sng M u t- r me e  n o ma in No - Ap r a h t   le   a y i  y Fu i   l Pa a t r I f r to   i

YAN J n G  u  

YU  n - u   W ANG  n — h n ZHANG  n —i  Z Me g S n Ho g S a   Ho gJn HAO Xin La g   a — in  
(ntu   v tnM d i , ha iFr ,B i g 103 ) I it o ii   ein C i Ar oc ste fA a o ce n   e e n  006 

A s a t O jci : h rdt nl ehdo  epaci cueaayi b sdo  o sm orp y( S bt c : bet e T et io a m to f le rht tr nls  ae np l o n gah P G)c n is r v a i   s e s y o t n  a

e cmec p a ga ( E , lcr—c l rm ( O  ad eet myga E l t n e h1 rm E G) eet o u ga e o o o E G) n  lcr o rm( MG) ec 1 e n w a p ah o , t . 1   e   p r c  1 o
p p s d i t i p p r i f e f EE o r o e   n h s a e   s r  o   G a d t e   l crc l h so o ia  p r mee s w o e r a a v na e s e n  o h r ee t a p y il gc l a a t r , h s  g e t d a t g  i  i

ee piga y n e  fdrc  t c m n t te sbet eh d   a n d m t es i ue o  l ngtd t x m t  n  ed o  i ta ah e t o h  u jc.M t :A p t t   at s s sd fral ih  aa n e t    o ee r   —  
a q ii o c u st n.P r me e sa   e r b a n e v l e p r t n p ro   n   o y mo e n   r  e a e  o se p a h t c u e. i a a t r  s h a t e t t r a ,r s i i   e d a d b d   v me t e r lt d t   le   r i t r     i ao i a c e

T ru h mu t rsl t na ay i o eiso U? ih  e r b a  e o   n  e prt n p ro h g   l-eoui   n lss fs r  fa ng th a - e tp r d a d rs i i   e d.a p rmee ie  ue o i o   e t i a o i   aa trz d r l  b s setbih dt  i c   nee c   rc s .Se p a h tcu   n lss i raie  h u h f sn  nomain i  a ei  sa ls e  o dr ta ifr n e po e s le   r i tr a ay i s e l d t r g  u ig ifr t  n e c e e     z o o mut p rmee  sn   e se  vd n e c mbn t n te r Re ut T e meh d h s b e   etd o   0 o t l li aa tru ig D mp tr e ie c   o iai   h oy. — o s l: h   to   a   e n tse   n 5  c nr   o e p rme twi  P G eut s o t s, te a e se p on ie c rt i v r 0% , wa e NREMS REMS xe i n  t h S  rs l  a c nr t h  w k .le  c icd n e ae s a  o e 9 k. .   c icd n er t sl ̄e   n7 on ie c ae i a rt   5% .T e meh d i  u l id a  en   s fli  lnc la piain.   a h   to  sq aie   sb ig u eu nciia  p l to   f c Ke   r s:le   rhtcu e ifr t n fso y wo d se p ac i tr ; nomai  u in;u c ran ifrn e;e ie c  h o   e o n e i nee c t vd n e te r y

中图 分 类 号  R l  38

文 献 标 识 码  A  

文 章 编 号 05.0 120 )30 1.7 2882 (0 60 .350 

引 言 
传统 的 睡眠监 测分 析 的主要 手段 是 多导睡 眠 图  (o sm orp ,PG , Pl o ng h S )用仪 器记 录被 测者 整 晚 的脑  y a 电 、 动电和 颏肌 电等 生理参 数 , 眼 计算 机进 行 自动睡 
眠分期 , 由技术 人 员 依 据标 准 进行 校 正 。多 导 睡  再

本 研究 提 出一种 基 于心 动周 期 、 呼吸 波周 期 、 体 

动 指数 的 睡眠结 构分 析 方 法 , 索 了 睡 眠 分 析新 的  探 途 径 , 而 为无 电极 、 约束 的 自然状 态 下 的睡眠 检  从 无
测 仪器 奠定 了技 术基 础 。  

1 方 法 实 现   
本 方 法包括 知识 表 达 、 息 提取 、 眠结 构分 期  信 睡 和 推理 四大部 分 , 依据 的参 数 主要 为心 率 、 所 呼吸 率  和体 动 信 息 , 功 能 流 程 图见 图 1 由于 本 方 法 的  其 。

眠 图仪技术 在睡 眠医学 的发 生 发展 中发挥 了重要 的  作用 。随着 睡眠 临床 医 学 的迅 速发 展 , 这种 监 测 方  法给被 测者 带来 的约束 大大 局 限 了它 的应 用 。  
收 稿 日期 ;20.22 ,修 回 日期 :060 9  0 40.7 20 -42 。 *通 讯 作者 。 E m i m r a@s a cr   — a : ar l i .o   l o n n

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报 

2 5卷 

原理 允许 部分参 数数 据 和信 息存 在不 准确 和短 暂 缺 
失 的现象 存在 , 因而 具 有更 广泛 的适 用性 。  

通 过考 察 , 健康 人 整 晚 心 动周 期 的趋 势 图 概 括 为  将
以下 四种 :  
?

l等参 H关 l 一     篡    息甲 匾圃  动理 I   一 生数 相   】信
回亟 圈
图 1 睡眠分析功能流程 图    

平稳 型 ( 2上 图 ) 整 晚 N E 图 : R MS的 心 动 周 期 

水平 基本不 变 。如 周 期性 明显 , 初 步提 示 睡 眠 较  则
好;  
?

 

上升 型 ( 3 : R M 图 )N E S的心 动周期 水平 随着 睡 

1 1 睡 眠分期 知识 库 的建 立和 知识 表达  .

眠的 延 续 而 上 升 。 提 示 睡 眠 良好 , 其 间 没 有  且
2 r n以 上 的 醒 觉 : 0i a  
?

知 识 的运用贯 穿 整个 睡眠分 期过 程 是本 方法 实 

现功 能 的关 键 。在 深 入研究 大样 本 睡 眠数据 的基 础  上 , 计 了睡眠信 息 挖 掘 的参 数 ( 率 、 吸 率 和 体  设 心 呼
动 等 ) 标 以及数 据处 理方 法 , 义了用 以表 达 睡眠  指 定

弧线 型 : R MS的心 动 周 期 水 平 先 上 升 后 有  NE

所下 降 ; 在 弧 线 的顶 部 发 生 较 长 时 间 ( 0 i 存 2 mn以 
上) 的醒觉 的可能性 ;  
?

信 息 的属性 和量化 方 法 , 总结 出百 余 条 规 律 性 知识 
规 则 。这些 规则构 成 了推 理睡 眠结 构 的知 识库 。   本 系统 所运用 到 的领域 与经 验 知识 包括 : 1 健  () 康成 年 人 睡眠过程 的 规律 ;2 心 动周 期 心率 与睡 眠  () 时 相 的关 系 ;3 呼 吸率 与睡 眠时 相 的关 系 ;4 体 动  () ()
与睡眠 时 相的关 系 。  

其它 不规 则 型 。  

6。 二二 =  = 0 r=  二 二 二 O      = 0   0 m :  
11 2 睡眠 中呼 吸周期 的 变化  ..
睡眠 中 的呼 吸周期 有 以下 规律 :  

j  

1 0 20 0  0  3O   40   5 0 6O   7   8 0 9   1 0 0 0 0  0 00 0   00 00  

图 3 呈 上 升 型 的 整 晚心 动 周 期 趋 势 图 ( 据 13 — ) 数 10 1 

= 

甄 

10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0  0  0   0  0  0  70 0   80 90 10  0   0  00

瀚   睡期 呼吸 最为 平稳 , 规律可 靠 性较 高 ; 此  
() E 2 R MS呼 吸较 快且不 平 稳 ;  
3 0% 。  

() R M 1 N E S期 的 呼吸 率较 慢 和 平 稳 。尤 其 在 深 

醒盯  _II  __]  I — _■_ ■『F_ 璧    ■ _][ _ 舀  筐鹭 堂  =  西吾 _ 了
图 2 心 动 周 期 随 睡 眠 周 期 的 变 化 ( 据 13 ) 数 1 4 
横 坐 标 每 单 位 代 表 4s  8。
图 : 间 睡 眠结 构 图 。 夜  

() 3 随着 N E SR M R M / E S的更 替 而 起伏 变 化 。在  研究 的 5 0例 睡 眠 数 据 中 , 一 变 化 明 显 者 约 占  这

图 :夜 间 睡 眠 的 心 动 周 期 趋 势 。 下 

11 3 睡眠 中 的体动  ..


般 而 言 , 醒 时体 动 的幅 度 和频 度均 较 大 , 觉 而 

1 1 1 睡眠 中的心 动周 期 的变 化  ..

睡眠状 态 中 的体 动 , 有 翻 身 , 见 身 体 局 部 的动  偶 多 作 , 常较 为短 促 , 通 幅度较 小 , 生频度 低 。在 s 发 2期  和 R MS 体 动都 会发 生 。 E ,   体动 信息 对 于确定入 睡 时 间 、 晨醒 时 间 、 别深  辨

1 不 同睡眠 时相 心率 水平 的差 异  .
?

NE R MS比醒觉 时 心 率慢 1 0次 / ~3 分 0次/ ; 分  RM E S的 心 率 较 N E S快 ; 其 第 三 睡 眠 周  RM 尤 当R M E S的持 续 时问 大于 2 r n~3 rn时 , 0i 0i a a 心 

深 睡期 的 心率最低 且 平稳 。  
?

/ 睡 、 E S醒 都 有 所 帮 助 。 注 : 研 究 中 体 动 非  浅 RM/ 本

期 以后 的 R MS 率 升高 更为显 著 ; E 心  
?

特指 发生 于 身体某 一部 分 。关 于体动 发生 的持 续 时 
问 、 点( 特 如肢体 动 作 、 身 动 作 ) 与睡 眠 时 相 、 全 等 睡 

率 通常 不 会持续保 持 在 高 水 平 , 会 发 生 较 大 起 伏  而
的振荡 ( 周期 为 2 m n 右 )  0 i左 。 2 睡眠 时相转 换 时心动 周期 的 变化  .
?

眠相 关疾 病等 的关 系还 有待 深 入研究 与讨论 。  
1 2 证 据 理 论  .

上述 参数 中与 睡眠 相关 的 信息 具有 不确 定性 和 

在时 相转换 时 常会有 较 明显 的变 化 , 时 相 内 而  

不 完 全性 , 本方 法应 用证 据理 论 进行 信 息融合 。  
证 据理 论 是 一 种 处 理 不 确 定 性 的理 论 。设 U  

的心率 变化 相对幅 度 较小 , 持续时 间也较 短 。  
?

从 N E S进 入 R MS期 时 , 动 周 期 的 下 降  RM E 心

为 x所有 可 能取 值 的一个 论域 集 合 , 所有 在 U 内 且  
的元素 问是 互不 相 容 , 则称 U为 x的识别框 架 。   定义 1设 U 为 一 识 别 框 架 , 函 数 m: 一  则 2 [ ,] 0 1 在满 足下列 条件 

呈缓 坡状 , 在 6 i O i 约 a r n~lmn内降到 底部 ;  
?

由 N E S到 醒 觉 , 般 伴 随 心 动周 期 的 突 降  RM 一

(5 1s内 )  。

3 心 动周期 整晚 趋 势 图的形态 中的 睡眠信 息  .

图 2为一 例 心 动 周期 随睡 眠 时 相 的变 化 图 示 。  

() ( ) 0()>: A)=1 称 m( )   1m j = ;2 m( 6 时, A为

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3 期 

杨 军等 : 多参数信息融合实现非脑 电的睡 眠结构分期 

A的基 本概 率赋 值 。 m( 表 示 对命 题 A 的信 任 程  A)
度 和支持 度 。   定义 2 设 U为 一 识 别 框 架 , 2 一 [ , ] m: “ 0 1 是 

( rms =0. 0. ) ne ) 1( 9 

如 果前 件的 可 信 度 C F=0 8 则 重 新 分 配 基 本  .,
概 率为 :  
m( a e =0 2×0 8 . =0 14 w k) . . ×0 9 .4 
i(e s :0. n rm ) 7×0 8×0 9=0.0   . . 54

U上 的基本 概率 赋值 , 定义 函数 B L2 一 [ ,] E :  0 1 
B L A)= E(   m(   (      ), 称 该 函 vA c U 则  

数 是 U 上 的 信 任 函数 ( e e  nt n 。B L A) B lf u c o ) E ( 表  i f i
示对 A的 总信 任程度 。  

I ne ¥ =0 1 0 8 . l r ) . × . ×09=0 0 2 l m ( .7 

重新 计算 后 , k 、 E Wae R MS和 N E S的 基 本 概  RM
率 之 和为 0 7 , 于 1 I(w k , n ,rm } =1   .2 小 ,l {ae l sne s) — l e 07 =0 2 。m( w k ,e s ne s ) 为 睡 眠 三 个  .2 .8 { ae rm , r } 意 m

证据 理论 的一 个基本 策 略是 将证 据集 合划 分成 

2个或多 个 部 分 , 利用 它 们 分 别 对假 设 集 合 独 立  并
进 行判 断 , 后 用 D m s r 合规 则 将 它们 组 合 起  然 e pt 组 e
来  _  I。 6 设 m。 m 和  是 2  上 的 两个相 互独 立 的基本 概 

时相 任取 其 一的基 本 概率 , 反映 从 证据 P确定 睡 眠  结 构信 息 的“ 知道 ” 不 的程度 。如 某一 证 据对该 时 间 
段 不 知道 的程度 高 , 则对 确定 睡 眠状 态 的贡献 也小 ,   从 而实 现 证 据 、 则 的 不 确 定 性 在 推 理 过 程 中 的  规 传递。   14 从 多项 生理 参数 中挖 掘 睡眠 信 息  . 从 整 晚的生理 参 数 中提 取 睡 眠 信息 , 照 知识  仿 发现 的过程 , 分别 从 整 晚 趋 势 图 和 形 态 和 局 部 细 节  特征 两 方 面 提 炼 出 反 映 特 征 的 量 化 属 性 。 步 骤 
如下 :  

率 赋值 , 则组 合后 的基本 概率 赋值 计算 如 下 :  
设 B L 和 B   是 同 一 识 别 框 架 u上 的 基 于  E. E 不 同证据 的 两个 信 任 函 数 , E B L是合 并 证 据 后 得 到  的信任 函数 。如果 m. m:和 m 分 别 是 B L 、 E 2 、 E .B L  

和 B L的基本 概率 赋值 , e pt 组 合规 则表 示为 : E Dmsr e  
m( ) = k c  
^  

m.A) :  , 其 中 K = ( m(  
C  

( 一 ∑ m( )£ B ) , 和曰 1 . ,( )~ A 是从U A, : 的子集中  
An B;≠    

第 一 步 : 分睡 与醒/ E S 区 R M 。利 用 知识 : R MS NE  
睡眠 时的 心动/ 吸周期 长 ; 呼 醒觉 时 体 动 密集 且 持续  时间长 等 ;   第 二步: 区分 睡 眠 中 的 醒 觉 与 R M 。利 用 知  ES
识 : N E S向 R M 从 RM E S转 换 时 与 从 N E S中觉 醒  R M 时 的心 动 周 期 变 化 规 律 不 同 , E R MS睡 眠 时心 动 周 

选 出的且 交集 为 C的所 有 可能 的 子集 , K为不 一 致  因子 , 映证 据之 间 的冲突 。 反  
1 3 睡 眠 结构相 关知识 的 产生 式表 达与 知识 匹配  .

在 本方 法 中 , 体动 、 吸周 期 和 , 呼 t动周 期 中的 睡  L

眠信息 均被 看作是 推理 获得 睡 眠 图的证据 。信 息融 
合 汁算应 用 证据理 论 的 并 行 组 合 来 实 现 , 证 据 集  设
合 为 { 晚 的体动 信 息 , 晚 的 呼 吸周 期 , 晚 的心  整 整 整 动周 期 } 睡 眠 时 相 的 识 别 框 架 为 { 觉 , E S  , 醒 RM , N E S , 别分析 整 晚 的体 动 指 数 、 吸 周期 和心  R M }分 呼

期 的变化 与醒觉 时 的有 所不 同 ;   第 三步 : 找深 睡期 。利 用 知 识 : 睡期 心 率 、 寻 深  
呼吸慢 而 平稳 ;  

第 四步 : 正 , 校 结束 。   1 4 1 呼吸周期 与心 动周 期作 为证 据 的 比较  . .  呼吸 周期 随睡 眠 的变化 与心 动 周期 相 比有类 似 
的趋 势 。如 图 4示 。  
l 0 ms 2 0   6 0 s 0m  

动周期 , 页 (0 ) 以 3 s为单 位 , 知识 库 的指 导 下 , 在 计算 
睡眠 时相 的 基 本概 率 赋值 , 后根 据 D m s r 合  然 e pt 组 e 规 则 , 以 上 中间结果进 行 两 两组合 。 对   知识 以产生式 规 则表 示 。设 m( ae 、 (e s w k ) i ri ) n n  和 m(rm ) 别 为醒觉 、 E S和 N E ne s分 RM R MS的 基 本概  率, 在本 系统 中知识库 中的规 则均 以以 下方式 表述 :  
iP n  2 . a dP   e { w k ) m( i ) f 1 dP . . n  nt n m( ae , r n ,   a h es  

5 0 l 0  l 0   0 0 5 0 3 0  3 0  4 0  4 0  5 0   0   0 0 5 0 2 0  2 0   0 0 5 0 0 0 5 0 0 0

l: :: : : :: :    

  。

.  

  1

5 0 l 0  l 0   0 0 5 0 3 0  3 0  4 0  4 0  5 0   0   0 0 5 0 2 0  2 0   0 0 5 0 0 0 5 0 0 0

m(r ¥ }(   ne )  ) m

图 4 整 晚心 动 周 期 与 呼 吸 周 期 序 列 ( 据 z0 2 - 】  数 z 96 2 。 横 坐 标 每 单 位 代 表 1s 2 。上 图 为 心 动 周 期 

P 是 条件 , i 结论 为该 前 提 下 某 时 间 段 属 于 睡 眠 

各 时相 的概 率 。这 些 概 率 分 配 由主 观经 验 确 定 。  
描述该 规则 的可 靠 度 。用 可 信度 c F来 描 述 前 件 的  不确 定性 。规则 结论 的不 确 定性 测 度 计算 为 : F× C  


趋势图 ; 图为呼吸周期趋势 图。 下  

14 2 整 晚心动 和 呼吸周 期序 列 的 多分 辨分 析  .. 为 了建立 心动 周期 和呼 吸周期 与 睡 眠结构 之 间 

如对 于 以下规则 :  
i P te  m ( a e)= 0. ,m ( e )= 0. ,m f  h n   wk 2 rms 7  

的规 则关 系 , 要对 整晚 的数 据作 进 一步 的处理 , 需 以 

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2 5卷 

提 取 能够反 映睡 眠状 态 的信息 。基 于心动 周期 和 呼  吸周期 在 睡眠 中变化 的一 致 性 , 整 晚 的 心动 和 呼  对 吸周 期 序列作 类 似 的处 理 。   从 整 晚的心 动或 呼 吸周期 数 据 中提取 与 睡眠 结  构 相关 的信 息 , 一方 面 要考 察 高频 ( .5 z 04 z 0 1H 一 .H )  
变 化 的信 息 , 一方 面要 看整 体 的 动态 变化 。为 此 , 另  

m { a e m(e s } ( w k , r ) )=0 1 m( rl )=0 9 m . , ne s n .  
( .) 0 8 

心动/ 呼吸周 期 的平 稳 性 与 睡 眠 时相 的 关 系 用 

以帮 助判 别 N E R MS以及更 细 的深 睡浅 睡划 分 。   145 整 晚数 据 的分 段 处理  .. 整 晚 的参数 经 过 以上 分 析 处 理 , 据 各 多值 属  根
性被 分 成若 干 时 间段 。分 段 处 理 , 基 于对 睡 眠状  是 态具 有 局部 稳定 性 和连 续 性 的认 识 理 解 , 是 本方  也 法 睡 眠 结构 推理 一个 重要 原则 。   15 基 于证 据 理论 的多 源 睡眠信 息 融合  .
15 1 并 行结 构 的多信 息融 合  ..

采 用 基 于小波 变换 的 多 分 辨 分 析 方 法 , 以概 貌 信 号  作 为趋 势 图分析 整 晚 的变 化 , 以细 节 信 号 反 映 其 高 
频 信息 。选 用 紧 支 集 S M E Y L T小 波 , 别对 心 动 和  分

呼吸周 期 序 列作 05 z和 0 1 z的采 样 处 理 , 后  .H .H 然
作小 波变换 , 概貌 信号 A 、 4分 析 整夜 的变 化 趋  取 3A 势, 细节 信号 D 2和 D 3分析 心 动 周 期 的 高频 成 分 的 

分 别提 取各 项 参 数 中 的 睡 眠 结 构信 息 , 概率  用

波动性 , 以反映 其局 部 的平稳 性 。  
1 43 基 于整 晚 参 数 趋 势 图波 形 分 析 的 睡 眠 信 息  ..
提 取 

值表 示 , 知识 库指 导下 , 据证 据理 论将 证据 两两  在 根
进行并 行 组合 , 后 给 出 睡 眠结 构 分 期 的判 决 。图  最

5示 出 睡 眠 分 期 推 理 的 流 程 。 以下 用 同 一 例 数 据 
(z9 62 以图 例 的方 式 说 明信 息 融 合 的方 法 和过  z 2 .) 0 程, 基本 概 率分 配 均 以页( 0 ) 单位 。下 面 以呼 吸  3s为
波为 例 , 明融 合计 算方 法 。 说  

在 R MS和 醒 觉 时 , 会 有 显 著 的心 率 加 快 现  E 都 象 , 整 晚的趋 势 图进 行 波 形 分 析 的重 点 是 发 现 并  对

描述 各种 下 降波 。搜 索 概 貌 趋 势 图 A 3和 A 4中的 
下降 波 , 按下降 的 幅度 ( 由大到小 ) 和下 降的 谷底 (   由 低至 高 ) 进行排 序 , 出前 N个 认 为是 潜 在 的 R M   选 ES

整体指j 篓 夜动数    
夜呼吸 周期 

军  
应  用 
证 

或者 WA E段 。 K   用 多值逻 辑描 述 和量 化波形 特 征 。如 以 { 低 , 很  

较低 , 般 } 一 描述 下 降波 的谷底 高度 , { 以 很大 , 大 , 较  


根据趋势 图和高频  化分配睡 眠结构 的 
本概率 

据 
理 

般 } 述下降 幅 度 ; 分 析 所 选 下 降 波 的形 态 , 描 并 包 
夜心动 周 

括下 降 支的 时间 、 伏 的 时间长 度 、 底是否 有 较长  起 谷

的平 台 , 以及很 重 要 的时 间因素 , 即下 降波所 处 的 时 
间 , 精 确地说 是 所 在 的睡 眠 周 期 的序 数 。这 是 由 更   于相 关 知识 中有一 部 分是 包 含时 变 因素的 。  

根据趋势 图和高额 变  化分配睡 眠结构 的基 
本概率 

论  进  行  信  息  融  合 

睡  腚  结 

构 
图 

专家知识库 

将A 3和 A 4的信 息进 行综 合 分 析 , 到趋 势 图  找
中最 显 著的几 个下 降 波 , 相关 知 识 的规 则 前 件 以  将

图 5

睡 眠 分 期 推 理 结 构 图 

下 降支 长度 、 降 至 回升 的时 间宽 度 等属性 表达 , 下 将 

15 2 基于 呼 吸周期 的 睡眠 时相 基本 概率  ..
1 分别 计 算 基 于 呼 吸 周 期 平 稳 性 和趋 势 图 变  . 化 的 睡眠 时相 基本 概率  图 6为 整晚 呼吸 周 期 序列 的 多级 小 波 变 换 ,   以 A 3和 A 4反 映 整 晚 的幅 度 变 化 趋 势 , 析趋 势 图的  分

整个 趋 势 图以 { 高 , 高 , 很 较 中间值 , 低 , 低 } 较 很 描述 
幅值 并进 行分 段 。  

14 4 基 于心 动/ .. 呼吸 周期 平 稳 度 分析 的 睡眠 信 息 
提取 

分析 心动 和 呼 吸 周期 序 列 在 D 2和 D 3的 变 化 

下 降 波和 幅值 , 知识 匹配 , 到 整晚 的睡 眠时 相基  作 得
本 概率 图    ”。

幅 度 , 别用 多 值 逻 辑 { 大 , 大 , 小 , 小 } 分 很 较 较 很 描  述, 将序 列分段 , 分配 基本 概率 值 。规 则如 :  
iD   n  3均 很 小 ad持 续 时 间 大 于 1 m n f 2ad D n 5i  
te   hn

2 呼 吸周 期平 稳度 证 据与 概 貌证据 融 合  . 将 呼 吸周期 平 稳度 和趋 势 变化 分别 看作 对 睡眠  时 相判 决 的证 据 , 为证 据 r 和 F, 睡 眠 时 相 识  设 c l a对

m { ae m(e s } ( w k , rm ) )=0 1 m( r s . , ne )=0 9 m . 
( .) 0 9 

别框 架 的 基本概 率 赋值 分别 为 m () m ( )   ?和   ?。根  据 Dm t 证 据 组 合 方 法 , 此 二证 据 对 睡 眠 时 相  e pe r 对 识 别框 架 的基本 概 率赋 值进 行 融合 计算 。已 知数据  段 [1 ,1] 3040 在证 据 r r 的 睡 眠时 相基 本 概 率  d和 a下

iD  n  3均 较 小 ad持 续 时 间 大 于 1mm f 2adD   n 5 i 
te  hn

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3 期 

杨军 等 : 多参数信息融合实现非脑 电的睡 眠结 构分 期 

39 l 

( A1 1 35 )    I  
() 2


每  ≮  

萝  
夏  瓣  

相 的基本 概率进 行 组 合 计算 , 将 中 间结 果 与 呼 吸  再


. 

8 覃暑互;   s  


周期信息进行融合。决策取该时间段中具有最大基  本概 率 值 的 睡眠 时 相 。 图 7中 的 ( ) 期结 果 1即 4分  
为决 策结 果 。  
( )m( a e 5 1 w k )O


10 0  20 3 0 4 0 50 0   0   0   0   60 7 0 8 0 0  0  0 
o5


()m【  e 1 3 w ) 
O  
,d、

i 

= ? 二   _ z - I —  

1  

m r )l ( ms   e )
05   
O  

l0 O  2 0 30 40 5 0 60 70 80 0  0  0  0  0  0  0 

O  

~J   

皿  ; :  

: [ 

: : :   :    

] 

10 2 0 30 40 5 0 60 70 80 0  0  0  0  0  0  0  0  

( ) m rms ; 2 ( e )o  


O  

() 5  
O  

: : : : 二: 璺 :       :  
10 2 0 30 40 50 0  0  0  0  0  60 70 80 0  0  0 

() ( 3   

s )

o  .

分期结果 1   wa

图 6 基 于 整 晚 呼 吸 周 期 变 化 趋 势 的 睡 眠 时 相 基 本 概 率  赋 值 ( 据 : ̄962 。横 坐 标 每 单 位 代 表 4 s ( ) 3  数 z 2.) 8。 1 A ; ( ) 4 () 晚 按 页 对 醒 觉 的 基 本 概 率 赋 值 ;4 R MS的  2 A i3 整 () E 基本 概 率 赋值 ;5NR MS的 基 本 概 率 赋 值 。 () E  

( N   ) 髓瀣 
2 分期结果  W a   k  e

i .  

.  .

4 0 50 60 70 0  0  0  0  80 0 

() 5 



分期结果 
() 6 

距  : 三 : 二七二 _亡==二= 二= 工£==.=   譬   巨   二 1 二 二 =


了 
1 

了 

? —  二 
1  F

!  

4 0 50 60 70 0  0  0  0  80 0 
— f     1   

E臣 三  :   二工_L ===|±L工 =二  : 二= 叫 巨 二 二
… 一 、 { I …

t _l     -

¥4 3 

10 20 3 0 4 0 50 60 70 0  0   0  0  0  0  0  80 0 

赋 值如表 1 示 。表 2为二者 的组 合 概率 。 所  
表 1 两 个 呼 吸 证 据 下 的 睡 眠 时相 基 本 概 率 赋 值   

图 7 多信 源 组 合后 的 基 本概 率 赋 值 和 睡 眠分 期 结 果 图 。   横 坐 标 每 单 位 代 表 4s ( ) 合 后 的 醒 觉概 率 ;2 组 合  8。 1 组 () 后 的 I MS概 率 ;3 组 合 后 的 NR MS概 率 ;4 分 期 结  T E () E ()
果 1 基 于基 本 概 率 赋 值 的 决 策 结 果 ; 5 分 期 结 果 2 在  : () :

N E R MS中 分 辨 深 睡 (3 ) 浅 睡 ( 1 ) ( ) 期 结 果 3  ¥4 和 S 2 :6 分 : 利 用 睡眠 周 期 知 识 进 行 校 正 后 的 结 果 。  

在 以上多 信 息 融 合 处 理 之 后 进 一 步 在 N E   R MS 中进 行深 睡 期 的 判别 分 析 。 即 N E S之 中满 足 以  RM 下三 个条 件 中任 意两 项 则 判 为 深 睡 : 吸周 期 平 稳  呼 段; 心动周 期 平稳段 ; 心动周 期 处 于很 高或 较高 的 时  间段 。结 果如 图 7中分 期结 果 3  。 计 算不一 致 因子 K, K反 映证 据之 间 的 冲突 :  
K= md w k )* m t s r( a e  (e )+ m w k )* m n 一( ae   (i s +m (e s hm) . 一 rm )*m ( ae  md r s m w k )+ r e )*I ( m T I   ( r s + md h m )   w k ) mdne s *m ne ) m   i s *m ( a e +   rm )   (. (
(e ) .6+0 0 rms =0 1 . 8+0 1 . 2+0 0 . 8+0 0 . 6+0 1=0 6 . . 

在证 据 合 成后 的分 期 结 果 2中 , 可 能存 在 一  还 些有 违 睡 眠 规 律 的 推 理 冲 突 , 从 醒 觉 直 接 进 入  如 R MS或者 由 R MS直接进 入 深 睡 (3 ) 。针对 冲  E E ¥4 等
突 的发现 和解决 , 专 门设 立 了 一 些 规则 用 于结 果  也
校正。  

组 合后 的基本 概率 为 
m ( ae   w k )= mJ ( a e r  w k )= md w k ) * m x r( ae   ( ae /1 ) .20 4 . ; w k )( 一K =0 1/. =0 3  m (e s   r )= m m   (e s 1n )= Id rm ) * m T (e s I r  

2 结 果   
通过 两种 途径 检 验 本 方 法 的准 确 性 和 可 靠 性 ,  
其 一是 与多 导 睡 眠 图 ( S 的 分 期 结 果 进 行 比较 ; P G)   其 二是将 分 析结 果与 受试 者 自诉 作 比较 。   本 系统 与 P G的对照 试验 计 组 内数据 1 S 9例 , 以  P G的人 工睡 眠结 构分 期 结 果 为 标 准 , 项 的平 均  S 各

(e s/ 1 ) .1 . 0 5  r )( 一K =0 20 4= . ; m m (i s  h m )= m .   ( rm )= i ne s ne s n  ( r )*m m  

( r s/1 ) .40 4 .; ne )( 一K =0 0 /. =0 1 m  

符 合率统 计 结 果 如 表 3 。从 符 合 率 结 果 可 以看 出 ,  
本 方法在 分 辨 醒觉 和睡 眠状 态 、 区分 醒 和 R M E S和  在 睡 眠状 态 中 区分 N E R MS和 R MS等 方 面 达 到 了  E

1 53 基 于心动 周期 分析 的睡眠结 构 基本概 率  ..
分别计 算心 动周 期平 稳度 证据 与概 貌证 据的组 

合 合计 算后 的睡 眠时相 基本 概 率 。  
1 54 心 动周期 、 吸周 期 与体 动 中 的睡 眠信 息 的  .. 呼
融 合 

很 高 的符 合 率 。深/ 浅睡 的符 合 率在 6 %左 右 。 5  
图 8为本 方法 与 P G人 工 睡 眠 分 期结 果 图例 , S  

与 P G结果 的符 合率 见表 4  S 。

依 Dm sr 据 组 合方 法 , 睡 眠 信 息进 行 两  e pt 证 e 对 两 组合 。先 将心动 周 期信 息 和体动 信息 对 于睡眠 时 

系统 共做 计 30人 次 的 健 康 人 睡 眠 分 析 , 括  2 包
锻 炼员 、 年轻 自愿 者 以及 飞行 员 , 5 计 0人 , 龄 范 围  年

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30 2 

中  国  生  物  医

学  工





报 

2 5卷 

表 3 分 析 结 果 符 合 率 

耋 蚕  

?

生 理参数 水 平值 的个 体差 异 , 如每人 的静息 心  生 理参数 变 化 随睡 眠的变 化模 式 的个体 差异 ,  

率值不同;  
?

如入 睡后 心率 变慢 ( 动 周期 延 长 ) 程度 不 同 , 心 的 由  NE R M到 R M睡 眠 心率 提高 的程 度等 。 E  
根 据本研 究 的 原 理 , 多 的 参数 信 息 将 能 够 对  更 认 识 睡眠过 程, 行 睡 眠分期 有 更 多 的贡献 , 进 从而 提 
l 0 0  3 0 0  5 0 0  7 0 0  9 0 1 0   1 0 O  2 0 0  4 0 0  6 0 0  8 0 0   0 0 1 0  

高分 期 结果 的可靠 性 和 精度 。本 研究所 选 择 的参数 
主要 考 虑其 易得性 , 即方 法易 于实 现 的方 面 , 不排  并

除其 它 参数 如体 温 、 压 等 对 于 睡 眠 时 相变 化 的敏  血
图 8 本 方 法与 多导 睡 眠 图 分 期 结 果 对 照 一 例  ( 据 t162 。横 坐 标 每 单 位 代 表 4 s 数 O 0.) 8。   表 4 ( 据 t162 本 方 法 分 期 结 果 与 P G 的 符 合 率  数 00 .) S

感性 甚 至特 异性 , 一步 的实 验 和探讨 将很 有价 值 。 进  

参 考 文献 
[   [   [   [   [   [  

¨  

Re h s h f n A,Kae   c t af   c e ls A.A  n a  f sa a dz d tr n l g   ma u lo   t nd r ie  e mio o y,

纠 

¨  

叫  

t h i e ad so n  ytm f   le  t e  fh m n s b cs e nq s n  c r g ss  o s p s g s o u a   u j t c u  i e r e a   e  

[ . ri If t nSri /ri  eerhIstt U i rt M] Ba   u i  ev eBa R sac ntue n esy n n mm o c n i   v i 
o al ri,9   fC lf n a 1 5. o

1 岁 ~5 8 O岁 , 无 严 重 心 脏 疾 病 、 均 自主 功 能 不 良及 

K a i nJ ri u t af n   ,E kn n i l e j t  M,R u aa E.S e   t e  n   t i ah l   l ps gsads t  e a ac c a e sniv b d ( C B) a a s   f atn mc n   t   h g  e s i r te e SS nl i o  u o i ys o  a d mo r o

精神 神经 疾患 , 男性 居 多 。试验 方法 为 , 被 测者 于  令
检测 次 日以双盲法 独 立 填 写 《 睡眠 状 况 记 录 表 》 内 ,  容包 括 自诉人 睡 时间 、 醒时 间 、 间醒觉 时间 长度  晨 夜

at i [] Junl f scohs l ,19 ,1( ) 1 —1 . cit J ora o  yhpyio vy     P o g 96 0 1 :1 6  y
Wa le   ln rF,B c h u   ,Ho a e   a k a sJ h g n F,e a   Ap r xma in o  le   tl   p o i t   fse p o

drtn ad s e  fcec uig atg pyf ] Wi — e— uao  n  l p e i y s   c r h J i e i f n n oa   e Md n  
Woh ne r 9 5 1 5 1 —1 ) 4 7—4 8  e esh ,1 9 . 4 ( 7 8 : 9 9.
H re   a p rHM ,S h  ̄ t n VL,K u e KA.Ma hn   l si e t   f c t h ma   lg  c i e ca sf a i o   i n a

次数 等 , 与系 统 分析 结 果 进 行 对 比  统 计 以上 各 指 
标 的符合 率 均 在 9 % 右 。其 中 飞行 员试 用 计 l  0  8
人 30例 , 空 医生 与 飞 行 团 对 于系 统 的 实 用 性 和  0 航

it t se  s t ui   crir prty m aoe [J] n n l p te s g ad e i o   esr a  e a  n os ar s .  
Eet ecpa g-l . er hs l J .18 ,6 ( :39— l r neh or i N uo yi [ ] 97 7 4) 7   co l Cn p o
3 7. 8  

分析结 果 的准 确 性 均 给 予 了 积 极 评 价 和 肯 定 。8   h

数 据分 析 时间小 于 3 s也 达到 r应 用 的要 求 。 0,  

U b hu   n e a n A,Mr wk   o a R,S h a z V, e a .Cor lt n b t e   c w r  l 1   r ai   ewe n e o rs i t n a d h a t ae i  2 o 1 - e rod c i r n d rn   le   e pr i   n   e r f t n 1 一t  4 y a - l  h l e   u g se p ao   d i

3 讨 论 和 结论 
本技 术 建立 在 对 人体 整 体 观认 识 的 基 础 之 上 ,   运 用 了人工 智 能的思 想 和 理 沦 , 多 个基 本 生 理 参  从 数 中提 取 睡眠 信息 , 应用 不确 定推 理 的证据 理论 , 融  合 计算 多项 参 数 中的 睡 眠 信 息 , 可靠 地 获 得 r睡  较 眠结构 图 依 据本方 法 编制 的软 件 已应用 于 自然状    态下 的睡 眠生理 监测 仪 器 系统 ( 军航 空 医学 研 究  空
所研 制 )  。 与多导 睡 眠图 的对 照 试 验 计 3 0人 、0人 次 , 4 逐 

adw kfh s [ ] n  aeum s J ,Wi . dWohner 19 ,15( 7一 e Me. cesh, 95 4 1   n
l ):4 7 4 9 8 6  6  

l l  ̄ hrT c u     P r d   e  o e e t P. :t i ' l i e ,S h l H om c   z ei i l m vm n oc g s( I _ M) h r e 

rai si t s e t e[] l p 9 3 6 6 : 7 e tnhp o l ps gsJ .Se ,19 ,1( ) 52—57 l o   e a e 7 
T k n  a a o K,Na a a a A,Yo h n   gs k  s i o K, e l   E p rme to   ai i   x ei n  n v l t d y

o si r iac ee a a ne faosll e[ ] ago f kn e s tcl l s ni xo rua e lJ .Sny.     st , v     d  v  
1 k ,l 3 3 ( ) 2 7—2 8  g u 9 , 54 : 5 a 9 6.
Wec   ,t e a d o   C Co ue  l e   tg   lsiiain u i g lh AJ ( h r s n P   i mp t r e p sa e ca s c t   sn   s f o

hat a   dt [J]  Eet e【pa’al  ad Cii l er t a  re a . l r n- hl rpy n  l c   c0 e (   g na
N u h soo y 9 3,3 c mp y ilg ,1 7 4:l 5 I 2. 4  5  

Alr d tJ d e g? L, Wec    Me H. We c   Va it n   t h a t ae l h AJ S lh r i s o  e r t  ao  r

页 比较 醒睡 符 合 率大 于 9 %, 本 睡 眠结 构 ( 快  0 基 醒  速 眼动期 一 非快 速 眼 动期 ) 的符 合 率 人 于 7 % ; 5 试用 
计1 8人 50例 8 日, 关 睡 眠 指 标 ( 括 入 睡 时  0 0 相 包 间、 早醒 时 间 、 间醒 觉 时 间 和次 数 等 ) 系统 分析  夜 的

dr g s e  u n  l p i e

a f co  o t   s e  cc  lJj   u tn t h ni   e l p yl    . e e  

E e t ene h lg a h   n  Cl i a le r l ̄ ao rp y a d o p i c l e r p y il g , I 7 n  N u o h s o y   3,3   o 9 5: 1 3— 1 8 9 9  l hn u e imr Y, K ty ma S.Rh t ms i te c n rl n ro s y tm  aaa   yh   n h   e ta  e v u s s e

结 果与 被测 者 自诉符 合 率达 到 9 %以上 。 O  
本 方法 依据 的知 识 体现 在整 晚参 数 的相对 变 化  中 , 以避免 以下 因素 对 于 睡 眠 结 构 睡 眠分 期 的影  可

ad 1   u t t n  t t   e z rt J . Fo t e - i - n , n   / t cu i s o h h a   a fl ao   e l e[  j rn- d Bo E g M l  
19 9 4,6( ): 1 2 l7— 10. 3  
Dc a   Ha n R,P tikJ,Ch s  F,s    ar   c esG tn .De n t n o  le  tt n i i f i o   fse p sae i  

te e lr  fn b  er reaas [] A ..bt.yeo, h  w ̄ni at yhata  nyi J , m J s t nel n n    t s O eG  
1 7 ,2 ( ) 5 9 7 1 7 7 :7 3—7 8  5.

响, 从而 保证 应 用时 的可 靠性 :  

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3期 

杨 军 等 : 参 数 信 息 融 合 实 现非 脑 电 的 睡 眠 结 构 分 期  多

31 2  

( 上接第 34页) 1  
[   Si A,Pa m nW .  e f t n fc n  aecdcbsd 4] a  d er a  A nw,a   de i tm g oe ae  l sa i fe i o  t aioigi h rrh a t e [ ,IE   r s i us ns  rt n  n i aci lr sJ e p ti n   e c  e j E E Ta .Cr i  n ct
s s. ie  eh d,9 6 6 3 :4 —2 0  yt V d oT c n 1 9 , ( ) 2 3 5 .

[   S e esW.T el i  ce e  ut -ei  osutno  9] w l n  d h fn shm :A cs m dsn cnt co f i g t o g r i b r ooa wvlsA] n A p. o pt a o . n [ ]  i t gn  ae t oh l e [ .I; p1 C m u.H r n A a C . m l
1 9 3: 8 — 2 0. 9 6, 1 6 0  

[   IO ICl44 lIfm tnt h o g- JE   O  aecdn  5] S /  54一 : o ai   cnl y P G2 Oi g oig E nr o e o 0 m ss m Pr 1 oecdn ytm S ,00  yt - at :Cr oi s e [ ]20 , e   g s [ 6] T uma D,M rei M . JE 20 ab n acln W l P G 00: I ge o pes n ma  Cm rso  i
F n a e t s rci  n  tn ad 【 .M s c ne s Iw r u d m na ,Pat ea dSad rs Mj as h t :K u e l c a s t  
Ae d mi  u ls es 2 0   a e c P bih r , 0 2

[0  1]

A a  M D ,Ko s ni i F. Re e sbe i tg r t—n e e  wa ee  d ms set   n v ril  n e e —o i tg r v lt

ta soms o I g e o r s in: p roma c  e a u t n n   r n fr  f r ma  c mp so e e r n e v ai  a d f l o

aayi J .IE   r sI g  rcsi ,00 9 6 :0 0一 n s [ ] E E Ta  maePoes g 20 , ( ) 11   l s n n
l2   0 4.

LuZ XagZ WuQ.t 1 acddd e ni n  ae t i M, i  X,   e a .Csae i r t adw vl    n   f e a l e

[   Gnae R Wod  E it m g rcsn M] er n 7] oz z C, osR .Dga iaepoes g[ .Pas   l  i l i o
E u mi n I c. p bih n   8 P e t e Hal 2 0   d c o , n 。 u l ig a   r ni   l , 0 2. s c

cm rso f ho oo  mae [] E E TasBo e  n - o p s no crm smei gsJ .IE   rn  i dE g  e i   m
2 0 . 9 4 :7 0 2 4 ( ) 32—3 3  8.

[   C d rak R, D u e c i  I w le s ,e 1 Wa e t 8] l b a e n A ab n h s ,S edn W e t .  a vl  e

[2  1]

ht /ww tp:/ w. sg r p iga h. o g e u ai n mae i s v lvz r / d c t / tra / o— i o l

/ ou . v l me  

tnf m t t a  tgroit e[ .I :A p m u.A a a o h  r sr   a m pi ee  ne r A] n p .O pt n   n t g l
[  .19 , : 3 C J 9 8 7 3 2—3 9  6.

v u —ai .a .e  t E / L  i a it ndt st hm[ BO ] 8l z o a s


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