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產業技術評析

睡眠科技:創新腦電活動監測裝置之發展與應用
發表日期:2018-09-05
作者:楊家琳(工研院)
摘要:
人類睡眠可根據睡眠過程中腦電圖、肌電圖和眼動電圖變化特徵,將睡眠過程分為慢波睡眠和快波睡眠兩大時相。

全文:

一、睡眠週期分析:腦電活動監測扮要角
 

人類正常的內部「生理時鐘」週期約在二十五小時,生理時鐘會受到外在環境的光線變化、進食、工作、生活作息等影響,而調整到二十四小時左右,形成一個規律的「晝夜節律」。正常「睡眠需求」有很大的個別差異,少則四~五小時,多則將近十小時,但大多數人的睡眠時間約是六~八小時。
 

人類睡眠可根據睡眠過程中腦電圖(EEG)、肌電圖(EMG)和眼動電圖(EOG)變化特徵,將睡眠過程分為慢波睡眠(Slow Wave Sleep,SWS)和快波睡眠(Fast Wave Sleep,FWS)兩大時相。開始入睡時首先進入慢波睡眠,又稱非快速眼動睡眠(NREM);再轉為快波睡眠,亦稱快速眼動睡眠(REM)。成年人正常睡眠週期是由慢波睡眠與快波睡眠兩個時相週期交替形成的,一個完整的睡眠週期約持續90~120分鐘,正常情況每晚可反覆轉變四~五次。非快速眼動睡眠可分為四個階段(即第一、二、三、四階段),加上快速眼動睡眠階段即形成五階段。第一階段睡眠期以α腦波為主(入睡期);第二階段睡眠期以θ腦波為主(淺睡期);第三、四階段睡眠期(深睡期)則以δ腦波為主。
 

圖1 典型睡眠週期

資料來源:National Sleep Foundation;工研院產科國際所整理 (2018/07)。
圖1 典型睡眠週期
 

在人的一生中,每天睡眠總時間隨年齡增長而逐漸減少,其中深睡期縮短更明顯。新生兒的深睡期占整個睡眠時間的50%左右,而成年人只占20%~30%,老年人占的比例則更小。深睡期對我們的身體修復非常重要,如果缺乏深睡,身體和大腦都加速衰老,免疫力下降,誘發其他疾病,甚至會引發抑鬱等精神疾病。失眠患者最常遇到的狀況,就是無法順利進入第三、四階段深睡期。此外,「睡眠節律紊亂」更是導致現代人睡不好的主要原因之一,臨床醫師建議除了維持正常作息外,也可透過睡眠監測及記錄的方式,找出個人睡眠節律。
 

表1 腦波與各睡眠階段之關聯
腦波 周波數 (頻率) 說明
α波 8-14Hz

α波為優勢腦波時,人的意識清醒,但身體是放鬆的,它提供意識與潛意識的橋樑。由於在這種狀態下,身心能量耗費最少,相對地腦部所獲得的能量較高,運作就會更加快速、順暢、靈感及直覺敏銳,腦的活動活潑。因此,現代科學積極倡導α波是為人們學習與思考的最佳腦波狀態。

α波分為三種:慢速α波(8-9Hz):臨睡前頭腦茫茫然的狀態,意識逐漸走向糢糊;中間α波(9-12Hz):靈感、直覺或點子發揮威力的狀態,身心輕鬆而注意力集中;快速α波(12-14Hz):高度警覺,無暇他顧的狀態。

β波 14-30Hz β波為優勢腦波時,人的意識清醒,身體呈緊張狀態,準備隨時因應外在環境作反應。大腦能量除了維持本身系統的運作外,尚須指揮對外防禦系統作準備,因而消減了體內免疫系統能力,在此狀態下人的身心能量耗費較劇,快速疲倦,若沒有充份休息,非常容易堆積壓力。然而,適量的β波,對積極的注意力提升,以及認知行為的發展有著關鍵性的助益。
θ波 4-8Hz θ 波為優勢腦波時,人的意識中斷,身體深沉放鬆,這是一種高層次的精神狀態,也就是所謂的「入定態」。在這樣的狀態下,由於意識中斷使得平常清醒時具有批判性或道德性的過濾機制被埋藏起來,因而大開心靈之門,對於外界的訊息呈現高度易受暗示性狀態(Hyper-suggestibility),這是為何人在被催眠時會容易接收外來的指令。此外,θ波與腦部邊緣系統有非常直接的關係,對於觸發深層記憶、強化長期記憶(LTP)等幫助極大,所以,Theta波以被稱為「通往記憶與學習的閘門」。
δ波 1-3Hz δ波為優勢腦波時,為深度熟睡,無意識狀態。人的睡眠品質好壞與δ波有非常直接的關聯;δ睡眠是一種無夢且很深沉的睡眠狀態,通常一夜正常的睡眠周期會出現四至五次,而發生在睡眠初期第一個出現周期是無夢的δ波(Non-REM)狀態,所以,如果在輾轉難眠時,能讓自己透過訓練召喚出近似δ波邊緣狀態的身心感覺,即可很快地擺脫失眠並進入深沉睡眠,真正睡美容覺追求的就是這種時間短但深入的睡眠。此外,根據科學研究,δ波亦是開發人類直覺雷達系統,以及超能神密力量的關鍵。

資料來源:國際腦波學會;工研院產科國際所整理 (2018/07)。
 

二、傳統醫療級腦電活動監測方式限制多
 

透過腦電活動的監測,除可準確判斷是否有正常的睡眠週期,亦有助於找出背後的病因。然而,目前傳統式和動態式腦電監測系統在使用上並不是非常理想。傳統式腦電活動監測方式是將受測者安置在與外界隔離的臨床環境中,而非自然生活環境。而在這種情況下,很有可能某些受自然生活環境所引發的異常腦電活動,因而無法如實被偵測出來。動態腦電圖系統的缺點則是監測裝置龐大,對受測者會產生一定程度的限制,例如因為擔心引人側目,或讓他人知道自己可能患有腦部疾病,而不願意公開佩戴此類監測裝置,而這些都是造成這類裝置無法被廣泛採用的主要因素。
 

三、創新腦電活動監測技術推進消費市場
 

近年來,因應多元的使用需求,業者也紛紛投入穿戴式腦電活動監測技術,並應用於睡眠監測、睡眠輔助、冥想力訓練、專注力訓練、疲勞監測、情緒管理、壓力管理、遊戲等領域,例如:Mindset、Emotiv、Inteliclinic、Edan Safe、4D Force、NeuroSky、Somaxis、Interaxon、IMEC等公司。
 

表2 創新腦電活動監測產品及應用
產品名 樣式 功能說明 廠商
MINDSET MINDSET樣式 Mindset是一個穿戴式EEG系統,可監測使用者的腦波,當專注力降低時,會即時透過耳機發出提醒訊號。持續使用此系統,可訓練使用者辨識造成分心的因子。此外,此裝置可連結個人電腦或手機,追蹤歷史記錄。 Mindset
EMOTIV INSIGHT EMOTIV INSIGHT樣式 Emotiv Insight是一個穿戴式EEG頭環,可將腦波資訊無線傳輸至手機或電腦。此裝置有5個EEG感測器及2個參考感測器,可提供詳細的腦電活動資訊。此量測基於六大認知與情緒指標,包含專注、壓力、興奮、放鬆、興趣及參與。這些指標量測可讓使用者監測自己的認知健康(Cognitive Health)及心理健康。 Emotiv
NEUROON NEUROON樣式 Neuroon是一個穿戴式睡眠眼罩,結合醫療級感測器及分析軟體,可讓使用者從單階段睡眠切換至多階段睡眠。此裝置有4種感測器,可量測腦電活動(EEG)、眼動活動(EOG)、脈搏、體動及體溫。所有資料可傳輸至 iOS或Android裝置,讓使用者可監測自己的生理節律(biorhythm),以協助找出睡眠問題。 Inteliclinic
SMART CAP SMART CAP樣式 Smart Cap是一個工業用途的疲勞監測系統,主要設計給卡車司機,以增加行車安全。疲勞監測器安裝於 Smart Cap的邊緣,並連接到遠端管控中心,提供即時資訊。Smart Cap運用EEG 感測器及獨家演算法分析腦電訊號,判斷使用者的睡意。若司機開始出現睡意,會傳送視訊及聲音提醒。 Edan Safe
4D FORCE 4D FORCE樣式 4D Force是一個穿戴式裝置,可監測腦波並轉換成電訊號。4D Force所開發的平台可取得高品質EEG / EOG / EMG訊號,讓使用者可運用意識控制遊戲。4D Force 也可用於醫療用途,透過分析身體的電訊號,提供生活型態調整的建議。 4D Force/hr
MINDWAVE MINDWAVE樣式 MindWave是一個穿戴式頭環,主要設計用來監測學生的腦波訊號及專注力,資料可傳輸至電腦,以評估學生學習成果。此裝置可搭配十種軟體程式,提供從娛樂遊戲到高階學習的功能。 NeuroSky
EPOC NEUROHEADSET EPOC NEUROHEADSET樣式 EPOC Neuroheadset是一個用於人機互動的個人裝置,運用EEG感測器擷取腦部訊號,以偵測使用者的意識、感覺及情緒表現。此裝置可無線連接至大多數的個人電腦,用來控制電動輪椅、電腦鍵盤,並可無手操作遊戲。 Emotiv
MUSE MUSE樣式 Muse是一個心理活動監測的頭環裝置,可幫助紓解壓力及沉靜心靈。此裝置使用7個感測器,偵測腦電活動,並轉譯成可操作數據,傳送至手機或電腦。Muse幫助使用者理解情緒並管理情緒,以改善認知心理健康,而更能夠加專注與鎮靜。 InteraXon
IMEC EEG HEADSET IMEC EEG HEADSET樣式 IMEC EEG Headset是一個可監測腦電活動的穿戴式健康監測裝置,可於一般日常活動配戴,提供舒適、連續式的健康監測,所蒐集到的資料數據可即時傳輸至藍芽裝置。IMEC目前正在尋找OEM製造商合作量產此裝置。 IMEC
SMARTSLEEP HEADBAND SMARTSLEEP HEADBAND樣式 SmartSleep Headband是一個穿戴式睡眠輔助頭套,主要是設計給因生活習慣不良而造成睡眠問題的青中年族群所使用。此裝置內建EEG感測器及活動式薄型喇叭,可監測睡眠週期。當偵測到使用者慢波減弱時,會用音調刺激,促進慢波釋放,以維持睡眠深度。獨家演算法可客製化慢波促進的時間點及音量,讓使用者有較長的深眠期。 Philips
DREEM DREEM樣式 Dreem是一個穿戴式睡眠輔助頭套內建EEG 感測器及脈搏血氧計,可偵測腦波、心率和呼吸。此裝置使用骨傳導式喇叭,可撥放僅讓使用者聽到聲音,且內建加速規可偵測睡眠期間的活動狀態。Dreem透過聲音的方式引導使用者進入冥想狀態,可有效放鬆並幫助入睡,並維持較長的深眠期。 RYTHM

資料來源:各產品官網;工研院產科國際所整理 (2018/07)。
 

四、結論
 

市面上有許多可跟蹤心率、血氧、體溫或行走步數等生理健康資訊的穿戴裝置,但近期開始出現可追蹤心智健康的新型態穿戴裝置。這類裝置主要運用腦電圖(EEG)感測器及演算法,來監測與訓練使用者的腦波或腦電活動,以改善專注力、紓解壓力,甚至玩遊戲。但真的管用嗎?過去幾十年的研究證實,腦電圖訊號與專注力、記憶力、注意力及主導身體動作的意識有關。因此,理論上,這類可攜式腦電監測穿戴裝置應該可做到他們所宣稱的功能,但最大的挑戰在於這些裝置是否能在 “真實世界” 的環境中準確地偵測出使用者的腦電活動。畢竟 “真實世界” 環境無法如同實驗室環境,可精準有效的管控與消除雜訊;加上腦電訊號本身就非常微弱,即便最先進的實驗室設備也不太容易偵測出來。業者明白此類裝置的限制,不斷試圖藉由軟體設計強化及演算法精進來克服此問題。
 

在實驗室環境,可使用濕式電極來增強腦電訊號,但新型穿戴式腦波監測裝置為改善使用便利性,採用乾式電極。儘管最先進的乾式電極技術已可媲美濕式電極,雜訊的處理仍是一大挑戰。在實驗室中,可利用增加電極數目(20~200個)消除其他雜訊,但穿戴式裝置一般多使用1~5個電極,要能有效消除雜訊,準確辨識到底是肌肉動作還是腦部活動實有難度。然而,不可否認的是在現實生活中,消費者一定不會願意配戴一個有數十個或上百個電極的裝置;因此,如何找出最佳化的電極組合方式,是未來發展重點。此外,此類可攜式穿戴裝置可善用傳統實驗室裝置無法比擬的優勢,將所蒐集到的巨量使用者數據,進階分析辨識腦電訊號及雜訊,精進演算法,來補足無法使用大量電極的限制。
 

有別於傳統式腦電監測裝置,可攜式的腦電監測穿戴裝置可有更廣泛的應用情境,特別是身體活動呈現較靜止的狀態,例如:睡眠、靜坐冥想、開車等,業者可善用此類裝置的優點及特性,開創多元的真實世界應用情境。然而,儘管可攜式腦電監測技術開啟了新的消費市場,仍無法完全取代傳統醫療級的腦電監測方式。因此,如何掌握發掘此類技術的優勢與限制,發展出最適化應用情境,才能發揮其最大功效,贏得消費者青睞。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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