PiezoSleep | 非侵入式睡眠监测，精确可靠地记录分析，高通量睡眠实验的最优选择！

2023-11-22 14:56:55

睡眠是一种高度保守的生命现象，与生物进化、物种繁衍和个体生存发展等密切相关，睡眠障碍会引起机体多种生命活动的紊乱，进而影响正常生产生活。据世卫组织数据显示，全球睡眠障碍率达27%，在中国，成年人失眠率高达38.2%，50%的学生存在睡眠不足，即超过了3亿中国人存在睡眠障碍，且数据仍在逐年上升。

2013年，Nature曾发表文章提出，为了研究睡眠的本质，亟需开展一个多学科共同参与的“人类睡眠计划”，以最行之有效的方式改善人们的健康状况，提高生命质量。为此，我们需要开展更多相关科研实验，获取大量准确有效的实验数据，建造高度相关的睡眠模型，为人类的睡眠研究打下坚实的基础。

睡眠研究的实验复杂，周期长，对实验动物的生活状态有较高的要求，传统有创实验往往对动物造成不可逆的伤害，缩短了动物的寿命，改变了动物的习性，给睡眠研究带来诸多不利因素。为此，美国Signal Solutions公司特推出PiezoSleep无创睡眠产品，助力睡眠研究。

PiezoSleep-无创睡眠产品

产品简介

PiezoSleep是一款啮齿动物非侵入式睡眠/觉醒活动监测系统，具有操作简单、准确性高、高通量等特点，在多数情况下可替代基于侵入式EEG分析的传统睡眠研究设备，是睡眠节律等研究的新选择。

PiezoSleep系统基础原理是压电传感技术，精密压电聚合物薄膜准确感受动物各种活动信息，如呼吸、饮食、梳理等，并将活动信息产生机械压力信号转换为电信号，软件通过特征性算法对信号快速分析并自动评分获得动物睡眠/觉醒节律、呼吸率等信息。

PiezoSleep无创睡眠系统主要由多通道睡眠数据采集设备（最多80通道）、高灵敏度压电传感器、定制或商业化饲养笼以及专业数据分析软件等部分构成。

产品特点

（1）经过验证的准确性

如上图所示为PiezoSleep无创睡眠系统与金标准EEG/EMG睡眠研究设备部分数据对比，图中显示两种方法对于动物睡眠及清醒活动状态均有比较良好的数据表征。通过将PiezoSleep无创睡眠系统睡眠评分结果和金标准EEG/EMG专业评分结果比较，PiezoSleep系统对于睡眠分析具有良好的灵敏度（睡眠及清醒分别为96.1%和95.2%）和准确性（睡眠及清醒95.1%和96.2%）

数据来源：Flores, A. E., Flores, J. E., Deshpande, H., Picazo, J. A., Xie, X. S., Franken, P., Heller, H. C., Grahn, D. A., et al. (2007). Pattern recognition of sleep in rodents using Piezoelectric signals generated by gross body movements. IEEE Trans Biomed Eng, 54(2), 225-233. doi:10.1109/tbme.2006.886938

下图为单只小鼠48小时睡眠时相分析图，蓝线为PiezoSleep，黑线为EEG/EMG法分析获得的动物睡眠时相图，可见PiezoSleep产品与金标准EEG/EMG法分析数据有良好的一致性和相关性。

数据来源：Mang, G. M., Nicod, J., Emmenegger, Y., Donohue, K. D., O’Hara, B. F., & Franken, P. (2014). Evaluation of a piezoelectric system as an alternative to electroencephalogram/ electromyogram recordings in mouse sleep studies. SLEEP, 37(8), 1383-1392. doi:10.5665/sleep.3936

（2）准确有效的呼吸监测

PiezoSleep无创睡眠产品通过监测动物各类生命活动（运动、进食、呼吸、梳理等）来综合判断动物睡眠觉醒状态，因而可获得动物相关活动参数。对于动物呼吸活动监测，有数据表明PiezoSleep微压力传感技术相较于阻抗呼吸检测方式有更高的检测灵敏度。

下图为斯坦福大学相关实验动物通过PiezoSleep传感器（上）与阻抗传感器（下）监测呼吸曲线的对比，可发现灵敏的压电信号及阻抗信号均可用于呼吸活动监测，但在动物出现睡眠呼吸暂停时，PiezoSleep压电传感器能够更敏感的接收到动物呼吸暂停的前后变化（呼吸暂停前呼吸道阻塞以及呼吸道障碍清除后引起的突发呼吸幅度增强）。

（3）多样化的数据呈现

PiezoSleep具有专业性睡眠监测及分析软件，可完成动物实验数据的快速分析以及自动评分，并且根据结果可获得一系列多样化数据可视化图表，节省实验人员大量实验数据处理时间。

PiezoSleep监测软件显示动物原始波形图、信号频谱图、睡眠/觉醒分布图、呼吸频率图（左）以及多通道动物睡眠/觉醒分布图（右）

动物睡眠活动节律趋势（蓝）与传感器原始信号（红）对比

多通道动物睡眠百分比统计

动物不同时长睡眠节段占比图，可见睡眠障碍老鼠在接受治疗后睡眠时间明显加长，且长睡眠节段比率明显增高

PiezoSleep vs EEG/EMG Sleep

EEG/EMG睡眠监测（左）及PiezoSleep睡眠监测（右）

与传统EEG/EMG睡眠研究方式比较，PiezoSleep有以下不同点：

1.实验原理：传统方式采用金标准的EEG/EMG分析方法，根据动物清醒、快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠时相中EEG信号（主要是δ波和θ波）和EMG信号强度关系来进行睡眠活动节律分析，分析方法与临床人体睡眠研究方法一致；PiezoSleep采用压电传感技术，通过高精度压电传感器感受动物粗大及精细活动状态（运动、饮食、梳理、呼吸节律等），结合软件处理算法，自动获得动物呼吸节律数据；

2.监测参数：传统方法可获得动物清醒、非快速眼动睡眠NREM、快速眼动睡眠REM节律以及动物EEG/EMG原始波形数据，PiezoSleep可获得动物清醒/睡眠节律以及动物呼吸频率等数据；

3.实验方法：EEG/EMG方法为侵入式方法，会对实验动物造成不可逆伤害，缩短动物寿命，改变生活习性，对正常睡眠节律有一定负面影响；另外，侵入式方法伴随着复杂的手术操作、漫长的手术恢复、较高的动物死亡率、大量的实验耗材等，需耗费较高的人力及财力成本；PiezoSleep无创监测仅需将实验动物放置在装有传感器的饲养笼环境中即可完成监测，操作简单，无实验耗材，使用成本低；

4.实验通量：EEG/EMG方法受限于手术操作难度、设备耗材价格、数据处理方式等影响，通常实验通量数较低，大批量实验时各动物间数据存在较大时间差，不适宜进行横向数据对比；PiezoSleep操作简单，适宜进行高通量实验，最多可支持80只动物同时实验；

5.评分方式：EEG/EMG睡眠分析采用专业人士对EEG/EMG数据进行人工分析，或结合软件进行半自动评分，评分标准主观程度较高，工作量大，且对分析人员的专业性要求较高（不同专业程度的人员分析结果差异巨大）；PiezoSleep采用软件自动数据分析及实时在线评分，分析快速且评分标准统一，无人为因素干扰，对实验人员专业性要求低，大大降低了睡眠研究的专业门槛；

6.国际认可度：EEG/EMG作为金标准睡眠评分方式，发展历史悠久，实验方法具有大量文献佐证，国际认可度高；PiezoSleep作为新兴研究方法，文献支持较少，但近年来发表文献量逐年递增，且数据准确性已经过EEG/EMG金标准方式验证。

除EEG/EMG以及PiezoSleep研究方式外，国际上还有通过视频采集/红外光栅活动监测的方式进行睡眠研究，此方式仅通过动物活动、安静行为来作为睡眠分析标准，在某些情况下（抑郁、安静等）具有较大的实验误差。

补充产品

反馈型睡眠剥夺

PiezoSleep由于其在线自动评分功能，能够在实时监测动物数据的同时马上获得动物睡眠状态信息，因而可反馈控制相应设备进行睡眠剥夺造模。如下图所示：小鼠PiezoSleep无创睡眠搭配MouseQwake睡眠剥夺系统，系统在动物睡着的时候会通过振动将动物唤醒以达到睡眠剥夺的目的。

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