Диссертация (Разработка технологии и программно-аппаратного комплекса для исследования структуры сна человека)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ Н.Э. БАУМАНАНа правах рукописиТатараидзе Александр БидзиновичРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСАДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СНА ЧЕЛОВЕКАСпециальность 05.11.17 —«Приборы, системы и изделия медицинского назначения»Диссертация на соискание учёной степеникандидата технических наукНаучный руководитель:д.ф.-м.н., академик РАНБугаев А.С.Москва — 20162ОглавлениеСтр.Список сокращений .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6Глава 1. Постановка задачи исследования . . . . . . . . . . . . . . .121.1 Сон и полисомнография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121.2 Нарушения сна . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .181.3 Методы диагностики нарушений сна . . . . . . . . . . . . . . .231.4 Аналитический обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . .281.5 Формальная постановка задачи определения структуры сна иобоснование критерия качества её решения . .

. . . . . . . . . .341.6 Выводы по главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41Глава 2. Исследование физиологических сигналов и методов ихрегистрации, потенциально применимых длядлительного мониторинга структуры сна . . . . . . . . . .422.1 Анализ изменений физиологических параметров в течение сна .422.2 Анализ методов регистрации физиологических сигналов,потенциально применимых к задаче . .

. . . . . . . . . . . . . .462.3 Исследование возможности определения структуры сначеловека на основе анализа дыхательных движений . . . . . . .542.3.1Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .542.3.2Предобработка сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . .582.3.3Извлечение признаков из сигнала ВСР . . . . . . . . . .602.3.4Извлечение признаков из сигнала РИП .

. . . . . . . . .672.3.5Классификация и результаты . . . . . . . . . . . . . . . .742.4 Выводы по главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .763Стр.Глава 3. Разработка методов учёта особенностей структуры сна . .783.1 Особенности структуры сна .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .783.2 Нормализованный индекс эпохи . . . . . . . . . . . . . . . . . .793.3 Оценка априорных вероятностей в течение ночи . . . . . . . . .803.4 Математическая модель оценки априорных вероятностей .

. . .833.5 Эвристические правила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .893.6 Двухступенчатая классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . .913.7 Выводы по главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92Глава 4. Разработка биотехнической системы длительногоавтоматического бесконтактного определения структурысна человека . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .934.1 Экспериментальные исследования по совместной регистрациибиорадиолокационных сигналов и полисомнографии . . . . . .934.2 Разработка алгоритма определения артефактов и дыхательныхциклов на биорадиолокационном сигнале . . . . . . . . . . . . .964.3 Исследование пространства признаков и методов классификации 1014.4 Апробация методов учёта особенностей структуры сна .

. . . . 1084.5 Исследование качества определения структуры сна ивозможности диагностики инсомнии на основебиорадиолокационного мониторинга . . . . . . . . . . . . . . . . 1104.6 Разработка требований к биотехнической системе длительногобесконтактного мониторинга структуры сна человека . . . .

. . 1154.7 Выводы по главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Основные выводы и заключение по диссертационной работе . . . . 121Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234Список сокращенийАД — артериальное давлениеАНС — автономная нервная системаАКТ — актиграфияБДР — бодрствованиеБКГ — баллистокардиографияБО — биологический объектБРЛ — биорадиолокацияБТС — биотехническая системаВСР — вариабельность сердечного ритмаГС — глубокий сонДЦ — дыхательный циклИАГ— индекс апноэ-гипопноэМ1 — 1 стадия ФМСМ2 — 2 стадия ФМСМ3 — 3 стадия ФМСМ4 — 4 стадия ФМСМАП — межартефактный периодМКР — межквартильный размахМПИ — межпиковый интервалНДВС — нарушения дыхания во время снаПБ — периоды бодрствованияПНС — парасимпатическая нервная системаППЭ — плотность потока энергииПОМ — пульсоксиметрияПС — поверхностный сонРИП — респираторная индуктивная плетизмография5СО — стандартное отклонениеСНС — симпатическая нервная системаТПА — тонус периферических артерийФБС — фаза быстрого снаФМС — фаза медленного снаФПГ — фотоплетизмографиябФПГ — бесконтактная ФПГЦНС — центральная нервная системаЧД — частота дыханияЧСС — частота сердечных сокращенийЭКГ — электрокардиографияЭЭГ — электроэнцефалографияЭОГ — электроокулографияЭМГ — электромиографияAASM — American Academy of Sleep MedicineACC — точность, доля правильных ответовDSM-5 — Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders – fiftheditionIG — информационный прирост (Information Gain)ICSD-3 — International Classification of Sleep Disorders – third edition — каппа КоэнаR&K — Rechtschaffen and KalesSEN — чувствительностьSPC — специфичность6ВведениеНарушения сна широко распространены в общей популяции ичасто остаются недиагностированными.

Так, инсомния, в зависимости отиспользуемой методологии исследования, отмечается у 6–48% популяции [1],а обструктивное апноэ сна наблюдается у 1–5% женщин и 3–8% мужчин [2],при этом около 80% случаев апноэ так и остаются недиагностированными [3].Согласно Европейскому социальному исследованию, 25% населения России ввозрасте 41–65 лет отмечают у себя наличие беспокойного сна, а доля людейстарше 65 лет с симптомами инсомнии составляет 50% [4].Помимо широкой встречаемости, нарушения сна, сопровождаясьпоявлением дневной сонливости, значительно увеличивают риск несчастныхслучаев [5] и ДТП [6; 7], что обусловливает социальную значимость этойгруппы патологических состояний. Кроме того, снижение продолжительностии качества сна в краткосрочной перспективе влияет на самочувствие,работоспособность, дневную сонливость и усталость, а в долгосрочной —повышает риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, ожирения,сахарного диабета и депрессии [8].Структура сна является ключевым измеряемым диагностическимпоказателем при определении нарушений сна.

«Золотым стандартом»определения структуры сна является полисомнография (ПСГ), по результатамкоторойврач,визуальноанализируяэлектроэнцефалограмму(ЭЭГ),электроокулограмму (ЭОГ) и электромиограмму (ЭМГ), классифицируеткаждую эпоху (30-секундный интервал записи) как период бодрствования(ПБ), фазу быстрого сна (ФБС) или одну из стадий фазы медленного сна(ФМС).7Согласнопересмотра,Международнойинсомнияклассификацииопределяетсякакнарушенийнарушениесна3-гоинициацииилиподдержания сна, происходящее не менее 3 раз в неделю в течение неменее чем 3 месяцев.

На настоящий момент для оценки наличия инсомнии ивыраженности её симптомов применяются опросники и дневники сна. Однако,в многочисленных исследованиях показано, что способности человека кобъективной оценке сна ограничены, и в большинстве случаев субъективнаяоценка сна значительно отличается от объективных показателей [9; 10].В некоторых случаях это приводит к парадоксальной инсомнии, когда,несмотря на то что объективно измеренные продолжительность и структурасна соответствуют норме, пациент сообщает о трудностях в инициации иподдержании сна.

В клинической практике также применяются и объективныеметоды оценки продолжительности и структуры сна — ПСГ и актиграфия.Однако ПСГ, в силу высокой трудоёмкости и стоимости, неприменима длядлительной оценки структуры сна, в то время как актиграфия позволяеттолько отделить сон от бодрствования.Использование устройств для длительного мониторинга структурысна представляет интерес не только для диагностики инсомнии идругих нарушений сна, но также для профилактики, что особенноактуально в группах высокого риска, и контроля эффективности терапии.Кроме того, подобный мониторинг может помочь в организации режимасна-бодрствования, увеличить внимание пациента к своему здоровью имотивировать его на соблюдение гигиены сна.

Согласно опросу [11], 35%врачей хотели бы иметь возможность длительного мониторинга структурысна своих пациентов на дому, что лишь немногим менее доли врачей(36%), считающих полезным иметь возможность следить за количествомпотреблённых пациентами калорий.Такимобразом,существуетпотребностьвинструментахдлядлительного мониторинга структуры сна как здоровых людей, с целью8профилактики и соблюдения гигиены сна, так и людей с нарушениямисна, для диагностики, отслеживания динамики заболевания и коррекциитерапии. В связи с этим, разработка средств для длительного автоматическогоопределения структуры сна является актуальной задачей.Цельюдиссертационнойработыявляетсяразработкапрограммного-аппаратного комплекса для длительного автоматическогоопределения структуры сна человека.Для достижения поставленной цели были сформулированы и решеныследующие задачи:1) исследование и обоснование выбора физиологических сигналов, наоснове анализа которых будет определяться структура сна, и методаих регистрации;2) разработка комплекса алгоритмов определения структуры сначеловека;3) разработкабиотехническойсистемы(БТС)длядлительногоавтоматического определения структуры сна человека;4) доклиническое исследование эффективности разработанных средстви методов.Методы исследованияПоставленные задачи решались на основе теории биотехническихсистем, методов цифровой обработки сигналов, теории машинного обучения,теории вероятности и математической статистики.Основные положения, выносимые на защиту:1.