Диссертация (Разработка технологии и программно-аппаратного комплекса для исследования структуры сна человека), страница 2

Автоматическое определение структуры сна взрослого практическиздорового человека со средним качеством 0,47 каппы Коэна посравнению с ПСГ возможно осуществить на основе анализадыхательных движений.2. Для автоматического определения структуры сна как практическиздоровых испытуемых, так и испытуемых с инсомнией, на основе9биорадиолокационного (БРЛ) мониторинга необходимо сформироватьпространство признаков, описывающее эпоху сна, состоящее из:– характеристик двигательной активности;– спектральных характеристик;– характеристик дыхательных циклов (ДЦ);– характеристик регулярности дыхательного паттерна.3. Врезультатеапробациипоказано,чтопредложеннаяБТСобеспечивает определение структуры сна человека со среднимкачеством 0,5 каппы Коэна по сравнению с ПСГ как для практическиздоровых испытуемых, так и для испытуемых с инсомнией.Научная новизна:1. Разработан алгоритм определения артефактов и дыхательных цикловна БРЛ сигнале, позволяющий идентифицировать ДЦ с точностью96% и чувствительностью 98% на длительных записях БРЛмониторинга сна.2.

Разработаныпозволяющиеметодыучётаповыситьособенностейкачествоструктурыопределенияструктурысна,снакак для практически здоровых испытуемых, так и для испытуемых синсомнией.3. Обоснованнаборхарактеристикэпохсна,позволяющийосуществлять их автоматическую классификацию на основе БРЛмониторинга.4. Разработана БТС, определяющая структуру сна со средним качеством0,5 каппы Коэна по сравнению с ПСГ.Практическая значимость диссертационной работы заключается вразработке и апробации метода автоматического определения структуры сначеловека на основе бесконтактного биорадиолокационного мониторинга скачеством, не уступающим методам определения структуры сна человека,10представленнымвлитературе,покардиореспираторнымпараметрам,зарегистрированным с помощью контактных датчиков.Результаты работы внедрены в научную работу ФГБУ «СЗФМИЦим.

В.А. Алмазова» Минздрава России, ИЭФБ им. И.М. Сеченова и МГТУим. Н.Э. Баумана.Апробация работы.Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научномсеминаре факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана(г. Москва, 2016); Annual International Conference of the IEEE Engineeringin Medicine and Biology Society (Milan, Italy, 2015; Orlando, USA,2016); Российско-Германской конференции по биомедицинской инженерии(г. Санкт-Петербург, 2014; г.

Суздаль, 2016); Congress of the EuropeanSleep Research Society (Tallinn, Estonia, 2014; Bologna, Italy, 2016); SPIESymposium on Defense and Security, XVIII Radar Sensor TechonologyConference (Baltimore, USA, 2014); научном семинаре «Радиолокационныесистемы малой и сверхмалой дальности» (г. Москва, 2014 г.); научномсеминаре Microwave Sensing, Signals and Systems Group, Delft University ofTechnology (г.

Делфт, Нидерланды, 2015 г.); научном семинаре Institute forthe Electromagnetic Sensing of the Environment (г. Неаполь, Италия, 2013);Молодёжной школе-конференции с международным участием «Сон - окно вмир бодрствования» (г. Ростов-на-Дону, 2013 г., г. Санкт-Петербург, 2015 г.).Материалыдиссертациииспользовалисьвходеисследований,проводимых в рамках грантов РФФИ (14-07-31151 мол_а, 16-07-01096 а,15-07-02472а),грантовПрезидентаРоссийскойФедерациидлягосударственной поддержки молодых российских учёных-кандидатов наук(MK-889.2014.9, МК-7812.2015.7), гранта Фонда содействия инновациям(11402р/17221), гранта EU FP7 AMISS (PIRSES-GA-2010-269157).За работы, которые являются частью данной диссертации, авторуприсуждена стипендия Президента Российской Федерации молодым учёным11и аспирантам и стипендия Президента Российской Федерации для обученияза рубежом студентов и аспирантов.Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в20 печатных изданиях [12–31], в том числе в 3 статьях в журналах [13; 14;26], рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций насоискание учёных степеней кандидата и доктора наук, в 1 патенте на полезнуюмодель [17] и 1 свидетельстве об официальной регистрации программ дляЭВМ [12].Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения,четырёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет138 страниц с 53 рисунками и 24 таблицами. Список литературы содержит159 наименований.12Глава 1. Постановка задачи исследования1.1Сон и полисомнография«Сон жизненно важное биологическое состояние, являющееся однойизформадаптивногопассивно-оборонительногоповедения,котороехарактеризуется низким уровнем взаимодействия (восприятия и реакции)с внешней средой, подчинено суточной цикличности освещённости,способствует восстановлению, нормализации и развитию физиологическихи психических ресурсов организма.

Будучи универсальным биологическимявлением, сон изменяется и усложняется по мере эволюции животного мира иусложнения ЦНС животных» — согласно определению И.Г. Кармановой [32].В свою очередь В.М. Ковальзон определяет сон как «особое генетическидетерминированноесостояниеорганизмагеотермных(теплокровных)животных (млекопитающих и птиц), характеризующееся закономернойпоследовательной сменой определённых полиграфических картин в видециклов, фаз и стадий» [33].Согласно стандарту Rechtschaffen and Kales (R&K) 1968 года [34],принято выделять ФБС, четыре стадии (М1–М4) ФМС, а также ПБ.

Вобновлённом стандарте Американской академии медицины сна (AmericanAcademy of Sleep Medicine, AASM) 2007 г. [35] стадии М3 и М4 былиобъедены в одну стадию М3, также известную как стадию глубокого сна (ГС).Фазы и стадии сна циклически сменяют друг друга. Каждый цикл снасостоит из стадий ФМС и ФБС. Как правило, ночной сон состоит из 4–6подобных циклов, средняя продолжительность которых у взрослого человекасоставляет около 90 минут. Процентный состав циклов меняется в течении13Рис.

1.1. Процентный состав снасна, так представленность ГС в первой половине ночного сна больше чем вовторой, а представленность ПС и ФБС возрастает во второй половине сна.«Золотымстандартом»определенияструктурыснаявляетсялабораторная ПСГ, представляющая собой параллельную регистрациюразличных физиологических параметров во время сна в контролируемыхлабораторных условиях (Рис.

1.2). ПСГ должна включать в себя, как минимум,регистрацию ЭЭГ, ЭОГ и ЭМГ, на основе анализа которых и происходитклассификация эпох. Зачастую ПСГ включает в себя также регистрациюэлектрокардиограммы (ЭКГ), абдоминальных и торакальных дыхательныхусилий, дыхательного потока, сатурации крови кислородом, тонуса мышцнижних конечностей, видеозаписи, храпа и положения тела.Рассмотрим особенности фаз и стадий сна, а также критерии ихопределения по ПСГ.ПБ — период бодрствования.

ПБ определяется на основе следующихпараметров:– быстрые движения глаз, читающие движения глаз, моргания на ЭОГ;– (8–12 Гц) ритмы на ЭЭГ;– высокая амплитуда сигнала ЭМГ.14Рис. 1.2. Пациент во время лабораторной ПСГФБС — фаза быстрого сна (Rapid Eye Movement (REM) sleep), отличаетсяувеличением активности центральной нервной системы (ЦНС) до уровняблизкого к бодрствованию, за что ее называют также парадоксальнымсном. В ФБС наблюдается повышение артериального давления (АД),высокая вариабельность дыхания и сердечного ритма. Именно эта фазасна ассоциируется с наличием сновидений. ФБС составляет около 25% отобщей длительности сна, причём длительность ФБС в конце ночного сна,как правило, больше чем в начале.

ФБС определяется на основе следующихпараметров:– быстрые движения глаз на ЭОГ;– низкая амплитуда ЭЭГ со смешанными (4–8 Гц) и ритмами;– очень низкая амплитуда ЭМГ.ФБС может быть разделена на тоническую и фазическую части.В тонической ФБС происходит паралич больших мышечных групп,активными остаются только сердце, диафрагма и некоторые сфинкторы. Вфазической ФБС происходит быстрые движения глаз, а также наблюдаютсямиоклонические вспышки активности на ЭМГ.15ФМС (non-REM (NREM) sleep) составляет около 75% от общейдлительности сна и делится на 3 стадии сна согласно стандарту AASM [35].М1 — перваястадияФМСпредставляющаясобойпереходотбодрствования ко сну, дремоту.

Если разбудить человека во время этой стадиив первом цикле, то он может субъективно воспринимать произошедшее икак сон, и как спокойное бодрствование. Также в М1 может происходитьнепроизвольное вздрагивание во сне. АД, частота сердечных сокращений(ЧСС), ВСР, частота дыхания (ЧД) и мышечный тонус снижаются в этойстадии по сравнению со спокойным бодрствованием. Длительность М1как правило очень небольшая (1–7 мин.), а всего она занимает около 3%от общего времени сна.

Эта стадия определяется на основе следующихпараметров:– медленные движения глаз на ЭОГ;– низкая амплитуда ЭЭГ с -ритмом;– снижение амплитуды ЭМГ.М2 — вторая стадия ФМС. Длительность М2 растёт от начала ночногосна к его концу, а продолжительность составляет примерно половину отобщего времени сна. АД, ЧСС, ВСР, ЧД и мышечный тонус продолжаютснижаться. Эта стадия определяется на основе следующих параметров:– редкие медленные движения глаз на ЭОГ;– сонные веретена и K-комплексы на ЭЭГ;– снижение амплитуды ЭМГ по сравнению с М1.М3 (глубокий сон, дельта-сон) — третья стадия ФМС. ДлительностьМ3 постепенно падает от начала ночного сна к его концу, а общаяпродолжительность составляет около 20–25% от общего времени сна.

АД,ЧСС, ВСР, ЧД и мышечный тонус продолжают снижаться. Эта стадияопределяется на основе следующих параметров:– редкие медленные движения глаз на ЭОГ;– высокоамплитудные -волны (0,5–2,0 Гц) на ЭЭГ;16– низкая амплитуда ЭМГ.Критерии определения фаз и стадий сна по ПСГ обобщены в Таблице 1.Таблица 1.Критерии определения фаз и стадий сна на основе ПСГСтадияЭЭГЭОГЭМГ-ритмыбыстрые движения глаз,читающие движения глаз,морганиявысокаяамплитуданизкаяамплитуда, и ритмыочень низкая амплитудабыстрыедвижения глазМ1низкаяамплитуда,-ритмснижение амплитудымедленныедвижения глазМ2сонныеверетена,K-комплексыснижение амплитудыредкиемедленныедвижения глазнизкая амплитударедкиемедленныедвижения глазПБФБСМ3высокоамплитудные-волныПо результатам классификации эпох строится гипнограмма (графикотображающий структуру сна от времени, Рис.

1.3), а также рассчитываютсяпараметры структуры сна. Набор параметров структуры сна можетварьироваться, но наиболее распространённые из них включают:– общее время записи — время, прошедшее от момента отключенияосвещения до его включения;– период сна — время от инициации сна до его окончания;– общее время сна — время сна, без учёта ПБ во время сна;– эффективность сна - процентное отношение общего времени сна кобщему времени записи;– количество пробуждений;17Рис. 1.3.