Диссертация (Разработка технологии и программно-аппаратного комплекса для исследования структуры сна человека), страница 7

[87] была показана возможность примененияодноканального электроэнцефалографа Zeo (Рис. 2.5) для определенияструктуры сна.Рис. 2.5. Устройство Zeo Sleep Manager для мониторинга структуры сна наоснове одноканального электроэнцефалографа [96]Биоэлектрическиепотенциалы,возникающиепривозбуждениимышечных волокон, могут быть зарегистрированы с помощью накожныхэлектродов.

В ПСГ используется ЭОГ электроды для регистрации движенийглазных яблок и ЭМГ электроды в области подбородка для регистрациитонуса скелетных мышц. В работе Virkkala et al. [97] показана возможностьопределения структуры сна на основе анализа ЭОГ.Таким образом, методы, основанные на регистрации биоэлектрическихпотенциалов, могут применяться для определения структуры сна. Однако,50даже при использовании встроенных в предметы быта модификаций (майкадля ЭКГ, повязка для ЭЭГ, маска для сна для ЭОГ), их использованиеможет потребовать от пользователя изменения привычек сна, к чему особенночувствительны пациенты больные инсомнией, что осложняет применениеданных методов для длительного мониторинга структуры сна.Аудиоэфекты.

Двигательная активность, храп, остановки дыхания восне, как и само дыхание, сопровождаются специфическими звуками, которыемогут быть зарегистрированы и проанализированы с целью определенияструктуры сна и НДВС. В работе Rosenwein et al.[98] показанавозможность выделение инспираторной и экспираторной фазы дыхательногоцикла на основе аудиоанализа, проведённого как в лабораторных, таки в домашних условиях. Dafna et al.

[99] представили результатыопределения сна–бодрствования на основе анализа аудиоданных. Разработкив данном направлении крайне перспективны, поскольку аудиомониторингпотенциально может быть осуществлён с помощью сотового телефона.Однако, осуществление аудиомониторинга ночью нарушает приватность,поэтому может быть рекомендовано только для краткосрочной диагностики,длительность которой не превышает нескольких ночей.Термические эффекты. Ороназальный поток воздуха и поток кровиоколо поверхности тела приводят к изменениям температуры, которые могутбыть зарегистрированы с помощью метода термографии.

Так, в работе [100]показана возможность регистрации дыхания с помощью термокамеры.Однако, термокамеры обладают достаточно высокой стоимостью, так чтоданный метод не может быть рекомендован для длительного мониторингаструктурысна.Крометого,использованиеэтогометоданарушаетприватность.Механическиеэффекты.Сердцебиениеидыханиеприводяткперемещению и деформации органов и жидкостей в организме, в результате51чего проявляется различные механические эффекты, которые могут бытьсгрупированны в следующие категории:– периферическая перфузия;– интерторакальная динамика;– смещение поверхности тела.Пульсирующий характер кровотока вызывает ритмичное расширениеи сужение сосудов, что приводит к изменению оптических свойств кожи,так как оптическая плотность крови отличается от соседних тканей.Данные изменения могут быть зарегистрированы с помощью методафотоплетизмографии (ФПГ), который заключается в просвечивании красными инфракрасным светом участка кожи с последующей регистрациейрассеянного света фотопреобразователем.

Интенсивность рассеянного светазависит от объёма крови, проходящей через исследуемый участок. Такимобразом, ФПГ позволяет регистрировать пульсацию перефеерическихсосудов, и как следствие сердечный ритм. ФПГ может быть зарегистрированаи бесконтактно (бФПГ) с помощью видеокамеры на основе анализа измененийцвета кожи, подобная модификация метода в англоязычной литературеназывается Photoplethysmographic Imaging (PPGI) [101]. ФПГ не подходитдля длительного мониторинга сна ввиду необходимости использованияконтактного датчика, в то время как бФПГ нарушает приватность, посколькуосуществляется на основе видеомониторинга.Во время сердечного и дыхательного циклов происходит изменениеэлектрических и диэлектрических свойств органов и тканей груднойклетки.Этиизменениямогутбытьзарегистрированыспомощьюимпедансометрии, в том числе и бесконтактной [95].

Импедансометрия,осуществляемаяспомощьюконтактныхдатчиков,неможетбытьрекомендована для длительного мониторинга структуры сна. В тоже время,вопрос целесообразности использования бесконтактной импедансометрии52применительно к задаче длительного мониторинга структуры сна остаётсяоткрытым ввиду недостаточности литературных данных.Сердцебиение, распространение пульсовой волны и изменение объёмалёгких при дыхании приводят к смещению поверхности тела, которое можетбыть зарегистрировано с помощью различных методов: БРЛ, БКГ, ультразвука,лазера, видеомониторинга, времяпролётных камер.БРЛ, ультразвук, лазер и времяпролётные камеры являются активнымиметодамиипозволяютопределятьрасстояниеотсоответствующегосенсора до цели.

Целью в данном случае является спящий человек.Однако, среди них только метод БРЛ позволяет определять расстояниенепосредственно до тела испытуемого, игнорируя наличие одеяла, котороеможет вносить существенные искажения в регистрируемую амплитудудвижений грудной клетки. Наличие одеяла также может мешать определениюсмещенийповерхностителаспомощьювидеомониторинга.Крометого, видеомониторинг и использование времяпролётных камер нарушаетприватность.БКГ — это «метод исследования механических проявлений сердечнойдеятельности, выражающихся в смещениях тела человека» [107]. Длядомашнего или амбулаторного использования, как правило, под простыню,матрас или опору кровати помещают датчики, позволяющие получить данныео движении, частоте дыхания и сердцебиения.

В работах [70; 73; 102–104]показана возможность применения БКГ для мониторинга структуры сна.БКГ соответствует требованиям, предъявляемым к методам длительногомониторинга структуры сна.БРЛ — это «метод дистанционного обнаружения и диагностики людей,в том числе за оптически непрозрачными препятствиями, основанныйна модуляции радиолокационного сигнала колебательными движениями иперемещениями органов человека» [107].53Вмногочисленныхработахпоказанавозможностьрегистрациидвигательной активности, паттерна дыхания и сердцебиения с помощьюБРЛ [105–109]. В работах [81; 83; 86; 88] показана возможность примененияданного метода для определения структуры сна и её отдельных элементов.БРЛ соответствует требованиям, предъявляемым к методам длительногомониторинга структуры сна.

Кроме того, к достоинствам данного методаможно отнести потенциальную возможность использования одного БРЛустройства для одновременной регистрации смещения поверхностей тел двухиспытуемых одновременно и крайнюю простоту в эксплуатации. Именноэтот метод был выбран в диссертационном исследовании для бесконтактнойрегистрации физиологических параметров с целью длительного мониторингаструктуры сна.Запишем математическую модель монохромного биорадара [109]. Пустьфаза отражённой от биологического объекта (БО) волны = 0 + ∆(),где — сдвиг фазы, определяемый средним расстоянием до БО; ∆() —фазовая модуляции сигнала в результате движений БО.Тогда отражённый от БО сигнал можно записать следующимвыражением () = ( + 0 + ∆()),(2.1)где — амплитуда волны, отражённой от БО, — частота сигнала.Отражённый сигнал (2.1) смешивается с опорным сигналом биорадара0 () = 0 ( + 0 ), где 0 — амплитуда опорного сигнала, 0 — фаза опорного сигнала.54Тогда сигнал на выходе смесителя может быть представлен в виде () = 0 (0 − 0 − ∆()).Поскольку при сдвиге фазы между опорным и отражённым сигналами0 − 0 = , = 0,1,2...чувствительность биорадара к движениям БО будет минимальна, имеет смыслиспользовать квадратурный приёмник, опорный сигнал которого имеет двекомпоненты0 () = 0 ( + 0 ),0 () = 0 ( + 0 ).В этом случае полезный сигнал не затухает одновременно в I и Q каналахприёмника.2.3Исследование возможности определения структуры сна человека наоснове анализа дыхательных движений2.3.1ВведениеОчевидно, что амплитуда смещения поверхности тела в результатесердцебиения значительно меньше, чем амплитуда дыхательных движений.Однако, работы в которых приводится численная оценка данных амплитуднемногочисленны, и в большинстве из них принимало участие небольшоеколичество испытуемых.

Так, в работе De Groote et al. [110] была произведенаоценка амплитуд дыхательных движений 5 взрослых мужчин, в работе Kondo55et al. [111] приняло участие 5 испытуемых, а в исследовании Kaneko [112] 10мужчин.В 2012 г. H. Kaneko и J. Horie [113] провели анализ смещенийповерхности тела в результате дыхательных движений для 100 испытуемых(50 мужчин, 50 женщин) в возрасте 20–74 лет. Регистрация данныхпроводилась с помощью системы из 8 инфракрасных камер, которыерегистрировали смещения пассивных маркеров, расположенных на телеиспытуемого.

Согласно данному исследованию, амплитуда дыхательныхдвижений в положении лежа на спине при спокойном дыхании в торакальнойобласти составляет 2–4 мм, а в абдоминальной 7–10 мм.В работе Миняевой А.В. [114] показано, что в положении лежавклад абдоминального компонента дыхания увеличивается по сравнению сположением стоя и сидя, и отмечено, что вентиляция лёгких в горизонтальномположении обеспечивается в большей степени за счёт абдоминального вклада.Амплитуда смещения поверхности спины, при положении сидя, согласноработы De Groote et al. [110], составляет около 1–3 мм.Амплитуда смещения поверхности тела в следствии сокращения сердцав проекции верхушки сердца составляет около 0,5 мм согласно исследованиюG. Ramachandran и M. Singh [115].Обобщение сведений об амплитудах смещения поверхности тела врезультате дыхания и сердцебиения представлено в Таблице 9.Таблица 9.Амплитуды смещений поверхности тела в результате сердцебиения идыхания (мм)2,49 ± 1,18 (муж.)3,42 ± 1,62 (жен.)Околопупочная область [113] 10,81 ± 3,55 (муж.)9,01 ± 3,24 (жен.)Спина [110]≈ 1–3 мм.Сердцебиение [115]0,57 ± 0,11ДыханиеМечевидный отросток [113]56Таким образом, устойчивая бесконтактная регистрация сердцебиениядля различных возможных состояний фоноцелевой обстановки, осложняетсясравнительно низкой амплитудой смещений поверхности тела в результатесердцебиения.Как показано в разделе 1.4 в многочисленных работах используетсяанализ ВСР для определения структуры сна и её элементов [64; 75; 116–132],также в ряде работ используют анализ ВСР совместно с параметрамипаттерна дыхания [54; 62; 63; 65; 89; 133–140].

Кроме того, наличие различийв параметрах дыхания в стадиях сна показано в работах Douglas etal. [141], Penzel et al. [142], Kantelhardt et al. [143] и др. Однако перваяработа, доказывающая возможность определения структуры сна взрослогопрактически здорового человека, вышла в печать только в 2014 г. [61].Таким образом, на момент начала диссертационного исследования в 2012 г.,возможность определения структуры сна на основе анализа дыхательныхдвижений была не очевидна, в результате чего были поставлены следующиевопросы, требующие исследования:1. Возможно ли определить структуру сна только на основе анализадыхательных движений?2.