Диссертация (Разработка технологии и программно-аппаратного комплекса для исследования структуры сна человека), страница 6

Необходимопостроить алгоритм классификации : → , приближающий целевуюзависимость * () на всем множестве . Оценку построенных алгоритмовбудем проводить используя каппу Коэна на основе одной из двух следующихпроцедур:– скользящий контроль по отдельным испытуемым — обучающаявыборка формируется из данных − 1 испытуемого, где — общееколичество испытуемых, а данные одного оставшегося испытуемогоиспользуются в качестве контрольной выборки; данная процедураповторяется раз с выделением нового испытуемого в контрольнуювыборку на каждой итерации;– скользящий контроль по блокам — данные испытуемых разбиваютсяна блоков так, чтобы данные каждого из испытуемых находилисьтолько в одном из блоков; − 1 блоков формируют обучающую41выборку, а один оставшийся контрольную; данная процедураповторяется раз с выделением нового блока в качестве контрольнойвыборки на каждой итерации.1.61.

НарушенияснаВыводы по главе 1широкораспространеныичастоостаютсянедиагностированными. Одним из наиболее распространённых нарушенийсна является инсомния, которой страдает по крайней мере 6% общейпопуляции.2. Методы диагностики нарушений сна, применяемые в настоящий момент вклинической практике, не позволяют проводить длительный автоматическиймониторинг структуры сна.3. Рост публикационной активности в области разработки новых методовдлительного мониторинга структуры сна человека в последнее десятилетиеподтверждает актуальность темы диссертационного исследования.4.

Анализ литературы позволяет сделать вывод о слабой исследовательностиследующих вопросов:– определение структуры сна на основе анализа дыхательныхдвижений;– определение структуры сна на основе БРЛ мониторинга;– использованиезнанийобособенностейструктурыснадляповышения качества определения структуры сна.5. В главе формализована постановка задачи определения структуры сна иобоснован выбор каппы Коэна в роли критерия качества её решения.42Глава 2. Исследование физиологических сигналов и методов ихрегистрации, потенциально применимых для длительного мониторингаструктуры сна2.1Анализ изменений физиологических параметров в течение снаКак показано в разделе 1.1 в ходе смены фаз и стадий сна происходятизменения в сигналах ЭЭГ, ЭОГ и ЭМГ, на основе анализа которых ипроводится определение структуры сна во время ПСГ.

Однако в литературеотмечается, что во время сна происходят изменения во многих системахорганизма [32], таким образом выбор сигналов, на основе анализа которыхможет быть определённа структура сна, не ограничивается используемыми вПСГ.Баланс автономной нервной системы (АНС) в течение сна меняется [90].Так, ФМС характеризуется последовательным снижением активностисимпатической АНС (СНС) и увеличением активности парасимпатическойАНС (ПНС).

В тонической ФБС идёт увеличение парасимпатическойактивности, а в физической симпатической [32]. Изменения в АНС приводятк изменениям многих физиологических параметров, в частности ЧСС и ВСР.ЧСС и ВСР последовательно снижается в течение стадий ФМС,ВСР в ФБС значительно увеличивается. Кроме того, в ФБС нередкиэпизоды тахикардии и брадикардии. В фазическую ФБС может происходитьзначительное увеличение ЧСС. АД ведёт себя схожим образом, оно снижаетсяв течение ФМС и возрастает в фазическую ФБС.

Изменения, происходящиев сердечно-сосудистой системе во время сна, весьма значительны, чтопослужило причиной включения в стандарт суточного мониторирования ЭКГ43и АД требования фиксации времени сна во избежание постановки неверногодиагноза [91].Частота и паттерн дыхания также значимо изменяются в течение снавследствие изменения факторов влияющих на регуляцию дыхания. Дыханиерегулируется дыхательным центром, который модулирует эфферентныеимпульсы к дыхательным мышцам и мышцам верхних дыхательных путей.Дыхательный центр обеспечивает генерацию дыхательного ритма и паттерна,их адаптацию к потребностям организма и поведенческим реакциям,поддерживает физиологический уровень 2 и 2 в крови.Дыхательный центр располагается в продолговатом мозге и состоитиз нескольких групп нейронов: преинспираторные, ранние инспираторные,полныеинспираторные,поздниеинспираторные,постинспираторные,экспираторные [92].

Гармоничная совместная работа всех типов нейроновприводит к регулярному и плавному паттерну дыхания.Регуляция дыхания обеспечивается дыхательным центром благодаряинформации поступающей по афферентным путям от механорецепторов ихеморецепторов. Схема регуляции дыхания представлена на Рис. 2.1.Рис. 2.1. Схема регуляции дыхания44Хеморецепторы подразделяются на центральные и периферические.Первые располагаются в продолговатом мозге, а вторые в дуге аорты икаротидном синусе. Центральные хеморецепторы реагирует на изменениесодержание 2 в крови через изменение pH внеклеточной жидкости.Периферические хеморецепторы реагирует на уменьшение парциальногодавления кислорода 2 в артериальной крови, и, в меньшей степени, наувеличение парциального давления углекислого газа в артериальной крови 2 .Следующие типы механорецепторов принимают участие в регуляциидыхания: рецепторы растяжения лёгких, ирритантные рецепторы слизистойоболочки дыхательных путей, J-рецепторы.

Рецепторы растяжения лёгкихрасположены в гладких мышцах бронхов и трахеи, они реагируют наувеличение объёма лёгких. Ирритантные рецепторы реагируют на быстрыеизменения объёма лёгких, а также на попадание в воздухоносные путипыли, паров едких веществ и холодного воздуха. J-рецепторы расположены вткани альвеол и реагируют на изменение артериального давления, увеличениеобъёма интерстициальной жидкости в лёгких.Помимо механо- и хемо- рецепторов в регуляции дыхания участвуюттакже и высшие центры мозга, что проявляется в произвольном изменениидыхания, перерывах дыхания во время речи, пения, смеха, вздохов, зевоты,ускорении дыхания при тревоге и болевых ощущениях [93].Во время сна влияние на систему регуляции дыхания оказываютследующие факторы:1. снижение уровня метаболизма;2.

уменьшение чувствительности хеморецепторов;3. устранение и уменьшение влияния некоторых входных стимуловреспираторного центра (Рис. 2.2);4. атония скелетных мышц в ФБС;5. увеличение сопротивления верхних дыхательных путей.45Рис. 2.2. Входные стимулы центра регуляции дыхания. Адаптировано сPrinciples and Practice of Sleep medicine, 6th ed. [36]Влияние данных факторов приводит к следующим изменениям вчастоте и паттерне дыхания. В М1 снижается регулярность дыхания,возникают короткие периоды учащённого дыхания, иногда встречаетсядыхание Чейн-Стокса. В М2 дыхание становится более регулярным, ЧДснижается.

М3 характеризуется очень регулярным как по частоте, так и поамплитуде, редким, глубоким дыханием. В ФБС вариабельность дыханияувеличивается, особенно в фазической ФБС, часты эпизоды апноэ. На Рис. 2.3приведены характерные паттерны дыхания в различных стадиях сна ибодрствовании.Температура тела последовательно снижается с углублением ФМС инесколько увеличивается в ФБС. Кроме того, происходит дрейф среднейтемпературы тела в течение сна.

Так, вечером температура максимальнаи минимальна к утру. Вариация температуры во время сна не превышает1 − 2∘ [32].46Рис. 2.3. Паттерн дыхания в различных стадиях сна и бодрствовании [94]Помимо прочего, во время сна происходят значительные измененияв эндокринной системе, а ФБС ассоциируется с наличием эрекции, чтосвязывается с увеличением активности ПНС.Сведения о изменении физиологических параметров в течение снаобобщены в Таблице 8.2.2Анализ методов регистрации физиологических сигналов,потенциально применимых к задачеКак следует из предыдущего раздела, определение структуры снаможет быть произведено на основе анализа активности головного мозга,движений глаз, сердцебиения и дыхания.

Анализ двигательной активностиили электрической активности мышц хоть и не позволяет определятьструктуру сна, однако может использоваться совместно с другими методами47Таблица 8.Изменение физиологических параметров в течение снаЭЭГЭОГЭМГCНСПНСЧССВСРЧДПаттерндыханияДвигательнаяактивностьПБПСГСФБС и ритмыСонныеверетена,K-комплексыРедкиемедленныедвижения-волны-ритм, и волныБыстрые иРедкиечитающиемедленныедвижения,движенияморгания↑↓↓↑↓↓↓↑↑↑↓↓↑↓↓↑↓↓Вариабельный Периодический Регулярный↑↓↓Быстрыедвижения↓↓↑Вариабельна↑↑↑Вариабельный↓↓для повышения качества разделения бодрствования и сна или определенияФБС.Регистрацияданныхфизиологическихпроцессовможетбытьпроизведена на основе различных продуцируемых ими физиологическихэффектов, которые могут быть сгруппированы в следующие категории:биоэлектрические, механические, термические и аудио.

На Рис. 2.4 приведенытехнологии регистрации физиологических параметров, которые потенциальномогут быть применены для длительного мониторинга структуры сна человека.Данная схема частично основаны на обзоре Brüser et al. [95].В связи с высокой продолжительностью мониторинга и специфичностьюзадачи были сформулированы следующие требования к методам мониторингаструктуры сна:1. обеспечение максимального комфорта для пациента;2. простота эксплуатации;48Рис. 2.4. Методы, потенциально применимые для длительного мониторингаструктуры сна3. низкая стоимость;4.

обеспечение приватности пациента.Максимальный комфорт может быть обеспечен бесконтактнымиметодами, не требующими наложения датчиков и электродов на телоиспытуемого, что особенно важно для больных инсомнией, у которых итак нарушена способность инициации и поддержания сна и которые могутособенно резко реагировать на дискомфорт и непривычные условия.Рассмотрим представленные на Рис. 2.4 методы и их соответствиетребованиям, предъявляемым для длительного мониторинга структуры сна.Биоэлектрические эффекты. В течение кардиоцикла происходитдеполяризация и реполяризация клеток сердечной мышцы, что приводит квозникновению разности потенциалов, которая может быть зарегистрированана поверхности тела.

«Золотым стандартом» регистрации электрическойактивности сердечной мышцы является ЭКГ. Для длительного мониторингаструктуры сна может применяться модификация данного метода —ёмкостная ЭКГ (capacitive ECG), которая позволяет регистрировать ЭКГбез непосредственного помещения электродов на кожу и использования49проводящего геля. Например, электроды могут встраиваться в майку илидругие предметы одежды и быта [95]. В работе A. Bianchi и M.

Mendez [75]майка со встроенными электродами ёмкостной ЭКГ была использована дляопределения ПБ–ФБС–ФМС.Электрические потенциалы, вызванные активностью головного мозга,также могут быть зарегистрированы с поверхности скальпа с помощью ЭЭГ.Для мониторинга структуры сна имеет смысл применять одноканальныеэлектроэнцефалографы, не требующие применение проводящих гелей. Вработе Shambroom et al.