CPC睡眠质量评估系统原理

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仪器与方法
一种基于心电图的睡眠期间心肺耦合评价技术
Robert Joseph Thomas,MD,MMSc1;Joseph E. Mietus,BS2;Chung-Kang Peng,PhD2;Ary L. Goldberger,MD2 马萨诸塞州波士顿市 Beth Israel Deaconess 医疗中心 1 肺、重症监护与睡眠医学科,2 医学部心血管科
减饱和。这种分期捕获了临床实践中的所有可见呼吸异常。
AHI-4%是统一的医疗临床标准,而 AHI-0%利用的是美国睡
眠医学协会的研究建议。27,28
利用多导睡眠监测软件
(Sandman, Mallinckrodt, St. Louis, MO)内的相关模块将 δ
频率(≤ 4 Hz)的原始 ECG 信号(采样频率为 64、85.3 或
量化。在初步观察中我们已经发现,我们能够通过把 R-R
和 EDR 信息相结合来克服局限并把这些以前的方法扩展到
2004 年 11 月递交, 2005 年 5 月录用出版
基于 ECG 的睡眠期间分析中。从连续单导联 ECG 中提取
通信地址:Robert Joseph Thomas, MD, MMSc, CC-866, 与同步心率和呼吸动力学相关信息,并用来生成新的心肺耦
直线之间的时间间隔= 5 s。
单导联 ECG 信号
心搏标记
QRS 振幅变 化测量
标准窦性(N-N)间期选择
N-N 间期 测量
ECG 推导的呼吸(EDR) 时序 线性再采样
N-N 间期时序
计算 2 个时序的互谱功率与相干度之 积(CPC 法)
自动睡眠心理学检测:CAP/ 非 CAP;利 用不同频带内的 CPC 比识别睡眠/清醒期
图 3:心肺耦合测量推导步骤。技术细节见附录。ECG 指 心电图;CAP 指循环交替模式。
图 4:1 例 22 岁健康妇女的心肺耦合分析。顶部的 4 条 曲线由上到下依次显示了:30 秒间期常规睡眠分期,源 于 C4-A1 脑电图(EEG)片段(µV2/Hz)的逐秒 ΔP, 基于 EEG 的手动循环交替模式(CAP)分期,以及用来
研究目的:利用单导联心电图信号评价睡眠期间心肺耦合的 kappa 统计表明,标准睡眠分期差(训练集 62.7%,测试集
新自动测定法。
43.9%)但循环交替模式分期较好(训练集 74%,测试集
设计:利用训练数据集和测试数据集(各包括 35 个睡眠图), 77.3%)。
评价基于心电图的心肺交互作用测定法与标准睡眠分期和循 结论:利用源于单导联心电图的睡眠频谱图动态追踪心肺交
在 CAP 分类中,不稳定睡眠的特征是存在周期性相位脑电图
在气压滴定过程中,利用直插式呼吸速度描记器监测
(EEG)复合波(CAP)、唤醒阈低并且 SDB 之类的周期性
气流。训练数据集由 35 例成人的多导睡眠图组成
行为占主导。稳定睡眠的特征是不存在周期性相位 EEG 复合
(男性 20 例),年龄 46 ± 12 岁,平均身体质量指数
质量替代指标具有潜在的重大临床意义。常规睡眠分期分为 变。3,4 睡眠呼吸障碍(SDB)与可预测特征相关,如呼吸
清醒期、快速眼动(REM)睡眠期、深度逐渐加深(第 1-4 周期性循环和心率。5-9 已经提出了大量从体表 ECG 检出
阶段)的非快速眼动(NREM)睡眠期(该睡眠期约占夜晚 SDB 的方法。10-17 不过,这些主要基于心搏(R-R)间期动
CAP 分期 这种分类分期法独立于多导睡眠图,它仅基于 EEG ,
波(非 CAP)、唤醒阈升高并且周期性行为(如连续流量异常)
28 ± 4 kg/m2。研究类型分布如下:诊断性研究 22 项,
最少。
其中 11 项无夜间缺氧(定义为氧饱和度保持在 90%
以上),滴定或诊断+滴定组合研究 13 项。另一独立
方法
的 35 例成人(男性 28 例)多导睡眠图用作测试集,
训练数据集和测试数据集
1. 共从美国睡眠医学学会批准的位于 Beth Israel Deaconess
肥胖(身体质量指数 24± 2 kg/m2)。本附加测试数据
医疗中心的睡眠障碍中心及其附属实验室的获取了 2003
旨在证明心肺耦合状态不受疾病限制,但也是健康人
年 12 月至 2005 年 7 月期间的 70 个多导睡眠图。在这
平均年龄 49 ± 18 岁,平均身体质量指数 31 ± 5
利用从 SDB 患者获得的数据训练本技术,因为这些受试
kg/m2。研究类型分布如下:诊断性研究 25 项,其中
者的稳定和不稳定 NREM 睡眠期(通常与 CAP 和非 CAP
12 项无缺氧(定义如上),正压滴定睡眠研究 10 项。
EEG 相关)特别明显(图 1、2)。然后,我们利用从 SDB 患
检测睡眠状态的低频(0.01-0.1 Hz)/高频(0.1-0.4 Hz) 相干互谱功率比。底部图片显示了 7 小时睡眠期内的心 肺耦合频谱图,在该频谱图中每个频率的相干互谱功率 振幅用峰高来表示。睡眠频谱图揭示了高频和低频耦合 状态的同步转变,在频谱图中用 2 个不同的频谱峰带表 示耦合状态。在整个晚上,不断出现与非 CAP 睡眠相关 的 ΔP 和高频耦合周期增大。W 指清醒;R 指快速眼动睡 眠;C 指 CAP;NC 指非 CAP。在整个研究过程始终采 用仰卧体位。
环交替模式分类之间的相关性。还评价了 15 例健康受试者 互作用。2 个不同域(双峰)证明采用可视化循环交替模式
的耦合模式。
和非循环交替模式分期时的关联比采用标准睡眠分期时的关
研究环境:美国睡眠医学学会认可的睡眠障碍中心
联更紧密。这种技术可以提供一种描述非快速眼动睡眠期常
介入:无
规特性的补充方法。
测量与结果:从连续单导联心电图提取正常-正常窦性心律 关键词:循环交替模式,傅里叶分析,心率变异性,非快速
睡眠的一个特征。我们未对标准数据执行可视化 CAP
段时期内,执行了 900 次多导睡眠图。按照下列标准选
分期,也未打算评价“CAP 检测器” ,而是对睡眠状
择所要分析的研究:(1)受试者无并存疾病(糖尿病、高
Hale Waihona Puke Baidu
态稳定性估计量进行评价。
血压、心力衰竭、肾衰竭、中风),并且没有使用苯二
氮平类神经刺激药物;(2)EEG 上无呼吸波动伪影;(3) 多导睡眠图分期与数据导出
图 2:在不同时间从图 1 同一受试者获得的多导睡眠图 显示了稳定的睡眠行为。常规 EEG 睡眠分期分为 2 期, 但 EEG 形态为非循环交替模式(CAP)。请注意,呼吸 流量信号显示“平台型”流量限制(箭头)且无任何明显 唤醒或离散呼吸事件。顶部的 3 条曲线为标准中央至头 部顶叶和枕叶 EEG 片段。 EOG 指眼动图;EMG 指颏 下肌电图;Therm 指热敏电阻;Nasal P 指利用鼻导管压 力传感器系统测得的经鼻气流。Thoracic 和 Abdom(腹部)记录指利用压带测得的呼吸努力。2 垂
睡眠期间苏醒时间短(<15%总睡眠时间)、Δ 波/慢波睡
手动分期首先利用标准方法识别 NREM 第 1-4 阶段、
眠时间短(< 15% NREM 睡眠时间)。最常见的研究排 REM 睡眠、清醒状态 1 。呼吸事件分期规则如下:
除原因是使用了神经刺激药物(44%)以及记录中的清
醒时间增长(36%)。
图 1:多导睡眠图显示不稳定睡眠具有反复阻塞性呼吸异 常(短箭头)和相位脑电图(EEG)复合波(长箭头)。常 规 EEG 睡眠分期分为 2 期,但 EEG 形态为循环交替模式。 顶部的 3 条曲线为标准中央至头部顶叶和枕叶 EEG 片段。 EOG 指眼动图;EMG 指颏下肌电图;Therm 指热敏电阻; Nasal P 指利用鼻导管压力传感器系统测得的经鼻气流。 Thoracic 和 Abdom(腹部)记录指利用压带测得的呼吸努 力。2 垂直线之间的时间间隔= 5 s。
术的详细描述及算法源代码,在
SomRx 的付费顾问,并且获得了 SomRx 的支持。
http://www.physionet.org/physiotools/edr/上提供。
Mietus 博士编写了描述心肺耦合技术的代码。Peng 博
不过,带有典型噪音的长临床记录内的 EDR 信号很难
士与 Goldberger 博士之间没有经济利益冲突。
120 Hz)和 EEG(采样频率为 120 或 256 Hz)以 ASCII 格
式导出。不同附属睡眠实验室的采样率不同。
CAP 标准分期准则概要 (1) 每个 CAP 周期由 2 部分组成:A 相由 EEG 瞬变组成,
B 相定义为将 2 个连续 A 相分开的 Δ/θ 活动间期。每 相持续时间的范围为 2~60 秒。 (2) 一个 CAP 序列至少包括 2 个连续循环。 (3) A 相具有下列特征: (a) 第 1 睡眠阶段内的间歇 α 波和颅顶尖波序列。
间期序列及相应心电图推导的呼吸信号。采用基于傅里叶变 眼动睡眠,睡眠呼吸障碍
换的技术,通过这 2 种同步信号的相干度与互谱功率之积生 引文:Thomas RJ; Mietus JE; Peng CK et al. An
成睡眠期间心肺耦合动力学频谱。该技术显示,成人非快速 electrocardiogram-based 技术 to assess 心肺耦合 during 睡眠.
眼动睡眠高频与低频心肺耦合域之间存在自发性突变,这些 睡眠 2005;28(9): 1151-1161.
耦合域具有健康和患病群体的典型心电图、呼吸、心率变异
性特征。
介绍
睡眠深度和类型改变,睡眠深度和类型改变,自主神经系统
由于多导睡眠图昂贵、复杂,因此,发展易测定的睡眠 动力学(心率变异性、呼吸和相关变量)的特征行为随之改
睡眠 Unit, Beth Israel Deaconess Medical Center, 330 合频谱图。
Brookline Avenue, Boston, MA 02215;电话:(617)
667-3237;传真:(617)975-5506;
E-mail:rthomas1@bidmc.harvard.edu
者获得的测试数据集评价心肺耦合测定法的准确度。此外, 2. 标准测试集由为独立方案招募的 15 例受试者组成
我们还利用标准 ECG 数据库评价健康成人的心肺耦合状态。
(男性 9 例,女性 6 例,年龄 20-41 岁)。所有受试
使用了下列 2 种数字数据库:
者均无疾病、未使用药物、睡眠-苏醒时间规律且不
平均睡眠时间的 80%)1。不过,第 3 阶段和第 4 阶段会随 力学检测的方法会因心率变异性减小而在应用方面受到限制。
着年龄的增长而缩短,成人 NREM 睡眠主要是第 2 阶段,
因此,减小常规系统的数值以便精确测定睡眠质量。2 特别
还可以从体表 ECG 提取的与 R-R 变异性无关的补充信
是在可以通过心电图(ECG)信号之类的简单便宜的方式测 息,该补充信息是一种替代呼吸信号,称之为心电图推导的
定睡眠质量时,加强睡眠质量定量评定具有重大临床实用性。 呼吸曲线(EDR)。18-19EDR 技术基于 ECG 电极在胸表相对
于心脏的移动位置以及肺部充满与排空时的经胸电阻抗变化
量观测。因此,导联轴在呼吸周期的不同点会发生改变,并
披露声明
且,足够精确的心电轴中度测量显示与呼吸相关变量。该技
本研究并非业界支持研究。Thomas 博士是
(1) 阻塞性呼吸暂停定义为鼻导管内无气流、口腔内热敏电 阻信号降至基线 10%以下且伴有持续呼吸努力。无呼吸努力 迹象时对中枢性呼吸暂停进行划分。(2)通气不足定义为 3 次 或 3 次以上连续呼吸的经鼻气压信号振幅明显降低,或者呼 吸流量曲线扁平且突然恢复成圆/正弦流量曲线或者一次大 的恢复呼吸。利用氧减饱和时间是否占 4%来评定通气不足。 呼吸暂停低通气指数(AHI)-4%(呼吸暂停 + 氧减饱和时 间占每小时睡眠 4%的通气不足)和 AHI-0%(呼吸暂停 + 每小时睡眠中未出现氧减饱和的通气不足)反映是否存在氧
本研究的目的是:(1)评价从单导联 ECG 获得心肺耦合频
EEG、肌电图、眼动图、ECG、体位(直接观察和位
谱图 ;(2)量化标准睡眠分期和循环交替模式(CAP)高频与
置传感器)、指端脉搏血氧测定值、压带测定的呼吸
低频耦合域之间的关系,即一种睡眠不稳定性测定方法。20,21
努力、热敏电阻测得的气流和经鼻气压均是标准的。
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