Президента Российского общества сомнологов,
заслуженного врача РФ, профессора, д.м.н.
evolyutsiya-tehnologiy-izucheniya-sna-i-dyihaniya-vo-sne

ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗУЧЕНИЯ СНА И ДЫХАНИЯ ВО СНЕ

Комментариев: 2
20
03.14

 

По материалам Европейского респираторного конгресса,

Барселона, сентябрь 2013.

Ночная полисомнография (ПСГ) – основной метод исследования нарушений сна, признанный на настоящий момент «золотым стандартом».

Термин «полисомнография» был впервые представлен в 1974 году и обозначал длительное мониторирование нейрофизиологических и кардиореспираторных параметров в течение ночного сна. Данный метод применялся для изучения сна в норме и при его нарушениях, в целях диагностики и оценки эффективности терапии. Бурное развитие телекоммуникационных технологий и мобильной связи, наряду с созданием новых сенсорных систем, ускорило внедрение телемедицины в качестве жизнеспособной и надежной альтернативы. Настоящий обзор сочетает в себе рассмотрение утвердившихся на настоящий момент представлений в области диагностики нарушений сна, а также новых технологий и методов исследования, включающих новые датчики и системы дистанционного управления. Читатель должен иметь в виду, что не все обсуждаемые здесь методы имеют достаточную доказательную базу, что следует учитывать при закупке соответствующего оборудования.

Современные технологии

Полисомнография (ПСГ) включает в себя следующие методы исследования:

  • Электроэнцефалография (ЭЭГ) – проводится в различных режимах, преимущественно — C4-А1 и С3-А2;
  • Детекция движений глаз — электро-окулография (ЭОГ)-  осуществляется с помощью 2-х электродов, расположенных на латеральных кантах),
  • Детекция мышечного тонуса с помощью электромиографии (ЭМГ) с расположением датчиков в области подбородка и на нижних конечностях.

На основании информации, полученной с помощью ЭЭГ, ЭОГ и ЭМГ, можно дифференцировать стадии сна, в соответствии с критериям Rechtschaffen и Kales [3] и новыми критериями  Американской Академии Сна [4]. Вентиляция обычно регистрируется качественно, посредством термистора, однако более точно данный параметр можно измерить c помощью назальной канюли или пневмотахографа, соединенного с респираторной маской. Альтернативным вариантом может быть индукционная плетизмография, хотя откалибровать этот прибор достаточно трудно [5]. Дыхательные циклы могут быть опосредованно зарегистрированы с помощью регистрации движений грудной клетки и живота (посредством ЭМГ), записи храпа и изменений артериального давления, но наиболее эффективно — при регистрации изменений внутригрудного давления. Последние изменения можно зафиксировать при измерении давления в пищеводе. Движения грудной клетки и живота могут быть зарегистрированы с помощью тензометрических датчиков (определяющих изменения сопротивления, в зависимости от  изменений длинны), индукционной плетизмографии или респираторной индукционной плетизмографии (Respitrace) (с определением индукционных свойств электрических проводников), импеданс- или даже с использованием матраца, измеряющего дыхательные движения.

Регистрация дыхательного усилия во время апноэ объясняется спадением верхних дыхательных путей. Прямое измерение газов крови применяется крайне редко, т.к. корреляция с респираторным событием, в связи с периодичностью возникновения апноэ, фактически невозможна. Вместо этого регистрируется сатурация посредством пульсоксиметрии, а также насыщение крови углекислым газом (РCO2) с помощью чрескожного датчика. Другой альтернативный метод детекции вентиляции – запись звука. При этом применение частотного анализа звуковых феноменов (преимущественно храпа) может предоставить большее количество  информации об ограничении воздушного потока. Положение тела во время сна обычно фиксируется с помощью датчика, расположенного  на грудной клетке. Сочетанное применение вышеперечисленных методов исследования позволяет оценить физиологические и патологические события относительно структуры сна.

Меняя парадигму

Существующие сегодня стандартные методы обработки данных ограничены визуальным и полуавтоматическим анализом, т.к. воспроизводимость результата при ручной и автоматической обработке информации в аспектах определения стадий сна и выявления патологических событий крайне низка. Однако, при применении более сложных алгоритмов обработки данных возможно получение существенно более подробной и достоверной информации. В настоящее время модернизация существующих ПСГ-систем практически не осуществляется, в то время как рынок стремительно движется вперед, предоставляя технологические новинки, такие, как новые датчики, Wi-Fi и системы дистанционного мониторинга (с помощью телефона\видео). Интеграция этих инновационных технологий в существующую систему позволило бы сделать исследование сна более комфортным для пациента. С другой стороны, автоматизация определения стадий сна на основании анализа данных ЭКГ, динамики пульсовой волны и воздушного потока[7], а также движений тела, позволила бы упростить диагностическую процедуру, что сделало бы этот вид помощи более доступным населению.

Улучшение технических характеристик электронной аппаратуры (вычислительная мощность, объем памяти), вместе с появлением беспроводных энергосберегающих средств связи, сделало возможным разработку «умных» беспроводных датчиков для широкого ряда приложений. Так, например, был разработан беспроводной ЭКГ воротник (ECG collar), регистрирующий электрическую активность сердца и передающий информацию на смартфон операционной системы Android. При этом, частота сердечных сокращений регистрируется в реальном времени, в то время как частота дыхательных движений рассчитывается исходя из изменений амплитуды QRS (Holst Centre, Eindhoven, Нидерланды). Также весьма привлекательным выглядит применение пульсоксиметра, передающего информацию о ЧСС и сатурации (SpO2) дистанционно [7,8]. Следует отметить, что для существования подобных устройств необходимыми требованиями являются низкое энергопотребление при сохранении высокого качества сигнала.

Первым появившемся на рынке Bluetooth-пульсоксиметром была диагностическая система Avant 4000 (Nonin, Plymouth, MN, США).  На настоящий момент Bluetooth-пульсоксиметры представлены следующими моделями: 3100 WristOx (Nonin), Medical PulseOx 7500 (SPO Medical, Simi Valley, CA, США), TruSat (GE Healthcare, Madison, WI, США) и Intellivue (Philips, Best, Нидерланды). С тех пор как технология  Bluetooth получила широкое распространение и представлена в большинстве мобильных телефонов, ноутбуков и планшетов, использование устройств, оснащенных Bluetooth  стало технически приемлемым в медицинской практике. С целью снижения энергопотребления в этих устройствах нашли применение встроенные фотодетекторы.

Альтернативные устройства для изучения расстройств сна становится все более доступными, но представлены преимущественно в виде прототипов и не разрешены для широкого применения [10]. Впишутся ли новые технологии в существующую систему-  покажет время [11].

Эволюция технологий изучения сна

Параметры, анализируемые сегодня при проведении ПСГ далеко не идеальны, но отражают существующие на настоящий момент представления о процессах сна/бодрствования и соответствующим им физиологическим изменениям в организме. С целью поиска новых подходов в диагностике обструктивного апноэ сна (ОАС) были разработаны различные методы исследования, в том числе основанные на более подробном анализе ЭКГ, пульсовой волны, интеллектуальной оценки микропробуждений и применении новых датчиков. Некоторые из этих методов обследования выглядят весьма многообещающими и, возможно, заменят существующие  технологии в будущем.

Анализ ЭКГ

Вариабельность сердечного ритма

Обычно при проведении ПСГ производится одноканальная запись ЭКГ с целью регистрации частоты сердечных сокращений и оценки ритма сердца. К сожалению, в данном случае исследователь получает небольшое количество информации для интерпретации. При таком подходе основное внимание уделяется идентификации зубца R, определению эктопических ритмов и выявлению артефактов. Мониторирование частоты сердечных сокращений и, в особенности, вариабельности сердечного ритма (ВСР), в течение ночи, уже длительное время считается перспективным методом исследования пациентов с предполагаемыми нарушениями дыхания во сне [11,12]. При этом не требуется дополнительных электродов или устройств, достаточно использовать соответствующее программное обеспечение.

Анализ компонентов ВСР, включающих очень низкочастотные (Very Low Frequency — VLF), низкочастотные (Low Frequency — LF), высокочастотные (High Frequency — HF) домены, позволяет оценить функцию вегетативной нервной системы. VLF-компонент характеризует сосудистый тонус и систему терморегуляции. LF-компонент указывает на состояние тонуса как симпатической, так и парасимпатической нервной системы, и их влияния на синоатриальный узел.  HF-компонент преимущественно отражает парасимпатические влияния. Соотношение LF/HF отражает баланс между парасимпатической и симпатической нервной системой [14]. Недавние исследования показали, что с помощью метода DFA (detrended fluctuation analysis – анализ флуктуаций тренда сердечного ритма) можно различать стадии медленного и быстрого сна, бессонницу. [14-17].

Оценка дыхания по анализу ЭКГ

Другим вариантом анализа, основанным на записи электрокардиограммы в течение ночи, является оценка динамики морфологических изменений ЭКГ, связанных с эпизодами обструкции дыхательных путей. Точность данного метода может быть существенно повышена при применении специальных диагностических алгоритмов. [18] . Дыхательные движения на основании анализа ЭКГ определяются с помощью регистрации амплитуды зубцов R. Детектируемое по анализу ЭКГ дыхание ЭКГ хорошо коррелирует с дыхательными движениями, регистрируемыми при индукционной плетизмографии. Сочетанный анализ дыхания по амплитуде ЭКГ и вариабельности сердечного ритма представляется перспективным и надежным методом диагностики СОАС. Но, к сожалению, на настоящий момент накоплено недостаточно эмпирических данных для широкого применения данного метода [19].

Таким образом, электрокардиография является мощным диагностическим инструментом, предоставляющим большой массив данных, который также может быть использован в качестве упрощенного скринингового метода для диагностики СОАС [20]. Данный метод исследования также может быть применен для дифференциальной диагностики между обструктивным и центральным апноэ [21]. Еще в 2011г  Bsoul et al. представил модель недорогой диагностической системы для выявления апноэ сна с интерфейсом смартфона. Тем не менее, подобный анализ ЭКГ, как с одновременным проведением оксиметрии, так и без таковой, по-прежнему не включен в международные рекомендации.

Анализ связи работы сердечной и дыхательной систем (Cardiopulmonary coupling analisis)

Частота сердечных сокращений увеличивается и уменьшается в зависимости от фазы дыхания. При нарушении процессов вентиляции легких уровень синхронизации ЧСС и ЧДД падает и, соответственно, меняется свойства взаимодействия. Анализ, основанный на методах Фурье, с помощью оценки вариабельности сердечного ритма и R-волны, отражающей дыхание, генерирует частотные карты автономных респираторных осцилляций. Полученная таким образом спектрограмма сна способна разделить сон на категории стабильного (высокочастотное сопряжение (high frequency coupling)) и нестабильного сна (низкочастотное сопряжение (low-frequency coupling)).  Пробуждение и REM-сон представлены очень низким сопряжением (very low-frequency coupling — LFC). Некоторое увеличение LFC  является подмножеством LFC, ассоциированным с фрагментированным сном различной этиологии. С помощью анализа связи работы сердечной и дыхательной систем можно проводить дифференциальную диагностику между нормой и средней/тяжелой степенью тяжести апноэ сна. Более того, при внедрении данного анализа в рутинную практику можно косвенно судить о качестве сна.

Анализ пульсовой волны

Время прохождения пульсовой волны

Время прохождения пульсовой волны (pulse transit time, PTT)- вычисляется с помощью ЭКГ и измерения волны артериального давления посредством фотоплетизмографии, зарегистрированной с помощью пальцевого датчика. Показано, что данный параметр отражает дыхательные усилия [26] и может быть использован для оценки кардиоваскулярного риска. PTT основано на измерении времени, необходимого для прохождения пульсовой волны между двумя точками: аортальным клапаном (R-зубец на ЭКГ) и артериями фаланги пальца (регистрируемым с помощью пульсоксиметрии). Скорость распространения пульсовой волны зависит от жесткости сосудистой стенки, которая, в свою очередь, определяется  величиной артериального давления. При обструкции дыхательных путей увеличивается колебания внутригрудного давления, вследствие чего изменяется артериальное давление, что, в свою очередь, приводит к изменению PTT [1]. Данные колебания, отражающие изменения плеврального давления, появляющиеся при обструкции дыхательных путей, обладают высокой чувствительностью и специфичностью. Современные ПСГ системы измеряют PTT, но, к сожалению, при интерпретации данных, этому параметру не уделяется должного внимания.

 

Периферическая артериальная тонометрия (peripheral arterial tonometry) и анализ пульсовой волны.

Периферическая артериальная тонометрия (PAT) позволяет нам изучить собственно саму пульсовую волну с помощью специального датчика, размещенного на пальце пациента [27]. Амплитуда пульсовой волны зависит от тонуса симпатической нервной системы и от ударного объема сердца. Пробуждения легко распознаются при снижении амплитуды пульсовой волны, в то время как медленноволновой сон и REM-сон могут быть идентифицированы на основании анализа частоты пульса [28]. Данный метод получил известность после применения в устройстве WatchPAT (Itamar, Cesarea, Израиль). Этот подход был использован в ряде исследований, как сам по себе, так и в сочетании с оксиметрией и\или актиграфией [28]. Более того, данный метод представляется перспективным в плане оценки кардиоваскулярного риска с помощью выявления эндотелиальной дисфункции [29]. На настоящий момент PAT представляет собой самостоятельный метод исследования и не объединен с ПСГ системой. Сегодня на рынке представлен компактный скрининговый прибор, размещаемый на запястье (SOMNOcheck micro; Weinmann Medical Technology, Hamburg, Германия), осуществляющий контурный анализ пульсовой волны. Сочетанный анализ пульсовой формы волны и дыхательного потока позволяет дифференцировать обструктивные и центральные апноэ, и предоставляет информацию о степени фрагментации сна. Не так давно было разработано новое устройство, на основе пульсоксиметра, осуществляющее анализ с применением компьютерной обработки данных (Morpheus Ox; WideMed, Herzliya, Израиль). Данный прибор измеряет сатурацию и пульс посредством фотоплетизмографии. Далее, с помощью специального программного обеспечения производится анализ полученной информации с определением индексов сна\пробуждения, апноэ-гипопноэ (ИАГ) и дыхания Чейна-Стокса. Для этого прибора существует мобильное приложение, благодаря которому возможна запись и передача данных, полученных во время исследования. Это открывает новые пути применения оксиметрии в качестве скринингового метода исследования нарушений дыхания во сне. Сочетанная интерпретация данных оксиметрии и пульсового сигнала позволяет более точно определять природу выявленных нарушений. Благодаря своему небольшому размеру (соответствующему размеру наручных часов), этот прибор более удобен для пациента, в сравнении с полноценной ПСГ. Прибор Morpheus Ox стал победителем «Product of Outstanding Interest award” в 2012г. на ERS конгрессе.

Артериальное давление (АД)

В норме у здоровых лиц систолическое и диастолическое артериальное давление закономерно снижается во время ночного сна.  Повышение либо отсутствие снижения АД в ночное время являются кардиоваскулярными последствиями нарушений сна. Ряд исследований показал, что СОАС является независимым фактором риска развития дневной артериальной гипертензии, ассоциированным с повышенным уровнем заболеваемости и смертности [30]. В указанных случаях АД измерялось с помощью пневматической манжеты, накладываемой на плечо, и сфигмоманометра [31]. Стоит отметить, что подобный метод исследования слишком «инвазивный» для применения в центрах по изучению сна, т.к. пациент может проснуться при нагнетании воздуха в манжету [32]. Кроме того, при измерении АД с помощью манжеты невозможно зафиксировать кратковременные колебания величины артериального давления, которые имеют место при СОАС и пробуждении. В качестве альтернативного метода для длительного измерения АД, возможно применение пальцевой  фотоплетизмографии [33,34]. Данный метод предоставляет регистрировать АД по анализу индивидуальных пульсовых волн, что позволяет оценить вариабельность АД, которая может быть увеличена при нарушениях дыхания во сне [35]. Пальцевая фотоплетизмография осуществляется с помощью миниатюрной манжеты, размещаемой на пальце и регистрирующей АД в непрерывном режиме. Существуют варианты как с одной (Finapres; Finapres Medical Systems) так и двумя пальцевыми манжетами (Portapres; Finapres Medical Systems). Данный метод зарекомендовал себя как достаточно надежный, однако, пальцевые манжеты вызывают некоторый дискомфорт всвязи с уменьшением венозного оттока крови, что также может нарушить сон пациента. Данная система регистрации может применяться длительное время, т.к. измерения осуществляются поочередно на 2-х смежных пальцах, минимизируя тем самым риск повреждения тканей. На настоящий момент в клинической практике разрешено применение неинвазивных методов измерения АД, основанных на PTT (SOMNOtouch; SOMNOmedics, Randersacker, Германия). Однако, сегодня ни один из методов не зарекомендовал себя в качестве «золотого стандарта» и доступные на настоящий момент ПСГ системы не оснащены аппаратурой для регистрации АД.

Капнография

Регистрация парциального давления углекислого газа осуществляется с помощью инфракрасной абсорбционной спектроскопии. При этом измеряются значения концентрации углекислого газа в конце выдоха. Основным недостатком данного метода является снижение комфортности сна пациента в связи с необходимостью применения маски или канюли, соединенной с прибором, измеряющим концентрацию углекислого газа в выдыхаемом воздухе. Из за особенности установки катетеров, часть выдыхаемого CO2 может попасть в окружающее пространство, поэтому показания РCO2 обычно несколько ниже, чем истинные значения. Тем не менее, повышение РCO2 имеет клиническое значение, т.к. истинные показатели еще более высоки. Показания, полученные с помощью данных газовых анализаторов коррелируют с уровнем углекислого газа в артериальной крови, но требуется регулярное калибрование приборов [36]. Стоит отметить, что при дыхании через рот, инсуффляции кислорода, при постоянном поддержании положительного давления в дыхательных путях, а также при перемещении и блокировании канюли, возможно получение ложно низких значений РCO2. Альтернативный метод — транскутанное измерение РСО2 осуществляемое с помощью подогреваемых электродов, фиксируемых на коже. При этом, правильная установка электродов имеет большое значение, т.к. место их прикрепления и температура датчика оказывают существенное влияние на качество сигнала [30]. Недавно в клиническую практику был внедрен новый транскутанный сенсор, измеряющий РСО2 и SpO2 (TOSCA 500; Linde Medical Sensors, basel, Швейцария) [37]. Этот прибор разработан для длительного одновременного измерения РСО2, сатурации кислорода и ЧСС. Устройство создано на основе электрода Stow-Severinghaus, с расположением единственного датчика на мочке уха. Большинство исследований показали, что эти приборы обладают достаточной точностью и удобны в применении [37-42]. Другой сенсор, измеряющий концентрацию углекислого газа, разработан компанией IMEC (Leuven, Belgium), данный датчик отличает очень низкая энергопотребность, а также возможность регистрировать CO2 при комнатной температуре.

Запись и анализ дыхательных шумов

Звукозапись осуществляется преимущественно для оценки храпа. На настоящий момент не существует общепринятых стандартов записи звука при ПСГ [43, 44]. Применяются микрофоны и датчики вибрации, фиксируемые на коже на уровне гортани, над яремной вырезкой грудины или в области лба, а также микрофоны, расположенные на некотором расстоянии от головы пациента [44-47]. Для последующего анализа используется только относительная громкость звука, поэтому нет необходимости записывать все характеристики фиксируемых звуковых феноменов [30]. Новое направление в этой области — анализ дыхательных шумов, в качестве неинвазивного метода измерения возрастающего дыхательного усилия [48]. Также существуют системы, записывающие дыхательные звуки в глотке и, с помощью специальной обработки сигнала, разделяющие звуки, происходящие от сердца и  звуковые феномены возникающие при движении тела от дыхательных шумов и храпа. Далее, после подсчета ЧДД, соответствующие храпу звуковые феномены изучаются с целью выявления респираторных событий [49]. Сочетание данного метода с оксиметрией представляется весьма многообещающим. Мониторинг дыхательных шумов может также быть полезен при скрининге пациентов с бронхиальной астмой с ночными приступами, а также пациентов с другими нарушениями дыхания в ночное время.

Аудиовизуальная запись

Видеомониторинг нашел широкое применение в медицине сна и особенно эффективен для выявления расстройств поведения в ночное время. Синхронизированный по времени аудиовизуальный мониторинг входит в ПСГ и осуществляется с помощью видеокамеры и микрофона, размещенного в палате. Доступные сегодня инфракрасные видеокамеры предоставляют хорошее качество записи [43]. Применение аудио- и видеосистем, в особенности при проведении исследований в домашних условиях, вызвали беспокойство у пациентов с точки зрения соблюдения конфиденциальности. При записи только интенсивности звука, содержание речи и другой потенциально частной звуковой информации не регистрируется. Таким образом, акустический анализ может быть использован для скрининга в домашних условиях. Однако, стоит отметить, что домашняя обстановка производит большое количество дополнительных звуков, мешающих дистанционной записи физиологических дыхательных шумов. Перспективным представляется применение костно-индуктивных микрофонов, напрямую регистрирующих храп и нивелирующих звуки из окружающей среды [50].

Регистрация положения головы и тела

Регистрация положения тела во время сна осуществляется с помощью акселерометра и имеет большое значение т.к. храп и обструкция верхних дыхательных путей могут быть позиционно зависимы [51]. Наиболее простые сенсоры переводят величину изменения угла положения тела в пространстве в постоянное напряжение. Другие датчики, используя миниатюрные контакты, переводят эту величину в напряжение или цифровой код. Существуют специальные датчики, способные зарегистрировать не только изменение угла положения тела в пространстве, но также различающие позиции лежа на спине и животе [30]. Эти устройства калибруются непосредственно перед началом исследования, когда фиксируется соответствие положения тела определенным значениям прибора. Обструкция верхних дыхательных путей может также зависеть и от положения головы пациента во время сна относительно туловища. Известно, что у большинства пациентов это положение изменяется в течение ночи, поэтому целесообразно использовать 2 датчика, расположенных на туловище и голове [52]. При этом один из электромеханических датчиков, работа которого основана на регистрации смещения капли ртути, располагается в области лба пациента, непосредственно над бровями. Этот подход может быть продемонстрирован на примере устройства Ares unicorder (Advanced Brain monitoring, Carlsbad, CA, США). Это беспроводное устройство регистрирует сатурацию и ЧСС (рефракционная пульсоксиметрия), воздушный поток (назальная канюля), дыхательные усилия (датчик измеряющий венозное давление, основанный на фотоплетизмографии и актиграфии), интенсивность храпа, положение и движения головы (акселерометры) [53]. Rofouei et al [54] разработали новый прибор в виде мягкого воротника, включающего оксиметр, располагаемый на мочке уха, небольшой микрофон, установленный в области шеи и акселерометр, регистрирующий движения тела и положение головы. Полученные данные с помощью Bluetooth передаются на мобильный телефон и, далее могут быть загружены в Облако (Cloud) или персональный компьютер [54].

Запись специфических движений

Саггитальные движения нижней челюсти

Одной из новых методик, применяемой при оценке дыхательных усилий, является регистрация движений нижней челюсти (Jawac; Nomics, Angleur, Belgium) (рис.1). Этот метод основан на определении изменения расстояния с помощью магнитов [55]. Два магнитных датчика, установленных на подбородке и в области лба, позволяют измерять расстояние между ними в режиме реального времени, фиксируя движения нижней челюсти. Таким образом, можно опосредованно регистрировать дыхание и храп. Не так давно этот метод был разрешен к широкому применению для диагностики центрального и обструктивного апноэ сна, и стал альтернативой ранее существующему «золотому стандарту»  — катетерному измерению внутрипищеводного давления [56]. Более того, при более сложном анализе полученных таким образом данных, становится возможным оценить состояние сна-бодрствования [57]. Сочетание вышеописанной технологии с оксиметрией и анализом пульсовой волны позволит в будущем диагностировать нарушения дыхания во сне без проведения полноценной ПСГ.

Регистрация дыхательных движений диафрагмы

Длительное время методы регистрации активности диафрагмы с помощью электродов, установленных на поверхности кожи, были забыты и не развивались. Однако, не так давно, были представлены простые неинвазивные методы мониторинга активности дыхательных мышц с помощью поверхностных электродов (Dipha; Inbiolab, Groningen, Нидерланды), которые могут быть использованы как во время сна, так и в состоянии бодрствования [58] (рис.2). Данное компактное автономное поверхностное ЭМГ-устройство включает специальные приложения и алгоритмы обработки информации, позволяющие, в том числе, оценить активность межреберных и лестничных мышц, а также исключить артефакты.

Регистрация движений жевательных мышц (Masseter muscle)

Бруксизм является причиной ряда заболеваний зубов, жевательных мышц и височно-нижнечелюстного сустава. Кроме того, звуки, которые издает пациент, страдающий бруксизмом, могут мешать партнеру и  обуславливают усталость и сонливость в дневное время вследствие неполноценного сна. При аудиозаписи, регистрирующей только интенсивность звукового сигнала, становится невозможным различить звуки, соответствующие бруксизму от храпа и разговора во сне. Недавно были представлены несколько новых приборов для регистрации бруксизма. Mizumori et al [59] разработали амбулаторную систему регистрации бруксизма, на основании комплексного анализа ЭМГ, звукового сигнала и стадий сна (определяемых с помощью колебаний ЧСС, отражающих функционирование автономной нервной системы).

Температура

Новые датчики оценки потока воздуха

Новый тип термодатчика – пленка, изготовленная из поливинилидена фторида (PVDF), способна измерять температуру за меньший промежуток времени, чем традиционные термометры (Dymedix Corp., Minneapolis, MN, США). Время ответа традиционного термоэлемента составляет около 1 сек, в то время как PVDF-элемента – порядка 0,005 сек. Кроме того, сигнал, который производит PVDF-элемент в сравнении с термоэлементом в 150 000 раз сильнее, в связи с чем, он более точно регистрирует изменения температуры воздушного потока. PVDF сигнал пропорционален разнице температуры между двумя концами пленки. Один PVDF-прибор способен измерять и назальный, и оральный потоки воздуха [60, 61].

Температура тела и метаболическая активность

Оценка терморегуляции также может быть использована для мониторирования качества сна. Температура кожи повышается при наступлении сна и снижается при пробуждении [62]. Измерение базовой температуры тела ректальным термометром позволяет получить информацию о внутренних циркадных ритмах [63] и дает представление о текущей циркадной фазе пациента. Благодаря тесной связи базовой температуры и циркадных ритмов, ее регистрация позволяет оценить нарушения, связанные с задержкой или наоборот ранним наступлением фаз сна. В норме разница между максимальной и минимальной температурой тела в течение суток составляет около 0,5оС. Наиболее приемлемым считается применение ректальных или ушных термометров [30]. Существует специальный прибор для регистрации момента наступления сна и пробуждения. Этот небольшой аппарат помещается между большим и указательным пальцами пациента, замыкая тем самым электрическую цепь (что соответствует состоянию бодрствования). Когда пациент засыпает, давление на прибор уменьшается и электрическая цепь размыкается [64]. The Q-sensor (Affectiva, Waltham, MA, США) представляет собой  беспроводной запястный биосенсор, который измеряет электропроводность, температуру кожи и регистрирует движение [65]. На основании электродермальной активности планируется разработка классификации автономных паттернов сна. В будущем, сочетанный анализ информации, поступающей от датчиков движения, температуры и влажности, позволит автоматически определять стадии сна.

The SenseWear BMS сенсорная система (BodyMedia Inc., Pittsburgh, PA, США) разработана для постоянного мониторирования расхода энергии, двигательной активности и качества сна. Портативное устройство, объединяющее ряд сенсоров,  размещается на задней поверхности правого плеча над трицепсом и фиксируется с помощью специального браслета на липучке. Устройство оснащено двуосным акселерометром и датчиками, измеряющими тепловой поток, температуру кожи, температуру окружающего пространства, кожно-гальваническую реакцию. Данные, полученные прибором, используются для расчета расхода энергии с помощью алгоритмов, разработанных производителем. [66]. Также была описана простая система, постоянно измеряющая температуру тела с помощью ушного датчика и передающая информацию с помощью Bluetooth на мобильный телефон [67].

Интеллектуальные бесконтактные системы

Сегодня клиницисты вынуждены применять методы исследования, которые сами по себе способны нарушать течение сна. Таким образом, перед специалистами стоит сложная задача, т.к. необходимо получить максимум информации, не нарушая при этом качество сна пациента. Все диагностические методики, описанные выше, требуют размещения диагностической аппаратуры на объекте исследования, что осуществляется  медицинским персоналом, либо самим пациентом. Стоит отметить, что развитие новых технологий, включая технологии обработки изображения и сенсорные матрасы, открывают дорогу новым системам мониторирования дыхания, которые не будут ограничивать жизнедеятельность пациента.

Дистанционные допплеровские техники

Потенциально привлекательным выглядит применение бесконтактных устройств, размещаемых над кроватью пациента (например — SleepMinder; BiancaMed, Dublin, Ирландия) [11]. Данный прибор использует принцип отражения радиоволн для регистрации на расстоянии состояния сна, дыхательных усилий, движений тела и даже сердечных сокращений. Разделение и интерпретация сигналов осуществляется за счет сложной системы обработки данных [68]. Данный метод исследования позволяет идентифицировать нарушения дыхания. Имеющиеся на сегодня данные свидетельствуют о том, что этот прибор может стать весьма полезным дополнением к существующему диагностическому оборудованию [69], т.к. определенный таким способом индекс апноэ/гипопноэ хорошо коррелирует с данными полученными при ПСГ [70].

Инфракрасное картирование

С помощью инфракрасного картирования становится возможным измерение ЧДД на расстоянии. Этот метод исследования основан на регистрации теплового потока воздуха около ноздрей пациента. При анализе полученной информации может быть воспроизведена дыхательная кривая (с указанием ЧДД и амплитуды). Последовательная сегментация околоносовой области и алгоритмы, отслеживающие движения лицевой мускулатуры делают возможным длительный мониторинг дыхания. Таким образом, вышеописанный метод является бесконтактным эквивалентом термистора [71]. Основным звеном этой диагностической системы является средневолновая инфракрасная камера. Полученные данные обрабатываются в режиме реального времени с помощью специального программного обеспечения.

Пассивные инфракрасные технологии

На основании пассивных инфракрасных датчиков (PIR) была разработана система дистанционной детекции дыхательных движений (CHR Namur, Namur, Бельгия). Данные датчики представляют собой двухэлементные пироэлектрические сенсоры, которые реагируют только на движения источника тепла (например, при движении человеческого тела). Все объекты испускают инфракрасное излучение, которое невозможно увидеть человеческим глазом, но можно измерить с помощью электроники. Когда пироэлектрический датчик подвергается воздействию излучения инфракрасного спектра, на его поверхности генерируется электрический заряд. Термин «пассивный» в данном случае используется в связи с тем, что датчик сам по себе не излучает инфракрасное излучение, но улавливает его извне. Идеальное расстояние между датчиком и пациентом составляет 20-50см. Пилотное исследование, включающее 169 пациентов, продемонстрировало возможность PIR-сенсоров регистрировать дыхательные движения у взрослых [72].

Лазерное картирование дыхательных движений

Лазерный датчик картирования дыхательных движений относится к бесконтактным системам мониторинга дыхательных движений. Данный сенсор определяет изменения объема с помощью регистрации перемещения лазерных точек на поверхности тела. Система фиксирует перемещение более 100 изолированных точек на верхней половине тела в вертикальном направлении и, по сумме измерений, регистрирует полученные данные как дыхательное движение [73]. Данная система способна дифференцировать СОАС от центрального апноэ сна.

Сенсорные матрасы

С целью анализа движений тела, пульса (баллистография) и дыхательных движений были разработаны матрасы, чувствительные к изменению статического заряда  (BioMatt; Biorec, Turku, Финляндия). Регистрация данных осуществляется с помощью высокочувствительного к изменению давления матраса, который размещается под обычным матрасом [74]. Эти устройства не нашли широкого применения (исключая Скандинавские страны) в связи с большими габаритами системы.

Не так давно был разрешен к применению небольшой (32х62х0,4см) электромеханический пленочный сенсор (Emfit, Vaajakoski, Финляндия), размещаемый под грудной клеткой пациента. После обработки данных с использованием сложных систем анализа сигналов, вычисляются дыхательные усилия, ИАГ и стадии сна [75].

Kogure et al [76] разработали высокочувствительный к изменению давления датчик, размещаемый под обычным матрасом. Данный сенсор может различать колебания давления, исходящие из\снаружи кровати. При совместном применении с запястным актиграфом, данное устройство представляется весьма удобным для длительного мониторирования сна.

Merilahti et al. [77] представили размещаемый в постели датчик, состоящий из тонкого слоя, чувствительного к изменению давления, светового потока и температуры. Данный сенсор предполагается использовать в дополнение к актиграфу. Применение подобных встроенных в кровать датчиков давления, позволяет осуществлять респираторный мониторинг во время сна. Дополнительно в таких системах мониторирования нашли применение комбинации сенсоров давления и многоточечных электрических датчиков (полипьезопленочные датчики), а также основанные на пневматике методы, применяющие тонкие, наполненные воздухом подушки и матрацы.

Дополнительно в этой области нашли свое применение трубки из кремнийорганической резины и пластиковые оптоволоконные датчики, в связи с их гибкостью, небольшим весом, нечувствительностью к электромагнитному излучению и легкостью установки. Эти датчики при деформации изменяют светопроводимость. Многомодовые оптоволоконные датчики деформации (hetero-core fibreoptic bending sensors) имеют ряд преимуществ в сравнении с одномодовыми (stable single-mode transmission) и устойчивы к изменениям температуры [78].

В одном из пилотных исследований были разрешены к применению методики, основанные на применении трубок, наполненных воздухом с фиксированным изначальным давлением, соединенных с датчиками давления [79]. Обе трубки были размещены параллельно под матрацем между плечами и бедрами пациента. Полученные таким образом сигналы с помощью полосового фильтра Баттерворта могут быть разделены на ЧСС и ЧДД. Дополнительно сигнал обрабатывается с помощью дифференциального и интегрального фильтров с последующим определением пиковых значений, что позволяет измерять частоту сердечный сокращений и дыхательных движений комфортным для пациента путем [79].

Zhu et al. [80] использовали подобную систему, основанную на применении поливиниловых трубок диаметром 4 мм, 30 см в длину, наполненных водой с начальным давлением 3кПа. Один конец такой трубки соединен с датчиком давления, регистрирующим как статический компонент (соответствующий весу головы пациента), так и динамический компонент давления (соответствующий дыхательным движениям и сердечным сокращениям) [80].

Несколько других авторов представили результаты регистрации ЧСС и ЧДД с помощью трубок, наполненных воздухом, размещенных под грудной клеткой или подушкой; пьезо-полимерной сенсорной прокладки или с помощью силовых датчиков, размещенных под ножками кровати [81-83]. Эти новые датчики не нарушают сон пациента и позволяют проводить длительный мониторинг даже в домашних условиях.

Migliorini et al. [84] осуществил анализ вариабельности сердечного ритма и автоматическое определение стадий сна с помощью сенсоров, установленных в кровати. Тем не менее, доступные сегодня на рынке матрасы, чувствительные к изменению давления, не способны с достаточной достоверностью регистрировать смещение и деформацию, основываясь на измерении колебаний давления.

The IdoShape (Custom8, Leuven, Belgium) представляет собой сенсорный матрас, регистрирующий движения и измеряющий деформацию непосредственно на поверхности матраса. Может быть использован для оценки соответствия формы тела человека и биомеханической поддержки. The mСliMat (Custom8) сенсорный матрас, мониторирующий с помощью 512 встроенных датчиков температуру и влажность, с последующим термодинамическим анализом теплового потока и транспорта жидкости (рис.3).

Brink et al. [83] представили методику, основанную на установке четырех силовых датчиков с высоким разрешением, под ножками кровати. Движения тела, соответствующие каждому удару сердца и колебаниям грудной клетки при дыхании, обуславливают небольшие отклонения центра тяжести пациента и кровати. Эти отклонения приводят к изменению распределения силы, между четырьмя датчиками. Сигналы, которые поступают из разных модулей комбинируются, формируя данные, отражающие кардиальные и респираторные параметры.

Beattie et al [85] продемонстрировали возможность применения тензодатчиков, установленных под кроватью, для измерения ИАГ.  Откалиброванные тензодатчики также могут быть использованы для мониторирования веса пациента, равно как и положения тела во время сна. Подобные исследования с применением инсталлированных в кровать тензодатчиков продемонстрировали возможность оценки ВСР (вариабельности сердечного ритма).

Технология «интеллектуального» текстиля

«Интеллектуальная» одежда

Технологиям, основанным на применении текстиля, предсказывали хорошее будущее в аспекте развития средств мониторинга основных показателей жизнедеятельности организма [86]. Действительно, существующие сегодня текстильные датчики могут быть встроены в предметы гардероба для регистрации большого количества биологических сигналов (ЭКГ, биоимпеданса, сопротивления кожи, ЧДД и т.п.). Прототипы «умной» одежды доступны во многих исследовательских центрах по всему миру. Более подробную информацию можно получить в обзоре Lymberis и Dittmar [87]. С методологической точки зрения, эволюция этих устройств идет в следующих направлениях: уменьшение веса и размера электроники, снижение потребления энергии, разработка специфических алгоритмов обработки данных. Однако, наиболее важным моментом, при применении «умной одежды» является уменьшение количества артефактов, связанных с движением. Эти артефакты преимущественно обусловлены смещением электродов, встроенных в ткань, относительно кожи пациента. В этом случае могут иметь значение целый ряд факторов: форма предмета одежды, качество контакта с кожей, расположение электродов и тип материала (нити). The SD-101 (Kentzmedica Co.Ltd, Saitama, Япония) представляет собой не ограничивающее движения устройство в виде простыни, оснащенное датчиками давления. Данное устройство разработано для диагностики нарушений дыхания во сне и основано на регистрации гравитационных изменений, соответствующим дыхательным движениям [88].

Проводящие волокна 

Пояс SD-101 представляет собой пьезорезистивный плетизмограф, основанный на применении текстильных технологий. Данный прибор осуществляет регистрацию изменения окружности грудной клетки, определяя таким образом ЧДД. Этот плетизмограф был разработан на основе проводящих волокон.  Проводящие пути, выполненные из специальных волокон соединяют датчики с электронным модулем, зафиксированным на поясе на уровне талии с помощью липучек. Электронный модуль включает в себя трехсотный акселерометр, регистрирующий движения тела. Полученная информация сохраняется на встроенную карту памяти, и может быть транслирована с помощью Bluetooth на ПК для визуализации данных и сохранения их на жесткий диск. Далее, информация  может быть передана через Wi-Fi или с помощью мобильной связи на станцию удаленного доступа [86, 89].

Медицинские датчики, беспроводные приложения и протоколы передачи данных

На сегодняшний день наиболее подходящей технологией для развития медицинских сенсорных систем является Bluetooth [90, 91].

Bluetooth использует не требующие лицензии повсеместно доступные радиочастоты ISM диапазона, что гарантирует совместимость связи по всему миру. Он был разработан для портативного оборудования и его приложений. Основные преимущества технологии:

  • Bluetooth имеет достаточную скорость передачи данных, чтобы транслировать информацию о любом показателе жизненно важных функций,
  • Обычный диапазон передачи данных составляет 10-20м, что достаточно для передачи информации от беспроводных датчиков, работающих на батарейках и имеющих ограничения по мощности;
  • Технология Bluetooth обладает возможностью идентификации и шифрования данных, что крайне важно при работе с биосигналами.

В сравнении с другими беспроводными технологиями  (особенно с  Wi-Fi), Bluetooth может предоставить приемлемую широкополосную связь за лучшую  цену и  при меньшем потреблении электроэнергии[9]. Wi-Fi – другая популярная технология, с помощью которой возможен беспроводной обмен данными между электронными устройствами посредством радиоволн, осуществляемый через компьютерную сеть (Интернет) с применением беспроводной точки доступа. Это беспроводная версия обычной сети Интернет, требующая специальной настройки для обмена файлами.  Wi-Fi использует тот же диапазон частот, что и Bluetooth, но является более энергозатратной технологией, что позволяет передавать информацию с большей скоростью и на большие расстояния. ZigBee в сравнении с Bluetooth и Wi-Fi предоставляет большую «гибкость» сети, большее количество узлов и дальность передачи, меньшее энергопотребление и большее время автономной работы (таб.1). С помощью вышеперечисленных технологий полученные данные могут быть переданы на ПК через локальную или глобальную сети (рис.4), что делает возможным дистанционное управление.

Телемедицина

Внедрение телемедицины в систему мониторинга пациентов с нарушениями дыхания во сне позволяет повысить приверженность к лечению, удаленно загружать ранее записанные данные [92-96], а также передавать информацию о физиологических параметрах во время сна в реальном времени (рис.5) [97,98]. ПСГ с применением телемониторирования в будущем поможет преодолеть проблемы связанные с проведением исследований на дому, а также способствует разгрузке специализированных центров сна. С помощью удаленного доступа к системе мониторирования, медицинский персонал может регулярно проверять качество записи ПСГ, вносить комментарии в протоколы исследования, регулировать настройки датчиков и, в случае технической неисправности, информировать об этом пациента по телефону [100]. Gagnadoux et al. [101] сообщили, что ПСГ выполненные в местном госпитале и на дому с применением системы телемониторирования, контролируемой лабораторией сна, были однозначно лучше в сравнении с ПСГ, выполненными на дому без присутствия медицинского персонала. Основной проблемой при проведении ПСГ в домашних условиях является потеря данных в 4,7-20% случаев [102], что приводит к существенно меньшей экономии средств, чем ожидалось. При применении технологии Sleepbox (Medatec, Brussels, Бельгия), авторы получили запись отличного качества в 90% случаев. Данная беспроводная система способна соединяться с полисомнографом и Интернетом посредством Wi-Fi 3G, а также позволяет общение через Skype (Microsoft, Redmond, WA, США).

Pelletier-Fleury et al. [100] провели сравнительный анализ стоимости и эффективности ПСГ с применением системы телемониторирования и ПСГ, выполненной в домашних условиях в отсутствии мед.персонала. Исследование показало явное преимущество удаленного телемониторинга с технической точки зрения, а также в аспекте предпочтений пациентов. Стоимость проведения ПСГ-телемониторинга составила 244$, в то время как ПСГ в домашних условиях без присутствия мед.персонала обходится в 153$. В расчеты также была включена экономия средств на инфраструктуре. Если дополнительно учесть стоимость поездки пациента до госпиталя и рабочие дни, которые не будут потеряны при выполнении исследования на дому, то реальная стоимость такой ПСГ будет сопоставима или даже ниже, чем традиционной ПСГ [103]. В любом случае, удаленный мониторинг открывает перспективы снижения количества неинформативных исследований при проведении ПСГ в домашних условиях, хотя применение данных методов исследования все еще сопряжено с некоторыми техническими трудностями и требует дальнейшего усовершенствования. Kristo et al [104] представили протокол для он-лайн передачи данных от ПСГ-системы на точку удаленного доступа в централизованную лабораторию сна. Их система была основана на передачи данных с помощью FTP (file transfer protocol). Seo et al. [105] разработали систему мониторинга  для применения в домашних условиях. Система способна регистрировать ЭКГ, вес, паттерн движений и храп.  Choi et al [106] представили систему мониторинга для размещения в спальне, которая регистрирует ЭКГ, движения тела и храп с помощью бесконтактных датчиков. В большинстве систем для телемониторинга, применяемых в домашних условиях, используется централизованная база данных для хранения и обработки информации [107]. В 2008 году Kayyali et al [108] предложили новую компактную телеметрическую систему мониторинга сна (PSG@Home), состоящую из 14-канального беспроводного монитора и основанной на мобильном телефоне точке доступа для передачи информации (включая видео в реальном времени) из дома пациента в удаленный центр сна. Приемником в данном случае является отдельный блок, прикрепленный к обратной стороне монитора. Встроенный в ноутбуки Bluetooth также может быть использован вместо специальных внешних Bluetooth-приемников.

Мобильные телефоны

Мобильные телефоны являются очень привлекательной платформой для медицинских приложений, т.к. многие из них обладают рядом полезных характеристик, таких как вычислительная мощность, длительное время автономной работы, множество встроенных датчиков и возможность беспроводного подключения. Стоит отметить, что подобные телефоны становятся все более распространены среди населения. Мобильные приложения также могут упростить диагностику нарушений сна, используя встроенные в смартфон датчики. Параметры, которые могут быть зафиксированы с помощью этих приложений включают паттерны дыхания и  движений, регистрируемых с помощью встроенных микрофона и акселерометра соответственно. Полученные данные пересылаются на сервер, где осуществляется обработка информации с помощью специального программного обеспечения, например MATLAB (MathWorks, Natick, MA, США) [109]. The Sleep Cycle (Maciek Drejak Labs, Gothenburg, Швеция) – популярное приложение для iPhone (Apple Inc., Palo Alto, CA, США), которое использует встроенный акселерометр, для мониторинга движений тела и определения стадии сна. От пользователя требуется только разместить телефон в подходящем месте в постели. Однако, нельзя забывать, что телефон может упасть, а также может потребоваться доступ к зарядному устройству на протяжении всей ночи. Планшеты и мобильные телефоны дополнительно позволяют проверить качество записи исследования он-лайн посредством пересылки скриншотов (рис.6). Время и периодичность передачи данных может быть настроена индивидуально.

Сетевые технологии и комплексная обработка биосигнала

В связи с огромным объемом данных, получаемых от большого количества датчиков, развитие автоматизированных систем анализа станет основным направлением в медицине сна в будущем. Это приведет к развитию новых алгоритмов обработки различных биосигналов (ЭЭГ, ЭКГ, ЭМГ, дыхания, а также сигналов, поступающих от новых датчиков). Можно представить, что обработка такого объема данных зачастую превышает вычислительную мощность используемых сегодня компьютеров. Сетевые технологии делают возможным преодоление это препятствия, позволяя распределить получаемые данные на несколько компьютеров [110]. В будущем это послужит хорошей базой для дальнейшего усовершенствования системы и положит начало для развития сетевого сервиса медицины сна [111]. Дополнительно стоит отметить, что существующий сегодня  специфический формат данных не позволяет пользователям объединять и анализировать информацию, полученную с помощью разных типов устройств. Эта проблема может быть решена созданием системы, способной обрабатывать информацию независимо от природы и типа датчиков, что позволило бы использовать различные датчики при унифицированном программном и техническом обеспечении [112].

Заключение

Традиционные методы изучения сна подразумевают применение  множества датчиков, размещаемых на лице и теле пациента. При этом дополнительные данные могут быть получены при применении специальных сложных алгоритмов обработки этих сигналов. Более того, некоторые параметры, традиционно не используемые при проведении клинической ПСГ, станут представлять интерес для отдельных категорий пациентов. Сегодня мы  столкнулись с развитием инновационных бесконтактных систем, основанных на детекции движения, с использованием радаров и технологий инфракрасного излучения. Идеи автоматизированной оценки сна и мониторинга с помощью датчиков, встроенных в окружающую среду (сенсорные кровати) или одежду, изменят в будущем традиционное представление о клинической полисомнографии. Применение беспроводных приложений и удаленного мониторинга приведут к созданию новых систем и позволят развиваться в направлении низкозатратной и доступной телемедицины. Однако, существующая сегодня доказательная база  недостаточна и остается далеко позади стремительно развивающихся технологий.

 

Комментарии:
  • Гайсина Екатерина:

    Добрый день, мне очень понравилась Ваша статья. Подскажите, пожалуйста, где можно найти список литературы, на который Вы ссылались?

    • Бузунов Р.В. Бузунов Р.В.:

      Уважаемая Екатерина. Это не моя статья, а перевод статьи обзорной статьи из материалов конгресса. К сожалению, сейчас я не смог найти первоисточник, в котором была опубликованы собственно литературные источники.