Применение компьютерных полисомнографических полиграфов в психофизиологии и для клинических исследований

В. Б. Дорохов,
Институт Высшей Нервной Деятельности и Нейрофизиологии РАН, Москва.

Регистрация данных. Полисомнографическое обследование включает в себя видеомониторирование и регистрацию более 20 параметров: электроэнцефалограммы (ЭЭГ); электроокулограммы (ЭОГ); электромиограммы (ЭМГ); ороназального воздушного потока; грудного и брюшного дыхательных усилий; электрокардиограммы (ЭКГ); сатурацию артериальной крови (SaO2); актограмму и другие показатели. На рис.1 представлен пример полисомнографической записи - фрагмент эпохи с регистрацией ночного сна у пациента с нарушением функции дыхания.

Рис. 1. Полисомнограмма ночного сна пациента с нарушением функции дыхания (возраст 10 месяцев). Эпизод с кратковременной остановкой дыхания, вызвавшей движение пациента (на гипнограмме Рис. 2 ему соответствует точка В, эпоха 472)
1 метки времени-1 сек.; 2 служебные отметки: номер эпохи, стадия сна, время регистрации; 3-6 каналы электроэнцефалограммы, 7,8 окулограмма левого и правого глаз, 8-11 показатели дыхания: ороназальный воздушный поток, грудное и брюшное дыхательные усилия; 12 электрокардиограмма, 13-15 показатели, регистрируемые с пульсоксиметра (спектрофотометрическим способом): плетизмограмма, процентное содержание кислорода в артериальной крови, частота пульса (удары/мин). Для длительной регистрации показателей, представленных на каналах 3-8,12 используются чашечковые электроды, которые фиксируются специальным коллодием или пластырем и заполняются клеящимся электропроводным гелем. 9 - воздушный поток регистрируется термистором, устанавливаемым на верхней губе. 10,11 - грудное и брюшное дыхательные усилия регистрируются пьезокристаллическим датчиком, объединенным с резиновым поясом.

Анализ данных. Анализ ПСГ-записи и определение стадий сна осуществляется вручную (мануально) или автоматически по специальным алгоритмам в соответствии с критериями, предложенными группой экспертов под руководством A. Rechtschaffen и A. Kales, 1968 г. [12]. При анализе ПСГ-записи ее разбивают на эпохи длительностью 30 секунд и для каждой эпохи последовательно определяют стадии сна. Результаты построения профиля сна представляют в виде гипнограммы на которой в сжатом виде можно видеть динамику стадий сна. В некоторых компьютерных программах имеются алгоритмы, позволяющие автоматически определять отдельные физиологические паттерны (события) важные для описания сна, а затем на основании выделенных паттернов строить компьютерный профиль сна. Гистограммы для этих событий дают дополнительную информацию об изменениях физиологических систем организма на разных стадиях сна. На Рис. 2 представлены результаты анализа ночной ПСГ-записи, фрагмент которой приведен на Рис. 1, с параллельной цифровой видеорегистрацией движений пациента. Видеокадру А соответствует спокойное состояния пациента на 4-ой стадии сна. На гистограмме насыщения артериальной крови кислородом (Рис.2-2,3) вертикальными прямыми В и С, отмечен эпизод сна с остановками дыхания, которые вызвали критическое снижения содержания кислорода в артериальной крови и активацию пациента, что хорошо видно по изменению положения тела испытуемого на видеокадрах В и С.. Результаты автоматического распознавания событий важных для описания сна представляются в виде гистограмм и сохраняются в отдельном файле в текстовом формате.
Клиническое заключение. По результатам анализа ПСГ-записи пишется клиническое заключение. Существуют общепринятые показатели, которые должны быть отражены в тексте заключения. Наличие в программе возможности создания автоматизированного заключения значительно ускоряет его написание и позволяет включать в заключение подробные результаты количественного анализа данных.

Рис. 2.Результаты мануального и автоматического анализа полисомнограммы ночного сна (слева) и параллельная цифровая видеорегистрация (справа) для того же пациента, что на Рис.1 Слева (сверху –вниз): 1 –номера эпох (отметки через 168 эпох по 30 секунд = 1.4 часа, общая длительность 7 часов); 2 – гистограмма насыщения артериальной крови кислородом (SpO2); 3 – критические уровни SpO2 (менее 90 %); гипнограмма стадий сна (слева – обозначения стадий); Desaturat. - гистограммы десатурации и гипервентиляции; Delta, Sigma, Beta – гистограммы спектральных показателей электроэнцефалограммы, EMG – гистограмма мышечной активности по показателям электромиограммы. По оси ординат: для гипнограммы – стадии сна; для гистограмм - количество событий (паттернов), выделяемых автоматически на 30 - ти секундной эпохе полисомнограммы. А, В, С - вертикальные линии (слева) и видеокадры (справа) – эпизоды сна с двигательной активностью пациента и изменением положения его тела: А – спокойное состояние (4 стадия сна); В, С - активация пациента-(1,2 стадии сна), вызванные задержкой дыхания со значительным снижением содержания кислорода в крови - до 70 % (гистограммы 2,3)

Технические и программные возможности кПСГ-полиграфов. кПСГ-полиграфы на базе мультимедийных компьютеров в настоящее время производят несколько фирм. Рассмотрим возможности и дадим некоторые рекомендации по использованию этих приборов для исследовательских целей, основываясь на опыте работы с полисомнографом “SAGURA-2000” фирмы “Sagura Medizintechnik GmbH” (Германия). На рисунках, приведенных в статье, представлены результаты, полученные с помощью этого прибора. В кПСГ-полиграфе можно выделить следующие составляющие: компьютер; биоусилитель; специализированные датчики и электроды; программное обеспечение.
Компьютер. При выборе конфигурации мультимедийного компьютера следует обратить внимание на следующие характеристики. Корпус системного блока должен иметь достаточно места для его расширения дополнительными платами. Для одновременной регистрации полисомнограммы и видеоизображения необходим большой объем жесткого диска и оперативной памяти. Для создания архива - записывающий CD-ROM или магнитоптическое устройство памяти. Для создание локальной сети и подключения к Интернету требуются соответствующие платы. Некоторые полиграфы имеют возможность одновременного подключения нескольких биоусилителей (до 4-ех), для чего используется специализированная плата СОМ портов. В последнее время появилась возможность синхронной цифровой регистрации видеоизображения и полиграфических показателей, с подключением нескольких видеокамер, часть из которых может быть использована только для мониторинга, без регистрации видеоизображения. Для визуализации и анализа данных обычно используют большой монитор-21” с высоким разрешением, а для анализа видеоизображения иногда используют дополнительный монитор. При наличии усилителя не требующего сетевого питания, возможна работа в полевых условиях с использованием компьютера типа Note- book с батарейным питанием. Использование для полиграфа мультимедийного компьютера позволяет пользователю самостоятельно комплектовать прибор новейшими разработками в области вычислительной техники по доступным ценам. Например, для стимуляции и анализа деятельности испытуемых возможно подключение дополнительных мониторов, звуковых карт, динамиков, микрофонов, джостиков и других специализированных периферических устройств.
Биоусилитель. При выборе полиграфа параметры усилителя имеют определяющее значение, Современные ПСГ-усилители портативны, предназначены для регистрации ЭЭГ и физиологических показателей в неэкранированных помещениях и не требуют отдельного сетевого питания. Для исследовательских целей желательно наличие большого количества электроэнцефалографических каналов, удовлетворяющих современным требованиям журналов к публикациям по ЭЭГ исследованиям. Усилители обычно содержат встроенный 16-битный высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, позволяющие передавать данные к компьютеру в цифровом виде по длинному кабелю (или телеметрически). Если полиграф имеет возможность параллельного использования нескольких усилителей, возможно подключение специализированных усилителей: для регистрации электродермальной активности, постоянных потенциалов и нейрональной активности, а также различных дополнительных устройств.
Электроды и датчики. Для полиграфического исследования сна разработаны специализированные миниатюрные электроды и датчики для длительной регистрации различных физиологических показателей. Специальные электроды и гели обеспечивают многочасовую регистрацию ЭЭГ, ЭОГ, ЭМГ и ЭКГ. Для определения насыщения артериальной крови кислородом и регистрации пульсограммы используют пульсоксиметры, для регистрации ороназального воздушного потока - термисторы; для регистрации усилия дыхательных мышц, движения конечностей - пьезодатчики; для регистрации храпа - микрофон и др.
Программное обеспечение. Возможности программного обеспечения у разных сомнологических компьютерных полиграфов имеют некоторые отличия. Рассмотрим возможности программного обеспечения на примере кПСГ-полиграфа “SAGURA-2000” (Германия). Применение операционной системы Windows (2000, 98, 95, NT) облегчает пользование программой, так как использует стандартный интерфейс общения с программой и упрощает взаимодействие с различными коммерческими пакетами программ анализа данных.
Регистрация. Появившаяся в последнее время возможность цифровой синхронной регистрации полиграфических данных и видеофильма предоставляет исследователю совершенно новые возможности, которые еще только предстоит освоить. Один из подходов – автоматический поиск участков записи с двигательной активностью испытуемого, уже реализован в программе. Психофизиологические исследования групповой деятельности значительно упрощаются при одновременной регистрацией данных от нескольких испытуемых через разные усилители на один компьютер. Имеется возможность регистрации деятельности испытуемых с использованием джостиков. Режим параллельной регистрации и просмотра уже записанных данных, позволяет оперативно анализировать данные, не останавливая регистрации, и, при необходимости, в реальном времени модифицировать ход эксперимента. Для статистической обработки событий, отмечаемых вручную во время регистрации данных, предназначены специальные маркеры, устанавливаемые щелчком мыши в нужный момент времени. При длительной регистрации данных весьма полезна возможность экстренного отключения/подключения усилителя, с автоматической отметкой длительности времени прерывания записи, а также включения сигнала «тревоги» при выходе параметров регистрируемых показателей за заданные пределы. В программе имеется специальный блок, предназначенный для создания последовательности видео - и звуковых стимулов, позволяющий проводить регистрацию и анализ вызванных потенциалов.
Зарегистрированные данные хранятся в памяти компьютера в экономичном формате. Ночная ПСГ-запись, фрагмент которой приведен на рисунке 1, занимает объем менее 30 Мбт. Объем памяти занимаемый видеоизображения зависит от многих параметров, выбираемых в зависимости от целей исследования (частота кадров/сек., цветное/черно-белое изображение, разрешение и т.д.).
Анализ данных. Необходимость визуального анализа полисомнограммы и мануального построения профиля сна вызвало разработку удобного интерфейса для совместной визуализации оригинальных данных и результатов анализа. Гибкая визуализация данных в разных форматах на большом экране (не менее 21'') c высоким разрешением облегчает восприятие и возникновение интуитивных представлений о характере взаимодействия исследуемых физиологических процессов, что способствует адекватному выбору и оптимизации количественных методов обработки полиграфических данных. Для выделения определенных паттернов полисомнограммы (событий) в программе существуют две возможности: автоматическая и ручная (мануальная). Автоматические алгоритмы легко перестраиваются для выделения необходимых физиологических показателей и их дальнейшего количественного анализа. На рис. 3 приведен пример автоматического распознавания паттернов ЭЭГ с помощью алгоритмов кластерного анализ. Этот рисунок иллюстрирует возможности операционной системы MS Windows: одновременная визуализация на дисплее двух окон (с оригинальной записью и результатами ее анализа); экспорт этой картинки в стандартный графический редактор MS Paint и ее дальнейшее редактирование. При мануальном анализе событий, пользователь вначале визуально определяет паттерны определенной формы, затем вручную отмечает их на записи маркерами, после чего для них автоматически строятся гистограммы, как на рис. 3.

Рис. 3.Совместная визуализация полисомнограммы и результатов ее анализа. Автоматическое выделение паттернов ЭЭГ и построение для них гистограмм. (Возраст пациента 38 лет, обозначения см. подписи к Рис. 1 и 2) В правом окне – фрагмент полисомнограммы (345 эпоха полисомнограммы), в окне слева – результаты ее автоматического анализа. Правое окно: на двух верхних каналах ЭЭГ (С4-А1; С3-А2) с помощью алгоритмов кластерного анализ выделены альфа волны и сонные веретена. Ниже - увеличенный участок ЭЭГ с выделенными паттернами: Alpha - альфа волны (диапазон 8-12 гц - отмечены прямоугольниками) и Spindle - сонные веретена (диапазон 12-18 гц - отмечены серыми прямоугольниками). Калибровка: абсцисса - время, ордината – амплитуда ЭЭГ. Левое окно: внизу - гистограммы для выделенных паттернов ЭЭГ (Alpha и Spindle), над ними - гипнограмма стадий сна; вверху указаны номера эпох. В левом и правом окнах - стрелками отмечен курсор, который автоматически синхронизирует (ставит во временное соответствие) визуализацию полисомнограммы и результатов ее анализа.

Для автоматического распознавания функциональных состояний организма имеется две возможности создания нового алгоритма на основе алгоритмов для автоматического определения стадий сна. Первый способ довольно трудоемкий, так как требует длительной настройки алгоритмов распознавания. Второй способ более прост – для создания нового алгоритма часть записи обрабатывают мануально и на основе полученного образца программа автоматически создает новый компьютерный алгоритм для конкретного испытуемого. Опыт показывает, что качество автоматического анализа в этом случае довольно высоко и почти не отличается от мануального анализа.
Программа также позволяет проводить спектральный и кластерный анализ ЭЭГ и картирование результатов этого анализа. Совместимость формата данных (экспорт/импорт) с другими форматами (EDF, ASCII, и др.) дает возможность применения стандартных пакетов программ для статистического анализа, специализированных программ анализа ЭЭГ, ЭКГ и других физиологических показателей, а также программ анализа голоса и видеоизображения. База данных программы обеспечивает экономичную архивацию неограниченного количества испытуемых, а также простоту поиска данных на разных медиа – носителях.
Применение сомнологических полиграфов для исследований механизмов сна. Социальная значимость медицины сна вызвало проведения широких исследований фундаментальных механизмов регуляции сна и бодрствования. Количество публикаций в этой области лавинообразно нарастает. Однако в нашей стране систематическими сомнологическими исследованиями занимается относительно небольшое количество лабораторий [7-10, 13-23]. Можно надеяться, что появление многофункциональных и доступных кПСГ-полиграфов нового поколения будет способствовать интенсификации исследований нейрофизиологических механизмов сна, как у человека, так и у животных.
Полиграфические исследования в психофизиологии. Одним из наиболее успешных примеров эффективности применения полиграфических методов исследования в психофизиологии являются широко известные работы Е. Н. Соколова и его сотрудников [24] по ориентировочному рефлексу. Необходимость анализа разных функциональных систем организма при выполнении поведенческого акта не вызывает сомнений [1-3]. Известно, что в одной экспериментальной ситуации у разных испытуемых информативными могут оказаться показатели разных физиологических систем и в подобных случаях достоинства применения полиграфической регистрации очевидны.
Полиграфические методы широко применяются для исследования и мониторинга уровня бодрствования человека – оператора [25], так как довольно часто причиной различных инцидентов на транспорте и производстве является отсутствие субъективного восприятия оператором своего дремотного состояния [21, 26]. Использование кПСГ-полиграфов для такого рода исследований представляется весьма перспективным, так как эти приборы компактны, полифункциональны и удовлетворяют требованиям безартефактной регистрации полиграфических показателей в неэкранированных помещениях и при движениях испытуемых.
Особой областью применения кПСГ полиграфов может быть их использование, как «детекторов лжи», причем они обладают более широкими возможностями по сравнению со специализированными полиграфами, предназначенными для этих целей.
Применение кПСГ-полиграфов для клинических исследований.
Универсальные возможности кПСГ полиграфов дают возможность их использования не только для диагностики патологий сна, но и для других видов клинических исследований.
В зависимости от задачи некоторые современные кПСГ полиграфы могут быть настроены для проведения определенных видов диагностики, путем подбора соответствующих полиграфических датчиков. Для постановки диагноза и составления клинического заключения в большинстве случаев достаточно визуального анализа полиграфической записи. Большой 21 дюймовый дисплей высокого разрешения дает изображение по качеству не уступающему бумажной записи, а дополнительные возможности редактирования, представления данных в разных масштабах и использование автоматизированных форм заключения облегчают и ускоряют составление клинического заключения. Например, рассматриваемый полиграф ”SAGURA-2000 ” имеет отдельный режим работы, полностью удовлетворяющий требованиям к цифровым безбумажным энцефалографам [28]. Сходный режим для компьютерного кардиографа может быть реализован при стандартной регистрации с 12-ти кардиографических электродов, т. к. частотные характеристики усилителя соответствуют требованиям к ЭКГ регистрации. Для дифференциальной диагностики эпилептических и неэпилептических приступов и уточнения формы эпилептических припадков предназначен режим ВИДЕО – ЭЭГ с длительной параллельной регистрацией видеоизображения пациента и мультиканальной ЭЭГ.
В настоящее время в медицине выделяется новое перспективное направление - медицина сна, задачей которого является изучение и разработка методов лечения различных соматических болезней не только в бодрствующем состоянии, но и во время сна [8, 14, 15, 29, 30]. Реализация необходимых клинических методик достигается выбором специализированных сенсоров для регистрации соответствующих показателей физиологических систем организма. Например для пульмонологических исследований [18, 19], используют пульсоксиметры (SaO2) и датчики для регистрации ороназального воздушного потока и усилия дыхательных мышц. Для исследования желудочно - кишечного тракта применяют рН - метрические зонды и датчики внутрижелудочного давления и т. д.
В медицине широко используются приборы предназначенные для визуализации деятельности различных органов. Для некоторых исследований может представлять интерес возможность одновременной синхронной регистрации динамического видеоизображения с помощью таких приборов [31] и полиграфических показателей с полиграфа. Такая возможность довольно просто реализуема, если формат видеоизображения с этих приборов согласуется с форматом стандартных устройств, предназначенных для ввода изображения с видеокамеры в компьютер.
Перспективные разработки. Кроме вышеописанных компьютерных полиграфов для исследовательской работы могут представлять интерес портативные, автономные устройства, предназначенные для экспресс диагностики некоторых расстройств сна. Эти приборы также содержат усилитель, к которому подключаются датчики и всю ночь информация записывается на компактные устройства памяти. Затем ночная запись переноситься на более мощный компьютер и анализируется. Недостатком приборов этого класса является отсутствие контроля за качеством длительной регистрации данных, но в некоторых случаях этим можно пренебречь.
Как развитие этого направления можно рассматривать применение микрочипов для регистрации физиологических показателей. Эти микрочипы содержат микросхему, объединяющую датчик, усилитель и передающее устройство. В последние два года появились публикации о появлении компьютерных микрочипов, размеры которых измеряются миллиметрами. Они могут наклеиваться на кожу или вшиваться под кожу, прикрепляться к одежде, монтироваться в кольце на руке или серьге в ухе. С помощью этих устройств можно регистрировать температуру тела, частоту пульса и кровяное давление, а если они имплантированы - проводить электростимуляцию различных органов и вводить микродозы лекарств. В перспективе можно ожидать, что такого рода микроустройства станут обычными, как в исследовательских лабораториях, так и в клиниках.
Мы надеемся, что обзор сомнологических технологий привлечет внимание психофизиологов и клиницистов к возможностям кПСГ-полиграфов и будет способствовать внедрению их в практику исследователей разного профиля.
Работа выполнена при поддержке Российского Гуманитарного Научного Фонда (грант № 01-0600186а)