【硕士论文】基于多生理参数分析的睡眠研究.pdf

中禹辩学技术走学簿圭学纯论文 撬瑶 摘要 撼于生理信号分析与处理的髓眠医学与睡眠研究有助于了解机体的生理机制 揭尔 睡眠的规律 改善睡眠质量 帮助诊治睡眠障碍和疾患 如何利用现代先进的信号处理 技零 瓤复杂多襻酌黛理瘩号中撼取有磊蔼惠 是涎疆医学与缮 辩舞究的溪要谋送 本论文将非线性动力学分析 复杂性分析与经典线性分析方法相结合 将睡眠脑电 分析与其他睡眠生理信号分析相结合 重点研究脑电 e e g 心电 e c g 血压 b p 信号豹缎律帮特点 与睡眠获态静联系以及在鼹眠分麓 疆蕊障碍接溺中的应用 沦曼 完成了如下这些有特色的研究工作 1 采用相对关联维数 d 2 和近似熵 a p e n 作为复杂性测度 研究睡h 民状态 酶疆毫褥 疰 综合运掰相空润重秘 替代数据涂验以及诗冀不丽重秘参数缱 t m 对 应的d 2 等方法 研究脑电及其圆种基本节律的特性 提出罔固定的嵌入维数和延迟叫 闯计算腑电的d 2 采用信息熵和近似熵分柝睡峨脑电特征 实验表明 脑电的d 2 相对 值具有实髑债擅 熊骥显区分睡栽状态 而且纂本不受个体盼影确 近似麓在表觋睡溅 状态方脚的性能比信息熵更优异 近似熵对不同睡眠状态的隧分度以及对个体差异的 致性优予荚联维数 2 夺睡眠赫电分辑中引入奇异系统分聿厅 改进了关联维鼢计算 劳提出两个臻 著反映鼢晦眠状态的脑电特征 先谶行相空间变换再应用g p 算法 提高了关联维数计算 的稳定性并减少计算爨 提出用 最大奇异值 和 累计贡献率9 5 所需的主分量个数 乍为瓣眠弦电的复杂性特薤 算法简单 诗算爨小 具有一定的实臻价馥 3 采用几种媳型方法分析心电r r 间期序列 对连续m 压信号进行非线性动力学 分析 研究它们的特点以及与睡眠状态的联系 心率变异的时域 频域及非线性分析方 法较好圭氇表现睡i 琵状态的跃迁 鼹是难以准确裳这睡眠蕊绥辙结构 当睡眠周精比较完 整时 m 压的相对关联维数较好反映了睡眠状态的变化 在滑醒期和快速日 违动期d 2 值较 大 随港睡眠加深 d 2 变小 4 研究心率变异 投缩压变异黔谱特征稻藏电复杂谯在隘塞型疆璇 i 乎啜暂箨综 合症检测中的表现 发生阻塞型魄眠呼吸暂停时 心率变异 收缩压变异a r 谱的低频 能量与离颁能量之比 i f h f 分别是正常睡眠的2 3 倍和5 髅左右 当伴随唤醒的阻 塞墅呼缀暂停发生在疆眠w s 1 s 2 s 3 及s 4 期时 脑毫静复杂牲暑高 丽发生在r 渊 孛灞辩学技术走学鞲 学位蹙文籀襄 期时 脑电的复杂性降低 5 采蠲憨马拳可夫模型 i 麟 区努疆眠再蘩 r 戳麓穗s 2 甥 羧果蠹好 蒸 于h 的睡眠分斓 状态识别方法避免了传统r k 规则纳缺点 具有嘏好的应用自口鬣 本文懿磺究工作褥妥了翻家鑫然瓣学鏊金矮露 鏊予多生理参数期j 线性动力学方 法的睡眠脑电分析 6 0 0 7 1 0 2 3 的资助 关键谲 簿躐状态 睡躁黪褥 藏毫 心电 盘压 菲线惶动力学 囊杂性 簿器系 统分析 关联维数 近似熵 睡眠呼吸暂停综合症 隐马尔可夫模型 i t 望i 燮苎釜塑 兰焦堡苎 垒 曼 a b s t r a c t s l e e pm e d i c i n e s l e e pr e s e a r c hb a s e do np h y s i o l o g i c a l s i g n a l sa n a l y s i si sh e l pf o r s t u d y i n gp h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s mo fo r g a n i s m d i s c l o s i n g s l e e p sr u l e i m p r o v i n gs l e e p q u a l i t d i a g n o s i n ga n dc u r i n gs l e e pd i s o r d e r s h o wt oa p p l ym o d e ma n da d v a n c e ds i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi ne x t r a c t i n gu s e f u li n f o r m a t i o nf r o ms o p h i s t i c a t e dp o l y s o m n o g r a p h y i sa n i m p o r t a n tt o p i ci ns l e e pm e d i c i n e s l e e pr e s e a r c ha r e a s i nt h i s t h e s i s n o n l i n e a rd y n a m i ca n a l y s i sa n dc o m p l e x i t ya n a l y s i s a s s o c i a t e dw i t h c l a s s i c a ll i n e a rm e t h o d s a r ea p p l i e di na n a l y z i n go f s l e e pe l e c t r o e n c e p h a l o g r a m e e g a n d o t h e rp h y s i o l o g i c a ls i g n a l s t h em a i nw o r k si n c l u d et h ea r e a so f l e a r n i n gc h a r a c t e ro fe e g e l e c t r o c a r d i o g r a m e c g b l o o dp r e s s u r e b p s t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mw i t h s l e e ps t a t e a p p l y i n gt h e s ep r o d u c t i o nt os l e e ps t a g es c o r i n ga n ds l e e pd i s o r d e r sd e t e c t i n gt h e i n n o v a t e dw o r k sw eh a v ef i n i s h e da r ea sf o l l o w s 1 a d o p t i n gr e l a t i v ec o r r e l a t i o nd i m e n s i o n d 2 a n da p p r o x i m a t ee n t r o p y a p e n a s e e g c o m p l e x i t yi n d e xi ns l e e ps t a g e sc h a r a c t e rr e s e a r c h a p p l y i n gs y n t h e t i c a l l ym e t h o d so f p h a s es p a c er e c o n s t r u c t s u r r o g a t ed a t at e s ta n dc a l c u l a t i n gd 2c o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n t p a r m n e t e rg r o u p t m 钕a n a l y z i n go f e e ga n di t s4s p e c i e sb a s i cr h y t h m p u tf o r w a r d u s i n g f i x e de m b e d d e dd i m e n s i o na n dd e l a yt i m et oc a l c u l a t ee e g 8d 2 e m p l o y i n gi n f o r m a t i o n e n t r o p ya n da p e n a ss l e e pe e g sf e a t u r e i tw a sc o 艟r m e dt h a t e e g sr e l a t i v ed 2 w h i c h c a l ld i s t i n g u i s ho b v i o u s l ys l e e ps t a g e sa n da l m o s tn o ta f f e c t e db yd i f f e r e n ts u b j e c t s h a su s e v a l u e a p e n i sb e t t e rt h a ni n f o r m a t i o ne n t r o p yi nr e f l e c t i n gs l e e ps t a g e s a p e ni sb e t t e rt h a n d 2i ns e p a r a t i n gc a p a c i t ya n d c o n s i s t e n c y 2 s i n g u l a rs y s t e ma n a l y s i s s s a b e i n gi n t r o d u c e di n t oe e ga n a l y s i st oi m p r o v e c a l c u l a t i o no fd 2 a n dt w oe e gf e a t u r e st h a tr e f l e c ts l e e ps t a g e so b v i o u s l yb eb r i n gf o r w a r d b y f i r s tt r a n s f e rp h a s es p a c et h e nu t i l i wg p a l g o r i t h m t h es t a b i l i t yo f d 2i si m p r o v e d a n d t h ec a l c u l a t i o na l l l o u n ti sr e d u c e d t h em a x i m u ms i n g u l a rv a l u e a n d t h en u m b e r f p r i n c i p a lc o m p o n e n t sn e e d e dt oa c c u m u l a t e9 5 c o n t e n t t h a tb es i m p l ea n dp r a c t i c a l a r e a d o p t e d a si n d e xo f s l e e pe e g c o m p t e x i 母 3 i no r d e r t or e s e a r c he c g b pc h a r a c t e r sa n dc o n n e c t i o n sw i t h s l e e p w et a k e l 中黼辩学技术走学博k 学侮论 豆 a 3 s t r a c t a d v a n t a g eo fs o m et y p i c a lm e t h o d st oa n a l y z er ri n t e r v a ls e q u e n c e a n da p p l yn o n l i n e a r d y n a m i ca n a l y s i si nc o n t i n u o u sb ra n a l y s i sm e t h o d s o fh e a r tr a t ev a r i a b i l i t y h r v i nt i m e d o m a i n f r e q u e n c yd o m a i n a n dn o n l i n e a rd o m a i nw e l lr e p r e s e n tt h et r a n s i t i o no f s l e e ps t a g e b u tc a n tr e f l e c tm i c r o s t r u c t u r eo f s l e e p r e l a t i v ed 2 o fb pr e f l e c ti ns o m ee x t e n tt h ec h a n g e o fs l e e ps t a g ew h e ns l e e pc y c l ei sp e r f e c t t h ev a l u eo fd 2i sl a r g e rw h i l eb e i n gw a k ea n d r e m s t a g e s t h ev a l u e d e c r e a s ew h i l e s l e e pb e c o m ed e e p 4 s p e c t r u mf e a t u r e so fh r v m a ds y s t o l i cb l o o dp r e s s u r ev a r i a b i l i t y s b p v a sw e l la s e e g c o m p l e x i t y a r es t u d i e di no b s t r u c t i v es l e e pa p n e a o s a d e t e c t i n g w h e n o s ao c c u r s t h er a t i oo fl o w e rf r e q u e n c yp o w e r t oh i g h e rf r e q u e n c yp o w e r l f h f i nh r vs p e c t r u ma n d s b p vs p e c t r u m i sa b o u t2 3t i m e sa n d5t i m e sr e s p e c t i v eo f n o r m a ls l e e p e e gc o m p l e x i t y w i l li n c r e a s e w h e n o s a t h a ta c c o m p a n y w i t h a r o u s a lo c c u r s i ns l e e ps t a g e ss u c h a sw s 1 s 2 s 3a n ds 4 h o w e v e r i tw i l ld e s c e n dw h e n t h i sr e s p i r a t i o ne v e n to c c u r si nr e ms t a g e f 5 u s i n gh i d d e nm a r k o vm o d e l h m m t o d i s t i n g u i s hs l e e ps t a g ew r e m a n ds 2 t h e t e s t 球s u i ti sf a v o r a b l e s l e e p 髓a g s c o r i n gm a ds l e e ps t a t ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do nh m m w h i c hh a v es o m ea d v a n t a g e st h a nc l a s s i c a lr k r u l e i sp r o m i s i n g t h i sr e s e a r c hi ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n ap r o j e c t s l e e p e e ga n a l y s i sb a s e d o n m u l t i p l ep h y s i o l o g i c p a r a m e t e r s a n dn o n l i n e a r d y n a n l i c 6 0 0 7 10 2 3 k e yw o r d s s l e e ps t a t e s l e e p d i s o r d e r s e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m e e g e t e c t r o c a r d i o g r a m e c g b l o o dp r e s s n r e b p n o n l i n e a rd y n a m i c c o m p l e x i t y s i n g u l a s y s t e ma n a l y s i s s s a c o r r e l a t i o nd i m e n s i o n d 2 a p p r o x i m a t ee n t r o p y a p e n s l e e p a p n e as y n d r o m e s a s h i d d e n m a r k o vm o d e l h m m i v 中蓍事 擘投术走学博士学使论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 戆眠是包括入炎在瘫戆辑鸯渤绥生翕遭鬈中懿一令羹娶生理褒象 敬李亍为学戆叠凄 来看 定义睡眠有四个标准 1 大脑运动皮鼷活性降低 2 对外界的刺激反应降低 3 身体姿态固定 例如 人类睡眠时身体躺倒 闭眼 4 相对容易的可逆性 区别 予参遴 冬疆帮委躐 簌生到凭 人类始终怒在觉醒窝惩甄中疫过 觉鼗莘譬睡l 翼磐豫 一个钟摆 是生命活动必需的两个互相转化的过程 人的一生约有三分之一的时间是在睡眠中度过 许多煎要的生理过稷在睡眠中发 生 发艇 对睡眠遭瑕静醑究无鼹对我翻了解久终生理穰赣蠢重要意义 对睡眠豹蕊察 和监护撼医学的重要课题 是研究生命机理的麓要窗口 人类通过睡眠 可以消除疲劳 更好地恢复精神和体力 使人在睡眠之后 保持照 好的爨熬状态 稳麓工俸 学习效率 露睡眠鞫体怠效采静翔定 不仅要器睡眠时闻豹 氏短 更重要的是爱了解睡眠的内容 人们发现 睡眠过程肖篡复杂的结构和多种生理 变化 不同阶段的睡憾效果和生理过程有很大不同 因此对鼷眠特性以及缡构进行研究 可臣援示睡眠静梳彰j 改善睡鬣骚鬟 瞬眠时 人体的心理和生理活动处于静息状态 有些潜在于身体中的疾病 特别魑 大脑的痰病 在清醒状态下病灶不密易被发觉 睡眠时 由于大脑对外界刺激的反应减 少 这样就会镬其臻露出来 焉氨在不餍豹睡 瓣输段显露戆程瘦不箍 嚣魏对睡眠送行 分析和研究有助于缴现某些疾病的隐患或者致瘸因素 获得在觉醒状态下难于检测到的 生理信患 为精神医学和某些疾瘸的诊断提供裔价值的资料 一门瓶兴的边缘横断学科 疆眠医学 s l e e pm e d i c i n e 邑成为现代医学鹩一个重癸缀成都分 芷在建立霸发髓 起来 瓣眠研究与睡暇医学雁昆懿引起医学工作者和基础研究人员的重襁 并被认为怒 2 l 越绣褥经科学静三大内容之一 大貔学术科研祝褐 如 铤赛疆眠硬究联合会 亚 洲睡眠研究会 中圈的 睡眠研究会 等 以及多国合作项目相继建立和开展 1 睡 眠医学与研究涉及与睡眠有关的备种生理与瘸理领域 如隧眠的神经学和内分泌的机 裁 疆眠综合症 自然或人工豹嘲索及药物辩潦隈懿影稳 清醒 睡躐驹 常与异常 望至 堂楚查盔兰堡主差垫婆壅 篓 兰楚堡 律 婺幼 k 睡眠与大齄发商鹩兼系 菜些释溅淫躐紊鬣静精释葳心埋跌髓 睡眠对发 i 的一凝疾病如睡眠帮啜暂停鲸台瘟 及跌物种发展的角度研究睡眠遥秘等簿 睡眠蓬 写戮究楚多学辩交叉 惫含静舆莲 宅嚣发怒鼹嚣亨又黎动稳关学辩秘滋步 睡眠医学与研究的内容非常广泛 决定了研究方法的多样化 例如 通过解剖实验 解大腑的结构 研究睡眠的产生与调控机制 通过药理学实验研究药物对睡眠的影响 究帮生产各静夕 滚性 走滚 莲援瞩蓊穆 邋适心理与鼓翅手段繇究睡酝每爹 学麓 忆以及智熊的联系 鬻熙膝功能成像技术 p e t s p e c t f m r i 研究快鼹潮睡眠 r e m l 关功能部缀 寻找在糖撩障碍镁域中可能嶷鸯灼应翅裁最 等等 睡眠医学与勰究蛉 羚一耱 e 鞍簿革懿途径是 戏察 劳爨 繇究睡躐遭纛中糖蒋蕊一些宏躐 赣蕊黪爨三 变纯和生璞信号 与舔眠有关的生理功能涔投入体各个系统 锯括大躺 心箍 呼啜 i 陶 m 驱 代谢率 体温 激祭分泌等各种阗累 通过各种方法记录下采的生理奄倩 i 帮饕电信孽或为薅羧疆究蕊蠢按王吴转 人们发现 睡瞧及其过程可以很方便地通过电信号髓测 其中大脑皮层神经元的憩 活性 用脑电图 e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h y e e g 监测 肌肉活动 通过肌电图 e i e 瓣 黼y g 豫舜翼e m g 谮 砉 g 受凄楚琵 淫过 蕤臻遮裁惫滚嚣 e l e c t r o o c u t o g r a p h y 3 g 漶袭 与睡瞩关系密甥 藏电是大脑聿率缀元突魅簸嘏谯蛉综合 熬大脑享孛经电溺 j 产生的电甥经容拣导体 癌皮瀑 颧学 麓膜及头皮构减 转导囊在强嶷上静电位分 i 禳 慧菡爱应了大熬缀绥戆毫懑凌及大越斡功戆捩态 被认兔是攒述簿薅进程翡最照 和赢观的参数 按照频率范围湖一般形态 定义了西稀蒸本的脑电液璐 6 8 a b 波 这四种脑电节律与睡眠过稷密切相关 同时 人们还在特定睡脶阶段或某种瘸 靖撬f 发斑了一蹙瓣态菠澎 寨菠浚骧瘸髂惫瓣戆漫滚 爱浚睡眠痿憨瓣接澎渡 襄 食波簿 1 9 6 0 年代术 加刹福凰亚大学脑磺究所发布了人擞睡眠分期的定义和技术标 翊 妻要按照e e g 的不煎形态 特征 势参考e m g e o g 垮魑眠分为颡类 无快 融舔躐 n r e m 又称馒渡囊躐 黎狭凌隈睡眠 r e 又豫受器褪瓣躐 无袂动 疆黼又分为圆个辩精 一 二 三 黻麓深蹒 繇g 篾深度潼浅凄睡眠 轻度鼷黢剿中 睡眠 再弼深度睡眠 在整个疆眠过程中 疆躐静n r e m 朝与r e m 潮耀互交静溉 i 冥霄一定魏溺麓经 仅仅依靠脑电图 肌电图舜埘眼动电流图 信息来源以及信息量有限 不能满足鼹憾 究以及睡眠医学的需要 因此人们还同时港集记录并分析其他生理信号 如心电图 中国科学技术人学博士学位论文 e c g 呼吸信号 包括鼻部气流 胸 腹运动情况 血压 b p 血氧饱和度 s a 0 2 等 综合分析所有这些生理参数 不仅弥补了对睡眠分期 各阶段特征的认识不足 而 且对睡眠障碍的分析和诊断有着非常重要的作用 例如 常见的睡眠障碍 睡眠呼吸 暂停综合症在临床上表现为呼吸停止 并且伴有不同程度的血氧f 降 冈此对于诊断 治疗和预后来浇 最直接的方法是采集并分析鼻部气流信号 胸 腹运动情况 血氧饱和 度信号 同时呼吸暂停具有睡眠时相依赖性 呼吸暂停可仅发生于特定的睡眠期 因此 准确分析患者的睡眠情况 了解各睡眠期所占比例 有助于掌握患者的神经精神系统的 变化 为治疗该病提供客观的评价手段 发展起来的多导睡眠图 p s g 中监测项目包 括脑电图 颁下肌电图 眼动电图 鼻口气流 胸腹运动 血氧饱和度 心电图 腿动 体位 鼾声等多项指标 在睡眠监护 疾患诊断中起到了关键的作用 从基于生理参数分析的角度看 睡眠研究主要集中在三个方面 利用多种生理参数 进行睡眠分期 睡目民的正确分期是睡眠研究的基础 研究以脑电为主的多种生理参数 揭示睡眠各期的特点 利用多种生理参数进行睡眠疾患 睡眠障碍的监测与诊断 睡眠脑电分析是当前国际上的一个研究热点 除了继续研究实时准确的睡眠自动分 期方法外 不少研究人员正把重点放到睡眠脑电的非线性动力学研究及睡眠脑电与各种 疾病关系的研究方面 同时 人体各主要系统中各节律间有着错综复杂的相互作用 睡 眠过程伴随有高级中枢和一系列植物性系统的改变 除明显的脑电节律变化外 还会伴 随有血压下降 心率变慢 代谢率减低 呼吸变慢以及血氧饱和度 体温 汗液分泌量 的改变等 这些节律极少表现出绝对的周期性 人体的动力学特性是混沌的 因此把传 统方法和非线性分析方法相结合 能从睡眠脑电以及其他生理参数中挖掘出更多的信 息 把单纯的睡眠脑电分析与其它生理参数的处理相结合 将为睡眠医学与研究提供更 有效的工具 本文工作从信号处理的角度出发 利用多生理参数分析来开展有关的睡眠研究 着 重于对睡眠脑电进行非线性分析 寻找睡眠不同阶段的关联维数和近似熵特征并进行比 较 对睡眠脑电进行奇异系统分析 改进关联维数计算 同时提取两个有效表达睡眠阶 段的特征 对其他睡眠生理信号 主要是心电 血压信号 进行经典和非线性分析 了 解其特点以及与睡眠的关系 介绍常见的一种睡眠障碍 睡眠呼吸暂停综合症的基本 知识 尝试采用心率变异和血压变异的谱分析方法进行阻塞型睡眠呼吸暂停综合症检 测 并考察呼吸事件发生时脑电复杂性的变化情况 最后 探讨了隐马尔a j 夫模型 国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 h m m 在睡眠分期 状态识别中的应用 本章的第2 节介绍睡眠的生理基础 包括睡眠的发生与调节机制 睡眠腑电 其他 眠生理参数的基础知识 第3 节介绍基于生理参数分析的睡眠研究概况 包括睡眠分 研究 睡眠脑电分析 睡眠障碍和疾病诊断等方面的研究进展 第4 节介绍本文工作 主要内容并给出章节编排 1 2 睡眠的生理基础 2 1 睡眠的发生与调控 4 8 1 4 早期研究认为睡眠和觉醒的规律由大脑的网状激活系统 r e t i c u l a ra c t i v a t i n gs y s t e m a s 控制 r a s 指中脑和脑干附近各种神经细胞 神经细胞核团和交错走向的神经纤 构成的网状结构 该结构控制机体觉醒水平 并受其他脑中枢的影响 控制r a s 的 i 中枢位于脑部脑干中线的中缝核 r a p h en u c l e i 和脑桥背部的蓝斑 l o c u sc e r u l e u s 州 分别导致n r e m 和r e m 睡眠 梦中视觉景象的形成便与蓝斑区域自发兴奋主要投 到视神经束有关 进一步的研究认为r e m 睡眠由脑桥中线部位细胞群的内源性周期 荡 平均每隔9 0 分钟呈现一次 所引起 从而触发反映视知觉为主的随机组合的大 i 皮质细胞群的兴奋 异相睡眠中运动机能的深度抑制 是借助于蓝斑下面的神经核团 的 异相睡眠一开 p s o n 神经元 投射至延髓的巨细胞核 n m a g n o c e l l u l a r i s 二经腹外侧网状脊髓束至脊髓 从而引起四肢肌肉的几乎完全松弛 最近研究表明 下 脑与睡眠密切相关 损毁下丘脑后部使动物处于昏迷状态 而损毁下丘脑前部将引起 i 重的失眠 美国科学家在猫下丘脑中发现了具有调节体温和控制自然发生的n r e m j 眠两种作用的神经元 另一个发现是老鼠下丘脑前部腹侧视前区 v l p o 神经元接 来自1 r 芒脑视交叉上核 s u p r a c h i a s m a t i cn u c l e u s s c n 输入 而s c n 是机体生理昼 节律的主要内源性节奏钟 人体的v l p o 区2 4 万个神经元 能够产生v 一氨基丁酸 g a b a 与下丘脑后部 e e 特殊神经元以及大脑基部二种特殊神经元一起 通过 a b a 发出信号抑制大脑其它细胞活动 调节清醒和睡眠 1 9 6 0 年代以后 采用核团毁损和借助神经药物的动物实验 对r e m 睡眠发生的脑 二机制似已清楚 目前认为 低位脑干内主要为去甲肾上腺素能神经原的蓝斑核和主要 j5 羟色胺能神经原的中缝核可能是特异性睡眠中枢 蓝斑的中 上部通过上行纤维 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪沧 和脑干的网状结构启动n r e m 睡眠 中缝核的下端激发兴奋蓝斑核下部 启动r e m 睡 眠 但对人体的直接研究 尤其是皮层和皮层下结构对睡眠过程参与和调节的功能部位 尚不清楚 图1 1 大脑中枢结构图 g a b a 图1 2 入睡机制的三种细胞环路模型 关于睡眠的发生机制 睡眠是一 种稳态机制 的理论比较受到肯定 该理论认为 睡眠的稳态机制和觉醒有关 因为在一个长时间的觉醒状态后会跟随 次加强的睡眠 在人和鼠类 这种加强的睡眠主要表现为睡眠潜伏期缩短 每一次睡眠的持续时i 司延长 以及n r e m 期脑电图的6 波增强 在睡眠与觉醒的调节中 中枢神经系统中单胺类神 经递质 如多巴胺 d a 5 羟色胺 5 h t 及去甲肾上腺素 n a 发挥着重要作用 但 是目前研究主要还是着重于每一种递质的独自作用 而对于人体来说 睡眠和觉醒的调 节是由包括单胺类递质在内的许多递质的协同参与的过程 所以这许多中枢递质问相互 1 办同 共同参与调节睡眠和觉醒的机制还有待于进一步了解 睡眠与机体的免疫内分泌功能有密切的关系 细胞因子是睡眠的重要调节因子之 一 人在正常睡眠过程中 细胞因子的分泌有一定的昼夜节律性 它们能不同程度地促 进睡眠 i l 1 t n f 能协同作用调节睡眠 用其拮抗剂均能减弱催眠功能 脑内的催眠 因子能通过脑脊液给外周传递信息 另外 睡眠的调节还有i l 一4 i l 1 0 g a b a 等参 与 细胞因子除具有正常睡眠调节功能外 还参与异常睡眠 在窒息性睡眠 发作性睡 眠及自发性嗜睡症等异常性睡眠中 t n f i l 1b 和i l 一6 均起一定的作用 在异常性 睡眠中 这些因子均发生相应节律性改变呈显著升高趋势 它们的改变能介导机体内分 泌功能的紊乱 使生物体免疫功能降低 导致生理功能受损 基于生理解剖知识的入睡机制模型仿真研究也具有重要的意义 它可以无创性的对 大量神经元群作实验测试 人在睡眠时 外界的绝大部分感知觉对脑的输入被阻断了 强辩学技术天擎潜 i 学位论文 第一嚣辐论 l 此脑处于相对就醒时要简举彳寻多的状态 脑电中的频率和特征波形反映了脑在睡眠状 i 时亿万穆经元魄丽步振荡翁本质特性 大爨蕊实验帮搂蘩磅究试为 警为入睡标辨魏 j 锈振荡的产生机制 主要感丘脑和大脑皮屡神经元劂络产生同步振荡的结果 其中起 要作用的魁含y 氨熬丁酸 g a b a 的丘脑网状核细胞 r e 禽a 融通 一3 一h y d r o x y 一5 m e f l q 4 i s o x a z o t e p m p i o n i c a c i d a m p a 蕊丘膝皮臻缨照露e 帮大 j 皮层锥体细骢 c p 纺锤搬荡起源于丘脑 是丘脑网状核细胞和丘脑皮质细片融通过 触相互作用的结果 大脑皮层的不同区域 接受来自不同的背侧丘脑桉团的输入 从 i 产生e e g 皮层熬第六层襻经元又通过突魅支琵穗应的鹜爨丘藏匿和歪藏嚣状谈 照 i 调节纺锤波的教生 网状横细胞接受来自丘脑投射到瘦层的轴突侧支和皮层投射刹丘 i 的轴突侧支的兴奄性输入 并支配其它网状核细胞 这样通过网状核细胞影响丘脑和 屡瓣戆售惑交流 筵垒辩络孛大量 枣经元释澎成嚣多鞭荡两产生绣疆渡 基蓠戮繇 t 有不少密切结龠生理解剖的理论和实验的模型 例如模拟丘脑网状梭细胞和丘脑皮质 i 胞组成的环路模裂和由这种单环路组成的多环路网络模型 均能按预期的设想产生同 j 攘荡蕊形盛赞鬣豹纺锤节簿 在筵薹磷上 又挺凄了一葶孛凄燕皮屡缨照在蠹翡三耱继 组成的环路模烈 图1 2 和网络模型 以使模型更符合近来认为麟眠机制是皮滕和 麟环路中出现特定的同步掇滴的看法 并能使模型的仿真结果可以和规定人体麟眠分 i 麓艇邀特薤渡姻对应 2 2 睡眠与脑电 1 9 2 4 年 德网精禧病学窳h a n sb e r g e r 首次在a 煞头皮上检溺劐了毫变讫 并命名 e 1 e c t r o e n c e p h a l o g r a m 简称e e g 脑电阁 脑电是大脑神经元突触后电位的综合 大簸裤经电滔动产生戆奄场经褰积导体 凌皮屡 簸喾 薤貘及头皮褥成 传导慝在 皮卜麓电位分布 弦电图复应了大脑缀织静电话韵及大脑莳功就状态 如诃孰藏溉猜 中提取可靠参数来反应大腑的功能状态一直是人们希掇解决的课题之一 目前脑电图 成为一壤豢蜣的临床捡查 分橱太脑活动状态 确定大藏器质瞧瘸变 黯龟的蕊谶捡 诱发电藏检测和分轿 藏电的谱分轿 以及弦奄遗澎鞫技术等都靛展起来强1 5 电图在脑功能评估方面的作用是任何其他方法不可替代的 在睡眠隰学与睡眠硝究过 中 菠电鹜一壹是重要曼察力翡工具 被认鸯是接述疆跤过程懿最蕊蓑萃薅妻蕊的参数 电钓发现使入黉对睡眠静既宠进入了一个新阶段 6 中藩释学鼓术走学耩士学位论文 第一章绪论 人们首先对脑电的波形 形态有较为深入的研究 发现在睡眠过程中腑电的形态会 发生稳应豹交纯 邋零按照频率以及在睡眠不瓣除段熬表瑷 垮藏电波分藏霆穆主要节 律 6 0 n 和b 节律 波 嗣时 人们还在睡眠脑电中发现了一些瞬态波形 立u 梭波 s p i n d l e k 复合波等 它们的出现标志祷大脑处于特定状态 8 波 频率l 4 h z 振幅约2 0 2 0 0 埘 成久在凌醒状态下没有8 浚 它只在锺瞩 时出现 但在深度麻醉 缺氧或大脑有器质性瘸变时也可出现 8 波 频率4 8 h z 振幅约1 0 0 1 5 0 l t v 在困倦时一般即可见到 它的出现是中枢 稿经系绞麴巷 状态瓣裘王翌 n 波 频率8 1 3 h z 振幅约2 0 1 0 0 9 v 在大脑的顶一枕叶部记录到的 节律最 显著 当睁眼 思考贼接收其他刺激时 n 波消失 称为n 波阻断 波 频率1 4 3 0 h z 援辐终5 2 0 t v 波豹窭瑶一般代表大照瘦鼷兴金 睡眠梭波 s p i n d l e 由一阵n 波开始 振幅较小 中间变大 后来又变小 呈纺 锤形 故又称纺锤波 致复合渡 k c o m p l e x 一个先受提蓐蔗糖豹大爱没 夔瑟舔着塞溪一事梭渡 持续时程大于o 5 秒 蜘e 1 a i r a l 嘲1 3 睡眠梭波和k 复台波 1 9 6 8 年 麴稠禳尼亚大学赫研究所发布了人类睡眠分期豹定义帮技术标准 主要 按照e e g 的不同形态 特征 并参考e m g e o g 将睡眠分为两类 无快动眼睡眠 n r e m 和快动眼曛眠 r e m 叉舔为异楣蠛眠 无快动眼睡眠又称馁波睡眠 即 随着入疆时闯增拥 溪眠深度自浅度睡眠 轻发睡眠到中波疆眠 霉刭深度睡眠 不 同睡眠期的脑电图有不同的形态特征 脑电逐渐变慢 变大 即 同步化 根据这 一点又把馒波睡眠分成匹个时期 嬲 酃鳓禽慑波出现时 这一阶段是完全清醒与入疆间的过渡输簸 在此阶段 7 瑶科学授术大学搏士学位论文第一章错论 睡喾对夕 赛豪 激静反应漕失 n 波消失惑代之以0 渡 这个辩麓缀短 约0 5 7 分 二糕 a 蘑畿遵入轻疫疆惑 藏麓鬻 人可熊考短誓匏褒簿嚣不连羹黟毽维活动 i 电波出现a 渡自动调幅现象 即一阵n 波开始振幅较小 中阊变大 后荣又变小 纺锤形 故又称纷锤波 梭波 每一阵持续0 2 2 秒 还可出现特定的k 复合波 漤1 4 疆鼹备襄翡e e g 娃袋e o g e m g 表1 i 嬲窀在不网隧 鲢阶段的袭骢 频搴 幅戚 主导波形 s t a g ef r e q u e n c y h z a m p l i t u d e g v w a v e t y p e a w a k e 1 2 b e t a a w a k e r e l a x e d 8 一1 2a l p h a r e m i 2 b e 螺 n o n r e n l1 4 85 0 1 0 0 t h e t a n o n r 嚣m 2 8 1 55 0 1 5 0 t h e t a s p i n d l e s 惫k c o m p l e x e s n o n r 嚣m3 2 41 0 0 1 5 0 d e l t a t h e t a n o 癌蹬m 4 5 21 0 0 2 0 0 d e l 扭 t h e t o 三期 入睡者进入中度睡躐 6 波超过2 0 值不超过5 0 振幅在7 5 pv 戳上 鞠鬻 深受爨躐 s 波占5 0 戳上 兰簧壅魏在裁拳夜戆瓣翳 甚 竺 警 磊 纛 漆 洲 i 蠹 警 中国搴 攀捩术夫学薅士学位论文 第一章绪论 依次经历了一 二 三 四期睡眠以后睡眠又渐转浅 从四期 三期 再回到一 期 全穗历经7 0 1 0 0 分镑 然蜃转入 异穰鼷隈 姥黠 实嚣 上嚣躐已经缓深 但脑电活动却与觉醒时相仿 出现 去同步化奄趄波 眼球出现每分钟5 0 6 0 次的快 速摆动 大脑仍存在潜 定的思维活动 这就媳通常所说的孵眠的 夹逡限动期 早期人们主要借助于脑电的时域 频域特征来研究睡眠 随着非线性动力学的发展 人们认为e e g 不完全是准周期信号戚随机信号 而是在大多数情况下呈现出混沌特征 由此并鼹了瘗电j 线瞧动力学分氍 蒡应爱至嚆 眠医学与磷究之中 蓑颦累髑瑟数理谂 和方法能揭示睡眠的规律 提高隧眠疾患的诊断水平 2 3 其他睡眠生理参数 睡眠时 机体嗅 视 听 触等感觉功能暂时减退 意识暂时丧失 并失去对环境 变化的应答能力 骨骼肌反射运动和觚紧张减弱 除了躯体感觉和运动功能变化外 隧 眠还伴有一一系列啻主粹经功篷蕊改变 翻翔 敷压下降 心辜减淫 篷孔缩小 尿量减 小 体温下降 代谢率下降 呼吸变慢 胃液分泌可增多而唾液分泌减少 发汗功能增 强 内分泌活动的改变等 总之 睡眠时整个机体处于休息朔恢复状态中 4 i 在疆眠的不同g 寸捆 生理功 变化又有骈不同 兵傣豹谖 在漫滚逡瞩 s l o w x y a v e s l e e p s w s 阶段 生理功能变化是 感觉功能降低 呼吸中枢对c 0 2 的敏感性减弱 耗氧量下降 产热减少 体温下降 发汗功能蝣强 自主毒申经主要表现为戮交感相对亢 进 内黢活动处在低水平且较稳迩 心率下降氨稳定 呼壤疆且稳定 瓿张力及飘反射 减弱 m 管膨胀 流向肌肉的血流增加 血压下降 代谢率比清醒时下降2 0 脑垂体 分泌荷尔蒙增由珏 程深睡期出现分泌峰 包括褪黑激素 生长激素 促甲状腺素 丽在异相睡眠 p a r a d o x i c a ls l e e p p s 除敬 脑电呈现兴裔状态的去间步亿抉波 黼 此又称为快波睡眠 f w s 各种感觉功能进一步减退 以教唤醒阈提商 骨骼肌反射 运动和矾紧张进一步减弱 腿肉几乎完全松弛 此外 在募捆睡 民期闻逐会有间断性躲 阵发性褒现 例如 部分躯体摘动 在人类还观察到内脏功缒活动不稳定 如血压升高 和心率加快 呼吸加快而不规则 眼球出现快遮运动 手脚抽搐 做梦等 内脏功能活 动不稳定可能与某些疾癀在夜闻发作导致死亡鸯关 例如 心绞痛 哮嗡 阻塞性肺气 瓣缺氧发作等 有入报道 病人在夜闻心绞痛发作蘸常先徽梦 梦中情绪激动 伴有呼 9 鬻辩学技术大学溶一 学位论文 第一誊绪论 加快 血压升高 心率加快 以致心绞痛发作 因此 尽管膝瞧是接透撼眠最壹鼹鑫羲麴售号 要爨全瑟蛉 深入戆整握睡躐酸怒 特征 还需要充分利用其他多种生理参数 从睡眠分期标准也可看出 除了脑电信号 i 要参考眼电 肌电信号的特点 实际上 有一些研究工作显示心电 皿压 体动簿信 中夔含蓑隧躐分麓蕊怠 受终 盘予塍壤绩号懿记交 采集 分掇跑较复杂 影溺睡 质量 也促使人们研究一些非接触式 方便实用的采集 分析 处理方法 常见睡眠障碍和睡眠疾患的临床症状主要表现为脑电 心电 m 压 呼吸 皿氧含 等信号戆 正攀变化 悉虽一般部其有戆眠楚鞠镶藏戆 6 l 因越在赣庶上 大多淀录 r 析多参数睡目民生理信号 并结合睡眠时相作出判断 最常见的睡眠愉床障碍便是失眠 臁症和睡眠呼吸暂停综合瘕 而睡眠呼吸暂停综合症在临床上表现为呼吸停止并且伴 f l 嗣程度瓣纛瓴下簿 困戴对予诊甑 浚疗帮颈后来说 最壹接懿方法是采集粪部气 e 信号 胸 腹部运动情况 觎氯饱和度等信号进行分析处理 同时呼吸暂停具有繇眠时 j 依赖性 呼吸暂停可仅发生于特定的睡眠期 因此准确分析患者的睡眠情况 了解各 鬣矮辑占篦饿 有蘩予掌熬意砉懿势经精孛枣系统旋变纯 为治疗该瘸挺摸客鼹黥评 穷 i 段 同时监测脑电图 肌电图 眼电图 鼻 g l 气流 胸 腹运动 赢氧饱和度 心电 腿动 体位 鼾声等多项指标 形成多导睡眠图 p o l y s o m n o g r a p h y p s g 它在现 睡眠磷究 疆眠整轳 疾惑诊毅中发挥豢关键戆露震 繁辨诚煺洳懒哗黼嘲渊淞械 一o j ii 渺峭黼瓣渊漱黼够黼渊 臻熟麟峨嬲 萋誊 篡 愁 v i l 女 裂藩 拶糍慧 蛳5 n黼 莲l 5 绫睡眠多参数信号渗蘩蓬惑蟹吸暂捧 l o 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 基于生理参数分析的睡眠研究概况 睡眠医学与研究涉及与睡眠有关的各种生理与病理领域 如睡眠的神经学和内分泌 的机制 睡眠综合症 自然或人工的因素及药物对睡眠的影响 清醒 睡眠的正常与 异常节律 婴幼儿睡眠与大脑发育的关系 某些导致睡眠紊乱的精神或心理疾病 睡眠 时发生的一些疾病如睡眠呼吸暂停综合症 及从物种发展的角度研究睡眠过程等等 睡 眠医学与研究内容的广泛性决定了其方法的多样化 通过解剖学 药理学 心理与认知 等各科 实验方法和途径 人们对睡眠生理与病理特性认识有了长足的进展 睡眠涉及到机体的各个生理过程 通过观察 记录 分析睡眠过程中机体的一些宏 观 微观的生理信息变化成为睡眠研究的一种直接 简单 有效的途径 这些生理信息 包括电信号 如脑电 心电 肌电 眼电等 以及非电信号 如呼吸 血压 血氧饱和 度等 通过各种技术把它们采集 记录下来 供专家或计算机分析 基于生理参数分析 的睡眠研究主要集中在三个方面 利用多种生理参数进行睡眠分期 研究以腩电为主的 多种生理参数 揭示睡眠的特性 规律 利用多种生理参数进行睡眠疾患 睡眠障碍的 监测与诊断 1 3 1 睡眠分期研究 由于睡眠涉及到心理 生理 环境等众多环节 因此睡眠过程和结构复杂多样 人 们很早就认识到睡眠过程表现为不同的阶段 各阶段的生理机制 睡眠效果有较大区别 而睡h 民障碍 疾患一般也在特定的睡眠阶段发生 发展 因此睡眠分期一开始就受到人 们的重视 它是睡眠医学与研究的基础 图1 6 睡眠周期示意图 1 9 6 8 年 a l l a nr e c h t s c h a f f e n 和a n t h