Znaczenie pomiaru aktywności ruchowej w badaniach nad snem

Transkrypt

1 PRACA ORYGINALNA Znaczenie pomiaru aktywności ruchowej w badaniach nad snem Significance of motor activity measurement in sleep researches Tadeusz Pracki 1, Daria Pracka 1, Marzena Ziółkowska-Kochan 2, Małgorzata Tafil-Klawe 1, Anna Szota 3, Małgorzata Dąbkowska 3 1 Katedra Fizjologii Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu 2 Katedra i Zakład Neurofizjologii Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu 3 Katedra i Klinika Psychiatrii, Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu t Abstract Significance of motor activity measurement in sleep researches Introduction. Construction and operation of an actigraph, which is used for measurement of motor activity, is described in this article. Particular attention was focused on piezoelectric transducer, which is used as an accelerometer in actigraphs. Advisability of this transducer application in researches of a sleep was examined. Material and methods. Thirty two, healthy volunteers of both sexes (22 women and 10 men) aged underwent night sleep monitoring. The average (mean ± SD) age of patients was ± Polysomnographic data were registered and automatically analyzed by means of computer system called Somnoscan Plus and also visually in accordance with Rechtschaffen and Kales rules. The registered information was send from patients by standard polysomnographic leads. Voltage, which was obtained from piezoelectric transducer, located on patient s wrist, was also registered and analyzed. This voltage is an counterpart of motor activity of the patient. Results. Analyzed data of motor activity tension obtained from transducer, for movement time (MT), wakefulness (W) and S1 phases were significantly different (p < 0.001) in relation to the rest of the sleep phases. For REM phase of the sleep this statistic significance (p < 0.001) was observed regarding to all phases, except S4 period. Also, relevant statistic difference (p < 0.001) was noticed between S4 period and S2 and S3 periods. Conclusions. Measurement of the voltage obtained from motor activity transducer has significant meaning for discrimination between duration of MT movements and S1 phase and the rest of the phases. Also, it is extremely helpful in differentiation between sleep and wakefulness in people with lack or very small alpha wave activity. Additionally, this measurement of the tension is invaluable help in diagnostic of falling asleep and awakening moments. Moreover, it helps to distinguish between similar phases S1 and REM. Measurement of motor activity is also very helpful in finding changes of the phases, which are often preceded by movement of the body. Sleep 2008, 8 (1), Key words: sleep, actigraphy, accelerometry, motor activity, circadian rhytms Adres do korespondencji: dr mgr inż. Tadeusz Pracki Katedra Fizjologii Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera ul. Karłowicza 24, Bydgoszcz tel. kom.: tel.: faks: prackie@wp.pl ISSN Sen 2008, Tom 8, Nr 1, Copyright 2008 Via Medica Praca została częściowo sfinansowana przez Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu w ramach grantu nr 2 Rektora UMK 10

2 Tadeusz Pracki i wsp., Znaczenie pomiaru aktywności ruchowej w badaniach nad snem SEN Rycina 1. Budowa współczesnego aktografu cyfrowego (opis w tekście) t Wstęp Aktograf jest przenośnym urządzeniem służącym do wielodobowego pomiaru aktywności ruchowej. Używa się go już od kilkudziesięciu lat zarówno do pomiaru aktywności zwierząt, jak i ludzi. Jego wczesne wersje były bardzo prostymi urządzeniami mechanicznymi pozwalającymi jedynie na zliczanie występowania ruchów. Dopiero rozwój elektroniki na przełomie lat 80. i 90. ubiegłego wieku pozwolił na budowę w pełni nowoczesnych elektronicznych miniaturowych aktografów. Prawdziwym popularyzatorem i pionierem zastosowania nowoczesnych aktografów w badaniach chronobiologicznych był Alexander Borbély [1]. Do wielodobowego pomiaru aktywności ruchowej w badaniach chronobiologicznych stosował on miniaturowe elektroniczne aktografy cyfrowe. Pierwszy tego typu aktograf w Polsce zbudował w 1987 roku Tadeusz Pracki [2]. Budowę współczesnego aktografu przedstawiono na rycinie 1. Czujnik aktografu (akcelerometr) jest najczęściej elementem piezoelektrycznym wytwarzającym napięcie proporcjonalne w przybliżeniu do jego wychylenia, które z kolei jest zależne od przyspieszenia działającego na czujnik. Jeśli przyspieszenie to przekroczy wartość progową, służącą jednocześnie do kalibracji akcelerometru (kalibracja na ryc. 1), ustaloną najczęściej na 0,1 G, sygnał z czujnika, po wzmocnieniu we wzmacniaczu różnicowym [3] i podaniu na komparator napięcia, spowoduje powstanie na jego wyjściu impulsu napięcia elektrycznego. Napięcie to wyzwala monowibrator generujący pojedynczy impuls elektryczny o ustalonym czasie trwania (Tg), najczęściej rzędu dziesiętnych lub setnych części sekundy. Jeśli w tym czasie nastąpią kolejne impulsy z czujnika, okres Tg je pominie. Jest to dosyć istotna wada przenośnych aktografów. Impulsy z monowibratora w ustalonych programowanych jednostkach czasu (sekundy lub minuty), zliczane są w liczniku (L) i przesyłane kolejno do pamięci elektronicznej typu Flash, gdzie są zapamiętywane. Zaletą pamięci Flash jest to, że nawet po rozładowaniu baterii nie traci danych. Po zakończeniu badania dane z aktografu przesyłane są najczęściej bezprzewodowo drogą radiową (RF) do komputera w celu analizy. Całością pracy aktografu steruje sterownik mikroprocesorowy (mp). Aktograf zasilany jest zwykle baterią litową o napięciu 3V (nie ma jej na rycinie) pozwalającą na wielomiesięczną, a czasem nawet jego wieloletnią pracę. Do badań specjalnych stosuje się rozbudowane aktografy na przykład z możliwością rejestracji dodatkowych parametrów: częstości uderzeń serca, natężenia oświetlenia czy zdarzeń występujących w trakcie badania. Aktograf jest niezastąpionym narzędziem do prowadzenia badań i obserwacji chronobiologicznych szczególnie w pracy zmianowej, zdezorganizowanym rytmie okołodobowym, zmianie stref czasowych (Jet Lag Syndrom), przesunięciu faz snu, aż po badania przebiegu i zaburzeń snu [4 8]. Szczegółowe rekomendacje dotyczące stosowania aktografów podaje Amerykańska Akademia Medycy- 11

3 SEN 2008, Tom 8, Nr 1 ny Snu (American Academy of Sleep Medicine) w swoich raportach z 2002 i 2007 roku [9, 10]. Aktywność ruchowa śpiącego jest parametrem, o którym wspominają w swoim Podręczniku Allan Rechtschaffen, Anthony Kales [11]. Nie uwzględniają go jednak przy analizie zapisów snu, choć najwyraźniej zdają sobie sprawę z jego znaczenia. Prawdopodobnie nieumieszczenie go w Podręczniku spowodowały problemy techniczne sprzed 40 lat, związane z jego rejestracją i wizualną analizą. Niemożliwe było bowiem dokumentowanie aktywności ruchowej elektroencefalografem czy polisomnografem bez stosowania dodatkowego specjalistycznego urządzenia lub czujnika. Pojawiał się również problem zgodności parametrów i charakterystyk czujników stosowanych w różnych pracowniach oraz problem doboru rodzaju stosowanego czujnika: mechanicznego, magnetycznego, pojemnościowego, rezystancyjnego czy najpopularniejszego piezoelektrycznego. Nie bez znaczenia jest także miejsce jego umieszczenia na przedramieniu lub nadgarstku czy też w materacu w łóżku [12]. Trudna byłaby ponadto interpretacja wizualna otrzymanych wyników. W badaniach prowadzonych w pracowniach snu nie ma potrzeby stosowania rozbudowanego aktografu cyfrowego. Znacznie korzystniejsze jest stosowanie samego czujnika piezoelektrycznego akcelerometru, z odpowiednio dobranym, kalibracyjnym dzielnikiem lub mostkiem rezystorowym. Akcelerometr podłączany jest do dodatkowego wejścia głowicy EEG lub polisomnografu albo wręcz na wejścia sygnałowe EEG. Zamiast zliczać liczbę wychyleń czujnika przekraczających wartość progową, możemy wtedy, stosując odpowiednie oprogramowanie, mierzyć wartość skuteczną napięcia elektrycznego RMS (root mean square) odpowiadającą aktywności ruchowej, a wyrażoną w mikrowoltach. Odpowiada ona całce krzywej aktywności, czyli polu powierzchni pod tą krzywą [13] to jest właśnie wartość aktywności ruchowej. Żadna, nawet najmniejsza, wartość aktywności nie zostanie pominięta, tak jak to ma miejsce w aktografach cyfrowych z komparatorem. Pomiar przy użyciu akcelerometru jest więc znacznie dokładniejszy. Umożliwia także odtworzenie aktywności ruchowej w dowolnym momencie zapisu, co nie jest możliwe w przypadku zliczania licznikowego impulsów stosowanego w aktografach cyfrowych. Ponadto występuje pełna synchronizacja czasowa krzywej aktywności ruchowej z pozostałymi rejestrowanym parametrami, co w przypadku stosowania zewnętrznego aktografu może być trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia. Celem prezentowanej pracy było zbadanie przydatności stosowania akceleratora z czujnikiem piezoelektrycznym do pomiaru aktywności ruchowej w czasie trwania snu człowieka, określenie przydatności czujnika do wykrywania czasu trwania ruchów MT (Movement Time) oraz ewentualnie wspomagania diagnostyki pozostałych stadiów snu, szczególnie różnicowania czuwania i snu. t Materiał i metody Analizowano całonocne przebiegi snu z drugiej nocy dla 32 zdrowych, dorosłych ochotników obojga płci w wieku lat. Średnia wieku wynosiła 22,91 ± 2,07 roku. Badano 22 kobiety w wieku lat (22,95 ± 2,08 roku) i 10 mężczyzn w wieku lat (22,80 ± 2,04 roku). Dane polisomnograficzne rejestrowano i analizowano automatycznie przy użyciu komputerowego systemu Somnoscan Plus z drugiej nocy [14] oraz wizualnie, zgodnie z regułami Rechtschaffen a i Kales a [11]. Stosowano standardowe odprowadzenia polisomnograficzne: EEG 1 (C3-A2), EEG 2 (C3-O1), EOG L, EOG P odprowadzenia dla lewego i prawego oka, oraz EMG z mięśni podbródka. Dwóch badaczy niezależnie klasyfikowało 30-sekundowe składki przebiegu snu. Do dalszej analizy brano jedynie składki zaklasyfikowane do tego samego stadium. Odrzucano także wszystkie te, co do klasyfikacji których były wątpliwości. Pomiarowy czujnik piezoelektryczny do pomiaru napięcia elektrycznego aktywności ruchowej umieszczono w obudowie na pasku, na nadgarstku ręki i podłączono do dodatkowego wejścia EEG poprzez kalibracyjny dzielnik rezystorowy. Wykorzystano czujnik stosowany w aktografach Actiwatch dzięki uprzejmości firmy Cambridge Neurotechnology Ltd. Napisano oprogramowanie do automatycznego obliczania skutecznego napięcia RMS odpowiadającego aktywności ruchowej (Act). Uzyskane dane napięcia RMS aktywności ruchowej dla poszczególnych stadiów snu przeanalizowano statystycznie za pomocą testu t dla średnich [15]. t Wyniki Przeanalizowano składek polisomnogramu. W tabeli 1. podano ich liczbę dla poszczególnych stadiów snu oraz czuwania i zamieszczono wyniki średniej aktywności ruchowej oraz jej odchylenie standardowe dla poszczególnych stadiów snu. Na rycinie 2. pokazano uzyskane wyniki uśrednionego napięcia elektrycznego RMS aktywności ruchowej (Act) dla poszczególnych stadiów snu oraz czuwania. Analiza statystyczna uzyskanych danych (test t dla średnich) [15] ukazuje istotną statystycznie różnicę napięcia aktywności ruchowej, na poziomie istotności p poniżej 0,001, dla stadiów MT, W i S1 w stosunku do wszystkich pozostałych stadiów snu. Dla stadium REM różnica istotna statystycznie (p < 0,001) występuje w stosunku do wszystkich stadiów z wyjątkiem stadium S4. Między stadium S4 i stadiami S2 oraz S3 występuje także istotna statystycznie różnica (p < 0,001). 12

4 Tadeusz Pracki i wsp., Znaczenie pomiaru aktywności ruchowej w badaniach nad snem SEN Tabela 1. Liczba przeanalizowanych składek snu i czuwania oraz napięcie elektryczne RMS odpowiadające aktywności ruchowej dla poszczególnych stadiów Stadia snu MT W REM S1 S2 S3 S4 Liczba składek Napięcie elektryczne RMS [mv] 7,75 3,04 0,82 2,26 0,71 0,72 0,84 Odchylenie standardowe RMS 2,51 3,41 0,80 2,09 0,70 0,59 0,41 występujące szczególnie w czuwaniu (W) oraz w czasie trwania ruchów (MT). Rycina 2. Wartości napięcia elektrycznego RMS odpowiadającego aktywności ruchowej dla poszczególnych stadiów snu oraz czuwania (wartości średnie i odchylenia standardowe). Symbolami (kwadraty i kółka) oznaczono stadia, dla których występują różnice istotne statystycznie na poziomie istotności p < 0,001 Na rycinie 3 przedstawiono przykładowy zapis całonocnego przebiegu snu z drugiej nocy w postaci hipnogramu oraz napięcia RMS odpowiadającego aktywności ruchowej (Act) uśrednionego dla każdej 30-sekundowej składki snu osoby cierpiącej na bezsenność (insomnia). Wyraźnie widać okresy wzmożonej aktywności ruchowej t Wnioski Uzyskane przy użyciu akceleratora piezoelektrycznego wyniki pomiaru napięcia aktywności ruchowej RMS, mają istotne znacznie dla rozróżniania czasu trwania ruchów MT i stadium S1 a pozostałych stadiów. Pomiar taki jest także bardzo pomocny przy rozróżnianiu snu i czuwania, szczególnie u osób z brakiem lub ubogą czynnością a [16, 17], będąc jednocześnie nieocenioną pomocą w diagnostyce momentu zaśnięcia i przebudzenia. Ułatwia także znacząco rozróżnianie podobnych stadiów S1 i REM. Napięcie elektryczne aktywności ruchowej jest także bardzo pomocne w znajdowaniu często poprzedzanych ruchami ciała przejść między stadiami. Stosowanie akceleratora do rozróżniania pozostałych stadiów snu S2, S3, S4, a nawet REM, nie wydaje się natomiast celowe, ze względu na zbliżone wartości aktywności ruchowej dla tych stadiów, mimo występującej istotnej różnicy statystycznej. Ponadto, z założenia, aktywność ruchowa w śnie głębokim (SWS stadia S3 i S4), a także we śnie S2 czy REM jest niska. Wydaje się też istotne, że pomiar napięcia aktywności ruchowej RMS jest bardzo prosty do rejestracji i automatycznej analizy komputerowej [1], a cena akceleratora wielokrotnie niższa od ceny cyfrowego aktografu. Rycina 3. Hipnogram oraz napięcie elektryczne (Act) odpowiadające aktywności ruchowej osoby cierpiącej na bezsenność (Somnoscan Plus [14]) 13

5 SEN 2008, Tom 8, Nr 1 t Streszczenie Znaczenie pomiaru aktywności ruchowej w badaniach nad snem Wstęp. W pracy przedstawiono budowę i działanie aktografu urządzenia służącego do pomiaru aktywności ruchowej. Szczególną uwagę zwrócono na czujnik piezoelektryczny akcelerometr stosowany w aktografach. Przebadano celowość jego wykorzystania w badaniach nad ludzkim snem. Materiał i metody. Przebadano sen nocny 32 zdrowych ochotników obojga płci (22 kobiet oraz 10 mężczyzn) w wieku lat. Średnia wieku wynosiła 22,91 ± 2,07 roku. Dane polisomnograficzne rejestrowano i analizowano automatycznie przy użyciu komputerowego systemu Somnoscan Plus oraz wizualnie, zgodnie z regułami Rechtschaffen a i Kales a, stosując standardowe odprowadzenia polisomnograficzne. Rejestrowano również i analizowano napięcie elektryczne odpowiadające aktywności ruchowej, uzyskiwane z czujnika piezoelektrycznego umieszczonego na nadgarstku ręki. Wyniki. Wyniki analizy napięcia elektrycznego aktywności ruchowej uzyskane z czujnika, dla czasu ruchów (MT), czuwania (W) i stadium S1 w stosunku do wszystkich pozostałych stadiów snu są istotnie różne statystycznie (poziom istotności p < 0,001). Dla fazy snu REM różnica istotna statystycznie (p < 0,001) występuje w stosunku do wszystkich stadiów z wyjątkiem stadium S4. Występuje także istotna różnica (p < 0,001) między stadium S4 i stadiami S2 oraz S3. Wnioski. Pomiar napięcia elektrycznego z czujnika aktywności ruchowej ma istotne znaczenie dla rozróżniania czasu trwania ruchów MT i stadium S1 oraz pozostałych stadiów. Jest także bardzo pomocny przy rozróżnianiu snu i czuwania, szczególnie u osób z brakiem lub ubogą czynnością a, będąc jednocześnie nieocenioną pomocą w diagnostyce momentu zaśnięcia i przebudzenia. Znacząco ułatwia rozróżnianie podobnych stadiów S1 i REM. Pomiar aktywności ruchowej jest także bardzo pomocny w znajdowaniu często poprzedzanych ruchami ciała przejść między stadiami. Sen 2008, 8 (1), Słowa kluczowe: sen, aktografia, akcelerometria, aktywność ruchowa, rytmy okołodobowe t Piśmiennictwo 1. Borbély A.A., Neuhaus H.U., Mattmann P., Waser P.G. Langzeitregistrierung der Bewegungsaktivitat: Anwendungen in Forschung und Klinik. Schweiz. Med. Wschr. 1981; 111: Pracki T., Jurek K., Pracka D. Aktograf rejestrator aktywności ruchowej. Probl. Techn. Med., 1989; 20 (2): Pracki T., Pracka D. Elektroencefalografia cyfrowa. Sen 2004; 4 (2): Cole R.J., Kripke D.F. Progress in Automatic Sleep/Wake Scoring by Wrist Actigraph. Sleep Res.1988; 17: Hasan J., Alihanka J. Construction of REM-NREM Sleep Hypnograms from Body Movement Recordings. Karger, Basel Kripke D.F., Mullaney D.J., Messin S., Wyborney V.G. Wrist actigraphic measures of sleep and rhythms. Electroenceph. Clin. Neurophisiol. 1978; 44: Sadech A., Alster J., Ubrach D., Lavie P. Actigraphically based automatic bedtime sleep-wake scoring: Validity and clinical applications. J. Ambulatory Monitoring 1989; 2: Dąbkowska M., Pracki T., Pracka D. Obiektywna ocena aktywności dzieci z diagnozą ADHD. Pschiatr. Psychol. Klin. 2007; 3: Littner M., Kushida C.A., McDowell Anderson W. i wsp. Standards of Practice Committee of The American Academy of Sleep Medicine. Practice Parameters for the Role of Actigraphy in the Study of Sleep and Circadian Rhythms: An Update for Sleep 2003; 26 (3): Morgenthaler T., Alessi C., Friedman L. i wsp. Practice Parameters for the Use of Actigraphy in the Assessment of Sleep and Sleep Disorders: An Update for Sleep 2007; 30 (4): Rechtschaffen A., Kales A. (red.). A manual of standardized terminology, techniques and scoring system for sleep stages of human subjects. U.S. Government Printing Office 1968; Washington, D.C , DHEW, Publication No. (NIH) Alihanka J. Sleep movements and associated autonomic nervous activities in young male adults. Acta Physiol. Scand (supl. 511): Ozimek E. Podstawy teoretyczne analizy widmowej sygnałów czasowych. Warszawa Poznań, PWN Pracki T., Zając J., Kowalski W. i wsp. Somnoscan system ekspertowy analizy snu. Probl. Techn. Med. 1990; 21 (1): StatSoft Inc. Statistica for Windows (Computer program manual), Tulsa, OK.: StatSoft Inc., Johnson L.C., Lubin A., Naitoh P., Nute C., Austin M. Spectral analysis of the EEG of dominant and non-dominant alpha subjects during waking and sleeping. Electroenceph. Clin. Neurophisiol. 1969; 26: Szelenberger W., Wojdołowicz G. Metody automatycznej analizy snu człowieka. Post. Fiz. Med. 1985; 20: