仪器与方法一种基于心电图的睡眠期间心肺耦合评价技术Robert Joseph Thomas，MD，MMSc1；Joseph E. Mietus，BS2；Chung-Kang Peng，PhD2；Ary L. Goldberger，MD2马萨诸塞州波士顿市Beth Israel Deaconess医疗中心1肺、重症监护与睡眠医学科，2医学部心血管科研究目的：利用单导联心电图信号评价睡眠期间心肺耦合的新自动测定法。设计：利用训练数据集和测试数据集（各包括35个睡眠图），评价基于心电图的心肺交互作用测定法与标准睡眠分期和循环交替模式分类之间的相关性。还评价了15例健康受试者的耦合模式。研究环境：美国睡眠医学学会认可的睡眠障碍中心介入：无测量与结果：从连续单导联心电图提取正常-正常窦性心律间期序列及相应心电图推导的呼吸信号。采用基于傅里叶变换的技术，通过这2种同步信号的相干度与互谱功率之积生成睡眠期间心肺耦合动力学频谱。该技术显示，成人非快速眼动睡眠高频与低频心肺耦合域之间存在自发性突变，这些耦合域具有健康和患病群体的典型心电图、呼吸、心率变异性特征。kappa统计表明，标准睡眠分期差（训练集62.7%，测试集 43.9%）但循环交替模式分期较好（训练集74%，测试集 77.3%）。结论：利用源于单导联心电图的睡眠频谱图动态追踪心肺交互作用。2个不同域（双峰）证明采用可视化循环交替模式和非循环交替模式分期时的关联比采用标准睡眠分期时的关联更紧密。这种技术可以提供一种描述非快速眼动睡眠期常规特性的补充方法。 关键词：循环交替模式，傅里叶分析，心率变异性，非快速眼动睡眠，睡眠呼吸障碍 引文：Thomas RJ; Mietus JE; Peng CK et al. An electrocardiogram-based技术 to assess 心肺耦合 during睡眠.睡眠 2005;28(9): 1151-1161.介绍由于多导睡眠图昂贵、复杂，因此，发展易测定的睡眠质量替代指标具有潜在的重大临床意义。常规睡眠分期分为清醒期、快速眼动（REM）睡眠期、深度逐渐加深（第1-4阶段）的非快速眼动（NREM）睡眠期（该睡眠期约占夜晚平均睡眠时间的80%）1。不过，第3阶段和第4阶段会随着年龄的增长而缩短，成人NREM 睡眠主要是第2阶段，因此，减小常规系统的数值以便精确测定睡眠质量。2 特别是在可以通过心电图（ECG）信号之类的简单便宜的方式测定睡眠质量时，加强睡眠质量定量评定具有重大临床实用性。睡眠深度和类型改变，睡眠深度和类型改变，自主神经系统动力学（心率变异性、呼吸和相关变量）的特征行为随之改变。3，4 睡眠呼吸障碍（SDB）与可预测特征相关，如呼吸周期性循环和心率。5-9 已经提出了大量从体表ECG检出SDB的方法。10-17 不过，这些主要基于心搏（R-R）间期动力学检测的方法会因心率变异性减小而在应用方面受到限制。还可以从体表ECG 提取的与R-R 变异性无关的补充信息，该补充信息是一种替代呼吸信号，称之为心电图推导的呼吸曲线（EDR）。18-19EDR技术基于ECG电极在胸表相对于心脏的移动位置以及肺部充满与排空时的经胸电阻抗变化量观测。因此，导联轴在呼吸周期的不同点会发生改变，并且，足够精确的心电轴中度测量显示与呼吸相关变量。该技术的详细描述及算法源代码，在http：/www.physionet.org/physiotools/edr/上提供。不过，带有典型噪音的长临床记录内的EDR信号很难量化。在初步观察中我们已经发现，我们能够通过把R-R和EDR信息相结合来克服局限并把这些以前的方法扩展到基于ECG 的睡眠期间分析中。从连续单导联ECG中提取与同步心率和呼吸动力学相关信息，并用来生成新的心肺耦合频谱图。披露声明本研究并非业界支持研究。Thomas博士是SomRx的付费顾问，并且获得了SomRx的支持。Mietus博士编写了描述心肺耦合技术的代码。Peng博士与Goldberger博士之间没有经济利益冲突。2004年11月递交， 2005年5月录用出版通信地址：Robert Joseph Thomas, MD, MMSc, CC-866,睡眠 Unit, Beth Israel Deaconess Medical Center, 330 Brookline Avenue, Boston, MA 02215；电话：（617）667-3237；传真：（617）975-5506；E-mail：rthomas1bidmc.harvard.edu本研究的目的是：(1)评价从单导联ECG获得心肺耦合频谱图 ；(2)量化标准睡眠分期和循环交替模式（CAP）高频与低频耦合域之间的关系，即一种睡眠不稳定性测定方法。20,21 在CAP分类中，不稳定睡眠的特征是存在周期性相位脑电图（EEG）复合波（CAP）、唤醒阈低并且SDB之类的周期性行为占主导。稳定睡眠的特征是不存在周期性相位EEG复合波（非CAP）、唤醒阈升高并且周期性行为（如连续流量异常）最少。方法训练数据集和测试数据集利用从SDB患者获得的数据训练本技术，因为这些受试者的稳定和不稳定NREM睡眠期（通常与CAP和非CAP EEG相关）特别明显（图1、2）。然后，我们利用从SDB患者获得的测试数据集评价心肺耦合测定法的准确度。此外，我们还利用标准ECG数据库评价健康成人的心肺耦合状态。使用了下列2种数字数据库：1. 共从美国睡眠医学学会批准的位于Beth Israel Deaconess医疗中心的睡眠障碍中心及其附属实验室的获取了2003年12月至2005年7月期间的70个多导睡眠图。在这段时期内，执行了900次多导睡眠图。按照下列标准选择所要分析的研究：(1)受试者无并存疾病（糖尿病、高血压、心力衰竭、肾衰竭、中风），并且没有使用苯二氮平类神经刺激药物；(2)EEG上无呼吸波动伪影；(3)睡眠期间苏醒时间短（15%总睡眠时间）、波/慢波睡眠时间短（ 15% NREM睡眠时间）。最常见的研究排除原因是使用了神经刺激药物（44%）以及记录中的清醒时间增长（36%）。图1：多导睡眠图显示不稳定睡眠具有反复阻塞性呼吸异常（短箭头）和相位脑电图（EEG）复合波（长箭头）。常规EEG 睡眠分期分为2期，但EEG形态为循环交替模式。顶部的3条曲线为标准中央至头部顶叶和枕叶EEG片段。 EOG指眼动图；EMG指颏下肌电图；Therm指热敏电阻；Nasal P指利用鼻导管压力传感器系统测得的经鼻气流。Thoracic和 Abdom（腹部）记录指利用压带测得的呼吸努力。2垂直线之间的时间间隔= 5 s。EEG、肌电图、眼动图、ECG、体位（直接观察和位置传感器）、指端脉搏血氧测定值、压带测定的呼吸努力、热敏电阻测得的气流和经鼻气压均是标准的。在气压滴定过程中，利用直插式呼吸速度描记器监测气流。训练数据集由35例成人的多导睡眠图组成（男性20例），年龄46 12岁，平均身体质量指数28 4 kg/m2。研究类型分布如下：诊断性研究22项，其中11项无夜间缺氧（定义为氧饱和度保持在90%以上），滴定或诊断+滴定组合研究13项。另一独立的35例成人（男性28例）多导睡眠图用作测试集，平均年龄49 18 岁，平均身体质量指数31 5 kg/m2。研究类型分布如下：诊断性研究25项，其中12项无缺氧（定义如上），正压滴定睡眠研究10项。2. 标准测试集由为独立方案招募的15例受试者组成（男性9例，女性6例，年龄20-41岁）。所有受试者均无疾病、未使用药物、睡眠-苏醒时间规律且不肥胖（身体质量指数 24 2 kg/m2）。本附加测试数据旨在证明心肺耦合状态不受疾病限制，但也是健康人睡眠的一个特征。我们未对标准数据执行可视化CAP分期，也未打算评价“CAP检测器” ，而是对睡眠状态稳定性估计量进行评价。多导睡眠图分期与数据导出手动分期首先利用标准方法识别NREM第1-4阶段、REM睡眠、清醒状态1 。呼吸事件分期规则如下：图2：在不同时间从图1同一受试者获得的多导睡眠图显示了稳定的睡眠行为。常规EEG睡眠分期分为2期，但EEG形态为非循环交替模式（CAP）。请注意，呼吸流量信号显示“平台型”流量限制（箭头）且无任何明显唤醒或离散呼吸事件。顶部的3条曲线为标准中央至头部顶叶和枕叶EEG片段。 EOG指眼动图；EMG指颏下肌电图；Therm指热敏电阻；Nasal P指利用鼻导管压力传感器系统测得的经鼻气流。Thoracic和 Abdom（腹部）记录指利用压带测得的呼吸努力。2垂直线之间的时间间隔= 5 s。单导联ECG信号心搏标记QRS振幅变化测量标准窦性（N-N）间期选择N-N间期测量ECG推导的呼吸（EDR）时序N-N间期时序线性再采样计算2个时序的互谱功率与相干度之积（CPC 法）自动睡眠心理学检测：CAP/ 非CAP；利用不同频带内的CPC比识别睡眠/清醒期图3：心肺耦合测量推导步骤。技术细节见附录。ECG 指心电图；CAP指循环交替模式。(1) 阻塞性呼吸暂停定义为鼻导管内无气流、口腔内热敏电阻信号降至基线10%以下且伴有持续呼吸努力。无呼吸努力迹象时对中枢性呼吸暂停进行划分。(2)通气不足定义为3次或3次以上连续呼吸的经鼻气压信号振幅明显降低，或者呼吸流量曲线扁平且突然恢复成圆/正弦流量曲线或者一次大的恢复呼吸。利用氧减饱和时间是否占4%来评定通气不足。呼吸暂停低通气指数（AHI）-4%（呼吸暂停 + 氧减饱和时间占每小时睡眠4%的通气不足）和AHI-0%（呼吸暂停 + 每小时睡眠中未出现氧减饱和的通气不足）反映是否存在氧减饱和。这种分期捕获了临床实践中的所有可见呼吸异常。AHI-4%是统一的医疗临床标准，而AHI-0%利用的是美国睡眠医学协会的研究建议。27,28 利用多导睡眠监测软件（Sandman, Mallinckrodt, St. Louis, MO）内的相关模块将频率（ 4 Hz）的原始ECG 信号（采样频率为64、85.3或120 Hz）和 EEG（采样频率为120或256 Hz）以ASCII 格式导出。不同附属睡眠实验室的采样率不同。CAP分期这种分类分期法独立于多导睡眠图，它仅基于EEG ，按照CAP Atlas执行。29 CAP标准分期间期为60秒。若要提高状态检测，通过查看30秒间期内的多导睡眠图将分期间期修改为30秒，并将每个间期指定为CAP或非CAP期。如果未明确指定或难以指定，则将间期变更为60秒，以便确定状态。（图4-6将CAP分期与典型睡眠分期结合，以便进行直观比较）图4：1例22岁健康妇女的心肺耦合分析。顶部的4条曲线由上到下依次显示了：30秒间期常规睡眠分期，源于C4-A1 脑电图（EEG）片段（V2/Hz）的逐秒P，基于EEG的手动循环交替模式（CAP）分期，以及用来检测睡眠状态的低频（0.01-0.1 Hz）/高频（0.1-0.4 Hz）相干互谱功率比。底部图片显示了7小时睡眠期内的心肺耦合频谱图，在该频谱图中每个频率的相干互谱功率振幅用峰高来表示。睡眠频谱图揭示了高频和低频耦合状态的同步转变，在频谱图中用2个不同的频谱峰带表示耦合状态。在整个晚上，不断出现与非CAP睡眠相关的P和高频耦合周期增大。W指清醒；R指快速眼动睡眠；C指CAP；NC指非CAP。在整个研究过程始终采用仰卧体位。CAP标准分期准则概要(1) 每个CAP周期由2部分组成：A 相由EEG瞬变组成，B相定义为将2个连续A相分开的/活动间期。每相持续时间的范围为260秒。