Znaczenie pomiaru aktywności ruchowej w badaniach

PRACA ORYGINALNA
Znaczenie pomiaru aktywności ruchowej
w badaniach nad snem
Significance of motor activity measurement in sleep researches
Tadeusz Pracki1, Daria Pracka1, Marzena Ziółkowska-Kochan2, Małgorzata Tafil-Klawe1,
Anna Szota3, Małgorzata Dąbkowska3
1Katedra
Fizjologii Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu
i Zakład Neurofizjologii Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika
w Toruniu
3Katedra i Klinika Psychiatrii, Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika
w Toruniu
2Katedra
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 19–26 underwent night sleep monitoring. The average (mean ± SD) age of patients
was 22.91 ± 2.07.
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), 10–14
Key words: sleep, actigraphy, accelerometry, motor activity, circadian rhytms
Praca została częściowo sfinansowana przez Uniwersytet Mikołaja Kopernika
w Toruniu w ramach grantu nr 2 Rektora UMK
10
Adres do korespondencji:
dr mgr inż. Tadeusz Pracki
Katedra Fizjologii
Collegium Medicum
im. Ludwika Rydygiera
ul. Karłowicza 24, 85–809 Bydgoszcz
tel. kom.: 602 841 889
tel.: +48 52 585 37 20
faks: +48 52 585 37 23
e-mail: [email protected]
www.sen.bydgoszcz.pl
ISSN 1641–6007
Sen 2008, Tom 8, Nr 1, 10–14
Copyright © 2008 Via Medica
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 elek-
trycznego. 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-
www.sen.viamedica.pl
11
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)
12
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 19–26 lat. Średnia wieku wynosiła 22,91 ± 2,07
roku. Badano 22 kobiety w wieku 19–26 lat (22,95 ± 2,08
roku) i 10 mężczyzn w wieku 19–25 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: EEG1
(C3-A2), EEG2 (C3-O1), EOGL, EOGP — 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 29 768 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).
www.sen.viamedica.pl
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
675
1907
Napięcie elektryczne RMS [m
m V]
7,75
3,04
6306
687
14701
3772
1720
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).
t Wnioski
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
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])
www.sen.viamedica.pl
13
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
19–26 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), 10–14
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: 730–735.
2. Pracki T., Jurek K., Pracka D. Aktograf — rejestrator aktywności
ruchowej. Probl. Techn. Med., 1989; 20 (2): 93–98.
3. Pracki T., Pracka D. Elektroencefalografia cyfrowa. Sen 2004;
4 (2): 71–77.
4. Cole R.J., Kripke D.F. Progress in Automatic Sleep/Wake Scoring
by Wrist Actigraph. Sleep Res.1988; 17: 331.
5. Hasan J., Alihanka J. Construction of REM-NREM Sleep Hypnograms
from Body Movement Recordings. Karger, Basel 1981.
6. Kripke D.F., Mullaney D.J., Messin S., Wyborney V.G. Wrist
actigraphic measures of sleep and rhythms. Electroenceph. Clin.
Neurophisiol. 1978; 44: 674–676.
7. Sadech A., Alster J., Ubrach D., Lavie P. Actigraphically based
automatic bedtime sleep-wake scoring: Validity and clinical applications. J. Ambulatory Monitoring 1989; 2: 209–216.
8. Dąbkowska M., Pracki T., Pracka D. Obiektywna ocena aktywności dzieci z diagnozą ADHD. Pschiatr. Psychol. Klin. 2007; 3: 144–
–153.
9. 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
14
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Study of Sleep and Circadian Rhythms: An Update for 2002. Sleep 2003; 26 (3): 337–341.
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 2007. Sleep 2007; 30 (4): 519–529.
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. 20014, DHEW, Publication No. (NIH) 204.
Alihanka J. Sleep movements and associated autonomic nervous
activities in young male adults. Acta Physiol. Scand. 1982 (supl.
511): 1–85.
Ozimek E. Podstawy teoretyczne analizy widmowej sygnałów czasowych. Warszawa–Poznań, PWN 1985.
Pracki T., Zając J., Kowalski W. i wsp. Somnoscan — system ekspertowy analizy snu. Probl. Techn. Med. 1990; 21 (1): 8–50.
StatSoft Inc. Statistica for Windows (Computer program manual),
Tulsa, OK.: StatSoft Inc., 1997.
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: 361–370.
Szelenberger W., Wojdołowicz G. Metody automatycznej analizy
snu człowieka. Post. Fiz. Med. 1985; 20: 219–224.
www.sen.viamedica.pl