導(dǎo)讀

基于電生理信號(hào)(EEG，EOG和EMG)對(duì)睡眠階段進(jìn)行識(shí)別的建議源自Rechtschaffen和Kales手冊(cè)，由美國(guó)睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)于2007年發(fā)布，并定期更新多年。這些建議對(duì)于評(píng)估不同類型的睡眠/覺(jué)醒主觀評(píng)定中的客觀標(biāo)志物非常重要。憑借研究的簡(jiǎn)單、可重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)，尤其是在睡眠醫(yī)學(xué)中，他們描述睡眠的方式總體上變化不大。然而，我們對(duì)睡眠/覺(jué)醒生理學(xué)和睡眠障礙的認(rèn)識(shí)自那時(shí)起在不斷發(fā)展。高密度腦電圖和顱內(nèi)腦電圖研究突顯了睡眠機(jī)制的局部調(diào)節(jié)，在警覺(jué)狀態(tài)下存在時(shí)空異質(zhì)性。對(duì)睡眠障礙的深入了解使得能夠確定與臨床癥狀和結(jié)局更相關(guān)的電生理生物標(biāo)志物，而不僅僅是標(biāo)準(zhǔn)的睡眠參數(shù)。最后，睡眠醫(yī)學(xué)的巨大發(fā)展(需求遠(yuǎn)超供給)，導(dǎo)致了替代研究的發(fā)展，這些研究可以基于少量的電生理信號(hào)及其自動(dòng)分析在家中進(jìn)行。本文旨在考察我們對(duì)睡眠的描述是如何構(gòu)建、發(fā)展的，并且可能隨著睡眠生理學(xué)知識(shí)的進(jìn)步以及技術(shù)記錄和分析工具的發(fā)展而重塑。在闡述了睡眠分期的優(yōu)勢(shì)和局限性之后，本文建議通過(guò)討論睡眠階段識(shí)別所需的生理信號(hào)來(lái)挑戰(zhàn)“EEG-EOG-EMG”范式，概述了新的工具和自動(dòng)分析方法，并提出了開(kāi)發(fā)描述和理解睡眠/覺(jué)醒狀態(tài)新方法的途徑。

從生理學(xué)到睡眠階段--歷史視角

自1929年Hans Berger首次對(duì)人類進(jìn)行EEG記錄以來(lái)，生理學(xué)家和睡眠醫(yī)生識(shí)別與覺(jué)醒-睡眠相關(guān)的EEG變化的方式已經(jīng)發(fā)生了很大變化。直到1968年，人們才根據(jù)科學(xué)團(tuán)隊(duì)和睡眠生理學(xué)的突破(如Dement和Kleitman(1957)以及Jouvet(1959)對(duì)快速眼動(dòng)(REM)睡眠的描述)，使用不同的規(guī)則來(lái)識(shí)別睡眠階段。1968年，由Allan Rechtschaffen和Anthony Kales領(lǐng)導(dǎo)的睡眠研究小組成立，旨在就基于電生理學(xué)記錄對(duì)睡眠分期的方法達(dá)成共識(shí)。當(dāng)時(shí)，睡眠研究主要是關(guān)于健康和年輕受試者的生理學(xué)研究，旨在描述和理解睡眠機(jī)制。Rechtschaffen和Kales(R&K)睡眠分期手冊(cè)被全球睡眠科學(xué)界采用。隨著R&K規(guī)則在臨床領(lǐng)域的應(yīng)用和識(shí)別病理狀況的需求，以及20世紀(jì)90年代腦電圖記錄的數(shù)字化革命，睡眠醫(yī)學(xué)界開(kāi)始要求修訂這些規(guī)則。美國(guó)睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)(AASM)組織了一個(gè)工作組，以調(diào)整原始R&K手冊(cè)的一些標(biāo)準(zhǔn)并定義病理性睡眠事件。睡眠分期的建議于2007年發(fā)布，并在此后不斷更新，特別是考慮到國(guó)際睡眠專家團(tuán)體提出的一些批評(píng)，指出了一些標(biāo)準(zhǔn)的變化存在局限性。與此同時(shí)，對(duì)睡眠生理學(xué)和睡眠障礙的理解也在不斷發(fā)展；雖然在某種程度上受到這些規(guī)則的影響，但這些知識(shí)也顯示了它們?cè)谒邉?dòng)態(tài)特性方面的局限性，睡眠的特征在短于30s的時(shí)間尺度上演變，并且受到睡眠周期、內(nèi)穩(wěn)態(tài)壓力和年齡等各種因素的調(diào)節(jié)。此外，確定病理閾值并將睡眠分期提供的客觀生物標(biāo)志物與睡眠障礙相關(guān)的主觀癥狀相關(guān)聯(lián)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，盡管這對(duì)臨床實(shí)踐至關(guān)重要。因此，盡管AASM的建議仍然是全球睡眠分期的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但科學(xué)界已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)替代方法來(lái)描述睡眠，基于EEG或非EEG傳感器，使用人工智能，并且在某些方面偏離了經(jīng)典的睡眠分期。本文提供了有關(guān)睡眠分期的歷史、生理和技術(shù)概述，討論了知識(shí)進(jìn)展可能帶來(lái)的潛在變化，并考慮了限制此類變化的因素。本文首先介紹了當(dāng)前程序在警覺(jué)狀態(tài)評(píng)分方面的優(yōu)勢(shì)和局限性。接下來(lái)，將討論睡眠分期所需的生理信號(hào)，并概述了新的工具和自動(dòng)分析方法。然后，提出了發(fā)展新方法來(lái)描述和理解睡眠/覺(jué)醒狀態(tài)。本文的目標(biāo)是結(jié)合近年來(lái)生理學(xué)和方法學(xué)研究的進(jìn)展，對(duì)產(chǎn)生當(dāng)前睡眠分期規(guī)則的歷史背景進(jìn)行分析，以期更好地捕捉睡眠/覺(jué)醒生理學(xué)的復(fù)雜性和確定睡眠障礙的生物標(biāo)志物。

睡眠分期的優(yōu)缺點(diǎn)

睡眠分期的現(xiàn)行規(guī)定

根據(jù)AASM的建議，正確識(shí)別清醒、非快速眼動(dòng)(NREM)睡眠、快速眼動(dòng)睡眠和覺(jué)醒需要三種類型的電生理信號(hào)。記錄這些信號(hào)需要至少三個(gè)頭皮EEG電極，兩個(gè)位于眼睛兩側(cè)的眼電圖(EOG)電極和兩個(gè)放置在頦上方和下方的頦肌電圖(EMG)電極，以及位于頦下方的第三個(gè)備用電極。頭皮EEG電極根據(jù)10-20國(guó)際系統(tǒng)放置在額葉(F3和/或F4)、中央(C3和/或C4)和枕葉(O1和/或O2)區(qū)域，并以雙側(cè)乳突電極為參考。也可以使用與參考通道C4-M1相關(guān)聯(lián)的中線雙極通道(Fz-Cz和Cz-Oz)。EOG也以參考蒙太奇進(jìn)行記錄，兩個(gè)EOG電極都參考同側(cè)乳突電極。只有頦EMG通道是雙極通道。電生理記錄以30s為周期。睡眠專家對(duì)每個(gè)記錄時(shí)段進(jìn)行評(píng)分，這些時(shí)段被稱為“臥床時(shí)間(time in bed)”，定義為記錄開(kāi)始(關(guān)燈)至記錄結(jié)束(燈亮)的時(shí)間。睡眠分期的一個(gè)基本原則是，如果一個(gè)時(shí)段超過(guò)50%(15s)具有警覺(jué)狀態(tài)的電生理特征，則認(rèn)為該時(shí)段屬于某種警覺(jué)狀態(tài)。如果一個(gè)時(shí)段有50%由枕區(qū)α活動(dòng)(8-13Hz)組成，或者觀察到與清醒相關(guān)的特定運(yùn)動(dòng)偽跡，如眨眼、與閱讀活動(dòng)相關(guān)的眼動(dòng)或伴隨高肌張力的快速眼動(dòng)，則被認(rèn)定為清醒狀態(tài)。如果一個(gè)時(shí)段至少有50%為4-7Hz的低電壓混合頻率活動(dòng)，取代患者產(chǎn)生α節(jié)律的α活動(dòng)，則該時(shí)段為N1期。這種EEG活動(dòng)可能與N1和N2期出現(xiàn)的緩慢眼動(dòng)和/或頂部尖波有關(guān)。對(duì)于未產(chǎn)生α節(jié)律的人，N1期的第一個(gè)時(shí)段是由于：i）至少有50%的EEG頻率在4-7Hz之間的θ頻段，且背景EEG活動(dòng)比清醒EEG背景活動(dòng)減慢至少1Hz；ii）眼球運(yùn)動(dòng)緩慢；iii）尖波瞬變。通常在N1期之后，N2期的第一個(gè)時(shí)段劃分為該時(shí)段前半期包含K復(fù)合波或睡眠紡錘波的時(shí)段。如果慢波在一個(gè)時(shí)段中出現(xiàn)的時(shí)間超過(guò)20%(6s)，則該時(shí)段被劃分為N3期。慢波定義為頻率在0.5-2Hz之間的波，在額區(qū)測(cè)量的正負(fù)峰-峰區(qū)間的波幅＞75uV，以對(duì)側(cè)乳突電極為參考。最后，如果一個(gè)時(shí)段中有50%以上包含以下所有內(nèi)容，則將其劃分為R階段(REM睡眠)：i）無(wú)睡眠紡錘波和K復(fù)合波的低電壓混合頻率EEG活動(dòng)；ii）頦EMG信號(hào)最小，包括在快速眼動(dòng)期間；iii）該時(shí)段的任何時(shí)刻都存在快速眼動(dòng)。同一睡眠階段的連續(xù)性或兩個(gè)不同階段之間的轉(zhuǎn)換根據(jù)各種規(guī)則來(lái)定義，此處不做詳細(xì)說(shuō)明，這些規(guī)則考慮了覺(jué)醒或主要身體動(dòng)作的影響。

睡眠分期，一種“通用語(yǔ)言”

睡眠分期是基于神經(jīng)生理學(xué)發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的概念，可以追溯到上世紀(jì)上半葉。五十多年來(lái)，世界上所有的睡眠醫(yī)生和研究人員都在使用這種分期，并且定期進(jìn)行更新，最近一次更新是在2023年。然而，它在睡眠醫(yī)學(xué)和其他研究領(lǐng)域的傳播和廣泛應(yīng)用，以及作為“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的地位已經(jīng)超出了最初的目標(biāo)。其成功的原因有很多方面：首先，與其他成像技術(shù)相比，EEG、EOG和EMG信號(hào)(相對(duì))容易獲得；盡管電極的放置仍然很耗時(shí)，但技術(shù)復(fù)雜度相對(duì)較低。其次，PSG記錄準(zhǔn)則的精確性使得全球范圍內(nèi)的實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)化。第三，評(píng)分過(guò)程(相對(duì))簡(jiǎn)單，具有易于參考的規(guī)則，在信號(hào)能夠可視化以及可以通過(guò)用戶友好的軟件標(biāo)記睡眠階段/事件的情況下，無(wú)需復(fù)雜的分析系統(tǒng)。第四，它在診斷睡眠相關(guān)的呼吸障礙、運(yùn)動(dòng)障礙、睡眠異動(dòng)癥和嗜睡癥等睡眠障礙方面具有臨床實(shí)用性，不過(guò)需要注意的是，對(duì)于最常見(jiàn)的睡眠障礙(即失眠癥)，標(biāo)準(zhǔn)多導(dǎo)睡眠圖參數(shù)的效果仍然不太理想，這在一定程度上削弱了其臨床相關(guān)性[Z1]?。第五，美國(guó)睡眠醫(yī)學(xué)會(huì)(AASM)廣為推薦，并將睡眠評(píng)分納入年輕睡眠醫(yī)生和研究人員的培訓(xùn)課程中。最后但同樣重要的是，先前的R&K手冊(cè)和當(dāng)前的AASM建議具有提供共同語(yǔ)言的巨大優(yōu)勢(shì)。睡眠研究人員和睡眠醫(yī)生使用相同的規(guī)則來(lái)進(jìn)行睡眠分期，這有助于構(gòu)建基于人類基礎(chǔ)研究和睡眠障礙研究的全面橋梁。在嚙齒類動(dòng)物的基礎(chǔ)研究中，對(duì)于睡眠分期的定義仍然未達(dá)成共識(shí)，這可能存在誤差源，特別是在轉(zhuǎn)換狀態(tài)下，但也為未來(lái)的研究提供了途徑。在人類的睡眠分期中，參考共同規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)較好的評(píng)分者一致性，從而對(duì)睡眠進(jìn)行準(zhǔn)確描述。在最近的一項(xiàng)元分析中，Lee等人研究了自1968年R&K手冊(cè)出版以來(lái)評(píng)估成人睡眠分期的所有文章。作者最終納入了11項(xiàng)研究，并區(qū)分了整體睡眠分期的Cohen's k值(7項(xiàng)研究)和每個(gè)睡眠分期的Cohen's k值(4項(xiàng)研究)。整體睡眠分期的Cohen's k值為0.76[0.71-0.81]，顯示評(píng)分者之間存在相當(dāng)大的一致性。一個(gè)名為SIESTA數(shù)據(jù)庫(kù)的歐洲項(xiàng)目專門研究了使用R&K規(guī)則和AASM規(guī)則進(jìn)行整體睡眠分期時(shí)的評(píng)分者一致性。作者發(fā)現(xiàn)，與R&K規(guī)則相比，AASM規(guī)則的評(píng)分者一致性較高(Cohen's k值分別為0.68和0.76)，這是因?yàn)锳ASM建議中增加了額外的EEG通道。然而，當(dāng)單獨(dú)考慮每個(gè)睡眠分期時(shí)，評(píng)分者之間的一致性較低。在他們的元分析中，Lee等人發(fā)現(xiàn)W期和R期具有很好的一致性，N2和N3期有中等一致性，而N1期只有一般的一致性。N1期并不是一個(gè)穩(wěn)定的睡眠期，它容易受到清醒和入睡之間的過(guò)渡以及覺(jué)醒的影響。Rosenberg和van Hout也發(fā)現(xiàn)N1期的評(píng)分者一致性最差。他們觀察到在從清醒到N1期以及從N1到N2期之間的過(guò)渡階段，評(píng)分者往往無(wú)法進(jìn)行分期。另外，他們還報(bào)告評(píng)分者難以區(qū)分N2和N3期。這些問(wèn)題凸顯了人工評(píng)分的局限性，它無(wú)法完全消除解讀的主觀性，并且通過(guò)簡(jiǎn)化復(fù)雜現(xiàn)象，無(wú)法捕捉睡眠/清醒狀態(tài)的多個(gè)方面。

睡眠分期在描述生理復(fù)雜性方面的局限性除了基于epoch評(píng)分方法的方法論限制外，睡眠過(guò)渡的評(píng)分困難也可能是由于睡眠生理本身造成的。睡眠分期是基于頭皮EEG記錄的長(zhǎng)距離蒙太奇，它提供了非常全面的大腦活動(dòng)圖像，但無(wú)法記錄到深層結(jié)構(gòu)的腦電活動(dòng)。使用顱內(nèi)EEG記錄來(lái)研究睡眠為睡眠/清醒的轉(zhuǎn)換和不同腦區(qū)內(nèi)睡眠的空間異質(zhì)性提供了寶貴的信息。特別是，立體腦電圖(SEEG)可以記錄深部腦區(qū)域的腦電活動(dòng)。SEEG記錄僅用于藥物難治性局灶性癲癇患者，當(dāng)使用無(wú)創(chuàng)技術(shù)無(wú)法識(shí)別致癇灶時(shí)，它可以作為術(shù)前檢查的一部分。使用SEEG記錄的人類睡眠生理學(xué)研究表明，清醒與睡眠之間的過(guò)渡在大腦內(nèi)是漸進(jìn)且異步的。Sarasso等人表明，在睡眠開(kāi)始時(shí)，海馬區(qū)睡眠紡錘波可以在新皮質(zhì)區(qū)域之前出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)30分鐘，這一結(jié)果目前已得到證實(shí)，并擴(kuò)展到其他睡眠分期的轉(zhuǎn)換過(guò)程中。丘腦和新皮質(zhì)之間也表現(xiàn)出這種時(shí)空分離。除了入睡時(shí)刻外，SEEG研究還顯示了整夜睡眠期間EEG睡眠/清醒模式在不同腦區(qū)之間存在區(qū)域性差異，并且在睡眠-清醒過(guò)渡期間也觀察到這種差異。此外，特定的睡眠振蕩也表現(xiàn)出區(qū)域特異性和差異性。有趣的是，在清醒的動(dòng)物中也檢測(cè)到了局部慢波活動(dòng)，從而引出了“局部睡眠”的概念，這是一種被假設(shè)為導(dǎo)致人類注意力缺失的機(jī)制。除了僅限于藥物難治性局灶性癲癇患者的顱內(nèi)EEG記錄外，具有比AASM建議的腦電蒙太奇更高空間分辨率的非侵入性記錄可能有助于捕捉非癲癇患者睡眠的空間復(fù)雜性。這些類型的記錄通常需要更多的傳感器(例如高密度腦電圖或腦磁圖)，有時(shí)還需要結(jié)合MRI(以及EEG信號(hào)處理方面的專門技術(shù))以提高空間分辨率。使用源定位或聯(lián)合EEG-MEG記錄等技術(shù)研究入睡過(guò)程中發(fā)生的局部和電生理變化，能夠很好地揭示清醒與睡眠過(guò)渡期間出現(xiàn)的區(qū)域性變化。空間分析還可以幫助臨床醫(yī)生更好地解釋多導(dǎo)睡眠圖記錄和分析睡眠障礙。使用高密度腦電圖(hd-EEG)顯示，健康受試者第一晚與第二晚PSG記錄的EEG活動(dòng)存在區(qū)域性差異，這表明第一晚的效應(yīng)也會(huì)影響睡眠期間的腦區(qū)活動(dòng)。研究微睡眠、睡眠慣性、失眠和覺(jué)醒障礙等活躍任務(wù)期間的區(qū)域性分析也從這些基于非侵入性記錄的研究中受益，這些研究為更好地理解睡眠障礙的病理生理學(xué)提供了關(guān)鍵信息。所有這些研究都強(qiáng)調(diào)了腦區(qū)睡眠/清醒狀態(tài)之間的異質(zhì)性，以及睡眠/清醒狀態(tài)之間的高彌漫性(圖1)。

除了頭皮EEG的空間限制之外，現(xiàn)有的睡眠分期規(guī)則在檢測(cè)和量化睡眠微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性方面也存在局限性?；贏ASM從多導(dǎo)睡眠圖報(bào)告中提取的睡眠不穩(wěn)定性標(biāo)記主要包括睡眠分期變化次數(shù)和覺(jué)醒指數(shù)。覺(jué)醒被定義為腦電頻率的突然改變，包括α、θ波和/或高于16Hz的頻率（不包括紡錘波），持續(xù)至少三秒，并在穩(wěn)定睡眠持續(xù)十秒后發(fā)生。然而，使用AASM規(guī)則識(shí)別出的覺(jué)醒并不能完全捕捉睡眠不穩(wěn)定性。Terzano等人(1985)提出了一種新的NREM睡眠不穩(wěn)定性的腦電圖標(biāo)記，即“循環(huán)交替模式”(CAP)。在CAP序列中，腦電活動(dòng)在活動(dòng)階段(相A)和背景活動(dòng)(相B)之間反復(fù)切換。相A分為三個(gè)亞型：A1型，表現(xiàn)為高波幅的慢波，如δ脈沖、K-復(fù)合波序列、頂尖波瞬變、多相脈沖，并且低波幅的快波僅占相A的不到20%；A2型，定義為慢波和快波的混合，低幅快波占相A的20%-50%；A3型，腦電活動(dòng)以低幅的快波為主要節(jié)律，占相A的50%以上。需要注意的是，根據(jù)AASM分類，96%的A3型和62%的A2型與覺(jué)醒相對(duì)應(yīng)。在睡眠或神經(jīng)障礙中研究CAP序列的增加或減少以及階段A的亞型，為這些障礙的睡眠表型帶來(lái)了新的見(jiàn)解。然而，用于描述NREM睡眠的CAP工具仍處于研究階段，并未納入AASM的建議中。

睡眠評(píng)分需要哪些信號(hào)？

基于EEG，EOG和EMG的警覺(jué)狀態(tài)分類

警覺(jué)狀態(tài)之間的波動(dòng)以大多數(shù)身體功能的生理變化為特征，但傳統(tǒng)上對(duì)清醒、NREM睡眠和REM睡眠的分類和識(shí)別僅依賴于三個(gè)參數(shù)：腦電圖(EEG)、眼電圖(EOG)和肌電圖(EMG)。盡管這種分類方法被廣泛使用，但在不同的臨床和研究趨勢(shì)的影響下，這種可能被證明是繁瑣和簡(jiǎn)化的分類正日益受到質(zhì)疑。在睡眠醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著對(duì)失眠、中樞性嗜睡障礙或睡眠呼吸暫停等睡眠障礙的深入了解，人們正在尋找與臨床癥狀、預(yù)后相關(guān)性更好、診斷性能更高的生物標(biāo)志物。在研究方面，越來(lái)越復(fù)雜的信號(hào)分析工具的發(fā)展允許從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中提取更多的信息，而對(duì)警覺(jué)狀態(tài)時(shí)空動(dòng)力學(xué)的理解進(jìn)展也突出了當(dāng)前評(píng)分方法的局限性。這些標(biāo)志物大多依賴于EEG高級(jí)分析，但也有一些關(guān)注其他信號(hào)，如心率變異性、血氧飽和度或呼吸信號(hào)。

因此，擺脫“EEG/EOG/EMG”范式的問(wèn)題出現(xiàn)了，并提出了不同的問(wèn)題：1）在進(jìn)行睡眠分期時(shí)，我們是否需要所有三個(gè)參數(shù)(EEG/EOG/EMG)，而探索反映了調(diào)節(jié)警覺(jué)狀態(tài)和控制大多數(shù)生理參數(shù)的EEG活動(dòng)是否已經(jīng)足夠？2）如果僅利用EEG進(jìn)行睡眠分期，那么需要多少個(gè)通道以及哪些通道？3）我們是否真的需要腦電圖，或者是否可以考慮使用其他易于獲得或提供有關(guān)睡眠補(bǔ)充信息的生理信號(hào)？

基于EEG的警覺(jué)狀態(tài)分類

眾所周知，腦電圖所包含的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了評(píng)分規(guī)則中使用的信息。然而，對(duì)這些信息的利用取決于評(píng)分者和記錄特性(包括蒙太奇、采樣率和濾波器的設(shè)置)。評(píng)分規(guī)則是針對(duì)電極數(shù)量較少(F4-M1、C4-M1、O2-M1)的特定蒙太奇設(shè)計(jì)的，并且某些特征的優(yōu)先地形和特定振幅(例如慢波的75μV峰-峰振幅)在很大程度上取決于這種蒙太奇(圖2)。在實(shí)踐中，使用多種EEG蒙太奇，如果最終評(píng)分結(jié)果不受AASM EEG蒙太奇的顯著影響，那么可用電極數(shù)量越多，評(píng)分者之間的一致性越好，并且可能會(huì)導(dǎo)致睡眠分期和覺(jué)醒檢測(cè)的變化。

對(duì)于僅僅依靠EEG而不使用EOG或EMG來(lái)進(jìn)行睡眠分期的問(wèn)題，不僅從生理和技術(shù)角度來(lái)看(EEG信號(hào)是否包含足夠的信息來(lái)區(qū)分警覺(jué)狀態(tài)，我們是否能夠提取和解讀這些信息？)很重要，而且從實(shí)踐的角度來(lái)看也很重要，特別是在長(zhǎng)期VideoEEG監(jiān)測(cè)的背景下，以及可穿戴家用設(shè)備的開(kāi)發(fā)。從EEG信號(hào)中提取的信息還可以獲得有關(guān)睡眠結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息，目前大多數(shù)睡眠分析軟件所實(shí)現(xiàn)的時(shí)頻分析僅基于EEG信息，通過(guò)EEG頻率、EEG功率和時(shí)間的三維函數(shù)來(lái)識(shí)別整晚睡眠過(guò)程中EEG的動(dòng)態(tài)變化(圖3)。

癲癇學(xué)家在EEG方面具有豐富的專業(yè)知識(shí)，并且癲癇相關(guān)研究表明，基于27導(dǎo)視頻EEG評(píng)分與基于多導(dǎo)睡眠圖(PSG)評(píng)分的一致性達(dá)到了95%，即使在異常EEG患者中也具有較高的一致性。有趣的是，盡管沒(méi)有使用EOG和EMG，但覺(jué)醒(0.89)和REM(0.96)的Cohen's k值都非常高。值得注意的是，EEG信號(hào)不僅與大腦活動(dòng)相對(duì)應(yīng)，而且它會(huì)受到其他電信號(hào)(無(wú)論是生理的還是非生理的)的干擾。偽跡(例如眼動(dòng)和肌肉活動(dòng))是一種有用的線索，當(dāng)EEG通道數(shù)較多時(shí)，更容易記錄到這些偽跡。

出于成本/效益等原因，已有許多研究致力于開(kāi)發(fā)基于EEG(多通道或單通道)的自動(dòng)睡眠分期方法(基于特征的淺層學(xué)習(xí)或深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))。總體而言，與基于EEG/EOG/EMG的專家評(píng)分方法相比，單通道EEG自動(dòng)分期的性能略低于多通道EEG或多信號(hào)的方法，尤其是在REM睡眠階段。然而，在健康成人中進(jìn)行的驗(yàn)證研究顯示了良好的性能，Cohen's k值平均為0.8。一些研究也證明了睡眠障礙患者中視覺(jué)分期的一致性。結(jié)果似乎受到EEG通道選擇的影響(前額導(dǎo)聯(lián)的性能更好)，但也有人提出了新的EEG訪問(wèn)方法來(lái)進(jìn)行研究，如耳腦電圖(Ear-EEG)。這些研究表明，由于傳感器數(shù)量的減少而導(dǎo)致的信息丟失可以通過(guò)更好地利用現(xiàn)有信號(hào)中的數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)償。這可能有助于開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單、便攜和常規(guī)使用的睡眠檢測(cè)設(shè)備。這也表明了對(duì)其他生理信號(hào)的高級(jí)分析可以作為識(shí)別警覺(jué)狀態(tài)的一種方法。

使用EEG以外的其他電生理信號(hào)對(duì)警覺(jué)狀態(tài)進(jìn)行分類

EEG是睡眠分期的黃金標(biāo)準(zhǔn)嗎？雖然使用EEG來(lái)研究睡眠似乎是了解睡眠的最合適方法，但應(yīng)記住，頭皮EEG提供的信息僅限于淺表背外側(cè)皮層，而忽略了那些睡眠不僅非常不同而且是異步的區(qū)域(如海馬體或枕葉皮層)。此外，許多其他生理功能和參數(shù)也會(huì)隨著警覺(jué)狀態(tài)的不同而波動(dòng)，甚至超出了大腦的范圍。這些限制一方面可以解釋睡眠或癥狀的主觀相關(guān)因素與睡眠障礙預(yù)后之間的差異，另一方面可以解釋客觀睡眠參數(shù)之間的差異，從而削弱了EEG的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并為其他方法留出了空間。因此，在過(guò)去20年中，開(kāi)發(fā)自動(dòng)睡眠分期的倡議取得巨大的發(fā)展，從而產(chǎn)生了關(guān)于記錄信號(hào)類型和分析信號(hào)方法的各種方法。其中，基于EOG的睡眠分期在4-6個(gè)階段的分類中取得了接近EEG的性能，這可能是因?yàn)镋OG信號(hào)不僅包含了眼動(dòng)的信息，還包含了來(lái)自EEG的信息。最近，使用體動(dòng)監(jiān)測(cè)、心率變異性和加速特性或外周動(dòng)脈張力的方法報(bào)道了對(duì)睡眠分期(4或5個(gè)類別)的良好結(jié)果，但需要注意的是，當(dāng)單獨(dú)使用體動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，其對(duì)判別淺NREM睡眠的性能較差。一些研究者提出單獨(dú)使用呼吸運(yùn)動(dòng)或與運(yùn)動(dòng)信號(hào)相結(jié)合來(lái)進(jìn)行睡眠階段(清醒/NREM/REM)的分類，甚至最初旨在檢測(cè)呼吸暫停的睡眠下頜運(yùn)動(dòng)也在睡眠分期(4類)中顯示出良好的性能。通過(guò)非接觸式麥克風(fēng)記錄的睡眠聲音(與呼吸、運(yùn)動(dòng)等相關(guān))，以及使用非接觸式生物運(yùn)動(dòng)傳感器記錄的運(yùn)動(dòng)(身體運(yùn)動(dòng)、呼吸幅度和頻率等)，也可以用于睡眠階段(2-4類)分期。這種方法可以在不使用接觸傳感器的情況下監(jiān)測(cè)睡眠，并且對(duì)睡眠的干擾較小。

這些方法雖然簡(jiǎn)單易用且性能較好，但也存在一定的局限性。首先，大多數(shù)方法只能區(qū)分清醒和睡眠狀態(tài)，或者清醒、NREM和REM睡眠狀態(tài)，其中一些方法還能診斷阻塞性睡眠呼吸暫停等睡眠障礙，但不能對(duì)睡眠階段進(jìn)行精確分類，更不用說(shuō)對(duì)睡眠微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析了。其次，大多數(shù)工具都在特定的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行測(cè)試，如果在其他數(shù)據(jù)集上使用，其性能可能會(huì)下降。第三，開(kāi)發(fā)這些方法的目的之一是用于臨床實(shí)踐，這意味著它們必須在各種睡眠障礙和包括兒童在內(nèi)的人群中得到驗(yàn)證，而大多數(shù)方法只在健康成人或阻塞性睡眠呼吸暫停中進(jìn)行了研究。最后，在實(shí)踐中，即使是在醫(yī)院里由技術(shù)人員監(jiān)控記錄，在夜間的部分時(shí)間丟失一個(gè)信號(hào)也并不罕見(jiàn)。備用的其他傳感器可以彌補(bǔ)這些技術(shù)故障。因此在實(shí)踐中，使用沒(méi)有備份的單一信號(hào)可能會(huì)限制相關(guān)性。

跳出R&K和AASM規(guī)則的思考

AASM規(guī)則對(duì)警覺(jué)狀態(tài)動(dòng)態(tài)的簡(jiǎn)化試圖分割連續(xù)的生理過(guò)程，在描述病理?xiàng)l件時(shí)必然面臨許多限制。無(wú)論采用哪種方法(人工評(píng)分或自動(dòng)評(píng)分)，或使用何種生理信號(hào)，將睡眠描述局限于這種嚴(yán)格的框架中都存在明顯的陷阱。因此，挑戰(zhàn)“30s睡眠階段”的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分方案可能是有意義的。信號(hào)記錄和分析技術(shù)的巨大發(fā)展，包括對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析的能力，可能是回歸數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的機(jī)會(huì)。這可能有助于更好地量化睡眠或覺(jué)醒不穩(wěn)定，以及過(guò)渡狀態(tài)，這些狀態(tài)可能是睡眠和神經(jīng)系統(tǒng)疾病中感興趣的狀態(tài)。這將從評(píng)分算法中消除必須復(fù)制人類“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的荒謬性，這種標(biāo)準(zhǔn)必然是不完美的，并且其本身偏離了為了適應(yīng)生理變化而刻意簡(jiǎn)化的規(guī)則。

結(jié)論

多導(dǎo)睡眠圖仍然是睡眠研究和醫(yī)學(xué)的基石，即使替代性的方法層出不窮，無(wú)論是使用其他信號(hào)來(lái)匹配經(jīng)典的睡眠階段，還是使用睡眠階段以外的其他維度來(lái)描述警覺(jué)狀態(tài)，這些新方法都是基于我們對(duì)睡眠調(diào)節(jié)機(jī)制的最新研究進(jìn)展，以及數(shù)據(jù)處理和分析的進(jìn)步。它們反過(guò)來(lái)又有助于我們對(duì)睡眠生理學(xué)和病理生理學(xué)的理解。然而，迄今為止，絕大多數(shù)新方法仍通過(guò)多導(dǎo)睡眠圖進(jìn)行測(cè)試/驗(yàn)證。經(jīng)典的多導(dǎo)睡眠圖真的是描述和研究睡眠的必經(jīng)之路嗎？無(wú)論如何，電生理信號(hào)的使用似乎仍將是睡眠評(píng)估的核心部分。睡眠研究和醫(yī)學(xué)的一個(gè)特殊性在于其技術(shù)層面，即尋求有形的客觀因素來(lái)反對(duì)、比較或關(guān)聯(lián)與睡眠相關(guān)的巨大現(xiàn)象學(xué)變化。因此，很難預(yù)測(cè)許多現(xiàn)有的新技術(shù)工具將如何整合到醫(yī)學(xué)和其他研究領(lǐng)域中，以及除了提供關(guān)于睡眠的其他方面信息之外，它們是否以及如何彌合驗(yàn)證研究和大規(guī)模傳播之間的差距。

參考文獻(xiàn)：Lambert I, Peter-Derex L. Spotlight on Sleep Stage Classification Based on EEG. Nat Sci Sleep. 2023 Jun 29;15:479-490. doi: 10.2147/NSS.S401270.

小伙伴們關(guān)注茗創(chuàng)科技，將第一時(shí)間收到精彩內(nèi)容推送哦～