ČESKÉ VYSOKÉ UČE Í TECH ICKÉ Fakulta elektrotechnická katedra kybernetiky
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2006
Karel Mucha
1
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA KYBERNETIKY
Analýza spánku z EKG pomocí DFA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Vedoucí práce: Ing. Daniel Novák PhD. Student: Mucha Karel
červen 2006
2
Anotace Bakalářská práce slouží jako úvod do problematiky kvality spánku. Popisuje průběh spánku, spánkové mechanizmy a funkce spánku. Dále popisuje choroby a poruchy související se spánkem. Seznamuje s metodou „Detrended Fluctuation Analysis“ (DFA). Cílem této práce je vytvoření metody pro detekci spánkových stavů z EKG pomocí DFA. Nakonec je algoritmus DFA porovnán s některými metodami v časové a frekvenční oblasti. Práce je výjimečná tím, že se v ní pracuje se skutečnými daty získanými ze spánkové laboratoře. V budoucnosti by mohli mít výsledky reálné uplatnění v medicíně.
Annotation The bachelor work is an introduction into a sleeping quality problems. It describes sleeping process, mechanisms and functions of the sleep. The work inform us about diseases and disorders related to the sleep and a method called Detrended Fluctuation Analysis(DFA). To make a technique for a detection of sleep Stages from ECG with the aid of DFA is an object of this labour. An algorythm of DFA is compared to another methods in a time and frequence area in the end of the work. Working with real data taken from a sleep laboratory makes this labour especial. The outcomes could be of use in the future medicine.
3
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem svou diplomovou ( bakalářskou) práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu.
V Praze dne ……………………….
……………………………………. podpis podpis studenta
4
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval všem, kteří mi umožnili vytvořit tuto práci. Zejména pak svému vedoucím práce panu Ing. Danielu Novákovi PhD. Za rady a připomínky týkající se mé práce.
5
Obsah : 1. Úvod………………………………………………………………………………………7 1.1 Úvod do problematiky……………………………………………………………...7 1.2 Cíl bakalářské práce………………………………………………………………...7
2. Lidský spánek………………………………………………………………………… 8 2.1 Úvod do Historie…………………………………………………………………… 8 2.2 Spánkové stavy a Pravidla Rechtschaffena a Kalese………………………… 9 2.3 Cyklické střídání vzoru……………………………………………………………. 12 2.4 Fyziologie spánku………………………………………………………………….. 13 2.5 Funkce spánku……………………………………………………………………… 15 2.6 Experimenty………………………………………………………………………… 16 2.7 Modely spánkové regulace……………………………………………………….. 17
3. Poruchy spánku………………………………………………………………………. 18 3.1 Základní pojmy……………………………………………………………………... 18 3.2 Anamnéza pro zjištění příčin poruchy spánku………………………………… 19 3.3 Dyssomnie……………………………………………………………………………20 3.3.1 Insomnie…………………………………………………………………………. 20 3.3.2 poruchy s nadměrnou ospalostí během dne…………………………………... 22 3.3.3 Syndrom nepokojných nohou a porucha s periodickým pohybem končetin. 25 3.3.4 Poruchy denního rytmu………………………………………………………… 26 3.3.5 Poruchy vyvolané působením toxinů, léků nebo drog………………………. 26
3.4 Parasomnie…………………………………………………………………………... 27 3.4.1 Noční děsy a náměsíčnost……………………………………………………… 27 3.4.2 Ostatní parasomnie………………………………………………………………28
4. DFA Analýza…………………………………………………………………………. 30 4.1 Úvod DFA…………………………………………………………………………… 30 4.2 Opravné exponenty………………………………………………………………… 31 4.3 Detrendovaná analýza fluktuace………………………………………………… 32 5. Aplikace DFA a porovnání výsledků…………………………………………….. 33
6. Závěr……………………………………………………………………………………...45 7. Literatura…………………………………………………………………………….…. 46 8.Přílohy…………………………………………………………………………………….48 A.1 Zdravotní anamnéza………………………………………………………………. 48 A.2 Rodinná anamnéza………………………………………………………………… 50 A.3 Sociální anamnéza………………………………………………………………… 50 A.4 Přehled systémů……………………………………………………………………. 51 A.5 Fyzické vyšetření…………………………………………………………………...52 A.6 Diagnostické testy………………………………………………………………… 54 B Další časové a frekvenční parametry……………………………………………... 56 6
1.Úvod 1.1 Úvod do problematiky Medicína spánku je relativně mladá specializace ale neustále roste počet jejích pacientů, lékařů i spánkových center. Počet rozpoznaných poruch spánku a velký výskyt těchto poruch v celé populaci svědčí o tom, že správná diagnóza a pomoc pacientům, kteří mají problémy se spánkem, není ani zdaleka triviální záležitostí. Přestože pacient, který udává problémy se spánkem, často znamená diagnostický problém, úspěšné vyšetření a zvládnutí poruchy spánku, z nichž většina je úspěšně léčitelná, má většinou za následek dramatické zlepšení kvality pacientova života.
Vývoj metod zkoumání spánku a je relativně mladá záležitost. Zatím není spánkových center příliš mnoho. Pro pacienta je také nepříjemné že musí trávit při vyšetření hodně času v nemocnici. Což je také poměrně nákladná záležitost. Proto se vyvíjí levnější metody pro určování spánkových stavů a chorob. Například detekce pouze ze signálu EKG což je cíl této práce. Zajištění signálu EKG není příliš nákladné a pacient může být při záznamu doma.
1.2 Cíl bakalářské práce Cílem této práce je seznámení se s problematikou kvality spánku, s vývojem metod zkoumajících spánek. Měli by jsme se seznámit s rozdělováním spánkových stavů. Se spánkem dále souvisí velké množství spánkových chorob, které se týkají značného procenta dnešní populace. Dále bychom se měli seznámit s metodou DFA(Detrended Fluctuation Analysis). Cílem práce je návrh metody pro detekci spánkových stavů za EKG za použití DFA.
7
2. Lidský spánek 2.1 Úvod do Historie Začátek moderního spánkového výzkumu sahá do do třicátých let 20. století a je těsně spojený s vynálezem EEG. V roce 1937 byl Loomis první kdo sledovat že spánek není stejnorodý stav během celé noci a popsal různé stupně spánku založeného na EEG [1]. V roce 1953, Aserinsky a Kleitman určili zvláštní stav spánku - rapid eye movment (REM) spánek, během kterého se vyskytují rychlé, binokulární souměrné oční pohyby , EEG vzor je podobný jako ten pozorovaný během bdělosti a obě dýchací a srdeční aktivity jsou zvýšené na rozdíl od dalších stupňů spánku. Výsledkem jejich experimentů byl vztah mezi REM spánkem a sněním:většina lidí probuzených z REM spánku ohlásila sny, zatímco lidi probuzení během REM spánku si na sny nemohli vzpomenout [2].Z nočního nahrávání EEG a elektrookulogramu (EOG), Kleitman a Dement specifikovali cyklický vzor REM -nonREM spánku. Jeden cyklus REM-nonREM vydrží asi 900100 minut a během noci se vyskytuje 4-5 cyklů. Aserinsky a Kleitman také dělil nonREM spánek do čtyř stupňů: od 1 do 4, nejlehčí spánek je 1 stupeň a nejhlubší 4 stupeň.
Obrázek 1: Umístění elektrod polysomnografického měření
8
2.2 Spánkové stavy a Pravidla Rechtschaffena a Kalese Hlavní stavy jsou probouzení(W), REM spánek a nonREM spánek. NonREM spánek se dále dělí do čtyř stavů, od nejlehčího stavu 1 do nejhlubšího stavu 4. Stav 3 a 4 jsou označovány jako spánek pomalých vln (SWS). Četnost spánkových stavů se mění během noci - v prvních hodinách spánku převládá SWS, zatímco REM spánek nastane častěji v druhé části spánku. Podíl REM spánku během noci se mění s věkem - u novorozenců REM spánek trvá 50%, v dospělosti 20%.
Základní metoda klinického spánkového výzkumu u lidí je polysomnografie. Skládá se z měření electroencephalogramu (EEG), electrooculogramu (EOG) a electromyogramu (EMG), je vidět na Obr.1. Eelektroencephalografie je základní metoda pro správné rozlišování spánku. Pracuje na principu snímání elektrické aktivity kůry mozkové. Kvalita EEG nahrávání závisí na technických parametrech [3].
Spánkové stavy jsou označovány podle "A Manual of Standardized Terminology, Techniques and Scoring System for Sleep Stages of Human Subject", který byl vypracovaný v roce 1968 výborem kterému předsedali A.Rechtschaffen a A.Kales [4]. Účel této směrnice a standardních kritériích byla zvětšit srovnatelnost a replikovatelnost výsledků vyplývajících z různých laboratoří. Tento manuál zahrnoval parametry, techniky a vlnové vzory polysomnografických nahrávek. Byl zaznamenán jeden kanál EEG, dva kanály EOG a jeden kanál EMG. Derivace EEG C4/A1 nebo C3/A2 jsou poskytovány od 10 - 20 elektrodového systému (Obr.2). Potenciály očního pohybu jsou měřeny z 1 cm nad a mírně na stranu od očního koutku jednoho oka a 1 cm dole a mírně do strany u druhého oka. Referenční elektrody pro oboje oči jsou umístěny na stejném ušním lalůčku. EMG je zaznamenáváno pod bradou. Umístění elektrod z polysomnographického nahrávání je nakreslené na Obr.1. Stavy jsou měřeny po 20-30 s intervalech.
Waking(stav W) Charakteristické je nízké napětí(10- 30uV) a různé frekvence EEG během doby kdy nespíme(Obr.3). Možné rysy jsou alfa aktivita v EEG a relativně vysoké EMG.
9
Pohyblivá doba Jestli ve více než polovině úseku EEG, EMG nebo svalová aktivita nejasná, období neodpovídá ani spánkem ani probouzení, označí se za pohyblivou dobu. Není to stejné jako diskrétní tělesné pohyby, které můžou být kratičké. Tělesné pohyby mohou být část spánkového stupně nebo pohyblivé doby.
Obrázek 2: 10 – 20 elektrodový systém pro měření EEG
Stav 1 Stav 1 je charakterizovaný malým napětím, směsí frekvencí EEG s největší amplitudou ve rozsahu 2 - 7 Hz. Můžou se vyskytovat vrcholy ostrých vln; jejich rozkmit může dosáhnout hodnoty asi 200uV. Ve stavu 1 po bdělosti mohou být oční pohyby současné. EMG úroveň je menší než v bdělosti. Stav 1 je také období které je charakterizované aktivitou alfa v kombinaci se smíšenou frekvencí EEG a množství alfy aktivity je menší než 50% období.
Stav 2 Stav 2 je charakterizován vlnovými vzory spánkových vřeten ,K komplexů a nepřítomnosti pomalých vln (Obr.3). K komplex je ostrá záporná vlna následovaná pomalejší pozitivní vlnou. Spánková vřetena se vyskytují v rozsahu mezi 12- 14 Hz. Trvání těchto vzorů by mělo být 10
minimálně 0.5 s. Jestli čas mezi dvěma následujícími výskyty spánkových vřeten nebo K komplexů je menší než 3 min, je tento interval je označený jak stav 2, jestliže ne - existují pohybová vzrušení nebo zvětšený napěťové aktivita. Časový interval je větší než 3 min, je označený jako stav 1.
Stav 3 20%-50% období EEG záznamu by mělo obsahovat vlny s 2 Hz nebo pomalejší a s rozkmity nad 75uV (Obr.3).Během stavu 3 se vyskytují Spánková vřetena a K komplexi.
Stav 4 Stav 4 má stejné atributy jako stav 3, ale vlny s 2 Hz a pomalejší s rozkmity většími než 75 uV se objevují více než na 50% doby.
Stav REM Stav REM ukazuje nízké napětí a smíšenou frekvenci (podobné stupni 1) z EEG, vlnový vzor(Obr. 3). EMG dosahuje nejnižší úrovně a vyskytují se epizodické rychlé oční pohyby (REMs).
Obrázek 3: Vlnové vzory rozdílných spánkových stavů
11
Existují případy kdy žádná pohybová vzrušení nejsou přítomna, EEG vykazuje relativně nízké napětí a smíšené frekvence, a spánková vřetena(K komplexi) charakteristické pro stupeň 2 se prostřídávají s typickými rysy ze stavu REM( REMs, nejnižší úroveň EMG). Pak se používají tyto pravidla:
1) Stav REM: EMG je v nejnižším stupni nebo se vyskytují rychlé pohyby očí 2) Stav 2: interval mezi dvěma spánkovými vřeteny nebo K komplexi je menší než 3 minuty. Pravidla Recgtschaffena a Kalese byla užívaná více než 35 let, ale mají nedostatky a nevýhody [5]: - Ignorují události kratší než 30 sekund. Jestliže interval obsahuje znaky více nevýrazných stavů, je označen stav jehož rysy mají nejdelší trvání. -Jsou určeny pro zdravé dospělé lidi a z toho důvodu, není možné posuzovat atypické vzory v případě nemocných lidí nebo dětí. - Některé vlnové vzory (spánková vřetena, K komplexy) nejsou dobře definovány, zvláště s ohledem na automatizované určení spánkových stavů.
2.3 Cyklické střídání vzoru Střídání výše uvedených definovaných spánkových stavů reprezentuje makro-dynamiku mozku. Konkrétně u spánkového stavu úroveň probuzení se předpokládá že je stabilní . Různý přístup dává představu cyklického střídavého vzoru(CAP). CAP je " periodická EEG aktivita nonREM spánku, je charakterizována sekvencemi z přechodných elektro-kortikálních událostí které jsou odlišné od pozadí EEG aktivity a vrací se v až po 1 min. intervalech" [6]. CAP je funkční spojení s fluktuací po probuzení. CAP sekvence se vyskytují ve všech stavech 1, 2, 3 a 4 ale přednostně po 4 spánkovém stavu, po probuzení se během spánku a před přechodem z nonREM do REM spánku. V normálním REM spánku se CAP nevyskytuje. Poměr času (CAP)/doba(NREM) u mladých dospělých je asi 23% a zvyšuje se s věkem.
12
Obrázek 4: Cyklické vzory ve spánkovém stavu 2. A-fáze A, b-fáze B
CAP je složený ze dvou fází - fáze A a fáze B (Obr.4). Přinejmenším dva CAP cykly se musí vyskytovat po sobě abychom je mohli považovat za CAP sekvence. Fáze A představuje události vycházející z rytmu v pozadí - náhlé změny ve frekvenci nebo amplitudě. Fáze B je intervalem ležícím mezi fázemi A. Podle Americké Asociace Spánkových Poruch CAP,sekvence a mikro probouzení mohou signalizovat nestabilitu nebo poruchy spánku se škodlivým efektem na spánek. Halász, Terzano představili protichůdnou představu [7]: sekvence mikro probuzení a CAP jsou přirozené části spánkové struktury. Fyziologická funkce CAP by mohlo být ochranná vratnost spánku a také spojení mezi spícím mozkem a jeho okolím pro přizpůsobení se k potenciálním změnám a nebezpečím.
2.4 Fyziologie spánku Cyklus spánu a bdělosti je regulovaný více podpůrnými systémy, které jsou rozšířeny všude v mozku. Spánek začíná aktivací preoptické oblasti předního hypotalamu. Spánek podporující neurony vedou signály do bdělost podporujících center a za pomoci neurotransmiteru kyseliny γ13
aminomáselnoé(GABA) je tlumí. Inhibice bdělost podporujících neuronů funguje na základě aktivace spánek podporujících neuronů, důsledkem čehož je intenzifikace spánkového procesu [8].
Obrázek 5: Spánková a budící centra
REM spánek je regulován převážně mozkovým kmenem. Dvě nejdůležitější jsou laterodorsální (LTD) a peduukulopountní (PPT) tegmentální jádra.LTD a PPT vysílají neurony do thalamu, bazálního předního mozku a kůry která produkuje desynchronizované EEG vlny. Sestupné dráhy k α-motoneuronům způsobují atonii kosterních svalů. Typická neuronální aktivita před REM (PGO vlny) vzniká v pontu (most warolův) a šíří se přes nucleus geniculatus lateralis v thalamu do týlního laloku [9].
Probouzecí a probouzení podporující centra jsou umístěna v zadním hypotalamu, bazálním předním mozku, mezopontivním tegmentu a obsahují cholinergní, noradrenergní, serotoninergní a histaninergní neurotransmitery. Probouzení začíná v retikulárním aktivačním systému (RAS), který dostává signály z orgánových motorických a senzorických systémů. V RAS se signály přepojují do předního mozku a kůry přes thalamické a extrathalamické cesty.
14
2.5 Funkce spánku Po dlouhý čas se lidé zajímali, proč je spánek tak nezbytný pro život. Je mnoho teorií, které se snaží vysvětlit funkce a smysl spánku. Některé z nich uspokojivě interpretují některá fakta, ale široce uznávaná teorie, která by vysvětlovala všechny fenomény a experimenty dosud neexistuje. Zde jsou zmíněny jen hlavní teorie:
1. Konzervace energie: hlavní argument pro to, že důvodem spánku je zajišťování energie jsou – během spánkové deprivace je spotřeba energie zvýšena a oproti tomu běhen spánku je bazální metabolismus snížen o 5 – 25% 2. Obnovení tkání a růstu: během první hodiny spánku se uvolňuje růstový hormon, je zvýšené dělení buněk a bílkovinová syntéza. V čase růstu nebo po více pracném dni je během noci množství NREM spánku zvětšené. However J. Horne kritizoval tuto teorii [10]. Podle něho nastane dělení buněk několik hodin po příjmu potravy a má rytmus vyskytující se periodicky 1 krát za 24 hodin, klesající spotřeba energie metabolismu je v rozporu se syntézou bílkovin která potřebuje vyšší náklady na elektrickou energii a zvětšená teplota hlavy po této činnosti způsobí zvětšený poměr SWS. 3. Termoregulace: v experimentu s krysami, dlouhodobě spánkově zanedbané krysy ukázaly teplotní zvýšení asi o 10 stupňů [11], proto spánek pravděpodobně snižuje teplotu. 4. Regulace emocí [12]: u lidí málo spánku způsobuje poruchy emočního chování(jako koncentrace, zájem pro odlišný cíl, atd.), nedostatek SWS navozuje depresivní nebo hypochondrické stavy. Proto je NREM spánek pravděpodobně spojený s regulací těchto emocí. Tato teorie je podporovaná klinickými pozorováními depresivních pacientů, kteří mají kratší trvání NREM spánku právě tak jako že metabolizované dávky a neuronová aktivita je vyšší v mozkových oblastech které řídí emoce.Během NREM spánku byly v rozporu s probouzejícím stavem. 5 .Nervové dozrávání: část teorií o spánkových funkcích se zabývá REM spánkem. Procento REM spánku z celkového spánkového času se snižuje s věkem - v 6 měsících prenatální fáze tráví děti asi 80% ze spánku v REM spánku, ale mladí dospělí jen 25%. Proto se předpokládá že během REM spánku dozrává mozek a postupuje myelinizce nervových vláken.
15
6. Paměť a učení: oba typy spánku REM a NREM hrají klíčovou roli v upevňování paměti a učení. Během spánku probíhá informační přenos mezi kůrou mozkovou a hippocampusem který si uvědomí
ustálení paměťových stop nebo během REM spánku jsou zrušené
bezvýznamné vazby. S tímto přepracováním informací také souvisí proces učení. Několik prací se odvolává na zlepšení výkonu, provádění určitých úloh po spánku [13]. Zlepšení vděčí spánku a časovému intervalu nebo faktorům vyskytujícím se periodicky 1 krát za 24 hodin.
2.6 Experimenty Ve výzkumu a také v lékařské péči, je nezbytné vykonávat vyšetřování a experimenty. Ve většině experimentů se musí lidé zdržet alkoholu,kofeinu a dalších drog které mají vliv na spánek během studia a musí nějaký čas předem dodržet správný spánkový režim .
Polisomngrfické nahráváky EEG, EOG, EMG brány během celé noci určují spánkové stavy a kurs spánku. Jsou také měřeny klinické EKG, krevní tlak, okysličení krve a dechovém poměry.
Typické rysy z mnoha spánkových poruch jsou extrémní únava a spavost během dne. Za účelem odhalit tendence spánku během dne, je užívaný vícenásobný spánkový latenční test (MSLT ). Osoba leží v tmavé místnosti a čeká se až usne. Doba od začátku testu k prvnímu období spánku latence spánku - je měřená. Tato procedura se opakuje 4 - 5 krát ve dvou hodinových intervalech během celého dne. Spánkový počátek je získán na základě polysomnografického měření. Průměrná spánková latence je ohodnocená. Hodnota průměrné spánkové latence menší než 5 min je považována za chorobnou. V podmínkách podobných jako MSLT, je provedený test udržování bdělosti( MWT ), ale lidé jsou žádány aby během působení uspávací drogy cricumstances zůstali vzhůru. Průměrná spánková latence je ohodnocená a hodnota méně než 11 min je také určena jak chorobná [14].
Další typy z experimentů jsou také použité ve výzkumu spánkové regulace. Následky z nedostatku spánek nebo denní spavosti jsou vyšetřeny a ovlivněny experimenty aby byly uspořádané. Noc s nespavostí (nebo denní spavostí) je srovnávána se základní nocí, a změna EEG mezi nimi je
16
ohodnocená. Nejvýznamnější rozdíl je množství SWS. Lidé jsou vystaveni umělé délce dne odlišné od24 hodinových cyklů. Jsou zbaveni externího periodického střídání. (světlo/tmavý cyklus). Během jedné třetiny umělého cyklu jsou světla vypnula a lidi mají možnost spát [15].
Další experiment z této oblasti jsou modely umělých neuronových sítí(ANN), které jsou inspirovány nervovým systémem.Původně bylo ANN vyvinuto k řešení problémů v technické oblasti, ale dnes můžou být také aplikovány na fyziologická data. Ve spánkovém výzkumu jsou ANN používány v automatizovaném ohodnocování spánkových stavů [16] a v třídění artefaktů v EEG.
2.7 Modely spánkové regulace Dnes je obecně uznávané že jsou tři procesy které řídí spánek: homeostatický, denní cyklický proces a ultradianický proces [17].
Homeostatický proces řídí množství spánku a bdělosti tak, že je dosažená homeostáze. Zvyšuje se únavou a během bdělosti a snižuje se během spánku. Indikátor homeostatického procesu jsou SWS, které se vyskytují více v první části spánku a jejich přítomnost během noci se postupně snižuje. SWS aktivita je významně zvětšená během spánku po spánkovém deficitu [18]. Pokud spí člověk přes den dojde ke snížení SWS. Do nynějška nebyl fyziologický střed homeostatického procesu identifikovaný.
Denní proces odráží vliv vnějších událostí které oscilují s denním rytmem. Denní proces reprezentuje náchylnost ke spánku ve 24 hodinovém rytmu. Také některé další procesy maji denií rytmus (tělesná teplota).
Ultradianí proces spravuje střídání NREM a REM fází během spánku.
Jeden ze základních modelů je dvou procesový model spánkové regulace. Předpokládá vzájemné působení homeostatických a denních procesů. Homeostatická proměnná S (spánková náchylnost)
17
stoupá exponenciálně během bdělosti do té doby, než dosáhne horního prahu H - začátek spánku. Během spánku se snižuje dokud nedosáhne nejnižšího prahu L - probuzení. Obě hranice H a L se mění se podle fáze dne. Exponenciální funkce jde skrz 3 referenční body: relativní pomalá vlnová aktivita na konci normální noci, po normálním probouzení a po 40 hodinách ze spánkového nedostatku.
3. Poruchy spánku 3.1 Základní pojmy aktigrafie: Metoda stanovení vzorů spánků a stavu bdělosti pomocí zařízení citlivých na aktivitu a pohyb, obvykle umisťovaná na zápěstí. Apnoe: přerušení proudění vzduchu na dobu přesahující 10 sekund, kterou doprovází snížená saturace krve kyslíkem. nepřetržitě zvýšený tlak v dýchacích cestách: zařízení, které se skládá z masky, obvykle připevněné tak, že kryje nos, a které je hadicí napojené na pumpu, která nasává vzduch v místnosti a pod mírným tlakem ho vhání do dýchacích cest pacienta a zabraňuje tak jeho kolapsu během spánku. Hypopnoe: Snížené, ale ne úplné přerušené proudění vzduchu na dobu přesahující 10 sekund, které typicky doprovází snížená saturace krve kyslíkem. non-REM spánek: zahrnuje většinu nočního spánku a dělá se do čtyř fází na základě elektroencefalografické (EEG) frekvence, amplitudy a specifického tvaru EEG vln. polysomnogram nebo vyšetření studie: test, při němž se stanovují hodnoty dýchání, srdeční frekvence, intenzita chrápání a aktivita mozku, očí a svalová činnost brady a nohou. REM spánek: fáze spánku, ve které dochází k výskytu snů, EEG křivky jsou podobné EEG křivkám ve stavu bdělosti a většina vůlí ovládaných svalů je uvolněna. spánková latence (prodleva): časový odstup mezi zhasnutím světel v ložnici a usnutím. spánek pomalých vln: hluboký spánek, označovaný rovněž jako non_REM fáze spínku 3 a 4, během nichž charakterizuje elektrickou aktivitu mozku vlny s vysokou amplitudou a nízkou frekvencí. 18
Poruchy spánku se vyskytují ve velké míře, ale zřídka jsou rozpoznány, bývají špatně diagnostikovány a zůstávají neléčeny. Mezinárodní klasifikace poruch spánku, upraveno: Diagnostický a klasifikační manuál Americké asociace spánkových poruch rozděluje poruch spánku do čtyř širokých kategorií: (i) Dyssomnie jsou poruchy usínání nebo nepřerušovaného spánku nebo nadměrné ospalosti během dne; (ii) parasomnie jsou poruchy, které ovlivňují průběh spánku; (iii) poruchy spánku spojené s mentálními, neurologickými nebo zdravotními poruchami; a (iv) nespecifické poruchy spánku, pro které není k dispozici dostatek údajů, které by potvrdily jejich výskyt. Na základě této klasifikace rozeznáváme v současnosti 77 spánkových poruch a 11 nespecifických poruch spánku.
3.2 Anamnéza pro zjištění příčin poruchy spánku Důkladná anamnéza je důležitá pro zjištění hlavních pacientových potíží a pro správné stanovení diferenční diagnózy. Poruchy uvedené níže jsou uvedené v Mezinárodní klasifikaci spánkových poruch. Přestože ´většina pacientů s výskytem spánkových problémů typicky uvádí dyssomnii, není u jednotlivých pacientů ojedinělá stížnost na výskyt více druhů spánkových poruch současně. Je důležité současně hovořit s partnerem pacienta, který s ním sdílí lůžko; partner často popíše příznaky, kterých si sám pacient není vědom. Partner může například potvrdit, že pacient během spánku lapí po dechu nebo že se dusí, což je příznačné pro poruchu dýchání během spánku, jako je syndrom obstruktivní spánkové apnoe. Zvláštní zmínku si zaslouží děti s poruchami spánku. V porovnání s dospělými u nich převažují parasomnie, jako jsou noční děsy a náměsíčnost, a u dětí se neprojevuje denní ospalost stejným způsobem jako u dospělých. Například místo aby jevily známky únavy nebo ospalosti, mohou být děti hyperaktivní a podrážděné, dokonce až do té míry, že je stanovena nesprávná diagnóza hyperaktivivity se sníženou schopností soustředění.V době prvního vyšetření odborníci na spánek často používají dotazník, jako je Douglasův dotazník zaměřený na poruchy spánku nebo podobný, který jim pomůže při správné diagnostice této poruchy. Hoddeova Stanfordská stupnice spánku
19
(SSS) e jiné a Johnsova Epworthská stupnice spánku se používají pro stanovení subjektivní míry denní ospalosti, ačkoliv jsou kritizovány za to, že dostatečně přesně neodrážejí objektivní míru denní ospalosti. Denní záznamy o spánku jsou užitečné pro podchycení subjektivních vzorců spánku a bdělosti. Tyto záznamy jsou pro klinické pracovníky užitečné při vyšetření pacientů, u kterých je podezření na výskyt nepravidelností ve vzorci spánek – bdělost nebo na výskyt poruch pravidelného denního rytmu. Tyto záznamy typicky zahrnují období 2 týdnů, během kterých pacient zaznamenává dobu, kdy jde spát a kdy vstává, odhad doby, kdy usne, dobu a trvání nočního bdění a denního dřímání a dobu, kdy bere léky. V poslední době se používají dotazníky zaměřené na kvalitu života ke stanovení účinku léčby na poruchy spánku.
3.3 Dyssomnie 3.3.1 Insomnie Pacienti postižení insomnií mají problém s usínáním a nepřerušovaným spánkem, který je přerušován častým probouzením a bděním; tito pacienti typicky trpí chronickou vyčerpaností a únavou, jsou podráždění a dochází u nich k poruchám koncentrace a paměti. Pacienti, u kterých se samovolně vyvinuly potíže s usínáním nebo nepřerušovaným spánkem v normálních podmínkách, trpí psychofyziologickou insomnií. Celoživotní rozvoj insomnie, mající typicky počátky v dětství, je příznačný pro idiopatickou insomnii. Insomnie související se silnou stresovou událostí, jako je například rozvod nebo úmrtí rodiče, je příznačná pro získanou (adjustment – snad i vlivem prostředí, události, …) poruchu spánku. Špatné spánkové návyky, nedostatečná hygiena spánku, nevědomé usnutí a pacientovy potíže nepřesně odrážející objektivní spánková opatření (rituály) se běžně vyskytují při insomniích. Insomnie ve výškách nad 4 000 m a narušování spánku vlivem faktorů okolního prostředí jsou charakteristické znaky výškové insomnie a environmentální spánkové poruchy. Pro insomnie vyskytující se u dětí může být příznačné narušení pravidel (nevynucená doba, kdy jde pravidelně spát), porucha asociace při usínání (absence určitých podmínek, např. sledování televize), insomnie podmíněné potravinovou alergií nebo syndrom noční konzumace (jídla, pití). Vyplnění deníků s údaji o spánku může být při insomnii užitečným vodítkem při určování vzorců spánek – bdělost; jeho přínos spočívá především při předvedení špatných spánkových návyků dokládajících nedostatečnou hygienu spánku i poruchy denního 20
rytmu, které insomnii doprovázejí. Aktigrafie, použití zařízení citlivých na pohyb při stanovení cyklů spánku a bdění, se může u pacientů s insomnií osvědčit při podchycení spánku, který pacient nevnímá, a poruch denního rytmu. Přesto blíže neznámý počet pacientů s insomnií může ležet v posteli zcela nehybně; toto chování může být aktigrafem chybně registrováno jako spánek, protože pohybová aktivita nepřekročí práh, který je v přístroji nastaven pro rozpoznání bdění. Všichni pacienti trpící nespavostí by měli být vyšetřeni na souběžný výskyt psychiatrických stavů, jako jsou deprese nebo úzkostné stavy a poruchy denního rytmu, protože správné určení a léčba těchto stavů obvykle urychlí i léčbu pacientovy insomnie. Základem léčby insomnie je uplatnění behaviorálních (týkajících se chování a návyků) technik. Jedná se zejména o přísné dodržování časů spánku a bdění, doby uléhání ke spánku a probouzení a vyloučení podřimování během dne. Pokud jsou vzhůru, pacienti by neměli zůstávat v dlouho v posteli, protože to může vést k návyku na bdění na lůžku. Snížení spotřeby kofeinu, nikotinu a alkoholu, zejména v době před ulehnutím, a omezení nadměrné tělesné námahy (cvičení), konzumace potravin a pití v době před ulehnutím často zkracuje čas, potřebný k usnutí a snižuje frekvenci nočních probouzení a zároveň zkracuje jejich délku. Vyloučení čtení a sledování televize z lůžka, pokud tyto činnosti nevyvolávají ospalost, může rovněž přispět k navození spánku. Mohou být prospěšné i další behaviorální (návykové) přístupy, jako je terapie řízenými podněty, omezení spánku a léčba relaxací. Terapie řízenými podněty je zaměřena na obnovení asociace prostředí ložnice a rychlého usínání. Omezení spánku je programové omezení doby, strávené na lůžku, a jeho cílem je zvýšení účinnosti spánku (čas spánku / čas strávený v posteli). Léčba relaxací (relaxační terapie) zahrnuje meditace, auto-hypnózu (autosugesci?), progresivní uvolnění svalového napětí a elektromyografickou zpětnou vazbu. Nakonec lze v případech rezistentní (odolné) insomnie použít mírnou medikaci (podání léků) s krátkým poločasem vyloučení (např. zolpidem) jako doplněk behaviorální terapie.
21
3.3.2 poruchy s nadměrnou ospalostí během dne Pacienti s nadměrnou denní ospalostí mají během dne sníženou poznávací schopnost a často v nevhodnou dobu usínají, například na poradách nebo při řízení. Ačkoliv pacienti s následujícími poruchami mohou udávat insomnii (nespavost), je pro ně spíše typická nadměrná denní ospalost. Denní ospalost v kombinaci s prokázanými krátkodobými nočními zástavami dechu nebo probouzení se s lapáním po dechu, dušením, kašláním, frkáním (chrápáním) nebo dušností (dyspnoe) jsou příznačné pro syndrom obstruktivní spánkové apnoe (zástava dechu). Na základě studie výskytu, provedeném Terry Youngem a kolegy v roce 1993, se odhaduje, že až u čtvrtiny mužů a desetiny žen ve věku 30 – 60 let se vyskytují polysomnografické důkazy těchto stavů. Kromě toho, že pacienti jsou vystaveni zvýšenému riziku nehod v souvislosti s řízením motorového vozidla a pracovním úrazům, je tato porucha spojena s kardiovaskulárními onemocněními, jako jsou hypertenze (vysoký krevní tlak), mrtvice, infarkt myokardu, arytmie (nepravidelná tepová frekvence) a srdeční selhání a neurokognitivními problémy, jako je snížená krátkodobá paměť. Diagnóza syndromu obstruktivní spánkové apnoe je potvrzena ve studii spánku (Obr. 6), ze které je zřejmé, že pro tuto poruchu jsou příznačné opakující se abnormality dýchání (apnoe (zástava) a hypopnoe (mělkost)) Léčba spočívá ve snížení nadváhy, aplikaci polohovacích zařízení na krk, zařízení do úst (posunují jazyk nebo dolní čelist dopředu), trvalé zvýšení tlaku vzduchu proudícího do nosu (CPAP) nebo chirurgická úprava (plastika) horních cest dýchacích. Plastika horních cest dýchacích upravuje čípek, horní měkké patro a hltan (tj. odstraní se nadbytečná tkáň z měkkého patra a patrového oblouku) Nové technologie, používané při odstranění nebo zmírnění chrápání a obstruktivní spánkové apnoe, jako je radiofrekvenční chirurgie, znamenají pro pacienty téměř bezbolestné operace, které jsou rychlé a provádějí se ambulantně Sezónní alergické rinitidy (senná rýma, pylová alergie) a závažné nazální obstrukce (překážky v nose) (např. nazální polypy (výrůstky na sliznici nosu) a adenoidní hypertrofie (zbytnění sliznice)) mohou u pacienta zhoršit syndrom obstruktivní spánkové apnoe; pacientovi se mohou podávat antihistaminika (zmírňují alergické reakce), nazální steroidy nebo mu může být provedena korektivní plastika pro zmírnění těchto nepříznivých podmínek. Syndrom rezistence horních cest dýchacích (odpor kladený proudícímu vzduchu) je mírnější variantou syndromu obstruktivní spánkové apnoe.
22
Obrázek 6:Polysomnografický záznam pacienta se syndromem obstruktivní spánkové apnoe. Toto je 30 s úsek polysomnogramu. Pacient je v REM fázi spánku, jak ukazuje EEG (derivace elektrod C3-A2 a O1A2) s nízkou amplitudou, vzorcem se smíšenými frekvencemi; EMG (EMG ukazuje aktivitu svalů brady a L/RAT ukazuje aktivitu předních tibiálních (holenních) svalů pravé a levé nohy) s relativně potlačenou svalovou aktivitou; a EOG (ROC a LOC ukazuje aktivitu svalů pravého a levého oka) s rychlým pohybem očí. Chrápání je prokázáno na kanálu MIC (mikrofon). Obstruktivní apnoe je zřejmá v pravé polovině obrázku, se zástavou proudění vzduchu v nose i přes to, že hrudní a břišní stěna se pohybují. Jako důsledek této apnoe u pravého okraje grafu SpO2 (saturace kyslíkem) klesá z přibližně 99% na 95%.
23
Pacienti se vzácnějším syndromem centrální spánkové apnoe nebo syndromem centrální alveolární hypoventilace (snížené přívod vzduchu do plicních sklípků) mohou uvádět příznaky nebo anamnézu podobnou jako u syndromu obstruktivní spánkové apnoe. Podobně může CPAP nebo dvojúrovňový tlak (zvýšený tlak při nádechu a snížený tlak při výdechu) pomoci pacientům s touto poruchou. Narkolepsie je porucha spánku, která odhadem postihuje 200 000 Američanů a zdá se, že je zde pro rozvoj této poruchy genetická predispozice. Tato porucha se běžně vyskytuje v druhé dekádě života a jsou ji rovnoměrně postiženi muži i ženy. Podezření na narkolepsii je třeba zvážit u lidí s následujícími příznaky: (i) ataky denní ospalosti, ke kterým během dne typicky dochází náhle a jsou neodbytné; (ii) kataplexie (strnutí) nebo náhlá ztráta tonusu posturálního svalstva (napětí postojového svalstva) typicky spuštěná silnou emocí (mírné případy kataplexie mohou způsobit mírné ochabnutí krčního svalstva); (iii) hypnotické (při usínání) halucinace, při kterých lze slyšet zvuky (např. hlasy), mít vidění nebo mít plně rozvinuté sluchové, zrakové, taktilní (hmatové) nebo kinetické (pohybové) halucinace; a (iv) spánková paralýza (ochrnutí) (která se může vyskytnout u jedinců bez narkolepsie), ke které dochází při přechodu ze spánku do stavu bdělosti. Tato paralýza může často doprovázet hypnotické (spánkové) halucinace. Diagnóza narkolepsie se provádí na základě symptomů (příznaků) a je potvrzena v průběhu několika testů spánkové latence (doba do usnutí). Tato porucha se typicky léčí plánovanými zdřímnutími, stimulanty (povzbuzující látky) (např. methylphenidat, modafinil a dexedrin) které zabraňují denní ospalosti a antikataleptickou medikací (typicky tricyklická antidepresiva). Denní ospalost doprovázená hypersomnií (prodlouženým spánkem) je příznačná pro idiopatickou, rekurentní a posttraumatickou hypersomnii (samostatně se vyskytující, opakující se poúrazová spavost). Tyto poruchy lze odlišit od narkolepsie a jiných poruch s nadměrnou denní ospalostí podle symptomů (příznaků), pomocí polysomnografie a opakovanými testy spánkové latence. Léčba typicky spočívá v plánovaných zdřímnutích a podávání stimulujících léků, které ovlivňují neodbytnou ospalost během dne. Denní ospalost s prokázanou dobrovolnou spánkovou deprivací (nedostatkem spánku) je příznakem syndromu nedostatečného spánku; úprava životního stylu s omezením pracovních nebo rodinných povinností může u pacienta přispět ke zvýšení potřeby spánku.
24
3.3.3 Syndrom nepokojných nohou a porucha s periodickým pohybem končetin Pro syndrom nepokojných nohou je příznačná dysestézie (nepříjemné vjemy) nebo nepříjemné pocity v nohou, které vyúsťují v neodolatelné nutkání pohnout nohama. Dysestézie lze popsat jako „plazení“, „mravenčení“, „svědění“ nebo bolest a pohyb přináší úlevu. Přestože tyto symptomy se mohou vyskytovat kdykoliv během dne, mohou se zhoršovat během noci a tak ovlivňovat schopnost usnout a nakonec vyústit v symptomy insomnie nebo denní ospalosti. Většinou k těmto potížím dochází ve středním věku, postihuje jak muže tak ženy, a těhotné ženy a jedinci s urémií (hromadění dusíkatých látek v organizmu v důsledku nedostatečné funkce ledvin) a revmatickou artritidou (zánět kloubů) jsou zřejmě náchylní k rozvoji této poruchy. Diagnóza se typicky provádí z anamnézy, přestože vyšetření spánku často zjistí pohyb končetin v důsledku dysestézie. První léčba spočívá v podávání dopaminergických látek (např. karbidop a levedop; benzodiazepiny (např. klonazepam), opiáty a antikonvulsiva (protikřečové léky) (např. tegretol a gabapentin) jsou při léčbě této poruchy různě účinné. Pro poruchu s periodickým pohybem končetin je příznačná denní ospalost, která je vyvolána opakovanými pohyby končetin během spánku. Typicky jsou pohyby nohou stereotypní, provázené natažením palce a částečnou flexí (ohnutím) v kotníku, koleni a kyčli. Ačkoliv u největšího počtu lidí má tato porucha počátek ve středním věku, její výskyt se s přibývajícím věkem zvětšuje. Pacienti s podezřením na tuto poruchu jsou vyšetřeni pomocí polysomnografie a pro potvrzení diagnózy musí být splněna specifická kritéria frekvence a trvání jednotlivých pohybů končetin. Klinické rozhodnutí o léčbě této poruchy je obvykle učiněno v závislosti na závažnosti symptomů a frekvenci periodického pohybu končetin spojeného s probouzením. Léčba spočívá v podávání léků shodných s léčbou syndromu nepokojných nohou; stejně jako u syndromu nepokojných nohou jsou dopaminergické látky hlavní medikací při léčbě poruchy s periodickým pohybem končetin.
25
3.3.4 Poruchy denního rytmu
Poruchy denního rytmu by měly být vzaty v úvahu u pacientů, kteří mají nepravidelný vzorec spánku a bdění a tito pacienti udávají nespavost nebo nadměrnou denní ospalost. Pro syndrom změny časového pásma a poruchu spánku při práci na směny jsou příznačné vnější faktory, ovlivňující pacientův spánek. Tato poruchy lze obvykle snadno diagnostikovat pomocí pacientovy anamnézy; je doporučeno přísné dodržování hygieny spánku a v případě potřeby může těmto pacientům účinně pomoci i krátkodobé podávání hypnotik (léky na spaní). Syndromy odložené nebo předčasné fáze spánku odpovídají poruchám s načasováním spánku, ve kterých dochází k chronickému (vleklému, stálému) odkládání spánku nebo předčasnému ulehnutí v porovnání s běžnými časy hlavního spánku a probouzení. Například jedinci se syndromem posunuté fáze spánku mohou chtít jít spát ve 22:00 a probouzet se v 06:00, ale obvykle dlouhodobě chodí spát ve 02:00 a spontánně se probouzejí v 10:00. Tyto poruchy jsou často rozpoznány pečlivým anamnestickým vyšetřením; záznamy o spánku a aktigrafie mohou být při stanovení diagnózy užitečnou pomůckou. Léčba spočívá v technikách behaviorálních návyků, jako jsou léčba řízenou stimulací a relaxační terapie a podávání slabých hypnotických léků může podpořit usínání v požadovanou dobu. Pro nepravidelný vzorec spánek – probouzení a poruchu 24hodinového rytmu spánek – bdění je příznačný chaotický a posunutý rytmus spánku – bdění. Tyto poruchy se zjišťují na základě pečlivé anamnézy, záznamů o spánku a aktigrafie. Prognóza těchto poruch je nepříznivá, často záleží na podstatném zásahu do životního stylu (rytmu) (např. přizpůsobení pracovní doby tak, aby vyhovovala požadovanému rytmu spánek – bdění) a stejně jako u léčby výše popsaných poruch denního rytmu na behaviorální léčbě podpořené podáváním léků.
3.3.5 Poruchy vyvolané působením toxinů, léků nebo drog Působení léků nebo toxinů (např. organických chemických látek a těžkých kovů) může mít za následek insomnii (nespavost) nebo nadměrnou denní ospalost. Pro poruchy spánku vyvolané toxiny a poruchy spánku vyvolané hypnotiky, stimulujícími látkami a alkoholem je příznačné, že se vyskytují při jejich působení (užívání) nebo v důsledku přerušení jejich přísunu. Zejména poruchy z užívání hypnotik a stimulujících látek se často vyskytují souběžně s dalšími poruchami 26
spánku. Nezřídka se vyskytují pacienti s nespavostí, kteří několik let nadměrně užívali různá hypnotika a narkoleptičtí pacienti se syndromem obstruktivní spánkové apnoe, kteří nadměrně užívali stimulující látky na odstranění denní ospalosti. U pacientů s poruchou spánku vyvolanou užíváním alkoholu je často zkrácena doba potřebná pro usnutí; na druhou stranu u nich dochází ke častějšímu nočnímu probouzení, které trvá déle.
3.4 Parasomnie Pro parasomnie jsou příznačné neobvyklé chování, pocity nebo pohyby. Protože si pacient tyto epizody často vůbec neuvědomuje, při popisu těchto událostí je užitečná pomoc partnera.
3.4.1 Noční děsy a náměsíčnost Noční děsy náměsíčnost (somnambulismus) se vyskytují ve fázi spánku s pomalými vlnami, typicky během první třetiny noci a vedle anamnestického zjištění výskytu se projevují výkřiky a chůzí. Jedinci s nočními děsy se často probouzejí s křikem a jsou dezorientováni, nereagují na své okolí a jsou velmi vyděšeni, mají rozšířené zornice, zrychlený dech a tepovou frekvenci. Předpokládá se, že tyto poruchy spolu souvisí a nezřídka se vyskytují jedinci s oběma projevy současně. Uvádí se, že tyto poruchy postihují mezi 1 – 15 % populace a odhaduje se, že u 15 – 30% zdravých dětí s vyskytla alespoň jedna epizoda náměsíčnosti. Předpokládá se rodová dědičnost obou poruch, nejvíce případů začíná přibližně mezi 4 – 8 lety věku a v populaci nad 15 let věku výskyt náměsíčnosti a nočních děsů klesá přibližně na 1%. Etiologie (mechanismus vzniku) nočních děsů a náměsíčnosti není známá, ale některé faktory, například léčba antipsychotiky nebo antidepresivy, horečnatá onemocnění, nedostatek spánku (spánková deprivace) a další poruchy spánku zvyšují pravděpodobnost výskytu těchto epizod u predisponovaných jedinců. U náměsíčnosti se může vyskytovat násilí spojené se spánkem, například napadení nebo vražda; právní systém klasifikuje pravou (nepředstíranou) náměsíčnost jako „nechoromyslný automatismus“ (tj. že se sice nejedná o psychiatrickou poruchu), při kterém není chování řízeno vůlí jedince. Diagnóza se stanoví na základě klinické anamnézy a 27
polysomnografie, přestože naděje na prokázání nočních děsů nebo epizod náměsíčnosti ve spánkové laboratoři je nepatrná. Přesto je polysomnografie důležitá pro vyloučení nočních záchvatů, které mají podobné rysy jako náměsíčnost, a některé polysomnografické charakteristiky, jako jsou opakovaná probuzení z fází spánku pomalých vln, časté přechody jednotlivých fází spánku a hapersynchronní aktivita delta vln se často vyskytují u náměsíčných jedinců. Bezpečnostní opatření na noc (např. odstranění zbraní a nebezpečných předmětů z blízkosti, upozornění návštěvníků domu a přidělení ložnice v přízemí náměsíčnému jedinci ), medikamentózní léčba (benzodiazepiny a tricyklická antidepresiva) a občasná hypnóza a psychoterapie mohou přispět ke zvládnutí těchto stavů.
3.4.2 Ostatní parasomnie Porucha REM fáze spánku je stav, který může být zaměňován s náměsíčností. Ale jedinci s touto poruchou jsou typicky muži nad 60 let a často během REM fáze spánku „vykonávají“ své sny (na rozdíl od náměsíčnosti, která se vyskytuje během fáze spánku s pomalými vlnami, typicky bez doprovodných snů). Etiologie je ve většině případů neznámá, přestože cévní, degenerativní a nádorová onemocnění postihující mozek mohou mít s těmito stavy souvislost. Diagnóza je stanovena anamnestickým a polysomnografickým vyšetřením a noční bezpečnostní opatření v kombinaci s medikací (clonazepam a desipramin) obvykle účinně snižují frekvenci výskytu těchto stavů. Porucha s rytmickými pohyby se vyskytuje v dětství nebo časném dětství a jsou pro ni příznačné opakované pohyby, typicky hlavy a krku, ke kterým dochází před usnutím a v přechodu do spánku. Typické pohyby jsou opakované bušení hlavy na povrch lůžka, převalování hlavy nebo houpání torza těla nebo celého těla; polysomnografické vyšetření může napomoci při odlišení této poruchy od epilepsie. Noční bezpečnostní opatření v kombinaci s úpravou chování a podávání benzodiazepinu nebo tricyklických léčiv může napomoci ke zvládnutí těchto stavů. Následující parasomnie jsou specifické projevy popsané pacienty, jejich partnery nebo rodiči a stejně jako u jiných parasomnií mohou být potvrzeny vyšetřením spánku. Syndrom abnormálního polykání ve spánku je vzácný stav, pro který je charakteristické probuzení doprovázené kašláním nebo dušením ze spánku v důsledku vdechnutých slin, ke kterému může dojít následkem
28
nedostatečného polykání.
Noční paroxysmální distonie (záchvatovitá nerovnováha svalového
napětí) se projevuje jako stereotypní, opakované distonické nebo diskinetické (bez pohybu) epizody, které trvají až jednu hodinu v jednotlivé epizodě, a které jsou snad rodově dědičné ale bez zřejmé patologické příčiny. Antikonvulsiva (protikřečové léky) jako carbamazepin mohou pomoci pacientům s touto poruchou. Při syndromu náhlé nevysvětlitelné (bez příčiny) noční smrti dojde k náhlému úmrtí ve spánku, zejména u zdravých mladých mužů z jihovýchodní Asie. Abnormální dýchací symptomy, jako jsou lapání po dechu nebo dušení mohou předcházet kardiovaskulární zástavě (selhání), přestože posmrtné vyšetření neprokáže u postižených žádné významné patologické změny. Pro sinusovou zástavu v REM fázi spánku jsou charakteristické opakované asystolické periody (bez stahu srdečního svalu) během REM fáze spánku u jinak zdravých, mladých dospělých lidí. V těchto případech nebyly na srdci zjištěny žádné patologické nálezy a pro zjištění tohoto stavu je důležité polysomnografické vyšetření. Poruchy erekce penisu ve spánku (organická / fyziologická impotence nebo neschopnost dosáhnout erekce ve spánku) a bolestivé erekce ve spánku se nejčastěji vyskytují u pacientů nad 40 let a pro diagnózu poruchy erekce ve spánku je nezbytné provést polysomnografické vyšetření. Některé parasomnie se vyskytují v dětství. Pro dětskou spánkovou apnoe je charakteristická centrální (mozková) nebo obstruktivní (překážka v dýchacích cestách) apnoe během spánku dítěte; apnoe nedonošených novorozenců se vyskytuje do 37 týdne od početí, novorozenecká apnoe se vyskytuje u novorozenců po 37 týdnu od početí, zjevná život ohrožující apnoe je doprovázena cyanózou (zmodráním např. rtů) a netečností (zemdleností) a při rozvíjejícím se syndromu obstruktivní spánkové apnoe dochází k blokádě horních cest dýchacích. Pro diagnózu těchto stavů je nutné provést polysomnografické vyšetření a při léčbě těchto novorozenců je nutné zajistit nepřetržitý zvýšený tlak vzduchu nebo provést chirurgickou úpravu horních cest dýchacích . Vzácně se vyskytuje syndrom vrozené centrální hypoventilace (mělké dýchání nebo malá frekvence dýchání řízeného mozkem) nebo selhání mechanismu dýchání, které postihují jinak zdravě vypadající novorozence bez zjevného plicního onemocnění a v těchto případech je nutné zajistit 24hodinovou podporu ventilace (dýchání). Vzácně se vyskytují benigní (nezhoubné, život neohrožující) novorozenecké svalové záškuby, samovolné a benigní stavy bez známé patologie, které obvykle postihují paže a nohy, které provádějí časté trhavé pohyby během spánku novorozence. Při syndromu náhlé smrti novorozence (SIDS) dochází k úmrtí novorozence ve spánku z neznámých příčin. Odhaduje se, že se vyskytuje méně než v 1 případě na 1 000 živě narozených dětí, a faktory, jako je spánek na břiše, předčasný porod, vícečetné porody, drogová 29
závislost matky, působení tabákového kouře, nízké sociálně-ekonomické postavení a předchozí výskyt apnoických událostí zvyšují riziko výskytu SIDS. Spánková paralýza (ochrnutí) (během spánku nebo po probuzení), probuzení s dezorientací, (krátký úsek dezorientace po probuzení ze spánku), mluvení ze spaní, spánkové záškuby (náhlé kontrakce těla při usínání), noční křeče v nohách, noční děsy, bruxismus (skřípání zuby), enuréza (noční pomočování) a primární chrápání jsou spíše nepříjemnosti než klinicky významné problémy, pokud k nim nedochází často, ve velké míře nebo nenarušují spánek pacienta nebo jeho partnera.
4. DFA Analýza 4.1 Úvod DFA V oblasti nelineární analýzy je již dlouho znám význam analýzy biologické časové posloupnosti s typicky komplexní dynamikou. Pro určení skrytých významných dynamických vlastností fyziologických jevů byly využity některé vlastnosti těchto postupů. Protože dochází k častým změnám statistických charakteristik biologických signálů v čase a typicky jsou v mnoha případech velmi proměnlivé a zároveň nelineární, je taková analýza složitá [24, 25]. Například aktivita lidského mozku za normálního stavu prochází složitými změnami. Tyto fluktuace pravděpodobně vyvolává složitý nelineární dynamický systém spíše než průvodní jevy stimulace z vnějšího prostředí. V posledních letech byly u velkého počtu různých systémů objeveny mnohorozměrné exponenciální korelace. Na základě těchto mnohorozměrných exponenciálních korelací se postupně vyvíjí stále více uznávaná fraktální geometrie přírody. Jakmile poznáme exponenciální korelace, můžeme je kvantifikovat pomocí kritického exponentu, a zkoumání trvale platných mnohorozměrných exponenciálních korelací nám může pomoci při pochopení vlastností elektroencefalogramu (EEG) [26] případněn EKG. Je známo, že četné fyziologické časové posloupnosti u zdravých jedinců vykazují mnohorozměrné exponenciální korelace. Některé skupiny se snažily rozlišit fázi spánku pomocí nelineární dynamické metody jako rozměr korelace a Lyapunových exponentů [27, 28]. Pro všechny klasické
30
nelineární dynamické metody jsou však zapotřebí stabilní podmínky, které se u biologických signálů vyskytují jen zřídka. Detrendová analýza fluktuace (DFA) je odolná proti výkyvům. Protože tato metoda umožňuje detekci mnohorozměrných korelací, které jsou součástí zdánlivě proměnlivých časových posloupností, může být použita pro rozlišení jednotlivých fází spánkového EKG [29].
4.2 Opravné exponenty U exponentu charakterizujícím mnohorozměrné korelace v sekvencích určité délky existují významné fluktuace. Tento opravný exponent je důležitý, protože nám umožňuje nalézt korelační vlastnosti časových posloupností. Jestliže jsou statistické vlastnosti časové posloupnosti při přeškálovaní v odvozené posloupnosti neměnné, mluvíme o ní jako o sobě-podobné a je definována jako
kde
znamená, že statistické vlastnosti obou časových posloupností jsou shodné. Podrobněji,
časová posloupnost y(t) má stejnou funkci pravděpodobné distribuce (rozložení) jako stejně velká a přeškálovaná posloupnost aα y(t/a). Exponent α se nazývá parametr sobě-podobnosti nebo opravný exponent, který je důležitý, protože s jeho pomocí můžeme nalézt vlastnosti korelace časové posloupnosti. Matematicky se opravný exponent α vypočte jako
kde My je koeficient zvětšení na ose y a Mx na ose x, n je velikost výřezu (okna) posloupnosti a s je standardní odchylka příslušného signálu. A α udává strmost křivky spojující (n1; s1), (n2; s2) na log-log (logaritmických osách?) diagramu. V praxi se vypočítává průměrný opravný exponent časové posloupnosti tak, že se vybere odpovídající číslo (n; s) a doplní křivka z těchto bodů. 31
4.3 Detrendovaná analýza fluktuace Protože četné druhy biologických signálů, jako je EKG, jsou vysoce proměnlivé, tak jestliže jednoduše integrujeme časové posloupnosti bez náležitého zohlednění, může dojít ke zvýšení proměnlivosti časové posloupnosti. Proto na analýzu biologických dat použijeme DFA, pomocí které vypočteme střední kvadratickou fluktuaci integrované a detrendované časové posloupnosti, umožní nám to určení vnitřní sebepopodobnosti proměnlivých časových posloupností [30] a rovněž se vyhneme falešnému určení zjevné sebepodobnosti. Podrobný postup je následující. Nejdříve je každá časová posloupnost s počtem N vzorků integrována jako
kde X(t) je posloupnost v čase t a Xave je průměr celé časové posloupnosti. Potom je y(k), integrovaná časová posloupnost, rozdělena na posloupnosti o stejné délce n. V každém čtverci je na ose y nejmenší kvadratická linka která odpovídá datům označena yn(k).Nakonec je dána průměrná fluktuace jako funkce kvadratické velikosti n
32
Obr 7: Integrované časové řady: , kde X(t) je mezi úderový interval. Svislé tečkované čáry oznamují úseky o velikosti n=100, a přímá plná linka části reprezentuje trend odhadovaný v každém úseku lineární úpravou nejmenších čtverců.
Toto počítání se opakuje nad všemi časovým měřítky (velikosti okénka) pro poskytnutí vztahu mezi F(n) a okénkům velikosti n. Typicky,se F(n) zvětšuje s velikostí okénka n. Lineární vztah na dvojitém logaritmickém grafu ukazuje přítomnost modelování (sobě - podobnosti)-- kolísání v malých boxech souvisí s kolísáním ve větších boxech. Spád linky týkající se log F(n) k log n určuje model exponentu (sobě- podobnostní parametr), α.
5. Aplikace DFA a porovnání výsledků Nejprve bylo nutné načíst EKG signál.
Obrázek 8: Signál EKG
33
Musel jsem ECG signál zpracovat, abych na něj mohl aplikovat DFA analýzu. K tomuto účelu jsem použil metodu Pan Tompkins. Díky ní jsem získal R – R interval. Ukázka zpracovaného signálu je na Obr.9.
Obrázek 9: Zpracovaný signál EKG RR Analýzou
Nyní jsem stál před hlavním problémem jakým způsobem připravit data do určitých intervalů, na které by bylo možno aplikovat metodu a dostat z výsledků nějakou závislost mezi spánkovými stavy a mnou vypočítanými hodnotami. Nevěděl jsem jestli nalezení takovéto závislosti u signálu EKG bude vůbec možné. Nyní popíšu dvě možná řešení kde se mi podařilo nějakou závislost najít. 1) Nejprve jsem rozdělil signál do úseků po po16 sekundách, což je 64 bodů při frekvenci 4Hz. Na tyto intervaly jsem použil funkci DFA, která vrací dvě hodnoty fast a slow - 64 bodové úseky jsou zpracovány pomocí integrace.
Obrázek 10: Úsek předzpracovaný pomocí integrace v DFA
34
Dále se spouští funkce která vypočítá průměr efektivního trendu fluktulace. Tato funkce je volána s parametrem velikosti okénka (4 - 64), kterými se interval rozdělí. Z těchto údajů získáme dvě hodnoty fast a slow, které určují celkový trend 64 bodového úseku. Hodnota fast je počítána od 4 do16 a slow od 16 do 64. Takto jsem získal hodnoty vypovídající o trendech po celé délce grafu. Stejný postup jsem opakoval ještě jednou ale úseky jsem posunul o 32 bodů, takže se s původními překrývali v polovině. Takto mi vznikli dvě křivky, které jsem sečetl.
Než jsem aplikoval DFA analýzu na spánkové EKG, vyzkoušel jsem, jak bude fungovat na uměle vytvořeném signálu. Pro toto ověření jsem zvolil dva různé signály o délce 30 minut. Jako první jsem zvolil sinusový signál, který měl zvyšující se frekvenci a jako druhý náhodný šum, který měl tři různé omezení amplitudy. Jak je vidět na obr.11 u sinusové křivky se zvyšující se frekvencí je výstup DFA poměrně rovnoměrně stoupající křivka. Postupně se sklon stoupání snižuje protože zvětšování frekvence funkce sinus není exponenciální ale lineární. U šumového signálu je obecný výstup DFA zcela nepopsatelný, z čehož usuzuji že na metodu nemá vliv rozdíl amplitudy.
35
Obrázek 11: DFA analýza aplikovaná na funkci sinus s proměnou frekvencí a na náhodný šum.
36
Obrázek 12: od shora 1)EKG 2)RR interval 3)hypnogram ze spánkové laboratoře 4) křivka získaná pomocí DFA.(signál 024s04)
37
Nyní jsem aplikoval DFA na spánková data. Na Obr.12 je vidět vykreslená křivka složená ze součtu hodnot fast a solw. U tohoto případu křivka poměrně koresponduje s příslušným hypnogramem. Problém je, že výsledek není úplně přesný a že u jiných signálů je někdy podobnost podstatně menší.
2) K některým zajímavým grafům jsem došel také jinou cestou. Vstupní signál jsem nerozděloval po 16 sekundových intervalech ale rovnou jsem ho upravil pomocí integrace, což je u tak dlouhého signálu poměrně časově náročná operace. Na takovíto signál jsem aplikoval funkci počítající průměr efektivního trendu fluktulace. Jak jsem uvedl výše vstupní parametr je také šířka úseku na který se signál rozdělí. Tuto šířku jsem zadával metodou pokusu a omylu. Vycházeli mi různé křivky, které určitým způsobem charakterizovaly vstupní data. Z těchto křivek jsem jich několik vybral, které nějak korespondovaly s hypnogramem. Tyto křivky jsem posléze sečetl. Touto metodou jsem zajímavých výstupů získal bohužel příliš málo.
Obrázek 13: Součet křivek určujících trend
38
Zabývali jsme se zatím pouze jedním EKG signálem. Pro porovnání k tomuto signálu přikládám ještě několik časových a frekvenčních parametrů . Časové parametry:
Obrázek 14: Časové parametry od shora: 1)SDNN 2)SDSD 3) HRmean
39
Obrázek 15: Časové parametry od shora: 1) NN50 2) pNN50 3) RMSSD
Časové parametry jsou počítány po 30 sekundách signálu. Jak je z obrázků vidět, tak tyto parametry příliš nekorespondují se spánkovým hypnogramem. 40
Frekvenční parametry:
Obrázek 16: Frekvenční parametry od shora: 1)VLF 2)LF 3)HF
41
Obrázek 17: Frekvenční parametr LF/HF
Frekvenční parametry jsou počítány po 256 sekundách. Charakterizují frekvenční spektrum v jednotlivých úsecích. Podobně jako u časových parametrů ani zde není vidět nějaké zajímavé závislosti se spánkovými stavy.
Pro posouzení úspěšnosti vytvořené metody používající DFA analýzu předkládám na dalších stránkách porovnání jiných zpracovaných signálů s odpovídajícími spánkovými hypnogramy získanými ze spánkové laboratoře. Z těchto obrázků (18, 19, 20) vyplývá že metoda není zatím příliš přesná, ale velmi často z ní dostáváme zajímavé výsledky.
42
Obrázek 18: Porovnané výstupy DFA s odpovídajícími hypnogramy(signály 025s04, 026s04)
43
Obrázek 19: Porovnané výstupy DFA s odpovídajícími hypnogramy (signály 027s04, 022p04)
44
Obrázek 20: Porovnaný výstup DFA s odpovídajícím hypnogramem (signál 025p04)
Jak je vidět na obr.20 oba grafy mají lokální maxima a minima přibližně ve stejných místech. Rostoucí a klesající části se sebou poměrně korespondují.
6. Závěr Tato práce se zabývá problematikou spánku a detekcí spánkových stavů z EKG. V současné době je klinické zkoumání spánku poměrně obtížné a finančně náročné, proto je důležité tyto metody zjednodušit a zpřístupnit co nejvíce lidem trpícím poruchami spánku, kterých v součastné době stále přibývá. V první části práce je popsána historie spánkového výzkumu a výsledky, ke kterým vědci došli. Popisuje fáze spánku, spánkové mechanizmy, funkci spánku a další podrobnosti. V druhé části jsou popsány poruchy a choroby, které se spánkem souvisí. Ve třetí části je rozbor DFA analýzy a následně následuje samotná aplikace vytvořené metody používající DFA na data získané ze spánkové laboratoře. 45
Tato metoda je pro detekci spánkových stavů nestandardní, navíc aplikovaná jenom na signál EKG, proto nebylo jasné jak použitelné budou výstupy. Nejprve jsem ověřil její funkčnost na uměle vytvořených signálech. U pravidelného signálu s lineárně rostoucí frekvencí velice dobře určila trend. Výstup je rostoucí, přičemž tempo růstu postupně klesá. Při exponenciálním růstu frekvence by byl výstup lineárně rostoucí. Poté jsem aplikoval vytvořenou metodu na spánkové EKG. Analýza se pouští na jednotlivých úsecích, na které je rozdělen vstupní signál. Délka těchto úseků je velmi důležitá. Signál jsem rozdělil po 16 sekundových intervalech, které se v polovině překrývaly. Výstupy z analýzy jsou poměrně zajímavé. Při porovnání se spánkovým hypnogramem, získaným z laboratoře, křivky často korespondují. Jak je vidět na obr.20 mají stejná lokální maxima a minima. Také podobně rostou a klesají. Problém je že u části signálů nejsou výsledky zase tak dobré. Nakonec jsem podle zadání porovnal některé časové a frekvenční parametry. Porovnání se spánkovými stavy nepřineslo žádné zvlášť zajímavé výsledky. Průběhy příliš neodpovídaly hypnogramu. Tato problematika je velmi náročná a rozsáhlá, proto je důležité v práci pokračovat a zdokonalovat ji. Výsledky této práce se dají označit jako “nadějné“. Kdyby se v budoucnu daly detekovat pomocí této metody spánkové stavy z EKG, byl by to způsob výrazně výhodnější než stávající metody a měl by přínos pro velkou část populace.
7. Literatura [1] A.L. Loomis, E.N. Harvey, and G.A. Hobart. Cerebral States During Sleep, as Studied by Human Brain Potentials. J. Exp. Psychol., 21:127-144, 1937. [2] E. Aaserinsky and N. Kleitman. Regularz Occuring Periods of Eye Motility, and Concomitant Phenomena, During Sleep. Science, 118:273-274, 1953 [3] M. Teplan. Fundaments of EEG measurement. Measurement Science Review, 2:1-11, 2002. [4] A. Rechtshaffen, A. Kales, and (Eds.). A Manual of Standardized Terminology, Techniques and Scoring Systém for Sleep Stages Subject. US Government Printing Office, National Institute of Health Publication, Washington DC, 1968. [5] D.-L. Himanen. Anew Visual Adaptive Scoring Systém for Sleep Recordings. Electronic dissertation, Acta Electronica Universitatis Tamperensis, 61, 2000. 46
[6] M.G. Terzano et al. Altas, rules, and recording techniques for the scoring of cyclic alternating pattern (CAP) in human sleep. Sleep Medicine, 2:537-553, 2001 [7] P.Halász, M. G. Terzano, L. Parrino, and R. Bódisz. The nature of arousal in sleep. J. Sleep Res., 13:1-23, 2004. [8] K.Sakai and S. Crochet. A neural mechanism of sleep and wakefulness. Sleep and Biological Rythms, 1:29-42, 2003. [9] WWW.Sleep Study URL: http://www.sleepstudy.org [10] J.Horne. The Phenomena of Human Sleep. Karger Gazette, 1997. [11] A. Rechtschaffen and J.M. Siegel. Sleep and Dreming. In: Principles of Neuroscience. Edited by E.R. Kandel, J.H. Schwartz and T.M. Jessel. McGraw-Hill, New York, 2000. [12] Zi-Jian Cai. Function of Sleep: Further Analysis. Physiology Behavior, 50:53-60, 1989. [13] R. Huber, Ghilardi M.F., M. Massimini, and G. Tononi. Local sleep and learning. Nature, 430(6995):78-81,2004. [14] K. Doghramnij, M. Mitler, et al. A Normative Studz of the Maintenance of Wakefulness Test (MWT).Electroncephalogr. Clin. Neurophysiol., 103:554-562, 1997. [15] S. Daan, D. G. M. Beersma, and A.A.Borb'ely. Timing of human sleep> recovery process gated by a circadian pacemaker. Am. J. Physiol., 246:161-178, 1984. [16] S. Robrts and L. Tarassenko. New method of automated sleep quantification. Med. Biol. Eng. Comput., 30>509-517, 1992. [17] P.Achermann and A.A. Borbély.Mathematical Models of Sleep Regulation. Frontiers in Bioscience,8:683-693, 2003. [18] A.A. Borbély, F. Baumann, D. Brandeis, I. Strauch, and D. Lehmann. Sleep Deprivation: Efect on Sleep Stages and EEG Power Densitz in Man. Elelctroencephalogr. Clin. Neurophysiol., 51:483-493, 1981. [19] American Sleep Disorders Association (1997). International Classification of Sleep Disorders, Revised: Diagnostic and Coding Manual. American Sleep Disorders Association, Rochester,MN. [20] Douglass, A., Bornstein, R., and Nino-Murcia, G. (1986). Sleep Disorders Questionnaire. Univ. of Michigan Press, Ann Arbor. [21]Guilleminault, C., Mignot, E., and Grumet, C. (1989). Family study of narcolepsy. Lancet. 11, 1376.
47
[22] Hoddes, E., Dement, W. C., and Zarcone, V. (1972). The development and use of the Stanford Sleepiness Scale (SSS). Psychophysiology 9, 150. [23]Johns, M. W. (1991). A new method for measuring daytime sleepiness: The Epworth Sleepiness Scale. Sleep 14, 540–545. [24] M. Gandhimohan, C.-K. Viswanathan, H. Peng, E. Stanley, A.L. Goldberger, Deviations from uniform power law scaling in nonstationary time series, Phys. Rev. E 55 (1997) 845–849. [25] P. Ch. Ivanov, M.G. Rosenblum, C.-K. Peng, J. Mietus, S. Havlin, H.E. Stanley, A.L. Goldberger, Scaling behavior of heartbeat intervals obtained by wavelet-based time-series analysis, Nature 383 (1996) 323–327. [26] S.V. Buldyrev, A.L. Goldberger, S. Havlin, C.-K. Peng, H.E. Stanley, in: A. Bunde, S. Havlin (Eds.), Fractals in Science, Springer, Berlin, 1994, pp. 48–87. [27] T. Kobayashi, S. Madokoro, T. Ota, H. Ihara, Y. Umezawa, J. Murayama, H. Kosaka, K. Misaki, H. Nakagawa, Analysis of the human sleep electroencephalogram by the correlation dimension, Psychiatry Clin. Neurosci. 54 (3) (2000) 278–279. [28] J. Fell, J. Roschke, K. Mann, C. Schaffner, Discrimination of sleep stages: a comparison between spectral and nonlinear EEG measures, Electroencephalogra Clin. Neurophysiol. 98 (5) (1996) 401–410. [29] C.-K. Peng, S. Havlin, H.E. Stanley, A.L. Goldberger, Quantification of scaling exponents and crossover phenomena in nonstationary heartbeat time series, Chaos 5 (1995) 82–87. [30] J. Beran, Statistics for Long-Memory Processes, Chapman & Hall, New York, 1994.
8. Příloha A.1 Zdravotní anamnéza Je zapotřebí vyhodnotit významné zdravotní, neurologické a psychiatrické obtíže, protože tyto stavy nepříznivě ovlivňují spánek. Zdravotní obtíže, jako jsou noční astma, chronické obstruktivní plicní onemocnění, ischémie srdečního svalu (nedostatečné prokrvení) a peptické vředy působí rušivě na spánek; neurologické stavy jako jsou Parkinsonova choroba a další demenční 48
onemocnění, neuropatie, degenerativní artritida (zánět kloubů) páteře a kloubů, onemocnění provázená záchvaty a migrenózní bolesti hlavy ovlivňují spánek podobně nepříznivě. I když může behaviorální a farmakologická léčba podpořit zmírnění příznaků těchto stavů, pečlivé sledování a léčba prvotních pacientových zdravotních problémů pacientovým internistou často prospěje i pacientovu spánku. Pierre Robin, Treacher Collins, hypotyreóza, Cushingův syndrom, akromegalie a Marfansův syndrom jsou onemocnění spojená se syndromem obstruktivní spánkové apnoe. V případě Pierre Robin a Treacher Collins může být nutné provést korektivní chirurgickou operaci na oddělení čelistně-obličejové a ústní chirurgie a upravit tak kraniofaciální (týkající se lebky a obličeje) abnormality, které u pacienta způsobují syndrom obstruktivní spánkové apnoe. U pacienta s podezřením na syndrom obstruktivní spánkové apnoe je nutné znát důležité faktory - provedené extrakce zubů dolní čelisti (příznak malé mandibuly (dolní čelisti), tonsilektomie a adenoidektomie (vynětí nosních a krčních mandlí), plastiky nosní přepážky, rekonstrukce čelistí, úpravy rozštěpu horního patra nebo plastickou úpravu obezity (na snížení hmotnosti). Poranění v blízkosti hlavy mohou mít za následek hypersomnii (nadměrná spavost) nebo vzácně i narkolepsii. Výskyt urémie nebo nízké hladiny železa jsou významné u pacientů s podezřením na syndrom neklidných nohou nebo poruchou s periodickým pohybem končetin; rozpoznání a léčba těchto predispozičních faktorů může přispět ke zlepšení uvedených spánkových poruch. Deprese a bipolární porucha jsou často zjištěny u pacientů, kteří uvádějí nadměrnou denní ospalost nebo insomnii; pacienti se sezónní afektivní poruchou mohou pociťovat zvýšenou potřebu spánku a významné posunutí času ranního probuzení. Pacienti s diagnózou posttraumatického stresu nebo ti, kteří byli v minulosti vystaveni významnému traumatu, týrání nebo stresu mohou trpět celoživotní insomnií (nespavostí). Úzkost, panika a psychotické poruchy mohou mít značný vliv na spánek a vyústit v insomnii. Pacientovi často pomůže účinným způsobem zvládat poruchu spánku a koexistující psychiatrický problém společný přístup odborníků na spánek a psychologů nebo psychiatrů. Pacienti s insomnií často brali různá hypnotika, která jsou dostupná na předpis i bez něj; jak bylo uvedeno výše, je porucha spánku z užívání hypnotik u pacientů poměrně běžná. Není rovněž vzácností, že tito pacienti nadměrně užívají stimulující léky, od volně prodejných léků na potlačení chuti k jídlu až po stimulující léky, jako jsou pemolin, methylphenidat a amphetamin, pro potlačení denní únavy. Pacienti s poruchami doprovázenými nadměrnou denní ospalostí (např. syndrom obstruktivní spánkové apnoe a porucha s periodickým pohybem končetin) mohou rovněž zneužívat tyto stimulující látky. Podávání léků, které se používají pro 49
léčbu astmatu a chronického obstruktivního onemocnění plic, mohou samy o sobě přerušit spánek, zejména deriváty xanthinu, jako je theophyllin. Je důležité zjistit všechny léky a látky, které pacient aktuálně užívá; například léky proti kašli mohou obsahovat alkohol, který může vyvolávat přerušovaný spánek, a bylinné přípravky mohou obsahovat látky navozující spánek, např. melatonin.
A.2 Rodinná anamnéza Existuje několik poruch spánku, u kterých se předpokládají rodové nebo genetické vlivy. Podařilo se identifikovat genetické znaky pro narkolepsii. HLA DQB1-0602 je nejcharakterističtější HLA znak (marker) ovlivňujících narkolepsii ve všech etnických skupinách; ale výskyt tohoto haplotypu (ucelená sada HLA genů) sám o sobě nepostačuje pro diagnózu narkolepsie ani se ve všech případech narkolepsie nemusí vyskytovat. Existují důkazy, že syndrom nepokojných nohou, porucha s periodickým pohybem končetin, noční pomočování, noční děsy, náměsíčnost, chrápání a syndrom obstruktivní spánkové apnoe mohou být ovlivněny výskytem v rodině. Proto pacienti, u nichž jsou jeden nebo oba rodiče nebo sourozenci postiženi těmito poruchami, mohou být v porovnání s jedinci, u kterých se tato stavy v rodině nevyskytují, ve větší míře ohroženi rozvinutím těchto poruch. Lékařova znalost pacientovy rodinné anamnézy, týkající se poruch spánku, může napomoci při stanovení správné diferenciální diagnózy pacientova onemocnění a ve zvláštních případech může být velmi užitečné (např. u pacienta, který je vyšetřován na syndrom nepokojných nohou, a který má syna trpícího insomnií, je žádoucí vyšetřit také syna na výskyt syndromu nepokojných nohou).
A.3 Sociální anamnéza Je nutné podrobně vyšetřit vliv pacientových spánkových problémů na jeho život. U dětí nadměrná denní ospalost často ovlivňuje jejich výkon ve škole; může proto být nezbytné, aby škola během vyučování umožnila zdřímnutí a současně podávat stimulující léky. Dospělí pacienti s nadměrnou denní ospalostí nebo lidé, kteří pracují na směny, mohou být přijati do práce na 50
zkušební dobu nebo jim může být přiznána pracovní neschopnost. Může se také ukázat, že je nutné se pacienta v těchto situacích zastat, zejména je-li do značné míry ovlivněn pacientův výkon ve škole nebo v práci. Vedle toho může pacientovo hlasité chrápání nebo snížené libido v důsledku syndromu obstruktivní spánkové apnoe vyvolat napětí v pacientově manželském vztahu. Ohrožuje-li však pacienta ospalost během řízení nebo při obsluze zařízení v těžkém strojírenství, je žádoucí urychleně stanovit diagnózu a zahájit léčbu základní spánkové poruchy. V případech, kdy pacient již v minulosti usnul za volantem nebo u něho při řízení existuje zvýšené riziko ohrožení sebe sama nebo dalších účastníků provozu, lékař by měl uvědomit státní zdravotnické zařízení (/ministerstvo zdravotnictví), které uvědomí příslušný odbor spravující řidičská oprávnění a to zváží, zda pozastaví platnost pacientova řidičského oprávnění až do doby, kdy bude pacientova denní ospalost účinně léčena. Nadměrné užívání kofeinu může mít za následek potíže s usínáním a udržením nepřerušovaného spánku. Pacient může také užíváním kofeinu krýt nadměrnou denní ospalost vyvolanou jinými příčinami, například syndromem obstruktivní spánkové apnoe. Nadměrné užívání tabáku může mít za následek chronické obstruktivní plicní onemocnění, které zase může vyústit v noční probouzení vyvolané kašlem nebo dušností. Nikotin, jako stimulující látka, může rovněž zapříčinit insomnii. Pití alkoholu má často za následek zkrácený, přerušovaný spánek, který nepřináší regeneraci sil. U pacientů s nepravidelným dýcháním během spánku může alkohol přispívat ke zhoršení abnormálních dechových událostí a způsobovat cyklická zhoršení, při kterých u pacienta postupně dochází k přerušování spánku a denní ospalosti. Užívání nezákonných stimulujících látek, halucinogenů a hypnotik může do značné míry ovlivnit spánek; chronické užívání jedné nebo více látek z těchto skupin léků (drog) vyvolává chronickou insomnii.
A.4 Přehled systémů Úplný přehled systémů často poskytne důkazy, ze kterých vyplývají primární zdravotní problémy, které jsou zdrojem pacientovi poruchy spánku nebo mohou odhalit další symptomy (příznaky), které mohou lékaři pomoci při stanovení diagnózy týkající se spánku. Významná ucpání nosu a obstrukce (překážky omezující průchodnost dýchacích cest) během sezóny výskytu alergií a nedávné zvýšení hmotnosti mohou u pacientů zvýšit riziko vyvinutí syndromu obstruktivní
51
spánkové apnoe. Obtíže při obstruktivní apnoe a letargie (apatie), zácpa, snížená tolerance na chlad, svalové křeče a ztuhlost, menorrhagie (silné menstruační krvácení), snížení intelektuální a motorické aktivity, snížená chuť k jídlu, přibírání na váze, suchá pokožka a vypadávání vlasů jsou indikcí pro diagnózu hypotyreózy (snížená funkce štítné žlázy). V takovém případě je pro potvrzení důležité provést laboratorní testy, protože pacientova spánková apnoe se může zdárně vyřešit podáváním náhradních hormonů štítné žlázy. Dýchací (dyspnoe / dušnost) a srdeční (palpitace (pocit bušení srdce), angína a noční paroxysmální dyspnoe) typicky vyúsťují v noční probouzení a mohou naznačovat dosud nerozpoznaný syndrom obstruktivní spánkové apnoe. Gastroesophageální reflux (vracení obsahu žaludku do jícnu), který bývá doprovázený příznaky syndromu obstruktivní spánkové apnoe, může sám o sobě způsobovat noční probouzení vyvolané epizodami dušení a říhání během noci. Bolesti vyvolané ischiasem, bederním blokádou nebo onemocněním meziobratlových destiček může narušovat spánek. Citlivost zubů na studené nebo časté bolesti spánko-čelistního kloubu po probuzení může být příznakem bruxismu (skřípání zuby), který může vyvolávat přerušování pacientova spánku. Těhotenství, urémie (krev v moči) a nedostatek železa mohou být rizikové faktory pro vznik syndromu nepokojných nohou nebo poruchy s periodickým pohybem končetin. Noční močení, často v důsledku nezhoubné hypertrofie (zbytnění) prostaty nebo nestabilita detrusoru (hladké svalstvo močového měchýře) v pozdějším věku být příčinou nočního probouzení. Na noční močení si však běžně mohou stěžovat i pacienti, kteří se budí v důsledku spánkových poruch, jako jsou syndrom obstruktivní spánkové apnoe nebo porucha s periodickým pohybem končetin; tito pacienti se často mylně domnívají, že se vzbudili proto, že měli nucení na močení spíše než v důsledku nepravidelného dýchání ve spánku nebo pohybu nohou.
A.5 Fyzické vyšetření Kompletní a důkladné fyzické vyšetření je důležité při stanovení diferenciální diagnózy nebo pro potvrzení specifické diagnózy. Změření výšky a hmotnosti je důležité pro stanovení indexu tělesné hmotnosti [BMI; hmotnost (kg) / výška (m2)] popsaného Khoslou; pacienti s BMI vyšším než 25 jsou považování za obézní, ačkoliv by se měly brát v úvahu i tělesná konstituce a tělesný tuk. Toto je důležité u pacientů, u kterých je podezření na syndrom obstruktivní spánkové apnoe, i když
52
přibližně 30 – 67 % se syndromem obstruktivní spánkové apnoe je obézních. Dechová a tepová frekvence a krevní tlak jsou důležité ukazatele pro stanovení kardiopulmonárního stavu a vlivu poruch jako jsou poruchy dýchání ve spánku na srdeční a respirační systém. Vyšetření hlavy je důležité pro vyhodnocení poruch dýchání ve spánku. Kraniofaciální abnormality (týkající se lebky a obličeje), dozadu posunutá mandibula (dolní čelist) a vysoké, klenuté měkké patro jsou charakteristické pro syndrom obstruktivní spánkové apnoe. Morfometrický model, který nedávno vyvinul Kushida a kolegové, umožňuje předpovídat syndrom obstruktivní spánkové apnoe na základě měření těchto typických kraniofaciálních rysů. Hypertrofovaná (zvětšená) adenotonsilární tkáň (tkáň mandlí), zejména u dětí, klade zvýšený odpor proudícímu vzduchu a to může mít za následek poruchy dýchání ve spánku. Redundantní (nadměrná, zvětšená), erematózní (zarudlá) a edematózní (oteklá) peritonsilární tkáň (v okolí mandlí), prodloužený a masivní čípek a / nebo zadní stěna jícnu zakrytá prodlouženým měkkým patrem nebo prodlouženým jazykem se typicky vyskytují u pacientů s chrápáním, syndromem obstruktivní spánkové apnoe nebo syndromem zvýšeného odporu horních cest dýchacích (mírnější varianty syndromu obstruktivní spánkové apnoe). Vychýlená nosní přepážka a erematózní a edematózní (zarudlá a oteklá) sliznice nosu může být predispozicí pro rozvoj poruchy dýchání ve spánku; tyto faktory mohou rovněž zhoršit existující stav syndromu obstruktivní spánkové apnoe. Jak popsal Young a kolegové, obvod krku přesahující 43 cm je spojen s vyšší pravděpodobností výskytu syndromu obstruktivní spánkové apnoe u lidí, kteří pravidelně chrápají, ale tento faktor sám o sobě v žádném případě není nezbytným předpokladem ani nepostačuje pro stanovení této diagnózy , protože přesný vztah mezi obvodem krku a tělesnou hmotností není znám a ne všichni pacienti se syndromem obstruktivní spánkové apnoe jsou obézní. Vyšetření štítné žlázy může umožnit diagnostiku strumě („vole“) podobné varianty hypotyreózy, která může vyústit v obstruktivní spánkovou apnoe. Vyšetření tlaku a tepu v krčních (jugulárních) cévách může poskytnout doplňující informace o kardiovaskulárním stavu pacienta s podezřením na obstruktivní spánkovou apnoe. Vyšetření hrudníku a plic poslechem je důležité pro zjištění dušnosti a vymezení proudění vzduchu, které může prokázat spánkové astma nebo chronickou plicní chorobu, které obě mají za následek noční probouzení. Srdeční impuls se zvětšenou amplitudou, prodlouženým trváním a umístěný ve třetině, čtvrtině nebo pětině intervalu a subxifoidní (mečovitý?) se vyskytuje u
53
pacientů se zvětšenou pravou komorou v důsledku plicní hypertenze (vysoký tlak), pozdního následku syndromu obstruktivní spánkové apnoe. Čtvrtá pravostranná srdeční ozva a zvuk vypuzení z plic, který je nejlépe slyšet ve druhém a třetím levém intervalu, jsou charakteristické pro zvětšení pravé komory. Vyšetření břicha může odhalit zvětšení jater, které naznačuje spánkové poruchy vyvolané alkoholem nebo toxiny. Ohraničená nebo difúzní bolestivost svalů může být příznakem fibromyalgie, která může vyvolávat chronickou únavu a spánek, který nepřináší regeneraci sil. Degenerativní onemocnění kloubů, které má za následek bolestivost a záněty kloubů a omezení rozsahu hybnosti, může způsobovat přerušovaný spánek. Digitální vyšetření rekta (konečníku) může odhalit zvětšení prostaty u pacientů, kteří udávají noční močení. U mužských pacientů, kteří si stěžují na impotenci, se přeměří kořen a špička penisu pro porovnání v testu, zda u pacienta dochází k nočnímu ztopoření; takto se rozliší fyziologické versus psychologické příčiny impotence. Vyšetření mentálního stavu může vyhodnotit krátkodobou paměť a soustředění, které jsou snížené u osob s nedostatkem spánku, jako v případech nepravidelného dýchání ve spánku nebo poruchy s periodickým pohybem končetin. Úzkostné, maniakální nebo depresivní stavy mohou napomoci při diagnóze primární psychiatrické poruchy ovlivňující spánek. Změny v řeči a smyslovém vnímání mohou znamenat chronické zneužívání drog. Změny v koordinaci, svalové síle a reflexech mohou vedle změn mentálního stavu poukazovat na degenerativní nebo demenční onemocnění. Bolesti v zádech a bolestivost může být důležitou příčinou insomnie; tyto příznaky, v kombinaci s bolestmi nohou, parestéziemi (neobvyklé pocity) a slabostí, mohou poukazovat na periferní neuropatii, která může v noci budit pacienta. Ohraničené neurologické poruchy kombinované s výskytem neobvyklých pohybů v noci mohou naznačovat lézi (poškození) nebo mrtvici (ochrnutí) s následnými nočními záchvaty.
A.6 Diagnostické testy Diagnostické
testy
často
pomáhají
při
potvrzení
pacientovy
předběžné
diagnózy.
Polysomnografické testy mohou být použity pro potvrzení výskytu spánkových poruch, zejména těch, které přerušují spánek, například syndrom obstruktivní spánkové apnoe, noční děsy nebo
54
náměsíčnost, noční epilepsie nebo porucha s periodickým pohybem končetin. Tento test lze použít i pro stanovení závažnosti stavu podle frekvence výskytu abnormálních událostí během nočního sledování nebo za hodinu sledovaného spánku. Sledovaný subjekt je napojen na elektrody, které během noci měří aktivitu mozku, očí, srdce a brady a svalů na nohách a zároveň měří intenzitu chrápání, proudění vzduchu v nose a ústech a břišní zdvih (nebo odpor?) a saturaci kyslíkem. Jícnová manometrie pomáhá při měření přeneseného nitrohrudního tlaku nebo zjištění námahy spojené s dýcháním; toto měření tlaku může napomoci při diagnostice méně závažných spánkových poruch dýchání, například syndromu zvýšeného odporu horních cest dýchacích. Stanovení míry denní ospalosti lze objektivně měřit pomocí testů, jako je vícečetný test spánkové latence, ve kterém se tendence subjektu usínat stanoví pomocí polysomnografie v pěti denních zdřímnutích po 20 minutách, s 2 hodinovou pauzou mezi jednotlivými zdřímnutími. Tento test lze použít pro potvrzení diagnózy narkolepsie, ve které leží střední spánková latence (průměr časů od zhasnutí světel do usnutí, měřeno v pěti zdřímnutích) v oblasti patologické ospalosti (méně než 5 minut) a REM spánek se vyskytuje ve dvou nebo více zdřímnutích. Během celého dne testování se získává toxikologický obraz moči a je zaměřen na zjištění přítomnosti léků nebo látek, které mohou ovlivňovat výsledky testu. Test s udržováním v bdělém stavu používá stejné vybavení a časový plán, až na to, že vyšetřovaný subjekt sedí a má nařízeno odolávat spánku. Pupilografie (měření zornic) a nepřetržité polygrafické monitorování jsou další metody, které se v menší míře používají ke stanovení denní ospalosti, a testy bdění jako je úkol psychomotorického bdění, používají někteří badatelé. Mezi další testy používané odborníky na spánek, které pomáhají při diagnostice specifických spánkových poruch, jsou testy plicních funkcí pro pacienty s astmatem nebo chronickou obstruktivní plicní chorobou; testy funkce štítné žlázy pro pacienty s obstruktivní spánkovou apnoe a symptomy hypotyreózy (snížené funkce štítné žlázy); testy funkčnosti ledvin a hladin železa, které jsou užitečné při určení syndromu nepokojných nohou; typování HLA, užitečné při diagnóze narkolepsie s použitím znaků (markerů) jako HLA-DQB1-0602; aktigrafie neboli detekce aktivity, většinou pomocí zařízení, které se připíná na zápěstí a používá se pro vyhodnocení insomnie, nevědomých spánků nebo poruch denního rytmu; monitorování kamerou a elektroencefalografe při nedostatku spánku napomáhá při diagnostice nočních záchvatů; a test nočního ztopoření penisu pro rozlišení fyziologické a psychologické impotence.
55
B Časové a frekvenční parametry u dalších signálů
Obrázek 21: Časové parametry od shora: 1)SDNN 2)SDSD 3) Hrmean (signál 025p04)
56
Obrázek 22: Časové parametry od shora: 1) NN50 2) pNN50 3) RMSSD (signál 025p04)
57
Obrázek 23: Časové parametry od shora: 1)SDNN 2)SDSD 3) Hrmean (signál 026s04)
58
Obrázek 24: Časové parametry od shora: 1) NN50 2) pNN50 3) RMSSD (signál 026s04)
59
Obrázek 25: Časové parametry od shora: 1)SDNN 2)SDSD 3) Hrmean (signál 026s04)
60
Obrázek 26: Časové parametry od shora: 1) NN50 2) pNN50 3) RMSSD (signál 026s04)
61
Obrázek 27: Frekvenční parametry od shora: 1)VLF 2)LF 3)HF (signál 025p04)
62
Obrázek 28: Frekvenční parametry od shora: 1)VLF 2)LF 3)HF (signál 025s04)
63
Obrázek 29: Frekvenční parametry od shora: 1)VLF 2)LF 3)HF (signál 026s04)
64
Obrázek 30: Frekvenční parametr LF/HF (signály 025p04 a 025s04)
65
Obrázek 30: Frekvenční parametr LF/HF (signál 026s04)
66
