DE19649991A1 - Verfahren zur Ermittlung von Schlaf- und Wachprofilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ambulanten Diagnose von Schlaf­ störungen und deren Auswirkungen auf den Tag sowie ein System zur Überwachung und Wiedergabe von Schlaf- und Wachprofilen, das sowohl im Vorfeld ärztlicher Diagnose als auch im ärztlichen Einsatz auf der Basis von elektroenzephalografisch erfaßten Körperpotentialen erfolgen kann. Es ist hinreichend bekannt, daß der Schlaf eine der wichtigste Erholungsphasen im Alltagsleben darstellt. Obwohl das so ist, wird für gewöhnlich dennoch versucht, die Schlafqualität aus rein subjektiver Sicht zu beurteilen. Das ist nicht nur inkorrekt sondern zu dem auch schwierig und mit vielerlei Problemen behaftet. Häufig steht dadurch dem Arzt kein reales Bild für eine adequate Behandlung zur Verfügung. Für die komplexe Diagnose von Schlafstörungen steht derzeit nur eine objektive, allerdings komplex gehandhabte Methode, die sog. elektrophysiologische Schlafpolygrafie, zur Verfügung. Diese ist durchweg an ein Schlaflabor gebunden wie man es in schlafmedizinischen Zentren vorfindet und damit zur Ermittlung von Schlafprofilen für den allgemein praktizierenden Arzt nicht zugänglich. In Spezialkliniken für Neurologie bzw. Psychiatrie finden ferner psychodiagnostische Methoden Anwendung, um die Schlaflosigkeit zu diagnostizieren. Diese Methode gestattet jedoch nur die Erfassung von subjektiven Daten. Andere Geräte, wie Aktometer registrieren lediglich Körperbewegungen. Dies ist für eine sichere Diagnostik sich nicht ausreichend. So ist vielfach der niedergelassene Arzt nur auf die Anamnese als diagnostische Methode zur Aufklärung und Diagnostizierung von Schafstörungen angewiesen. Erschwerend kommt hinzu, daß die Diagnostizierung häufig auf nichtkontrollierbaren Aussagen des Patienten angewiesen ist.

So erhalten mitunter solcherart gewonnene Erkenntnisse einen zweifelhaften Wert.

Beim gegenwärtigen Stand der Forschung und Therapie werden zur Sicherung der Diagnose chronischer und schwerer Schlafstörungen nachts polygraphische Ableitungen in hierfür besonders eingerichteten und von der Deutschen Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin (DGS) akreditierten Laboren durchgeführt. Zur Betreuung der Labore ist geschultes und erfahrenes Personal erforderlich. Dies sind vor allem Polygraphieassistenten und Schlafstadienscorer. Letztere führen eine visuelle Schlafstadienklassifikation entsprechend der Regeln von Rechtschaffen und Kales aufgrund wenigstens einer zentralen EEG-Ablei­ tung, einer EMG- und EOG Ableitung durch. Da diese Untersuchungen in einem Schlaflabor durchgeführt werden, sind sie sehr kostenintensiv.

Deswegen ist es in zunehmenden Maße erforderlich, daß für Patienten, bevor sie in ein aufwendiges Schlaflabor überwiesen werden, eine Vordiagnostik erstellt wird. Der gegenwärtige Stand der Vordiagnostik besteht in dem Beantworten der Fragen eines von der DGS empfohlenem Fragebogens zu den subjektiven Angaben über die Vorgeschichte der Schlafanamnese insbesondere zu der Art der Schlafstörungen. In einer Reihe von Fällen wird die Vordiagnostik mit einem ambulanten Aktometer vorgenommen. Dieser registriert die Bewegungen des Armes und gibt somit Auskunft über Aktivitäts- und Ruhephasen.

Diese Methode kann den modernen Ansprüchen einer gesicherten Vordiagnostik nicht genügen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß mit der Ausnahme der schlaf­ medizinischen Kliniken derzeit eine nur unzureichende Diagnostizierung und Therapie von Schlafstörungen realisierbar ist.

Als weitere nachteilige Umstände kommen hinzu, daß die klinischen Verfahren und Geräte recht kostenintensiv und der Bedienung durch Fachkräfte vorbehalten sind. Sie sind deshalb einer verbreiterten Anwendung, schon aus Kostengründen, nicht zugänglich. So besteht in den betroffenen Bereichen der medizinischen Diagnostik das dringende Anliegen, eine technische Lösung für die Evaluierung von Schlaf- und Wachstadien verfügbar zu haben, mit der eine ambulante Klassifikation hoher Qualität und Quantität durchführbar ist. (DE-PS 41 10 049; DE-OS 42 30 084; DE-GM 90 10 513.3; DE-OS 43 29 946; DE-GM 94 15 557.7)

Die technische Zielstellung sowie die erfindungsgemäße Aufgabe besteht demnach darin, ein praktisches und von jedem Patienten einfach zu bedienen­ des Verfahren mit zugehöriger Gerätetechnik zu entwickeln, welches Schlaf­ profile erstellt und damit dem Arzt eine rasche und objektive Auskunft über die Qualität der Nacht- bzw. Schlafruhe gewährt. Dabei soll das Geräteteil aber auch für jedermann einfach zu handhaben sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Anwendung des in den Patentan­ sprüchen charakterisierten Arbeitsverfahrens mit zugehöriger Gerätetechnik gelöst. Das Kernstück der Erfindung besteht dabei darin, daß die Diagnostik unter Anwendung von nun mehr drei Elektroden mit Hilfe einer automatischen Schlafstadienklassifikation erfolgt. Die Klassifizierung erfolgt durch neuronale Netze, welche mit Hilfe eines Parallelrechners trainiert wurden. Nach Erkennung der Schlafmuster werden die Schlafprofile automatisch generiert. Bei bisher ambulant eingesetzten Geräten ist es erforderlich, daß die Patienten zum Schlaflabor kommen oder ein Fachassistent die Wohnung des Patienten aufsucht, um die Elektroden fachgerecht anzulegen. Außerdem ist es bei den verfügbaren ambulanten Geräten notwendig, daß die Schlafstadienklassifikation wiederum extern durch einen Experten erfolgen muß. Mit dieser neuartigen automatischen Erkennung von Schlafmustern wird in der Schlafmedizin ein Qualitätssprung erreicht, der in der internationalen Schlafforschung bei Diagnose und Therapie neue Maßstäbe setzt.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise und dem zugehörigen Geräte­ system kann eine wesentlich einfachere und bessere Vordiagnostik erreicht werden.

Der Patient ist in der Lage, in seiner gewohnten Umgebung eine Schlafnacht selbst abzuleiten. Somit können die subjektiven Angaben durch ein objektives Schlafprofil ergänzt werden. Vorteile im Sinne der Kostenreduktion ergeben sich nicht nur aus dem reduzierten Personalaufwand. Es entfällt auch die Einge­ wöhnungsphase an die veränderten Umgebungsbedingungen des Schlaflabors und die große Anzahl von Elektroden auf dem Schädel und im Gesicht. Da die klinischen Schlafuntersuchungen teuer sind und deshalb nur in sehr begrenztem Umfange von den Kassen übernommen werden können, ist es mit der Erfindung zum ersten Male möglich, alle Patienten mit dem begründeten Verdacht auf eine Schlafstörung entsprechend dem International Code of Sleep Disorders (ICSD) über ein objektives Schlafprofil vorzudiagnostizieren. Dieses ambulante Gerät, welches vorteilhafterweise mit drei Stirnelektroden auskommt, die der Patient dazu noch leicht selber anbringen kann und das ein Schlafprofil automatisch erstellt, ist bisher nicht verfügbar.

Das Gerät, welches derzeitig auf dem internationalen Markt noch kein Gegen­ stück hat, ist nicht nur in der Lage, die Schlafstadien zu klassifizieren, sondern kann auch eine kontinuierliche physiologische Bewertung des Tages vornehmen. Damit können die Schlafstörungen bzw. die Auswirkungen des Nachtschlafes auf das Wachverhalten des nächsten Tages objektiv ausgewiesen werden. Bisher wurde der Nachtschlaf ausschließlich mit physiologischen Methoden, der Tag ausschließlich mit psycologischen Parametern des Verhaltens und der Befindlichkeit erfaßt. Lediglich mit dem sehr aufwendigen Multiple Sleep Latency Test (MSLT) wurden Einschlafverhalten am Tage und die Leistung beurteilbar. Mit dem Gerät sind zum ersten Male für 24 Stunden hinweg EEG-Signale kontinuierlich zu registrieren. Zur Bedienung des Gerätes und zum Einsatz der Elektroden benötigt der Patient keinerlei fachmännische Hilfe. Zwar gab es bisher verschiedene Ansätze, aus EEG-Mustern am Tage im Sinne von Vigilanz und Leistung das Tagesverhalten zu interpretieren (Streitberg et. al. (1987) und Herrmann et. al. (1988)), jedoch fehlte bisher für derartige physiologische Parameter eine Außenvalidierung an Befindlichkeits- und Leistungsmaßen während des Tages, die mit dem vorliegenden Gerät vorgenommen wird.

Die Erfassung des EEG bzw. des Schlafprofils kann in der gewohnten Umgebung des Patienten erfolgen. Nur bei unklaren Ergebnissen oder spezifischen Frage­ stellungen muß der Patient ins Schlaflabor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend kurz vorgestellt. Zur Validierung und Eichung wurden an n = 24 schlafgestörten Patienten zeitlich parallel konventionelle EEG-Ableitungen sowie solche mit dem erfindungsge­ mäßen Gerätesystem durchgeführt. Die nach visuellem Schlafstadienscoring und durch mit Hilfe des Gerätesystems erhaltenen Schlafprofile wurden einer Korrelationsstatistik unterzogen. Als durchschnittlicher Korrelationskoeffizient wurden bisher Werte größer gleich 0.85 errechnet. Damit ergab sich zwischen den konventionellen Schlafprofilen und den durch das erfindungsgemäß generierten Schlafprofilen eine Übereinstimmung, die den international akzeptierten Übereinstimmungsgrad entspricht. Eine solch hohe Über­ einstimmung mit lediglich 3 auf der Stirn selbst angebrachten Elektroden wurde bisher nicht für möglich gehalten.

Die Eichung der durch das neue Gerätesystem automatisch generierten Wach­ stadien erfolgt an Vigilanz, Leistungs- und Befindlichkeitsdaten, die tagsüber erfaßt werden. Dies sind beispielsweise Flimmerverschmelzungsfrequenz, einfache und komplexe Reaktionszeit, Pupillenweite und dergleichen.

Die zugehörigen Abbildungen stellen in

Fig. 1 die Anordnung der Elektroden im Stirnbereich des Probanden; in

Fig. 2 eine mögliche Ausführung zur Halterung der Elektroden an einem an der Stirn zu befestigen den Bandkörper; in

Fig. 3 den Analogteil des Gerätesystems; in

Fig. 4 den Digitalteil des Gerätesystems und in

Fig. 5 eine Aufzeichnung des mit dem Gerätesystem aufgenommenen Schlafprofils dar.

Die in den Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Einzelheiten mit der Anordnung der Elektroden 1; 2 und 3 im Stirnbereich des Probanden und die erfindungsgemäße Ausführung der Elektrodenhalterung für selbstklebende Einwegelektroden bedürfen zu ihrem Verständnis offenbar keiner weiteren Erläuterung.

Ähnlich verhält es sich mit den in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Funktions­ elementen des Gerätesystems. Aus dem Blockschaltbild in Fig. 3 geht hervor, daß die von den Elektroden 1; 2; 3 aufgenommenen hirnelektrischen Signale (EEG-Signale) nach ihrer Vorverstärkung die vorteilhafterweise in einem an der Referenzelektrode 3 angeordneten Verstärker 4 erfolgt, einer Filtereinheit 5, bestehend aus Tiefpaß-, Hochpaß- und Sperrfilter, zugeführt werden.

Anschließend werden die so aufbereiteten Signale über einen Endverstärker 6 dem Digitalteil des Gerätesystems übergeben, wie das in Fig. 4 dargestellt worden ist.

Die Spannungsversorgung erfolgt dabei über eine entsprechende Einheit 7 des Gerätesystems.

Das gefilterte und verstärkte analoge EEG-Signal wird einem Analog-Digital-Umsetzer 8 (ADU) zugeführt und dort digitalisiert.

Im zugehörigen Mikrokontroller 9 werden die digitalisierten Signale einer inhaltsbezogenen Datenverdichtung unterzogen aus der die Merkmale für eine adaptive Klassifikation extrahiert werden.

Die adaptive Klassifikation der Schlafstadien erfolgt hierbei im Mikrokontroller über eine Population künstlicher neuronaler Netze, auf denen entsprechende Modelle regelorientierten Wissens aufsetzen.

Im angeschlossenen EPROM 10 ist die Systemsoftware zur Verfahrensab­ arbeitung gespeichert, während im RAM 11 die Daten zur Klassifikation des Schlafprofils bzw. deren Merkmale zur Klassifikation enthalten sind.

Natürlich besteht die Möglichkeit, über eine standardisierte serielle Schnittstelle 12 das erfindungsgemäße Gerätesystem über einen Lichtwellenleiter 13 an einen Personalcomputer anzuschließen.

Das Gerätesystem ist zweckmäßig mit einer Tastatur 14 und einem Display 15 ausgestattet.

Das in Fig. 5 dargestellte Schlafprofil mit den kennzeichnenden bzw. relevanten Daten spricht für sich und gibt dem untersuchenden Fachmann all jene Auf­ schlüsse, die für eine bestimmte Therapie maßgebend sind.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erkennung und Sichtbarmachung des Schlaf- und Wachprofils mit Hilfe von am Kopf angebrachten Elektroden und der Weiterverarbeitung der hirnelektrischen Signale in ein autonom arbeitendes Gerätesystem, gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte und Merkmale

• - für die Erfassung der hirnelektrischen Signale findet lediglich eine am vorderen Kopfteil, vorzugsweise im Stirnbereich angebrachte Referenzelektrode Verwendung, der eine oder mehrere, vorzugsweise zwei, Elektroden zugeordnet sind; Selbstapplikation durch Patienten ist möglich;
• - die von den Elektroden aufgenommenen Signale werden einem, an einer der Elektroden angeordneten, für alle gemeinsam wirkenden Verstärker zugeführt;
• - die verstärkten Signale werden in ein autonom arbeitendes Gerät überführt und dort analog gefiltert, verstärkt und digitalisiert;
• - die digitalisierten Signale werden einer inhaltsbezogenen Datenver­ dichtung unterzogen aus der die Merkmale für eine adaptive Klassifikation extrahiert werden, wobei die maschinell extrahierten Merkmale speziell und epochebezogen einbezogen werden;
• - daß die adaptive Klassifikation der Merkmale durch eine Population künstlicher extern trainierter neuronaler Netze erfolgt;
• - die Verwendung von Modellen regelorientierten Wissens werden genutzt, um den Kontext der Epochen in die Klassifikation einzubeziehen.

2. Gerätesystem zur Ausführung des Vorhabens nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch

• - eine Analogkomponente, bestehend aus
• - Hoch- und Tiefpaßfilter sowie einem
• - Sperrfilter für 50 Hz und einer
• - Digitalkomponente, bestehend aus
• - einer Meßwertaufnahme,
• - einer Speichereinheit sowie
• - einer Analyseeinheit
  die mikroprozessorgesteuert ausgeführt sind und wobei die Digital­ komponente mit einer potentialfreien PC-Schnittstelle durch ein Lichtleitkabel versehen ist.

3. Verwendung des Gerätesystems nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung von Signalen (Potential) sowohl während des Schlafes als auch während des Wachzustandes on-line vorgenommen wird.

4. Gerätesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als selbstklebende Einwegelektroden ausgebildet sind.