Алгоритм классификации фаз и стадий сна у пациентов с хроническими нарушениями сознания на основе логического искусственного интеллекта

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обоснование. Анализ паттернов сна у пациентов с хроническими нарушениями сознания привлекает все большее внимание с точки зрения диагностики, прогноза и терапии тяжёлого повреждения головного мозга. В работе представлено описание программного комплекса на основе экспертной системы искусственного интеллекта, предназначенного для классификации фаз и стадий сна, с учётом особенностей нарушенной корковой ритмики у таких пациентов.

Цель. Разработка специализированного, ориентированного на пациентов с хроническим нарушением сознания, программного комплекса на основе искусственного интеллекта для автоматической классификации фаз и стадий сна с акцентом на выделение сонных веретён, фаз медленного и быстрого сна.

Материалы и методы. Для проверки корректности работы программного комплекса был выполнен анализ ROC-кривых в рамках бинарной классификации медленного сна, быстрого сна и бодрствования.

Результаты. Средняя чувствительность и специфичность алгоритма составляют 87,9 и 70,1 соответственно. Средняя площадь под ROC-кривой — 0,790. Низкую специфичность при высокой чувствительности демонстрирует алгоритм определения фазы быстрого сна, что связано с его графоэлементным сходством с фазой бодрствования, а также нерегулярностью наличия быстрых движений глаз в фазе REM-сна у пациентов с хроническими нарушениями сознания и в то же время с частым присутствием нистагма в состоянии бодрствования. Информация о наличии нистагма, вводимая на старте работы программы, позволила несколько повысить показатели эффективности алгоритма, однако, вероятно, этот аспект нуждается в дальнейшей доработке.

Заключение. Наличие программного комплекса, учитывающего особенности электроэнцефалографии пациентов с хроническими нарушениями сознания и проводящего анализ сна и бодрствования в автоматическом режиме, могло бы не только быть полезным в качестве диагностического инструмента для невролога и сомнолога, но и способствовать более широкому распространению этой методики в клинической практике.

Об авторах

Юлия Юрьевна Некрасова

Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологии

Email: nekrasova84@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4435-8501
SPIN-код: 8947-4230

канд. техн. наук

Россия, 127051, г. Москва, Петровка ул., д. 25, стр. 2

Илья Владимирович Борисов

Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологии

Email: realzel@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5707-118X
SPIN-код: 7800-6446

научный сотрудник

Россия, 127051, г. Москва, Петровка ул., д. 25, стр. 2

Михаил Михайлович Канарский

Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологии

Email: kanarmm@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7635-1048
SPIN-код: 1776-1160

младший научный сотрудник

Россия, 127051, г. Москва, Петровка ул., д. 25, стр. 2

Пранил Прадхан

Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологии; Российский университет дружбы народов (РУДН)

Email: pranilpr@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3505-7504
SPIN-код: 8647-4329

научный сотрудник

Россия, 127051, г. Москва, Петровка ул., д. 25, стр. 2; 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Лариса Алексеевна Майорова

Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологии; Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук

Email: major_@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-5112-7878
SPIN-код: 7383-5144

канд. мед. наук

Россия, 127051, г. Москва, Петровка ул., д. 25, стр. 2; 117485, Москва, ул. Бутлерова, д. 5А

Иван Валерьевич Редкин

Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологии

Email: iredkin@fnkcrr.ru
ORCID iD: 0000-0001-7008-2038
SPIN-код: 1854-9314

канд. мед. наук

Россия, 127051, г. Москва, Петровка ул., д. 25, стр. 2

Виктория Сергеевна Сорокина

Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологии

Автор, ответственный за переписку.
Email: vsorokina@fnkcrr.ru
ORCID iD: 0000-0002-1490-1331
SPIN-код: 3407-1625

младший научный сотрудник

Россия, 127051, г. Москва, Петровка ул., д. 25, стр. 2

Список литературы

  1. Multi-Society Task Force on PVS. Medical aspects of the persistent vegetative state (1) // N. Engl. J. Med. 1994. Vol. 330, № 21. Р. 1499–1508. doi: 10.1056/NEJM199405263302107
  2. Jennett B., Plum F. Persistent vegetative state after brain damage // The Lancet. 1972. Vol. 299, № 7753. Р. 734–737. doi: 10.1016/S0140-6736(72)90242-5
  3. The European Task Force on Disorders of Consciousness, et al. Unresponsive wakefulness syndrome: a new name for the vegetative state or apallic syndrome // BMC Med. 2010. Vol. 8, № 1. Р. 68. doi: 10.1186/1741-7015-8-68
  4. Owen A.M. Detecting Consciousness: A Unique Role for Neuroimaging // Annu. Rev. Psychol. 2013. Vol. 64, № 1. Р. 109–133. doi: 10.1146/annurev-psych-113011-143729
  5. Giacino J.T., et al. Practice guideline update recommendations summary: Disorders of consciousness: Report of the Guideline Development, Dissemination, and Implementation Subcommittee of the American Academy of Neurology; the American Congress of Rehabilitation Medicine; and the National Institute on Disability, Independent Living, and Rehabilitation Research // Neurology. 2018. Vol. 91, № 10. Р. 450–460. doi: 10.1212/WNL.0000000000005926
  6. Giacino J.T., et al. The minimally conscious state: Definition and diagnostic criteria // Neurology. 2002. Vol. 58, № 3. Р. 349–353. doi: 10.1212/WNL.58.3.349
  7. Walker M.P. The role of sleep in cognition and emotion // Ann. N. Y. Acad. Sci. 2009. Vol. 1156. Р. 168–197. doi: 10.1111/j.1749-6632.2009.04416.x
  8. Diekelmann S., Born J. The memory function of sleep // Nat. Rev. Neurosci. 2010. Vol. 11, № 2. Р. 114–126. doi: 10.1038/nrn2762
  9. Van Cauter E., Spiegel K., Tasali E., Leproult R. Metabolic consequences of sleep and sleep loss // Sleep Med. 2008. Vol. 9, Suppl. 1. Р. S23-28. doi: 10.1016/S1389-9457(08)70013-3
  10. Besedovsky L., Lange T., Born J. Sleep and immune function // Pflugers Arch. 2012. Vol. 463, № 1. Р. 121–137. doi: 10.1007/s00424-011-1044-0
  11. Alekseeva E.V., Alasheev A.M., Belkin A.A., Kudrinskikh N.V., Nikov P.N. Prognostic evaluation of sleep in patients in a vegetative state // Anesteziol. Reanimatol. 2010. № 4. Р. 38–42.
  12. Cologan V., Schabus M., Ledoux D., Moonen G., Maquet P., Laureys S. Sleep in disorders of consciousness // Sleep Med. Rev. 2010. Vol. 14, № 2. Р. 97–105. doi: 10.1016/j.smrv.2009.04.003
  13. Kondziella D., et al. European Academy of Neurology guideline on the diagnosis of coma and other disorders of consciousness // Eur. J. Neurol. 2020. Vol. 27, № 5. Р. 741–756. doi: 10.1111/ene.14151
  14. D’Aleo G., Bramanti P., Silvestri R., Saltuari L., Gerstenbrand F., Di Perri R. Sleep spindles in the initial stages of the vegetative state // Ital. J. Neurol. Sci. 1994. Vol. 15, № 7. Р. 347–351. doi: 10.1007/BF02339931
  15. D’Aleo G., Saltuari L., Gerstenbrand F., Bramanti P. Sleep in the last remission stages of vegetative state of traumatic nature // Funct. Neurol. 1994. Vol. 9, № 4. Р. 189–192.
  16. Giubilei F., et al. Sleep abnormalities in traumatic apallic syndrome // J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1995. Vol. 58, № 4. Р. 484–486. doi: 10.1136/jnnp.58.4.484
  17. Gordon C.R., Oksenberg A. Spontaneous nystagmus across the sleep-wake cycle in vegetative state patients // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1993. Vol. 86, № 2. Р. 132–137. doi: 10.1016/0013-4694(93)90085-a
  18. Isono M., Wakabayashi Y., Fujiki M., Kamida T., Kobayashi H. Sleep cycle in patients in a state of permanent unconsciousness // Brain Inj. 2002. Vol. 16, № 8. Р. 705–712. doi: 10.1080/02699050210127303
  19. Valente M., et al. Sleep organization pattern as a prognostic marker at the subacute stage of post-traumatic coma // Clin. Neurophysiol. Off. J. Int. Fed. Clin. Neurophysiol. 2002. Vol. 113, № 11. Р. 1798–1805. doi: 10.1016/s1388-2457(02)00218-3
  20. Oksenberg A., Arons E., Sazbon L., Mizrahi A., Radwan H. Sleep-related erections in vegetative state patients // Sleep. 2000. Vol. 23, № 7. Р. 953–957
  21. Oksenberg A., Gordon C., Arons E., Sazbon L. Phasic activities of rapid eye movement sleep in vegetative state patients // Sleep. 2001. Vol. 24, № 6. Р. 703–706. doi: 10.1093/sleep/24.6.703
  22. Pavlov Y.G., et al. Night sleep in patients with vegetative state // J. Sleep Res. 2017. Vol. 26, № 5. Р. 629–640. doi: 10.1111/jsr.12524
  23. Landsness E., et al. Electrophysiological correlates of behavioural changes in vigilance in vegetative state and minimally conscious state // Brain J. Neurol. 2011. Vol. 134, Pt 8. Р. 2222–2232. doi: 10.1093/brain/awr152
  24. Bedini G., et al. Is Period3 Genotype Associated With Sleep and Recovery in Patients With Disorders of Consciousness? // Neurorehabil. Neural Repair. 2016. Vol. 30, № 5. Р. 461–469. doi: 10.1177/1545968315604398
  25. Arnaldi D., et al. The prognostic value of sleep patterns in disorders of consciousness in the sub-acute phase // Clin. Neurophysiol. Off. J. Int. Fed. Clin. Neurophysiol. 2016. Vol. 127, № 2. Р. 1445–1451. doi: 10.1016/j.clinph.2015.10.042
  26. Rossi Sebastiano D., et al. Significance of multiple neurophysiological measures in patients with chronic disorders of consciousness // Clin. Neurophysiol. Off. J. Int. Fed. Clin. Neurophysiol. 2015. Vol. 126, № 3. Р. 558–564. doi: 10.1016/j.clinph.2014.07.004
  27. Rossi Sebastiano D., et al. Sleep patterns associated with the severity of impairment in a large cohort of patients with chronic disorders of consciousness // Clin. Neurophysiol. 2018. Vol. 129, № 3. Р. 687–693. doi: 10.1016/j.clinph.2017.12.012
  28. Avantaggiato P., et al. Polysomnographic Sleep Patterns in Children and Adolescents in Unresponsive Wakefulness Syndrome // J. Head Trauma Rehabil. 2015. Vol. 30, № 5. Р. 334–346. doi: 10.1097/HTR.0000000000000122
  29. Lacourse K., Delfrate J., Beaudry J., Peppard P., Warby S.C. A sleep spindle detection algorithm that emulates human expert spindle scoring // J. Neurosci. Methods. 2019. Vol. 316. Р. 3–11. doi: 10.1016/j.jneumeth.2018.08.014
  30. Purcell S.M., et al. Characterizing sleep spindles in 11,630 individuals from the National Sleep Research Resource // Nat. Commun. 2017. Vol. 8, № 1. Р. 15930. doi: 10.1038/ncomms15930
  31. Massimini M. The Sleep Slow Oscillation as a Traveling Wave // J. Neurosci. 2004. Vol. 24, № 31. Р. 6862–6870. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1318-04.2004
  32. Carrier J., et al. Sleep slow wave changes during the middle years of life // Eur. J. Neurosci. 2011. Vol. 33, № 4. Р. 758–766. doi: 10.1111/j.1460-9568.2010.07543.x
  33. Agarwal R., Takeuchi T., Laroche S., Gotman J. Detection of Rapid-Eye Movements in Sleep Studies // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2005. Vol. 52, № 8. Р. 1390–1396. doi: 10.1109/TBME.2005.851512
  34. Hori T., et al. Proposed supplements and amendments to “A Manual of Standardized Terminology, Techniques and Scoring System for Sleep Stages of Human Subjects”, the Rechtschaffen & Kales (1968) standard // Psychiatry Clin. Neurosci. 2001. Vol. 55, № 3. Р. 305–310. doi: 10.1046/j.1440-1819.2001.00810.x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Двадцатисекундная эпоха сигнала электроэнцефалографии в отведении С3/А2.

Скачать (209KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Общий вид медленной волны в записи электроэнцефалографии.

Скачать (137KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Десятисекундная эпоха сигнала электроэнцефалографии в отведении F3/А2.

Скачать (177KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Тридцатисекундная эпоха сигнала электроэнцефалографии в отведении О2 (a) и двадцатисекундная эпоха сигнала электроэнцефалографии с мышечным артефактом в бета-диапазоне (b).

Скачать (280KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Быстрые движения глаз, детектированные в пределах тридцатисекундной эпохи, и их основные параметры.

Скачать (263KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Пример гипнограммы, полученной с помощью программного комплекса, для пациента с хроническим нарушением сознания

Скачать (73KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ROC-кривые для трёх групп данных

Скачать (190KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2023



Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).