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user: 2. EEG监测与睡眠分期 十九世纪之前，睡眠的研究几乎处于空白状态。到了十九世纪，各种睡眠理论开始涌现，脑电图等电生理技术被应用于睡眠研究。1928年，德国学者发现人在睡眠状态和觉醒时，其脑电信号的变化节律不同 [ 5 ] 。1937年，基于脑电图，睡眠被分为5个时期。1953年，Aserinsky和Kleitman发现了睡眠中眼球的快速转动，即快速眼动睡眠期(Rapid Eye Movemrnt， REM)被发现。随后，为了能够对睡眠进行定量分析研究，R&K标准被制定。这一标准由Rechtsehafen与Kales于1968年提出。R&K标准对睡眠中出现的6个阶段进行划分。除了清醒期(Wake， W)，睡眠可以分为快速眼动睡眠相(Rapid Eye Movemrnt， REM)和非快速眼动睡眠相(Non-Rapid Eye Movement， NREM)。其中，非快速眼动期又可以分为睡眠一期(S1)到睡眠四期(S4)四个时期。其中S1和S2为浅睡眠，S3和S4为深睡眠。 为统一睡眠分期的不同标准，美国睡眠医学会(American Academy of Sleep Medicine， AASM)制定了全新的标准——AASM标准并正式发布《睡眠及相关事件判读手册》，该手册首次规范化了睡眠相关规则术语和判别方法，这具有划时代的重要意义。这一判读标准将原有的六个睡眠时期变更为5个 [ 6 ] 。别是清醒期(Wake， W)、三个非快速眼动期(Non-Rapid Eye movement， N1， N2， N3)以及一个快速眼动期(Rapid Eye Movement， REM)。R&K标准和AASM标准的关系如图1所示。 图1. R&K标准和AASM标准关系图 人类的大脑皮层之中有大约140亿个神经元，这些神经元形态各异，功能也不尽相同。然而，总体上可以将神经细胞分为细胞体和突触两个部分。突触又可以被分成树突和轴突两种情况，树突的主要功能是将外界的刺激冲动传入细胞体，进行进一步的处理。而轴突的功能是将细胞体的冲动传递到另一个神经元或者功能细胞。 进一步的研究发现，脑电信号是神经元的突触后电位的变化形成。一个神经元的电位变化很微小，但是大量的神经元细胞在同一时间发生变化，就会形成明显引发大脑皮层的电位变化，出现明显脑电信号 [ 7 ] 。 通常情况下，脑电信号的波幅最大不会超过100 uV，这是一种极其微弱的信号。因此脑电信号的监测需要特定的专业设备获取。专业医学领域，通常使用多导睡眠记录仪来完成这项工作。现阶段市场上的睡眠记录仪有很多，但是基本结构大同小异，一般由电极、信号放大器、存储器以及显示屏等组成。 放置电极的时候要采用国际标准的10~20系统电极放置法 [ 8 ] 。该方法的实施步骤如下：首先在头皮部确定两条直线：第一条直线是鼻根到枕骨部的连线，第二条是两只耳朵之间的左右方向的连线。两条直线的交点，也就是颅顶位置，是Cz电极。从鼻子根部往后量大概10%的地方是FPz (额部中线)，从FPz再向后量每一个20%都放置加一个电极，则依次定义位置Fz、Cz、Pz以及Oz。FPz-Cz是多数研究者的选择，因为这一条通道是脑电记录中的典型通道。 脑电信号的频率一般在0.5~30 Hz。一般会按照频率、波幅的范围进行对脑电波进行分类，以此来表示睡眠过程中出现的各种特征波形。典型的睡眠特征波如下。 β波：常见于清醒期，频率大于13 Hz，没有标准的振幅和形态。 α波：常见于安静时闭眼状态和REM时期，频率在8~13 Hz。睁眼时消失。没有标准的振幅和形态，往往表现为渐变状。老年人的频率和振幅降低。主要出现在枕部的EEG中。 θ波：常见于N1期的后期，频率在4~7 Hz之间，没有标准的振幅和形态，波幅通常大于50 uV。有时是短阵高压电波。在中央部位很明显。 颅顶尖波：常见于N1睡眠期后期，外形尖锐，与背景是明显不一样的。没有一定标准的幅度和形态，持续时间通常小于0.5秒。 睡眠纺锤波：常见于N2，N3时期，有着规则的外形，频率为11~16 Hz (通常是12~14 Hz)，时间一般都会大于0.5秒，主要位于中央部。 K复合波：常见于N2期，是N2期的特征性电波。没有标准的频率，在背景中很突出，有一个标准的形状：先是一个向上的负向波紧接着一个向下的正向波。时间大于0.5秒。通常在颈部是最明显的。 δ波：常见于慢波睡眠中，频率在0.5~2 Hz，通常情况下，波幅大于75 uV，出现在N2期的时候，所占比例低于20%，如果出现在N3时期，所占比例大于20%。 锯齿波：常出现于REM时期，频率在3~7 Hz，形状为尖锐的三角形波。值得一提的是，REM时期的锯齿波其实就是θ波。 下面介绍现在通用的AASM分期标准： 应用的方法是逐屏分期，将每一个30秒定义为一屏，按照顺序进行分期，分期过程中，不允许将相邻的两屏组成一个新的阶段。但是在实际分期的过程中，经常会遇到一个屏之中含有多个时期的情况，这时将这一屏分为占比例大的时期。另一种极端的情况是，如果这一屏没有出现任何的睡眠特征，那就需要根据之前或之后一屏进行分期。 成年人睡眠的分期规则如下： W期：在一个人的清醒状态下，EEG通常有两种表现，一种是低电压混合波，频率在16~25 Hz。第二种是α波。当α波出现而且占的比例高于50%时，就可以判断这一时期是睡眠清醒期。即使没有出现α节律或者说出现的α节律不清晰，但如果出现了清晰的眨眼或者阅读性的眼球运动，或者快速的眼球运动，也就是不规律呈现尖峰状的眼电运动，也可以判读为清醒期。 N1期睡眠：这一时期的睡眠是清醒期到其他睡眠时期的过渡阶段，也是睡眠时期出现体动后到再次入睡的过渡阶段。当α波所占的比例已经不超过50%，背景波是低波幅混合波的时候，就可以将此一时期判读为N1期。如果没有出现明显的α波，但是出现了范围在4~7 Hz的脑电波，或者是出现了颅顶尖波以及明显的眼球运动，都可以判别是N1期睡眠。 N2期睡眠：这一时期的特征是出现睡眠纺锤波以及非觉醒相关K复合波。当出现一个睡眠纺锤波或者K复合波，将此时期判读为N2期睡眠。此一时期内，眼球运动已经很少，肌电活动已经比清醒时低很多。N2期结束之后如果出现了觉醒的情况，则判读为N1期。 N3睡眠期：当δ波出现的比例高于20%，可判读为N3时期，这一时期内，睡眠纺锤波可能持续出现，已经没有眼球运动，肌电活动水平达到最低。 REM睡眠期：这一时期内，出现了低电压的θ波，低频率的α波(但是会比清醒时期的α波慢1~2 Hz)，并且会有一定数量的锯齿波的出现 [ 9 ] 。可以观察到快速眼球运动。肌肉的活动水平则会达到整个晚上的最低水平。几乎接近于一个平坦的状态。总体来说，当出现了低波幅混合波，低的肌肉活动水平以及快速的眼球运动就可以将这一时期判读为REM睡眠期。这一时期之后，可以过渡到W期或者N3时期，如果没有出现慢速眼球运动，肌肉的水平依然是低状态，继续判读为R期。睡眠时期与特征脑电的关系如表1所示。 Table 1 Characteristic wave 期别 特征波 W Alpha (8~13 Hz)， Beta (12~30 Hz) N1 Theta (4~8 Hz) N2 Spindle (12~14 Hz)， K Complex (1 Hz) N3 Delta (0.5~2 Hz) REM Alpha (8~13 Hz)， Beta (12~30 Hz)， Sawtooth Wave (2~6 Hz) 表1. 睡眠时期特征波 现阶段主要由专家进行人工分期，人工分期的过程如图2所示。然而人工分期会受到分期标准、个体差异、培训指导 [ 10 ] 等多方面的主观或客观条件的影响，而计算机进行的睡眠自动分期，不仅可以解决上述诸多问题，还可以将医师从繁重的分期工作中解放出来。睡眠分期是睡眠研究工作的基础，所以快速准确地进行睡眠的自动分期就尤为重要。目前，进行睡眠自动分期主要有两种办法，一种是基于统计规则的睡眠自动分期，另一种是基于深度学习的端对端睡眠自动分期研究方法。本文将以此为划分介绍近年来的睡眠自动分期方法。在本文所介绍的分期方法中，由于各个研究中采用的是不同公开数据集的数据，有的实验的数据由研究者自行采集，所以所介绍方法的分期准确率只能作为一个参考，并不能简单认为准确率高的模型性能更好。 图2. 专家分期过程