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 с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».