SuooL's Blog

蛰伏于盛夏 藏华于当春

脑电图与睡眠分期基本概念梳理

脑电图与睡眠分期

  脑电图根据电极放置位置分为头皮电极脑电图、颅内电极脑电图。一般而言都是头皮电极脑电图。

  头皮电极脑电图是从头皮上将脑部的自发性电活动加以放大记录而获得的图形。因为脑电信号非常微弱,为 mv 或 uv 级别,而且得经过颅骨和头皮的衰减,所以需要经过数百万倍的放大才能显示出来,经过滤波器(减少干扰)最后形成我们所看到的图形。

电极位置

  脑电图要求双侧监测,因为左右大脑半球可能不会提供完全相同的数据。其中一种电极位置图,如下所示:

电极位置图

  虽然完整的脑电图监测需要放置所有的10-20系统电极,但进行睡眠分期时仅需放置上述部分电极组(F3和F4,C3和C4,O1和O2)。

睡眠分期相关重要波形

脑电信号波形

Alpha 波(Alpha Activity)

  大多数成年人的alpha波频率一般在8-12Hz间,大多出现在枕区。当人放松闭眼的时候,Alpha波占主导地位。当人睁眼或者有心里活动,特别是想象的时候,脑部的Alpha波会显著减弱。

睡眠纺锤波(Sleep Spindle)

  频率为12-14Hz,持续时间至少为0.5s,呈现为成串出现的正弦波,常出现于中央区。

K复合波(K-Complex)

  K复合波是持续时间大于0.5s的双向波,通常是一个正波后接着一个负波(或者是一个负波后接着一个正波),常出现于额区。

慢波(Slow waves)

  通常是0.5-2Hz,且振幅大于75μv,呈现为尖或者圆滑的正弦波,常出现于中央区。

顶尖波(Vertex sharp wave)

  突出于背景,呈现为一个尖波(负向或者双向波),常出现于中央区。

眼动信号中的波形

  • 慢眼动(Slow Eye Movements):共轭、相对规则、波峰平缓的眼动波

  • 眨眼(Blinks):0.5-2Hz 共轭的垂直眼动波

  • 快速眼动(Rapid Eye Movements):共轭、不规则、波峰陡峭的眼动波。眼动波初始偏转持续时间<0.5s

  • 阅读眼动(Reading Eye Movements):由周期性慢相眼动和随后反向快相眼动组成的共轭眼动波

睡眠分期

  总体而言,睡眠分期以每30秒为一帧进行分析,每帧均可分为快速眼动(rapid eye movement, REM)睡眠期、非快速眼动(non-rapid eye movement, NREM)睡眠期。判读规则要求使用脑电图、肌电图(electromyography, EMG)和眼电图(electrooculography, EOG)来确定睡眠分期,肌电图用于检测肌张力,眼电图检测眼运动。

  其中NREM睡眠分为3期:N1期、N2期和N3期。第4期(N4)仅为以前使用旧的判读标准划分的阶段,新的标准已将N4期并入N3期。NREM睡眠通常占成人总睡眠时间的大部分。

  REM睡眠每90-120分钟出现1次。REM睡眠有以下3个主要特征:低电压混合频率脑电图模式、REM和随意肌张力低下(除眼外肌和膈肌外)。虽然REM睡眠仅占总睡眠时间的少部分,但在生理稳态和认知方面有重要作用。

  从睡眠整体结构看,睡眠期以周期形式循环出现,每个周期持续90-120分钟。例如,第1个睡眠周期通常包括从入睡开始直至患者脱离第1个REM期的这段时间。一个典型的夜间睡眠通常有4-5个周期。睡眠期的转换出现于整夜间,通常在前半夜NREM睡眠的占比增加(尤其是N3期),在后半夜REM睡眠的占比增加。结构图如下:

睡眠周期的典型的结构以下列方式贯穿一个标准夜晚:

  • 夜间的第1个周期始于从清醒至N1期的过渡阶段,然后进入N2期、N3期,随后是REM。

  • 随着夜间周期的继续循环,每个周期中REM睡眠占比通常会增加。

  • 随着夜晚时间推移,N3期占比趋于减少,N3期在前半夜的占比最大。

  REM睡眠有以下3个主要特征:低电压混合频率脑电图模式、REM和随意肌张力低下(除眼外肌和膈肌外)。虽然REM睡眠仅占总睡眠时间的少部分,但在生理稳态和认知方面有重要作用。

具体脑波分期解析

清醒期 Stage W

  通常,成人在一天24小时中至少有2/3的时间是清醒的。行为线索(包括睁眼、运动和会话)说明警觉状态。然而,随着活动减弱,人会躺下来并闭上双眼。此时,脑波减慢至稳定的后部α节律。这个节律是清醒与睡眠之间的过渡。当这个节律进一步减慢时,达到睡眠状态。部分成人不会产生后部α节律,因而分期更加困难。相关信号波具体如下图:

图像解释:

This image demonstrates a 30-second recording (Compumedics) of stage N1 sleep, notable for the theta activity throughout the first three quarters of the epoch. An arousal occurs at that time (arrow), with a return of alpha activity. The top two leads represent the eyes (right and left), the next lead is the chin, then the following six leads are EEG (right and left frontal, central, and occipital), ECG with heart rate below (R-R), and the leg EMG lead.

放大图如下:

波形特征解析

  • 波形中有超过50%的Alpha波

  • Alpha波没有出现,但是出现以下特征之一

    • 频率在0.5-2Hz的眨眼动作
  • 阅读眼动

  • 不规则的共轭快速眼动伴随正常或者增强的颏肌电

NREM 睡眠期

  大多数成人会从昏昏欲睡状态经NREM睡眠期进入睡眠。NREM 睡眠期可细分为3个亚期:N1 期、 N2 期和 N3期。值得注意的是,较早的规则将NREM睡眠分为4期;目前的规则将以往的 NREM 3期和 NREM 4期合并为 N3 期。

Stage N1

N1期睡眠是从觉醒状态到睡眠的典型过渡期。

  • 其特征是低振幅混合性脑电波频率,处于θ波范围(4-7Hz),占一帧的至少50%。眼动通常缓慢且为旋转运动。N1期是最浅的睡眠期;从该期醒来的患者通常不会察觉到他们实际上睡着过。在年轻成人中,N1期睡眠通常占总睡眠时间的5%-10%或以下。

波形特征解析

  • Aalpha波减弱至50%以下,并且被低波幅的混合频率波取代

  • Alpha波没有出现,出现以下特征之一

    • 相较于W期脑电背景频率减慢≥1Hz的4~7Hz脑电波
    • 顶尖波
    • 缓慢眼动

Stage N2

  N2期通常在正常中年成人的总睡眠时间中占比最大,通常占一夜时间的45%-55%。其特征是θ波脑电图频率。

波形特征解析

  • 在N2期,有2个首次出现在脑电图上的NREM睡眠的鉴别特征

    • 出现一个或多个睡眠梭形波
    • 出现一个或多个与觉醒无关的 K 复合波
  • 睡眠梭形波通常较短,但至少有0.5秒,脑电图频率为11-16Hz(最常为12-14Hz)。这些波在中央部(头顶)脑电图导联中最为突出。

  • K复合波是清晰可辨的负向尖波,其后紧接一个正向波,凸显在背景脑电图中,总持续时间大于等于0.5秒。K复合波通常在额区脑电图的振幅最大。

  • 苯二氮卓类药物可增加N2期睡眠。通常,苯二氮卓类药物可引起梭形波电活动增加。

N3期

  N3期睡眠常被称为“深度睡眠”或“慢波睡眠”。其特征为低频率(0.5-2Hz)、高振幅(>75μV)的δ波,占一个既定睡眠帧的至少20%。

  • N3期睡眠通常占青年至中年成人总睡眠时间的10%-20%,并随年龄增加而减少。

  • N3期往往更多见于前半夜,尤其是入夜时分,因为睡眠期间的慢波活动代表睡眠的内平衡驱力(homeostatic drive),该驱力在觉醒期后达到最大。

  • 唤醒N3期睡眠者常常比唤醒N1和N2期睡眠者更困难,N3期是NREM睡眠异态出现的典型时间。

REM睡眠期(R期)

  • REM睡眠期(R期) — 有3个主要特征,这些特征需由脑电图、眼电图和肌电图来捕获。

    • 脑电图呈现低电压、混合性脑电图模式(低波幅、混合频率、低肌电活动、快速眼球运动)。锯齿状波是REM睡眠期的常见发现;这些2-6Hz的波外形尖锐,呈短暂暴发模式。
  • REM是该睡眠期的界定特征。眼电图上,这些REM被定义为共轭的、不规则的尖峰眼球运动,初始阶段不足500毫秒。

  • 肌电图显示肌张力低下,表示所有随意肌不活动(除眼外肌和膈肌外)。肌张力低下是α运动神经元受到直接抑制的结果

  • REM睡眠有2相:位相性(phasic)和紧张性(tonic)。

    • 位相性REM睡眠包含REM暴发、呼吸变异性以及短暂肌电图活动(偶尔表现为肌肉颤搐)。能与肌电图活动的短暂暴发(有时称作颤搐)和/或交感神经活动骤增有关。
    • 紧张性REM睡眠期出现的运动活动更加有限,伴有少数几次眼动
  • 根据将患者从REM睡眠中唤醒的早期研究,REM睡眠通常有生动梦境。虽然REM睡眠期占总睡眠时间不足1/4(18%-23%),但该睡眠期的功能仍存在争论。一个假设提出REM睡眠期是记忆巩固时间,此时将保留重要的记忆,去除不太重要的神经连接.

  • 酒精、镇静催眠药、巴比妥类及其他抗癫痫药、β受体拮抗剂、单胺氧化酶抑制剂、选择性5-羟色胺再摄取抑制剂和兴奋剂可能会延迟或抑制REM睡眠。

  • 有显著抗胆碱能作用的药物(如三环类抗抑郁药)也可能延迟或抑制REM睡眠。然而,REM睡眠中这些变化的临床意义还不清楚,因为患者不会出现REM睡眠剥夺的典型表现。

泡面一杯