一种检测帕金森病患者睡眠阶段的方法

技术领域

本发明涉及一种睡眠检测方法，尤其涉及一种检测帕金森病患者睡眠阶段的方法。

背景技术

帕金森病（Parkinson Disease, PD）是一种常见的神经系统疾病，主要特征包括黑质特定区域多巴胺能神经元死亡以及神经元内α-突触核蛋白聚集。帕金森病在50岁以下并不常见，其发病率随着年龄的增加而增加。男性患帕金森病的几率比女性要高，目前世界上患病的男女比例约为1.4:1。大部分帕金森病例都是特发的，但也有遗传和环境影响，根据研究显示，接触杀虫剂、除草剂和重金属会导致患病的几率增加，而吸烟和食用咖啡因则会导致患病的几率降低。

帕金森病的发作症状包括运动症状和非运动症状，运动症状主要包括：静息性震颤、肢体僵硬、运动缓慢、身体不平衡等。非运动症状主要包括：认知障碍、睡眠障碍、抑郁、嗅觉丧失、泌尿功能障碍等。

黑质致密部多巴胺能神经元缺失导致纹状体多巴胺缺失是帕金森病主要运动特征的核心机制。因此通过药物补充多巴胺是帕金森病的主要治疗方法，治疗药物主要包括左旋多巴、多巴胺受体激动剂和单胺氧化酶b抑制剂，但是药物常带有一定副作用，而且对于某些患者药物没有作用。

对于药物难治性帕金森病，深部脑刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）是一种新型有效的治疗方式。DBS首次出现于1993年，通过植入式脉冲发生器（Implantable PulseGenerator, IPG）对丘脑底核或内部苍白球施加高频电刺激，达到一定的治疗效果。虽然DBS治疗帕金森的机制尚未完全清楚，只要刺激参数设置合理，可以有效改善帕金森不良运动症状。

但是DBS可能会影响患者的睡眠质量。人类的睡眠阶段包括阶段1、阶段2、深度睡眠阶段以及快速眼动（Rapid Eye Movement, REM）阶段，其中深度睡眠阶段也称为慢波睡眠阶段，还可以细分为阶段3和阶段4。阶段1、阶段2和深度睡眠阶段统称为非快速眼动（non-Rapid Eye Movement, NREM）阶段。在一次完整的睡眠中，人类可能会不止一次的经历阶段1、阶段2、深度睡眠阶段以及快速眼动阶段。而DBS可能会导致帕金森病患者无法进入或长时间保持深度睡眠阶段，影响患者睡眠质量，睡眠质量变差可能会使患者症状加剧、病情恶化，例如运动障碍患者的运动障碍更加严重，抑郁的患者更加抑郁。

发明内容

本发明旨在解决上述缺陷，提供一种检测帕金森病患者睡眠阶段的方法，根据帕金森患病患者脑电信号的频率特征来确定患者的睡眠状态以及睡眠阶段。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种检测帕金森病患者睡眠阶段的方法，包括以下步骤：

S1：患者在入睡前，采集并确定患者脑电信号中能量集中的频率子带B；

S2：患者在入睡前到入睡后整个阶段，不断采集患者的脑电信号，同时将所采集患者的脑电信号按设定的时间进行分割，达到设定的时间进行一次检测；

S3：计算所采信号在频带B内的功率P1；

S4：计算所采信号在频带Delta内的功率P2；

S5：设置阈值thr1和thr2，同时满足P1thr2时，则检测患者进入睡眠状态。

S6：根据Delta频段内功率变化再次设置相应阈值，设置的阈值以清醒状态下频带Delta的功率进行取值，根据Delta频段内功率处于相应的阈值区间内，从而确定患者进入的睡眠阶段。

进一步的改进，包括所述步骤S2中，设定的时间按照一分钟或者五分钟进行分割。。

进一步的改进，包括所述步骤S5中，所述阈值thr1根据频带B内的功率取值，所述阈值thr2根据频带Delta内的功率取值。

本发明的有益效果是：充分考虑到帕金森病患者脑电信号的频率特征以及服用帕金森病治疗药物对脑电信号的影响，进行两次阈值判断，排除药物以及其它潜在因素对睡眠状态检测的干扰，提高准确率，本检测方法的意义在于，一旦准确检测出患者的睡眠阶段，便可根据睡眠阶段调整患者的治疗方案，如在DBS系统中，若检测到患者处于清醒状态或第一睡眠阶段，则开启刺激，若检测到患者处于第二或深度睡眠状态，则降低刺激强度或者停止刺激，以减少刺激对患者睡眠质量的影响，提高DBS治疗效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明根据帕金森病患者脑电信号检测睡眠阶段流程图；

图2是一名帕金森病患者入睡前后脑电信号时-频分析图；

图3是帕金森病患者服药前脑电信号时-频分析图；

图4是帕金森病患者服药后脑电信号时-频分析图；

图5是帕金森病患者脑电数据时-频分析图；

图6是帕金森病患者一秒脑电信号波形；

图7是帕金森病患者一分钟脑电信号频谱图；

图8是睡眠期间频带B功率变化图；

图9是频带Delta的功率变化图；

图10是睡眠期间Delta频带功率变化图；

图11是睡眠阶段检测图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1所示，一种检测帕金森病患者睡眠阶段的方法，包括以下步骤：

S1：患者在入睡前，采集并确定患者脑电信号中能量集中的频率子带B，脑电信号的不同频段与不同的大脑活动有关，主要包括Delta(1-4Hz)、Theta(4-8Hz)、Alpha(8-13Hz)、Beta(13-35Hz)和Gamma(35Hz以上)，帕金森病患者脑电信号在Beta频带会出现较高的能量强度，这是帕金森病的典型特征，研究显示，能量集中在Beta频带的不同子频带可能对应帕金森的不同症状，如低Beta频带(13-20Hz)和高Beta频带(20-35Hz)。因此，对于特定的帕金森病人，首先需对其脑电信号进行频域或时-频域分析，确定其能量主要集中的频带，以便后续分析。

S2：患者在入睡前到入睡后整个阶段，不断采集患者的脑电信号，同时将所采集患者的脑电信号按设定的时间进行分割，达到设定的时间进行一次检测；

S3：计算所采信号在频带B内的功率P1；

S4：计算所采信号在频带Delta内的功率P2；

频带功率的第一种计算方法，先对信号进行傅立叶变换，得到频率以及每个频率所对应的幅值，计算频带B内每个频率所对应的幅值之和作为此频带B内的功率，第二种计算方法，先对信号进行范围为频带B的带通滤波，得到滤波之后的波形，计算其线长或者面积作为此频带内的功率，步骤S3和S4采用相同的计算方法。

S5：设置阈值thr1和thr2，同时满足P1thr2时，则检测患者进入睡眠状态。

根据图2所示，图中横坐标代表时间，纵坐标代表频率，中间颜色代表某一时刻对应于某一频段的能量大小，颜色越深代表能量越大，患者入睡前信号中能量主要集中在低Beta频带之间，这是由于帕金森病导致的脑电特征，患者入睡后，低Beta频带能量降低，同时低频段Delta和低频段Theta能量202开始上升，随着患者睡眠阶段深入，信号中慢波变多，低频段能量进一步增加，当患者进入深度睡眠时达到顶峰。此外，患者入睡以后高Beta频带能量203也有所上升，所以虽然睡眠导致了低Beta频段能量下降，但Beta（13-35Hz）的整体能量水平是保持不变或者变化较小的，因此使用Beta（13-35Hz）来描述患者睡眠前后的病理性脑电特征是不准确的。

根据图2所示，患者进入睡眠状态时，脑电信号中低Beta频带201功率会降低，但是单纯根据此条件判断患者进入睡眠状态是不准确的，因为服用帕金森病治疗药物同样会使得Beta频率子带功率降低。根据图3所示，在服用治疗药物之前，患者脑电信号中Beta的频率子带301一直保持较强的能量，根据图4所示，患者服用药物且药效生效之后，Beta频率子带的能量显著降低，Theta（4-8Hz）频带401功率上升，而Delta（1-4Hz）频带402功率没有很明显的波动。

因此，计算频带B和频带Delta内的能量，进行两次阈值判断，其目的是为了排除药物以及其它潜在因素对睡眠状态检测的影响，提高检测准确率。

S6：根据Delta频段内功率变化再次设置相应阈值，设置的阈值以清醒状态下频带Delta的功率进行取值，根据Delta频段内功率处于相应的阈值区间内，从而确定患者进入的睡眠阶段。患者进入睡眠状态后，Delta频段能量增加，随着睡眠阶段的深入，脑电信号中慢波变多，Delta频段能量进一步增加，当进入深度睡眠阶段时达到顶峰。因此在睡眠过程中Delta频带能量变化曲线应呈现阶梯式上升，再阶梯式下降，循环多次。根据Delta频带能量变化曲线，设置相应阈值，即可得到帕金森病患者的睡眠阶段。

所述步骤S2中，设定的时间按照一分钟或者五分钟进行分割，由于睡眠检测的实时性要求不高，所以可以每采集一分钟、五分钟或者更长时间信号进行一次检测。

所述步骤S5中，所述阈值thr1根据频带B内的功率取值，所述阈值thr2根据频带Delta内的功率取值。

实施例一：

以帕金森病患者睡眠脑电信号为例进行分析，信号的采样率为250Hz。

步骤一，根据患者脑电信号频率特征确定信号中能量主要集中的频带B。根据图5所示，由图可知患者脑电信号中能量主要集中在约13-19Hz之间，这是由帕金森病导致的典型脑电特征，因此频带B为13-19Hz。

步骤二，采集患者脑电信号，按一分钟进行分割后进行检测。

步骤三，计算信号在频带B内的功率P1，利用傅里叶变换得到信号的频谱图，根据图7所示，图中横坐标代表频率，纵坐标代表幅值，频谱图可以直观反映信号中各个频率所对应的能量大小，图中虚线内为频带B（13-19Hz），由图可知信号在频带B内表现出较高的幅值，计算其幅值之和作为频带B内的能量P1，经计算此段信号内频带B的能量P1为26.73。

步骤四，计算信号在频带Delta内的功率P2，计算方法与步骤三相同，将频带B换成频带Delta，经计算此段信号内频带Delta的能量为25.91。

步骤五，按照步骤三和步骤四所述方法对患者整个睡眠阶段脑电数据进行计算，根据图8所示，图中横坐标代表时间，整段数据共401min，纵坐标代表频带能量的幅值，图中虚线为所设阈值thr1，此实施例中thr1设为20，由图可知，当时间超过30min的时候，频带B的功率P1开始下降到thr1以下，之后一直保持。

根据图9所示，图中虚线为所设阈值thr2，此实施例中thr2设为37，由图可知，当时间超过37min时，频带Delta的功率P2上升至阈值thr2以上，随后逐渐升高，在394min时下降到thr2以下。

因此同时P1thr2条件的时间区间为37-394min，判断此区间患者为睡眠状态。

步骤六，设置相应阈值thr2、thr3和thr4，根据Delta频段功率P2的范围确定患者的睡眠阶段，其对应关系如表1所示。

根据表1中的对应关系确定患者的睡眠阶段，根据图10和图11所示，本实施例中thr2为37，thr3为48，thr4为70。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。