Automatic Detection of Slow-Wave Sleep Based on Electrocardiogram

Abstract: The objective of this research is to develop an automatic algorithm based on electrocardiogram (ECG)to estimate slow-wave sleep (SWS). An algorithm is based on 7 indices extracted from heart rate on ECG whichsimultaneously recorded with standard full night polysomnography from 31 subjects. Those 7 indices were thenapplied to independent component analysis to extract a feature that discriminates SWS and other sleep stages. OverallCohen’s kappa, accuracy, sensitivity and specificity of the algorithm to detect 30s epochs of SWS were 0.52, 0.87,0.70 and 0.90, respectively. The automatic SWS detection algorithm could be useful combining with existing REMand wake estimation technique on unattended home-based sleep monitoring. Key words: Slow-wave sleep, Electrocardiogram, Heart rate I. 서 론 서파 수면(Slow-wave sleep, SWS)은 수면에서 나타나는 다양한 수면 단계 중 하나로 생체신호의 특성 변화를 기반으로 수면 단계를 구분한 RKNREM)수면이다[1]. 전체 수면의 15-25%를 차지하는 서파수면은 그 이름에서도 알 수 있듯이 수면 중 1-2 Hz 이하의 뇌전도(EEG)의 크기가 우세하게 나타나는 특징을 가지며, 다양한 생리학적 기능을 수행한다고 알려져 있다. 기본적으로 인간은 서파 수면을 통해 일상 생활에 의한 뇌의 피로를 회복한다고 알려져 있으며[2], 다른 수면 상태보다 서파 수면에서 성장 호르몬의 분비가 증가한다고 밝혀졌다[3].또한, 최근 연구에서 서파 수면은 기억 응고화(Memoryconsolidation)의 기능을 한다고 밝힌바 있다[4,5]. 연구에의하면 서파 수면의 비율과 기억력 사이의 유의미한 양의상관 관계가 있으며, 이는 서파 수면에서 주로 나타나는 뇌파의 느린 진동(Slow oscillation)에 의한 것이라 입증하였다. 나아가 서파 수면의 양(Quantity)은 폐쇄성 수면 무호흡증 환자를 치료를 위한 중요한 특징으로 활용 될 수Corresponding Author : Park Kwang Suk 있다고 밝힌 연구 또한 존재한다[6]. 이처럼 서파 수면은 기능적으로 중요한 역할을 수행할 뿐만 아니라, 수면 관련 질환자들의 처치에도 유용하게 활용할 수 있기 때문에, 전체 수면에서 서파 수면을 검출하고, 이해하는 것은 큰 의미를 갖는다고 말할 수 있다.Seoul National University College of Medicine, 103 Daehak-ro, Jongno-gu, Seoul, KoreaTEL: +82-2-2072-3135 / FAX: +82-2-3676-2821E-mail: pks@bmsil.snu.ac.kr