Enzyklopädie der Schlafmedizin
Autoren
Ulrich Michael Hemmeter und Thomas Penzel

Aktigraphie

Die Aktigraphie ist ein Verfahren zur objektiven Erfassung körperlicher Aktivität über lange Zeiträume. Im Zusammenhang mit den Anforderungen der Schlafforschung und Schlafmedizin ist die Messung der Aktivität zur Einschätzung des Schlaf-Wach-Rhythmus sowie zur Erfassung der Dauer und Güte des nächtlichen Schlafs, aber auch von Tagschlafepisoden von Bedeutung, einschließlich kurzer Schlafpausen, sogenannter Naps. Die Anforderungen der Schlafmedizin weisen der Aktivitätsmessung primär die Messung der motorischen Aktivität zu. Sie schließen aber auch die Messung der zentralnervösen, hirnelektrischen Aktivität mit ein, die mittels kontinuierlicher Ableitung des Elektroenzephalogramms gemessen werden kann.

Synonyme

Aktographie

Englischer Begriff

actigraphy

Definition

Die Aktigraphie ist ein Verfahren zur objektiven Erfassung körperlicher Aktivität über lange Zeiträume. Aktivität stellt einen unspezifischen Begriff dar, der für vielfältige Bereiche Anwendung findet, beispielsweise in Physik, Chemie, Geologie, Ökonomie, Gesundheitswesen u. v. a. Grundlegend kann Aktivität (von lat. „activus“ tätig wirksam) als jegliche herbeigeführte Änderung eines Zustands absoluter Ruhe bzw. Ausgeglichenheit bezeichnet werden. Im Zusammenhang mit den Anforderungen der Schlafforschung und Schlafmedizin ist die Messung der Aktivität zur Einschätzung des Schlaf-Wach-Rhythmus sowie zur Erfassung der Dauer und Güte des nächtlichen Schlafs, aber auch von Tagschlafepisoden von Bedeutung, einschließlich kurzer „Schlafpausen“, sogenannter Naps. Die Anforderungen der Schlafmedizin weisen der Aktivitätsmessung primär die Messung der motorischen Aktivität, d. h. der „Bewegungsmessung“, zu. Sie schließen aber auch die Messung der zentralnervösen, hirnelektrischen Aktivität mit ein, die mittels kontinuierlicher Ableitung des Elektroenzephalogramms (siehe „Elektroenzephalogramm“) gemessen werden kann. Die Erfassung der motorischen Aktivität als Indikator für Schlaf- und Wachepisoden beruht auf der Beobachtung, dass beim Gesunden während des Schlafs weniger Bewegung stattfindet als während der Wachzeit und dass somit eine Zunahme an Bewegung auch eine Zunahme an Aktivität widerspiegelt.
Weitere Möglichkeiten zur Erfassung der Aktivität sind Daten, die durch Selbst- und Fremdaufzeichnungen gewonnen und skaliert werden und die somit eher subjektiven Charakter besitzen. Siehe auch „Leistungs-, Schläfrigkeits- und Vigilanzmessung“.

Messverfahren

Seit mehr als 40 Jahren steht mit der Aktigraphie eine Methode zur objektiven Aufzeichnung von Bewegungen zur Verfügung, die einfach und über längere Zeiträume fortlaufend anzuwenden ist. Mittels eines kleinen Apparats werden dabei Bewegungen aufgezeichnet. Er wird ähnlich einer Uhr am Handgelenk der nicht dominanten Hand getragen.
Die aufgezeichneten Daten werden auf einen Computer heruntergeladen und können dann als Aktivitätsverlaufsdaten dargestellt und in eine Schätzung des Schlaf-Wach-Rhythmus überführt werden. Hieraus ergeben sich Hinweise auf die Aktivität während des Tages und während der Nacht, sodass sich dadurch ein zirkadianer Aktivitätsrhythmus („Chronobiologie“) abbilden lässt und zudem indirekte Hinweise über die Qualität des Nachtschlafs gewonnen werden können. Hinsichtlich der Evaluation der Güte des Nachtschlafs bietet die Aktigraphie gegenüber Untersuchungen im Schlaflabor den Vorteil, dass Hinweise auf eine Störung des Schlafs unter Alltagsbedingungen und kontinuierlich über Tage und Wochen kostengünstig erhoben werden können und dies auch bei schwierig zu messenden Personen wie beispielsweise Patienten mit Demenz (siehe „Demenzen“), „Psychosen“ oder affektiven Störungen (siehe „Affektive Störungen“), hier insbesondere in der manischen Episode (Morgenthaler et al. 2007). Mit dem Einzug der Smartphone-Technik in die Vermessung des Menschen werden auch die Bewegungssensoren der Smartphones zur Aktigraphie eingesetzt. Darauf basierend liefern Schlaf-Apps eine Aussage zum zirkadianen Aktivitätsrhythmus und zur Schlafqualität. Trotz dieser fundamentalen Vorteile ist die Anwendung der Aktigraphie mit verschiedenen Problemen behaftet. Diese Probleme betreffen Unterschiede in der Technologie der Sensoren und in der Datenanalyse sowie das Auftreten und die Bewertung von Artefakten wie auch die Interpretation der gewonnenen Daten insgesamt. Die Schlaf-Apps der Smartphones sind zudem in den meisten Fällen nicht validiert und daher sind abgeleitete Aussagen mit großer Zurückhaltung zu beurteilen.

Auswerteverfahren, Bewertung

Probleme der Datenakquirierung und Datenverarbeitung

Die ersten Aktimeter besaßen Detektoren zur Schwellenbestimmung von Bewegungen („threshold motion detectors“). Sie arbeiteten binär und somit nonlinear, und sie waren damit nicht sensitiv genug, kleine Bewegungen zu entdecken. Neuere Aktimeter erfassen demgegenüber mit linearen Akzelerometern die Bewegung. Die meisten Aktimeter eliminieren durch einen 0,25–3 Hz-Bandpassfilter sehr langsame Bewegungen (unter 0,25 Hz) sowie schnelle Bewegungen (über 3 Hz), bevor die Daten gespeichert werden. Grundlage dieser Filterung ist die Erkenntnis, dass willentliche menschliche Bewegungen selten über 3 Hz hinausgehen und unwillentliche Bewegungen, wie beispielsweise beim Tremor, noch rascher verlaufen, die damit ebenfalls nicht erfasst werden. Nachdem die Bewegungssignale in analoger Form übertragen wurden, werden sie digitalisiert und gespeichert. Aktuelle Aktimeter digitalisieren mit einer hohen Frequenz, zum Beispiel 100 Hz, und verdichten diese Daten dann erst nach der Datenübertragung an einen Computer.
Einige Aspekte dieser Prozedur sind durch den Anwender variierbar, insbesondere die Länge der Epochen, über welche die Aktivität aufgezeichnet und gespeichert wird. Für die exakte Abgrenzung von Ruheperioden beziehungsweise von Schlaf sollte eine möglichst kleine Epochenlänge von ≤1 Minute gewählt werden. Durch die Kapazität des Speichermediums wird bei Verwendung kleiner Epochenlängen jedoch die Aufzeichnungsdauer deutlich herabgesetzt, sodass die exakte Evaluation des zirkadianen Rhythmus mit möglichst exakter Bestimmung der Schlaf-Wach-Episoden mittels einer Registrierung oft nicht möglich ist, weil sie eine Aufzeichnungsdauer von mindestens 7 Tagen erfordert, damit Werktage und ein Wochenende in der Aufzeichnung enthalten sind. Meist nicht variierbar ist die Art der Digitalisierung der erhobenen Daten. Hierfür stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung, die meist in das Gerät integriert sind und vom Anwender nicht beeinflusst werden können. Drei dieser Methoden, nämlich die oberhalb eines Schwellenwertes verbrachte Zeit („time above threshold“), die Zählung der Nulldurchgänge („zero crossing“) und die digitale Integration, wurden im Rahmen einer Studie direkt verglichen. Die Digitalisierung der Signale bei gleichem Bewegungsinput ergab einen Vorteil für die Methode der digitalen Integration gegenüber der Time-above-threshold-Methode zur Identifizierung von Bewegungsamplituden und insgesamt einen Vorteil von digitaler Integration und Time-above-threshold-Methode gegenüber der Zero-crossing-Methode (Gorny und Spiro 2001). Der Vorteil der Methode der digitalen Integration ist, dass sowohl die Akzeleration wie auch die Amplitude der Bewegung pro Epoche erfasst werden. Das Ausmaß der Amplitude und die Beschleunigung der Bewegung werden hingegen von den anderen beiden Methoden ignoriert, sie liefern vielmehr ein Maß für das Vorhandensein von Bewegungen oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes, ohne jedoch deren Dynamik abzubilden.
Ein weiterer Gesichtspunkt, der die Auswertung der aufgezeichneten Aktimeterdaten beeinflussen kann, ist die Verwendung unterschiedlicher Programme, die spezielle Algorithmen zur weiteren Datenverarbeitung beinhalten. Meist liegen Programme vor, die nur für ein spezifisches Gerät entwickelt wurden. Nur wenige Programme bieten die Möglichkeit, Daten, die mit verschiedenen Aktimetern generiert wurden, weiter zu analysieren. Studien, welche die Aussagekraft der verschiedenen Algorithmen vergleichen, liegen nicht vor. Die Folge dieser unterschiedlichen Möglichkeiten der Datenakquirierung ist, dass die direkte Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Laboratorien eingeschränkt ist, selbst wenn die absoluten Aktivitätswerte angegeben sind. Somit können unterschiedliche Geräte, die unterschiedliche Strategien der Datenaufzeichnung und unterschiedliche Scoring-Algorithmen verwenden, sehr unterschiedliche Ergebnisse für die gleiche Aktivität liefern.

Reliabilität und Validität von Aktimeterdaten

Vergleich von Aktigraphie und Polysomnographie

Die Angaben zur Reliabilität zeigen in den meisten Studien gute Ergebnisse (r = 0,80–0,96), wenngleich Unterschiede zwischen Aktimetern verschiedener Firmen berichtet wurden (Pollak et al. 1998). Wesentlich mehr Studien liegen zur Validität der Aktigraphie vor, wobei der Vergleich mit polysomnographischen Daten als Goldstandard anzusehen ist. Studien auf der Basis reiner Korrelationen zwischen Daten der Aktigraphie und von „Polysomnographie und Hypnogramm“ hinsichtlich der Differenzierung zwischen Schlaf und Wachzeit ergaben bei jungen gesunden Probanden Übereinstimmungen zwischen 91 % und 93 %. Die Validitätsstudien beziehen sich zumeist auf Korrelationen zwischen den wesentlichen Zielparametern der Polysomnographie und Aktigraphie wie beispielsweise die Gesamtschlafzeit oder die Schlafeffizienz. Diese Korrelationen liefern aber naturgemäß nur Angaben über einen relativen Zusammenhang zwischen beiden Messmethoden. So kann eine hohe Korrelation zwischen beispielsweise der Gesamtschlafzeit gemessen mit der Polysomnographie und gemessen mit der Aktigraphie auch dann zustande kommen, wenn durch die Aktigraphie die Schlafzeit konstant überschätzt wird.
Bessere Angaben zur Validität der Aktigraphie liefern die Angaben der Sensitivität, der Spezifität und der Gesamtübereinstimmung. Als Sensitivität für Schlaf wird dabei das Verhältnis der in der Polysomnographie gemessenen Schlafepochen bezeichnet, die von der Aktigraphie auch als Schlaf eingeschätzt wurden. Die Spezifität für Schlaf ist das Verhältnis von Wachepochen in der Polysomnographie zu korrekt identifizierten Wachepochen in der Aktigraphie. Die Gesamtübereinstimmung wird durch das Verhältnis der Polysomnographieepochen, die korrekt durch die Aktigraphie identifiziert wurden, zur Gesamtzahl aller Epochen angegeben. Validitätsstudien auf der Grundlage dieses Standards ergaben, dass die Aktigraphie besser den Schlaf identifizieren kann als den Wachzustand.
Daraus folgt, dass durch die Aktigraphie die Schlafdauer, insbesondere aber die effektive nächtliche Schlafzeit als Total Sleep Time (TST) und die Schlafeffizienz eher überschätzt und die Anzahl und vor allem die Dauer der Wachphasen nach Schlafbeginn unterschätzt werden. Dieser Sachverhalt wirkt sich insbesondere auf die aktigraphische Bestimmung von Schlafparametern bei Patienten mit gestörter Schlafkontinuität aus, indem sowohl Schlafeffizienz wie auch Gesamtschlafzeit hier eher überschätzt werden als das bei guten Schläfern der Fall ist.
Auch die Bestimmung des Schlafbeginns anhand aktigraphischer Daten stellt ein Problem dar. Die Korrelationen mit polysomnographischen Daten sind diesbezüglich niedrig (0,50), wenn man beispielsweise als Schlafbeginn das üblicherweise verwendete Ein-Minuten-Kriterium heranzieht (das erste Minutenintervall mit aktigraphisch eingeschätztem Schlaf). Eine deutlich bessere Einschätzung des Schlafbeginns kann durch das Kriterium der ersten 20-minütigen Periode von aktigraphisch definiertem Schlaf, die nicht mehr als eine Minute intervenierender Wachzeit enthält, erzielt werden (Cole et al. 1992). Letztlich ist darauf hinzuweisen, dass sich im Gegensatz zur Polysomnographie bei der Aktigraphie kein sogenannter First-night-Effekt zeigt, weil sie geringere Anforderungen an das Adaptationsvermögen der Untersuchten stellt als die „Messung im Schlaflabor“.

Vergleich der Aktigraphie mit Schlaffragebogen- und Schlaftagebuchdaten

In verschiedenen Studien wurden Aktigraphiedaten mit Schlaffragebögen bzw. mit Schlaftagebüchern (siehe „Schlaftagebücher“) verglichen. In Studien an gesunden Probanden fanden sich vergleichbare Werte zwischen der subjektiven Einschätzung des Schlafs und den Daten der Aktigraphie. Insbesondere stimmten die Werte für Einschlafzeit, Schlafdauer und Aufwachzeit gut überein, eine geringere Übereinstimmung ergab sich für die Einschlaflatenz sowie für die Anzahl und Dauer der nächtlichen Wachphasen.
In den meisten Studien an Personen mit gestörtem Schlaf, durchgeführt hauptsächlich bei Patienten mit psychiatrischen Erkrankungen, ergaben sich relativ gute Übereinstimmungen mit fremdbeobachteten Werten durch das Pflegepersonal. Die Übereinstimmung mit den subjektiven Ratings der Patienten hingegen war gering. Bei schlafgestörten Patienten wie auch bei Kindern zeigte sich eine Überlegenheit der Aktigraphie gegenüber den Selbstratings beziehungsweise den Fremdratings durch die Eltern. Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass mittlerweile einige gut standardisierte Schlaffragebögen und Schlaftagebücher vorliegen, die auch Items zur Aktivität beinhalten, die sich indirekt aus Items zur Tagesmüdigkeit und nächtlichen Unruhe erschließen lassen. Es stehen bisher aber keine standardisierten Frage- oder Beobachtungsbögen zur Erfassung der Tagesaktivität und der nächtlichen Aktivität zur Verfügung.
Skalen zur Aktivitätserfassung liegen vereinzelt im psychiatrisch-psychotherapeutischen Bereich hinsichtlich der Quantifizierung von Tagesaktivitäten vor, beispielsweise die Global Assessment Functioning Scale (GAF-Skala) und das Strukturierte Klinische Interview für Diagnosen nach DSM-IV (SKID) oder die Activities of Daily Living Scales (ADL-Skalen) bei Patienten mit demenziellen Erkrankungen. Die Skalen quantifizieren jedoch mehr den Grad der allgemeinen Aktivierung über einen längeren Zeitraum und stellen kein Maß der situativen Aktivitätsvariationen dar. Eine Möglichkeit, die Tagesaktivität schlafgestörter Patienten im intraindividuellen Vergleich zu evaluieren, könnte sich durch Verwendung von Aktivitätslisten- bzw. Aktivitätstagebüchern ergeben, die zur Therapiekontrolle verhaltenstherapeutischer Behandlungen entwickelt wurden. Eine Validierung dieser Skalen anhand der Aktigraphie steht jedoch noch aus.

Indikationen

Die Erfassung der Aktivität als Indikator für den Schlaf-Wach-Rhythmus wird am besten durch die Aktigraphie vorgenommen. Dies beruht auf der einfachen für den Probanden oder den Patienten nicht belastenden Handhabung, sodass langfristige Messungen, unter Alltagsbedingungen auch zu Hause oder am Arbeitsplatz vorgenommen werden können und Laboreffekte weitgehend entfallen. Die primäre Indikation für die Anwendung der Aktometrie stellt somit die Evaluation des zirkadianen Rhythmus und damit Zirkadianer Rhythmusschlafstörungen dar („Zirkadiane Schlaf-Wach-Rhythmusstörungen“), beispielsweise beim Verzögerten oder beim Vorverlagerten Schlafphasensyndrom. Die Messdaten aus Aktigraphiedaten korrelieren sehr gut mit anderen Maßen des zirkadianen Rhythmus wie Melatoninsekretion und Körperkerntemperatur (siehe auch „Chronobiologie“; „Melatonin und zirkadianer Rhythmus“; „Thermoregulation“). Zur Erfassung von Schlafepisoden während des Tages sowie zur exakten Darstellung der Schlafarchitektur ist die Polysomnographie als Goldstandard anzusehen, wobei insbesondere die Möglichkeit der kontinuierlichen EEG-Messung über mehrere Tage mittels tragbarer EEG-Rekorder zu erwähnen ist. Die Aktigraphie ist diesbezüglich weniger präzise. Die Ergebnisse der Aktigraphie sind jedoch anhand der bisher vorliegenden Studien von ausreichender Validität, um Schlafstörungen bei Patienten mit „Insomnien“ zu entdecken und Therapieeffekte zu evaluieren. Der besondere Vorteil der Aktigraphie liegt darin, dass es möglich ist, Schlafstörungen auch bei Personen zu evaluieren, die eine Untersuchung im Schlaflabor nicht oder nur eingeschränkt tolerieren, wie das beispielsweise bei Patienten mit Demenz oder bei Kindern der Fall ist.

Grenzen der Methode

Der Nachteil der Aktigraphie liegt in der mangelnden Präzision, indem die indirekten Messungen nur ungefähr die Güte der Schlafkontinuität widerspiegeln, keine Hinweise auf die Schlafarchitektur geben und indem die Schlafzeiten teilweise überschätzt werden. Ein weiteres Problem liegt in der mangelnden Vergleichbarkeit einzelner Systeme, die auf unterschiedlichen Detektoren und Analysealgorithmen beruhen. Letztlich ist bei der Interpretation von Aktometerdaten noch auf Artefakte hinzuweisen. Ein häufiges Artefakt ist das Ablegen des Geräts, das ebenso wie ruhige Phasen während der Wachzeit, beispielsweise beim Lesen, fälschlich als Schlaf gedeutet werden kann. Auch überlagerte Bewegungen, die von außen induziert werden wie bei der Fahrt in einem Kfz, können fehlgedeutet werden. Dies betrifft besonders die Aktigraphie mittels Smartphone, bei der zusätzlich der genaue Trageort am Körper variabel und undefiniert ist. Die Kontrolle der Artefakte ist nur dadurch möglich, dass zusätzlich zur Aktigraphie in einem Protokoll eine exakte Aufzeichnung der Schlaf- und Wachzeiten und der Zeiten, in denen der Aktometer abgelegt wurde, erfolgt und möglichst zusätzliche detaillierte Angaben über die weiteren Tagesaktivitäten erhoben werden. Für die Erfassung der Aktivität mittels Fragebogen oder Ratingskalen fehlen derzeit geeignete und validierte Instrumente. Die Ergebnisse der Aktigraphie lassen sich jedoch durch zusätzliche Informationen deutlich verbessern, die durch Angaben aus Selbst- und Fremdbeobachtung mittels Protokollen erhoben werden (Morgenthaler et al. 2007).
Literatur
Cole RJ, KripkeDF GW et al (1992) Automatic sleep/wake identification from wrist activity. Sleep 15(5):461–469CrossRef
Gorny SW, Spiro JR (2001) Comparing different methodologies used in wrist activity. Sleep Rev 2:40–42
Morgenthaler TI, Lee-Chiong T, Alessi C, Friedman L, Aurora RN, Boehlecke B, Brown T, Chesson AL Jr, Kapur V, Maganti R, Owens J, Pancer J, Swick TJ, Zak R, Standards of Practice Committee of the American Academy of Sleep Medicine (2007) Practice parameters for the clinical evaluation and treatment of circadian rhythm sleep disorders. An American Academy of Sleep Medicine report. Sleep 30(11):1445–1459CrossRef
Pollak CP, Stokes PE, Wagner DR (1998) Direct comparison of two widely used activity recorders. Sleep 21(2):207–212CrossRef