Enzyklopädie der Schlafmedizin
Autoren
Svenja Happe

Bewegungsmessung

Der Beitrag stellt Methoden zur Aufzeichnung und Analyse motorischer Aktivität vor. Motorische Aktivität während des Schlafs kann die Schlafquantität und auch die Schlafqualität beeinträchtigen, wenn zentralnervöse Aktivierungsreaktionen in Zusammenhang mit den nächtlichen Bewegungen und gehäufte Wachphasen den Schlaf fragmentieren. Bewegungsmessung, insbesondere die Erfassung periodischer Extremitätenbewegungen während des Schlafs, ist daher ein unerlässlicher Bestandteil in der Diagnostik und Differentialdiagnostik des nicht erholsamen Schlafs und speziell der Erfassung der Ursachen von Tagesschläfrigkeit.

Englischer Begriff

measurement of movements

Definition

Der Beitrag stellt Methoden zur Aufzeichnung und Analyse motorischer Aktivität vor. Motorische Aktivität während des Schlafs kann die Schlafquantität und auch die Schlafqualität beeinträchtigen, wenn zentralnervöse Aktivierungsreaktionen in Zusammenhang mit den nächtlichen Bewegungen und gehäufte Wachphasen den Schlaf fragmentieren. Bewegungsmessung, insbesondere die Erfassung periodischer Extremitätenbewegungen während des Schlafs, ist daher ein unerlässlicher Bestandteil in der Diagnostik und Differentialdiagnostik des nicht erholsamen Schlafs und speziell der Erfassung der Ursachen von „Tagesschläfrigkeit“. Im Rahmen der neurologischen Diagnostik kann die Bewegungsmessung im Schlaf bei verschiedenen Formen der Bewegungsstörungen wichtige Befunde beitragen. Die Langzeiterfassung der körperlichen Aktivität über Zeiträume von 24 Stunden, einer Woche oder länger erfolgt mit dem vereinfachten Verfahren der „Aktigraphie“, dem auch ein separater Essay gewidmet ist.

Messverfahren

Folgende Messverfahren werden zur Erfassung und Analyse nächtlicher Bewegungen eingesetzt:
  • Elektromyographie (EMG)
  • Videometrie
  • Aktigraphie
  • Körperpositionsmessung
  • Matratzensensoren
  • Activity-Tracker und Bettsensoren

Apparative Umsetzung, Geräte

Elektromyographie

Im Rahmen einer Polysomnographie („Polysomnographie und Hypnogramm“) werden periodische Extremitätenbewegungen im Schlaf (PLMS) üblicherweise elektromyographisch nichtinvasiv mit bipolaren Oberflächenelektroden über beiden Musculi tibiales anteriores erfasst und aufgezeichnet („Elektromyogramm“). Die Oberflächenelektroden werden über dem Muskelbauch der Musculi tibiales anteriores platziert, um Informationen über die motorische Aktivität wie Flexion der Großzehe, des Fußgelenks, der Hüfte oder des Knies zu erhalten. Hierbei ist eine Aufzeichnung der Muskelaktivität von beiden Beinen besonders wichtig, da Bewegungen nur an einem Bein vorkommen können oder von einem zum anderen Bein wechseln können. Die Elektroden werden dabei 2–5 cm voneinander entfernt angebracht, um Salzbrücken und andere Arten der gegenseitigen elektrischen Beeinflussung zu vermeiden (Abb. 1 und 2).
Um komplexe Bewegungen unterscheiden zu können, sind weitere EMG-Elektroden über anderen Muskeln notwendig, auch an den Armen oder wie bei „Bruxismus“ über dem Musculus masseter und dem Musculus temporalis.
Die Impedanz soll dabei möglichst unter 10.000 Ohm sein, aber Impedanzen unter 30.000 Ohm führen in der Regel noch zu aussagefähigen Registrierungen. Die Verstärkereinstellungen zur Aufzeichnung von periodischen Extremitätenbewegungen im Schlaf und von Kinnmuskelaktivität entsprechen denen zur Aufzeichnung normaler EMG-Aktivität, typischerweise ≥70 Hz (Abtastrate: 300–500 Hz). Zum Beispiel können Bandpass-Filtereinstellungen von 10 Hz und 90 Hz mit einer Zeitkonstanten von <0,1 Sekunde benutzt werden. Dabei werden vielfach Einmalelektroden für die Registrierung der EMG-Aktivität benutzt, es können aber auch mit Kollodium oder doppelseitigen Kleberingen fixierte EEG-Elektroden hierfür verwendet werden. Die Biosignaleichung sollte am liegenden Patienten für jedes Bein getrennt bei langsamer Dorsiflexion und Plantarflexion der Großzehe bis etwa 30° ohne Widerstand für mehrere Male erfolgen. Periodische Extremitätenbewegungen im Schlaf werden dabei entsprechend der Empfehlungen der American Sleep Disorders Association (ASDA) pro Stunde Schlafzeit berechnet (siehe „Periodic Limb Movement Disorder“).
Einen besonderen Stellenwert hat der Suggested Immobilization Test (SIT) in der Diagnostik von periodischen Extremitätenbewegungen im Wachen (periodic limb movements while awake, PLMW) beim „Restless-Legs-Syndrom“ (RLS). Durch „forcierte Ruhe“ kurz vor dem Zubettgehen, in der die Patienten in halbsitzender Position eine Stunde lang die Beine nicht bewegen dürfen, werden im Suggested Immobilization Test die Symptome des Restless-Legs-Syndroms provoziert und periodische Extremitätenbewegungen im Wachen mit Oberflächen-EMG abgeleitet. Hierbei werden alle Bewegungen zwischen 0,5 Sekunden und 15 Sekunden Dauer, die in einem Intervall von 4–90 Sekunden auftreten, als periodische Extremitätenbewegungen (periodic limb movements, PLM) pro Stunde Immobilität registriert. Gleichzeitig wird der Schweregrad der sensorischen RLS-Symptome mit einer visuellen Analogskala erhoben (Michaud et al 2001; American Acadamy of Sleep Medicine 2005).
Um die Bewegungen im REM-Schlaf bei der „REM-Schlaf-Verhaltensstörung“ (REM sleep behavior disorder, RBD) und Bewegungen im Schlaf bei anderen neurologischen Erkrankungen zu quantifizieren, werden unterschiedliche Methoden wie die Polysomnographie (PSG) mit Oberflächen-EMG und auch tragbare Systeme genutzt (siehe auch „Ambulantes Monitoring“). Die Kardiorespiratorische Polysomnographie (KRPSG) beinhaltet die EMG-Aufzeichnung beider Musculi tibiales anteriores und der Kinnmuskelaktivität. Lapierre und Mitarbeiter haben die erste Methode zur Analyse von PSG-Parametern bei der REM-Schlaf-Verhaltensstörung beschrieben. Eine sogenannte phasische EMG-Aktivität wird vom submentalen Elektromyogramm (EMG) analysiert und als Prozent von 2-Sekunden-Epochen mit EMG-Vorkommnissen analysiert, definiert als jede einzelne EMG-Aktivität zwischen 0,1 Sekunden und 5 Sekunden Dauer mit einer mindestens vierfachen Amplitude zur EMG-Grundaktivität. Eine 20-Sekunden-Epoche wurde als tonisch bezeichnet, wenn mehr als 50 % der Epoche tonische EMG-Aktivität aufwiesen, andernfalls als atonisch (Lapierre et al. 1992). Andere Autoren sprechen von kurzdauernder und langdauernder Muskelaktivität im REM-Schlaf (Eisensehr et al. 2003). Die Analyse der Muskelaktivität im REM-Schlaf wird größtenteils noch nicht einheitlich gehandhabt (Neikrug und Ancoli-Israel 2012; Frauscher et al. 2013).

Videometrie

Eine Videometrie wird stets während der KRPSG synchron aufgezeichnet. Heute werden hierzu in aller Regel in den Polysomnographen integrierte digitale Videosysteme verwendet. Das vereinfacht später die zeitgleiche Analyse der polysomnographischen Kurven mit dem Video. Die dazu verwendeten Kameras sollten vom Überwachungsraum bedienbar sein und eine Änderung der Einstellung mit Vergrößerung auffälliger Ausschnitte ermöglichen, also über einen Schwenk-Neige-Mechanismus und einen Zoom verfügen. Außerdem sollten die Kameras von Tageslicht- auf Nachtaufnahme umschalten können, also eine Nachtsichtkamera sowie eine Infrarotlampe beinhalten. Einige Systeme erlauben die gleichzeitige Registrierung zweier Videoaufnahmen, wie die des Gesichts und des Körpers, um Körperausschnitte vergrößert darzustellen. Siehe auch „Messung im Schlaflabor“.

Aktigraphie

Bei der Aktigraphie wird die Bewegungsaktivität mit einem kleinen portablen Aktimeter aufgezeichnet und gespeichert, das etwa die Größe einer Armbanduhr hat und typischerweise am Handgelenk getragen wird. Durch Summierung und Speicherung der durch Bewegung ausgelösten Signale wird ein Bewegungsprofil über den Tag und die Nacht bis zu mehreren Wochen erstellt. Der Aktograph kann über ein Interface mit einem PC verbunden werden, der ihn programmiert, startet und ausliest und das Bewegungsprofil analysiert. Das Registrierintervall kann über einen Bereich von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu zwei Minuten gewählt werden. Mit einem entsprechenden Speicher (in der Regel 32 kB) können je nach Registrierintervall Daten über eine Nacht oder mehrere Wochen aufgezeichnet und gespeichert werden. Es können Schlaf-Wach-Rhythmusstörungen, Phasenveränderungen während der Schichtarbeit („Nachtarbeit und Schichtarbeit“) oder von Zeitzonenveränderungen bei Reisenden („Jetlag“) aufgezeichnet werden bis hin zu Rhythmus- und Bewegungsveränderungen in Extremsituationen im Weltall oder bei Expeditionen im Himalaya. Durch die Wahl kürzerer Registrierintervalle können auch Bewegungsstörungen wie der Tremor beim idiopathischen Parkinson-Syndrom und dessen Verlauf unter Therapie analysiert werden. Gleiches gilt für vermehrte Bewegungen in der Nacht wie bei periodischen Extremitätenbewegungen im Schlaf.
Für die Aufzeichnung von periodischen Extremitätenbewegungen (PLM) mit einem Aktigraphen am Fußgelenk haben sich in den vergangenen Jahren mehrere Systeme etabliert, so zum Beispiel der PAM-RL und der Kick Counter, IM Systems, Baltimore, MD, die periodische Extremitätenbewegungen reliabel und valide messen können. Beide Geräte basieren auf einem Akzelerometermechanismus mit einer Abtastrate von 40 pro Sekunde und zeichnen die Daten in Echtzeit auf. Der PAM-RL-Monitor misst periodische Extremitätenbewegungen pro Stunde, während der Kick Counter die Gesamtzahl der periodischen Extremitätenbewegungen pro Nacht während einer Schlafperiode angibt. Näheres zur Registrierung, Auswertung und Bewertung des Verfahrens unter „Aktigraphie“.

Körperpositionsmessung

Die Registrierung der Körperposition liefert ergänzende Informationen zur Diagnostik bestimmter Schlafstörungen, insbesondere „Schlafbezogener Atmungsstörungen“ (SBAS) und „Parasomnien“. Hierbei wird ein schwerkraftabhängiger Indikator wie etwa eine Metallkugel in einem kleinen geschlossenen Gehäuse am Körper befestigt und richtet sich bei Lagewechsel in einer neuen Position aus, wodurch ein Gleichspannungssignal erzeugt wird. Es kann digital mit einer geringen Abtastfrequenz von 1 Hz aufgezeichnet, quantitativ ausgewertet und anderen polysomnographischen Ereignissen wie Apnoen zugeordnet werden.

Matratzensensoren

Spezielle Bewegungsaufnehmer in Matratzen haben sich bisher noch nicht in der Routinediagnostik durchgesetzt und werden fast ausschließlich in der klinischen Forschung eingesetzt. Ein Bespiel dafür ist das Static Charge Sensitive Bed (SCSB), das unter eine Schaumstoffmatratze gelegt wird. Mit diesem Sensor, dem ein Frequenzfilter nachgeschaltet ist, können Herzaktivität, Atmungsbewegung und globale Bewegungen differenziert werden. Das SCSB wird überwiegend in der Pädiatrie eingesetzt, da besonders dort eine Minimierung der Sensoren am Körper angestrebt wird. Validierungsstudien haben allerdings nur eine begrenzte Sensitivität und Spezifität dieser Bewegungsaufnehmer für klinische Fragestellungen ergeben.

Activity-Tracker und Bettsensoren

Mit Zunahme der Smartphones und von Aktivitätsbändern mit Gesundheits-Apps können mittels kapazitiver Sensoren die durch Bewegung ausgelösten Druckveränderungen erfasst werden. Dabei sollen nicht nur die Druckveränderungen durch Bewegungen wie Umdrehen im Bett erkannt werden, auch die durch Atmung oder den Herzschlag erzeugten Mikrobewegungen können laut der Hersteller unterschieden werden. Im Vergleich zu einfachen Wearables stehen bei den Lösungen zur Installation im Bett mehr Daten zur Verfügung, die genauere Messwerte ermöglichen sollen. Hierdurch sollen Rückschlüsse auf die unterschiedlichen Schlafstadien und die Bewegungsunruhe im Schlaf gezogen werden können. Gemeinsam haben die Activity-Tracker und Bettsensoren die automatische Übertragung der Daten in eine App oder ein Onlineprofil per Bluetooth oder WiFi. Nach dem Schlafen können die eigenen Daten so direkt auf dem Smartphone, bei manchen Geräten auch auf einer Website angesehen werden. Eine erste Studie zur kabellosen Detektion periodischer Beinbewegungen über einen kabellosen Sensor und Aufzeichnung bzw. Auswertung über eine Android-App zeigte eine hohe Übereinstimmung (Madhushri et al. 2015).

Indikationen

In der Neurologie findet die Elektromyographie in Kombination mit der Elektroneurographie Anwendung in der Diagnostik und im Verlauf neuromuskulärer Erkrankungen. In der Schlafmedizin ist das „Elektromyogramm“ (EMG) neben dem „Elektroenzephalogramm“ (EEG) und dem „Elektrookulogramm“ (EOG) unabdingbar in der Klassifikation der Schlafstadien, und es unterstützt die Diagnostik und Differentialdiagnostik von schlafmedizinischen Erkrankungen und von symptomatischen Schlafstörungen, auch von solchen, die mit nächtlicher pathologischer Muskelaktivität einhergehen. Bei neurologischen Patienten mit Bewegungsstörungen können krankheitstypische Symptome wie Tremor, Chorea, dystonische Spasmen und Tics auch während des Schlafs auftreten und mit zentralnervösen Aktivierungen assoziiert sein. Die „REM-Schlaf-Verhaltensstörung“ mit dem Fehlen der Muskelatonie im REM-Schlaf tritt auch bei neurodegenerativen Erkrankungen häufig auf und kann den klinisch nachweisbaren motorischen Störungen eines Parkinson-Syndroms vorausgehen.
Daraus ergeben sich folgende Einsatzgebiete:
  • „Schlafbezogene Bewegungsstörungen“ (SBBS):
    • Periodische Extremitätenbewegungen (PLM)
    • „Periodic Limb Movement Disorder“ (PLMD)
    • „Restless-Legs-Syndrom“ (RLS)
    • „Bruxismus“
    • „Schlafbezogene rhythmische Bewegungsstörungen“
    • „Schlafbezogene Beinmuskelkrämpfe“
  • „Schlafbezogene Atmungsstörungen“ (SBAS)
  • „Parasomnien“:
    • „REM-Schlaf-Verhaltensstörung“
    • „Schlafwandeln“
    • „Pavor nocturnus“
  • Schlafgebundene epileptische Anfälle („Epilepsie“)
  • „Narkolepsie“
  • Verschiedene Myoklonussyndrome im Schlaf, insbesondere fragmentarischer Myoklonus und spinaler Myoklonus
  • Bewegungsstörungen wie Parkinson-Syndrome, Chorea Huntington, Tics, Dystonien, Gilles-de-la-Tourette-Syndrom
  • Physiologische Einschlafmyoklonien („Motorik“)

Bewertung

Das Elektromyogramm bildet den Goldstandard zur Registrierung und Quantifizierung von periodischen Extremitätenbewegungen im Rahmen der Kardiorespiratorischen Polysomnographie. Die periodischen Extremitätenbewegungen werden zuverlässig dem Schlafen oder Wachen zugeordnet, und die zeitlichen Zusammenhänge mit pathologischen Ereignissen wie Apnoen und Bewegungen können analysiert werden. Mehrere Muskeln und Muskelgruppen können parallel aufgezeichnet und ausgewertet werden, was für das Verständnis komplexer Bewegungen im Schlaf relevant ist. Ein Vorteil ist bei dieser Methode, dass auch eine tonische Muskelaktivität ohne Bewegungseffekt registriert werden kann, wie sie gehäuft bei der REM-Schlaf-Verhaltensstörung vorkommt.
Demgegenüber erfassen Videometrie und Aktigraphie sowie Activity-Tracker nur einen tatsächlichen Bewegungseffekt. Bei diesen beiden Methoden kann aber der Bezug der Beinbewegungen zu den Schlafstadien und Wachphasen, den zentralnervösen Aktivierungen und etwaigen Atempausen nur äußerst aufwendig (Videometrie) oder unzuverlässig erfasst werden, weshalb diese Methoden in der Schlafmedizin nur einen begrenzten Stellenwert haben. Einen hohen Stellenwert hat die Aktigraphie jedoch in der Diagnostik von Zirkadianen Rhythmusschlafstörungen, da mit ihrer Hilfe nicht nur eine Momentaufnahme im Schlaflabor erfolgt, sondern die Bewegungseffekte über mehrere Wochen aufgezeichnet werden und unter Zuhilfenahme eines Schlaftagebuches analysiert werden können. Matratzensensoren sind aufwendig zu installieren und werden bisher hauptsächlich zu Forschungszwecken und in der Pädiatrie eingesetzt.
Literatur
American Academy of Sleep Medicine: ICSD-3 (2014) International classification of sleep disorders. Diagnostic and coding manual, 3. Aufl. American Academy of Sleep Medicine, Westchester
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Frauscher B, Ehrmann L, Högl B (2013) Defining muscle activities for assessment of rapid eye movement sleep behavior disorder: from a qualitative to a quantitative diagnostic level. Sleep Med 14:729–733CrossRef
Happe S, Trenkwalder C (2003) Movement disorders in sleep: Parkinson’s disease and restless legs syndrome. Biomed Tech 48:62–67CrossRef
Lapierre O, Montplaisir J (1992) Polysomnographic features of REM sleep behaviour disorder: development of a scoring method. Neurology 42:1371–1374CrossRef
Madhushri P, Ahmed B, Penzel T, Jovanov E (2015) Periodic leg movement (PLM) monitoring using a distributed body sensor network. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2015:1837–1840PubMed
Michaud M, Poirier G, Lavigne G, Montplaisir J (2001) Restless legs syndrome. Scoring criteria for leg movements recorded during the suggested immobilization test. Sleep Med 2:317–321CrossRef
Neikrug AB, Ancoli-Israel S (2012) Diagnostic tools for REM sleep behavior disorder. Sleep Med Rev 16:415–429CrossRef
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