Enzyklopädie der Schlafmedizin
Autoren
Thomas Penzel

Polysomnographie und Hypnogramm

In der Polysomnographie wird der Schlafverlauf mittels Elektroenzephalogramm (EEG), Elektrookulogramm (EOG) und Elektromyogramm (EMG) erfasst. Die Signale erlauben die Klassifizierung in Schlafstadien und die graphische Darstellung im Hypnogramm. 1968 wurden durch eine Kommission unter Leitung von Rechtschaffen und Kales Empfehlungen für die Aufzeichnung und Auswertung der Polysomnographie erarbeitet. Diese Empfehlungen wurden überarbeitet, um neue Erkenntnisse und die aktuellen technischen Möglichkeiten zu berücksichtigen. Sie wurden 2007 von einer Kommission der AASM veröffentlicht und werden AASM-Kriterien zur Aufzeichnung und Auswertung des Schlafes genannt.

Synonyme

PSG und Schlafprofil

Englischer Begriff

Polysomnography (PSG) and hypnogram

Definition

In der Polysomnographie wird der Schlafverlauf mittels „Elektroenzephalogramm“ (EEG), „Elektrookulogramm“ (EOG) und „Elektromyogramm“ (EMG) erfasst. Die Signale erlauben die Klassifizierung in Schlafstadien und die graphische Darstellung im Hypnogramm. 1968 wurden durch eine Kommission unter Leitung von Rechtschaffen und Kales Empfehlungen für die Aufzeichnung und Auswertung der Polysomnographie erarbeitet. Diese Empfehlungen wurden überarbeitet, um neue Erkenntnisse und die aktuellen technischen Möglichkeiten zu berücksichtigen. Sie wurden 2007 von einer Kommission der AASM veröffentlicht (Iber et al. 2007) und werden AASM-Kriterien zur Aufzeichnung und Auswertung des Schlafes genannt. Sie werden in kurzen Abständen aktualisiert um schnell neue Erkenntnisse zu berücksichtigen. Im Wesentlichen werden dabei nur geringfügige Details aktualisiert. Derzeit liegt die Version 2.5 der AASM-Kriterien vor (Berry et al. 2018).
Die Untersuchung des Schlafs mit einem Schlaf-EEG, die Somnographie, begann bereits kurz nach der Entdeckung des EEGs 1929 durch Hans Berger in Jena. Er beschrieb das Auftreten von Alphawellen bei entspannter Wachheit bei geschlossenen Augen, im Englischen als „Berger waves“ bekannt, und deren Verschwinden beim Öffnen der Augen, den sogenannten Berger-Effekt. Eine erste Einteilung des Schlaf-EEGs in Klassen wurde durch Loomis und Mitarbeiter 1936 vorgenommen. Diese Schlaftiefenklassifikation richtete sich nach den Wellen und Graphoelementen des Schlaf-EEGs unter Einbeziehung der Erweckbarkeit der Probanden. Die ersten Klassifikationen erfuhren ihre fundamentale Revision mit der Entdeckung des paradoxen Schlafs durch Aserinski und Kleitman 1953. Wegen der charakteristischen schnellen Augenbewegungen („rapid eye movement“) wählten sie die Bezeichnung REM-Schlaf. Damit hielt die Aufzeichnung von EOG und EMG zusätzlich zum Schlaf-EEG Einzug und hat der Polysomnographie ihren Namen gegeben.
Die Ergänzung der Polysomnographie durch Parameter der Atmung und des Kreislaufs stellt die „Kardiorespiratorische Polysomnographie“ dar. Damit können Veränderungen der autonomen Funktionen in Abhängigkeit von den Schlafstadien dargestellt werden, ebenso wie Auswirkungen von autonomen Ereignissen auf den Schlaf. Zu Charakteristika der einzelnen Schlafstadien siehe „Einschlafen, charakteristische Veränderungen in der Kardiorespiratorischen Polysomnographie“; „Leichtschlaf, charakteristische Veränderungen in der Kardiorespiratorischen Polysomnographie“; „Tiefschlaf, charakteristische Veränderungen in der Kardiorespiratorischen Polysomnographie“; „REM-Schlaf, charakteristische Veränderungen in der Kardiorespiratorischen Polysomnographie“.

Grundlagen

Messung

Die Messung des Schlaf-EEGs beim Menschen richtet sich nach dem 10–20-System der Elektrodenplatzierung (Abb. 1). Für die polysomnographische Messung gemäß den Empfehlungen von Rechtschaffen und Kales war nur eine EEG-Ableitung, nämlich C4–A1 erforderlich. Eine weitere EEG-Ableitung, C3–A2, wurde symmetrisch dazu angebracht und aufgezeichnet, für den Fall, dass sich eine Elektrode am Kopf während der Nacht löst. Nach den aktuellen AASM-Kriterien wird das Elektroenzephalogramm mit mindestens 3 EEG-Ableitungen (F4-M1, C4-M1, O2-M1) und weiteren drei als Backup-Elektroden (F3-M2, C3-M2, O1-M2) aufgezeichnet (Berry et al. 2016). Die Augenbewegungen werden mit dem EOG aufgezeichnet. Um Augenbewegungen von eingestreuten Deltawellen und Bewegungsartefakten unterscheiden zu können, werden am linken äußeren Kantus (LOC) und am rechten äußeren Kantus (ROC) Elektroden befestigt und diese gegenüber einer Referenzelektrode (M1) abgeleitet. Die Referenzelektrode wird am Mastoid befestigt. Das EMG wird am Musculus mentalis oder Musculus submentalis abgeleitet.
Ergänzend wird stets ein EKG mit einer Elektrode abgeleitet. Dies hilft bei der Identifikation möglicher EKG-Artefakte in den Signalen von EEG, EOG und EMG.

Klassifizierung der Schlafstadien nach AASM-Kriterien

Die fundamentale Zeiteinteilung der Polysomnographie sind ursprünglich Zeitfenster von 30 Sekunden, Epochen genannt. Jede Epoche der Aufzeichnung wird einem der 5 Stadien zugeordnet, die anhand von elektrophysiologischen Charakteristika der einzelnen Messparameter definiert sind:
  • Wach (W)
  • N1–3
  • REM (R)
Als Leichtschlaf werden die Schlafstadien N1 und N2 zusammengefasst. Tiefschlaf ist das Schlafstadium N3. In Abb. 2 ist für jedes Stadium eine beispielgebende Epoche von 30 Sekunden dargestellt.

Hypnogramm

Nach der Klassifikation der Schlafstadien erfolgt ihre graphische Darstellung im Hypnogramm, das auch als Schlafprofil bezeichnet wird (Abb. 3). Erkennbar ist die zyklisch wiederkehrende Abfolge der Schlafstadien in Gestalt der Schlafzyklen. Die normale Periodendauer eines Schlafzyklus beträgt 90–110 Minuten, die Anzahl der nächtlichen Schlafzyklen liegt bei 4–6.
Über die Zyklen aufsummiert betragen die Anteile beim jungen gesunden Mann für den Leichtschlaf der Stadien N1 und N2 ca. 50 %, für den Tiefschlaf des Stadiums N3 ca. 25 % und für das Stadium R ebenfalls bis zu 25 %. Der meiste Tiefschlaf wird in den beiden ersten Schlafzyklen gefunden, somit also während der ersten ca. 3 Stunden des Nachtschlafs. Relativ hohe Anteile an REM-Schlaf finden sich dagegen während der letzten Zyklen des Nachtschlafs in den frühen Morgenstunden gegen Ende der Schlafperiode. Ihre volle Ausprägung ist allerdings an die Voraussetzung intakter vorangegangener Schlafzyklen gekoppelt.
Die AASM-Kriterien orientierten sich in erster Linie am Nachtschlaf junger gesunder Probanden. Physiologische Abweichungen im Hypnogramm ergeben sich je nach Lebensalter, pathologische Abweichungen finden sich durch den Einfluss von Schlafstörungen, Erkrankungen, Medikamenten und Substanzen.
Unter Kenntnis des idealtypischen Hypnogramms des jungen gesunden Erwachsenen lässt sich aus einem Hypnogramm visuell Aufschluss gewinnen über Abweichungen in der Verteilung und in der Häufigkeit der Stadien sowie darüber, ob die Schlafzyklen erhalten sind. Dadurch ist für den Geübten schnell zu erkennen, ob ein abweichendes Schlafprofil vorliegt.

Quantitative Analyse

Die quantitative Analyse des Schlafverlaufs wird ermöglicht durch die Berechnung verschiedener Globalmaße und statistischer Kenngrößen aus dem Hypnogramm. Dazu gehören:
  • Messperiode: die Zeit zwischen „Licht aus“ für den Beginn der Messung und „Licht an“ für das Ende der Messung
  • TIB (Time in Bed): die Zeit, die während der Messperiode im Bett verbracht wird
  • TST (Total Sleep Time): Gesamtschlafzeit; die Zeit, die während der TIB tatsächlich geschlafen wird
  • Wachheit während der Messperiode: berechnet die Differenz von TIB und TST
  • Schlafeffizienz (SE): Angabe in %; berechnet aus dem Quotienten TST/TIB
  • SPT (Sleep Period Time): gesamte Dauer einer Schlafperiode
  • Schlafstadiendauer: Dauer jedes einzelnen Stadiums in Minuten
  • Dauer der Schlafstadien: in Minuten, bezogen auf die TIB in % angegeben
  • Einschlaflatenz: Zeit vom Messbeginn bis zum ersten Auftreten von Schlafstadium 2; alternativ: Angabe der Einschlaflatenz bis zum Auftreten von Stadium 1 in 3 Epochen
  • Tiefschlaflatenz: Zeit vom Messbeginn bis zum ersten Auftreten von N3
  • REM-Latenz: Zeit vom Messbeginn bis zum ersten Auftreten von REM-Schlaf
  • WASO (Wake after Sleep Onset): Gesamtzeit Wach nach Schlafbeginn
  • Übergänge nach Wach
  • Anzahl der Schlafzyklen: als jeweils ein Schlafzyklus gilt: Ablauf von Leichtschlaf über Tiefschlaf zu REM-Schlaf
  • Dauer der Schlafzyklen
Die berechneten Werte werden in den schlafmedizinischen Befund übernommen.
Die Zeichen der kurzdauernden zentralnervösen Aktivierung, die sogenannten Arousals, werden in der Routineauswertung der PSG nicht angegeben und sind aus dem Hypnogramm nicht ablesbar. Sie können aber parallel zum Hypnogramm angegeben werden, nach zusätzlicher Auswertung gemäß besonderen Auswertevorschriften (siehe auch „Aufwachen und Hirnaktivierung“). Eine Zuordnung von Arousals zu auslösenden motorischen, kardialen oder respiratorischen Ereignissen ist nur mittels KRPSG möglich (siehe „Gestörter Schlaf, seine Muster in der Kardiorespiratorischen Polysomnographie“).

Polysomnographische Befunde in Abhängigkeit vom Lebensalter

Die Gesamtschlafzeit liegt für den Säugling bei etwa 16 Stunden pro Tag und nimmt bis zum jungen Erwachsenen auf etwa 8 Stunden ab. Beim Säugling liegt der Anteil des REM-Schlafs bei etwa 50 % und bleibt nach der Säuglingsperiode bis zum Alter von ca. 40 Jahren relativ stabil. Ähnliches gilt für den Tiefschlaf („Schlafdauer“; „Lebensalter“; „Kindesalter“). Der Anteil der Wachheit während der Messperiode nimmt mit dem Alter zu, was in der Bewertung der Polysomnographie seinen Ausdruck in der Abnahme der Schlafeffizienz findet. Sie liegt bei jungen Menschen bei 95–98 % und bei älteren Menschen ohne Schlafstörungen bei 85 % (Abb. 4).

Messtechnik, Auswertung

Die Polysomnographie ist ein Teilaspekt der KRPSG, daher sind die Geräte zur KRPSG in der Lage, eine Polysomnographie durchzuführen. Das betrifft vor allem die Systeme zur digitalen Aufzeichnung der KRPSG. Die Polysomnographie ist bezogen auf die Sensortechnik etwas anspruchsloser als die KRPSG, denn es werden elektrophysiologische Signale in der gleichen elektrischen Größenordnung gemessen. Die elektrophysiologischen Signale benötigen eine ausreichende Verstärkung und eine angemessene Filtereinstellung (detaillierte Beschreibung siehe „Messung im Schlaflabor“).
Die digitale Polysomnographie entspricht der digitalen KRPSG bezogen auf die apparativen Voraussetzungen und Möglichkeiten. Die besonderen Möglichkeiten werden in „Computer und Computernetzwerke in der Schlafmedizin“ erörtert. Alle elektrophysiologischen Signale müssen mit einer ausreichend hohen Samplingrate digitalisiert werden, um eine gute Darstellung der Kurven auf einem Computermonitor oder auf einem Papierausdruck zur Dokumentation zu ermöglichen. Eine Samplingrate von 200 Hz wird als minimal notwendig erachtet. Eine Samplingrate von 500 Hz wird als optimal für die elektrophysiologischen Signale angesehen (Iber et al. 2007; Berry et al. 2016).

Anmerkungen zur Methode

Die fremde Schlafumgebung und die Verkabelung können als Nebeneffekt den Schlaf der Untersuchten stören. Daher werden bei polysomnographischen Untersuchungen gewöhnlich zwei aufeinander folgende Nächte zur Messung vorgesehen. Die Störung überwiegt in der ersten Nacht. Dieser sogenannte First-night-Effekt äußert sich in häufigerem Erwachen und einer niedrigeren Schlafeffizienz. Mitunter verkürzen sich auch der Tiefschlaf- und der REM-Schlafanteil. Der Effekt der ersten Nacht ist besonders ausgeprägt bei Patienten mit „Insomnien“. Bei Patienten mit „Hypersomnie“ kann er sehr stark variieren. Die Unterschiede der zweiten Nacht gegenüber einer dritten Nacht sind zwar immer noch nachweisbar aber so gering, dass sie gegenüber pathologischen Veränderungen nicht mehr ins Gewicht fallen. So kann in der Regel die zweite Messnacht zur Bewertung des Schlafes zuverlässig herangezogen werden.
Die Polysomnographie stellt den Goldstandard zur quantitativen Auswertung des Schlafes dar. Aufgrund der großen interindividuellen Variation des Schlafverhaltens darf es aber nicht verwundern, dass aus der Polysomnographie berechnete Werte keine hohe Korrelation mit den Maßen der Schläfrigkeit aufweisen, die am Tage nach der Polysomnographie erhoben werden. Man hat auch versucht, Korrelationen mit Reaktionszeiten und Tests zur Leistungsfähigkeit zu finden. Für alle diese Tests gibt es zwar positive Korrelationen, aber diese sind so schwach, dass eine direkte Vorhersage der Werte nicht möglich ist (Einzelheiten zu den Tests und deren Beziehung zu Schläfrigkeit in „Leistungs-, Schläfrigkeits- und Vigilanzmessung“). Die visuelle Schlafstadienauswertung („scoring“) weist eine begrenzte Reliabilität auf, so wie alle visuellen Auswertungen von Kurven oder Bildern. Prinzipiell lässt sich bei den Auswertern eine Intra-Scorer-Reliabilität und eine Inter-Scorer-Reliabilität bestimmen. Um die Reliabilität zu bestimmen, wird die Anzahl der unterschiedlich bewerteten Epochen zur Gesamtzahl der gescorten Epochen in Beziehung gesetzt. Bei 100 % Reliabilität gäbe es keine Unterschiede zwischen 2 Auswertedurchgängen beziehungsweise 2 Auswertern. Die Intra-Scorer Reliabilität liegt für die Schlafstadienauswertung bei 85–98 %. Die Inter-Scorer-Reliabilität liegt bei 65–85 % (Norman et al. 2000). Das Ausmaß der Abweichungen hängt als erstes von der Erfahrung der Scorer ab. Weiterhin ist von hoher Bedeutung, wie eng unterschiedliche Scorer zusammenarbeiten und wie viel sie sich über Zweifelsfälle der Auswertung austauschen. Bei Multicenter-Studien wird daher entweder nur ein Auswertezentrum gewählt, in dem die Scorer eng zusammenarbeiten, oder es werden wiederholt Schulungen für alle beteiligten Zentren durchgeführt, bei denen die Scorer ihre unterschiedlich bewerteten Epochen diskutieren und zu einem Konsens kommen. Die Reliabilität sinkt weiter, wenn Polysomnographien von Patienten mit Schlafstörungen verglichen werden (Norman et al. 2000). Die Reliabilität sinkt auch, wenn die Polysomnographien von Patienten höheren Alters stammen.
Literatur
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