Detrended Fluctuation Analysis of Sleep Electroencephalogram between Obstructive Sleep Apnea Syndrome and Normal Children

소아기 수면무호흡증 환자와 정상 대조군 수면 뇌파의 탈경향변동분석

Unlike the case of adult obstructive sleep apnea syndrome (OSAS), there was no consistent finding on the changes of sleep architecture in childhood OSAS. Further understanding of the sleep electroencephalogram (EEG) should be needed. Non-linear analysis of EEG is particularly useful in giving us a new perspective and in understanding the brain system. The objective of the current study is to compare the sleep architecture and the scaling exponent (${\alpha}$) from detrended fluctuation analysis (DFA) on sleep EEG between OSAS and normal children. Fifteen normal children (8 boys/7 girls, 6.0${\pm}4.3$2.2 years old) and twelve OSAS children (10 boys/2 girls, 6.4${\pm}4.3$3.4 years old) were studied with polysomnography (PSG). Sleep-related variables and OSAS severity indices were obtained. Scaling exponent of DFA were calculated from the EEG channels (C3/A2, C4/A1, O1/A2, and O2/A1), and compared between normal and OSAS children. No difference in sleep architecture was found between OSAS and normal controls except stage 1 sleep (%) and REM sleep latency (min). Stage 1 sleep (%) was significantly higher and REM latency was longer in OSAS group (9.3${\pm}4.3$4.3%, 181.5${\pm}4.3$59.9 min) than in controls (5.6${\pm}4.3$2.8%, 133.5${\pm}4.3$42.0 min). Scaling exponent (${\alpha}$) showed that sleep EEG of OSAS children also followed the 'longrange temporal correlation' characteristics. Value of ${\alpha}$ increased as sleep stages increased from stage 1 to stage 4. Value of ${\alpha}$ from C3/A2, C4/A1, O1/A2, O2/A1 were significantly lower in OSAS than in control (1.36${\pm}4.3$0.05 vs. 1.41${\pm}4.3$0.04, 1.37${\pm}4.3$0.04 vs. 1.41${\pm}4.3$0.04, 1.37${\pm}4.3$0.05 vs. 1.41${\pm}4.3$0.05, and 1.36${\pm}4.3$0.07 vs. 1.41${\pm}4.3$0.05, p<0.05). Higher stage 1 sleep (%) in OSAS children was consistent finding with OSAS adults. Lower $'{\alpha}'$ in OSAS children suggests decrease of self-organized criticality or the decreased piling-up energy of brain system during sleep in OSAS children.

본 연구의 목적은 소아 수면무홉증 환자와 정상 소아의 수면 구조를 비교하고 잘 드러나지 않는 차이를 뇌파의 비선형적 분석을 통해 비교 분석하는데 있다. 코골이 증상을 호소하는 소아 중 수면다원검사를 통해 폐쇄성 수면무호흡 지수가 시간당 1회 이상으로 소아기 폐쇄성 수면무호흡증으로 진단받은 12명(남아 10명, 평균 6.4${\pm}$3.4세)과 정상 대조군으로 연구에 참여한 15명(남아 8명, 평균 6.0${\pm}$2.2세)의 수면다원검사 자료를 비교하였다. 즉, 수면 구조 관련 변인과 뇌파 채널(C3/A2, C4/A1, O1/A2, O2/A1)에서 탈경향변동분석 과정을 거쳐 계산된 축적 지수를 비교하였다. 수면 구조에서는 1단계 수면의 비율이 폐쇄성 수면무호흡증 환아에서 9.3${\pm}4.3$%로 정상 소아의 5.6${\pm}4.3$2.8%보다 유의하게 높았고, 렘수면 입면잠복시간에서 폐쇄성 수면무호흡증 환아가 181.5${\pm}4.3$59.9 분으로 정상 소아의 133.5${\pm}4.3$42.0분보다 유의하게 길었다. 2, 3, 4단계 수면과 렘수면의 비율은 폐쇄성 수면무호흡증 환아와 정상 소아에서 유의한 차이가 없었다. 소아의 수면 뇌파에서 계산된 축적 지수(${\alpha}$)는 장기 시간적 연관성(long-range temporal correlation)의 특징을 갖는 것으로 1단계에서 4단계 수면으로 갈수록 ${\alpha}$ 값이 증가 하였다. 각각의 뇌파 채널에서 폐쇄성 수면무호흡증 환아의 축적 지수는 정상 소아의 축적 지수보다 유의하게 낮았다(C3/A2: 1.36${\pm}4.3$0.05 vs. 1.41${\pm}4.3$0.04, C4/A1: 1.37${\pm}4.3$0.04 vs. 1.41${\pm}4.3$0.04, O1/A2: 1.37${\pm}4.3$0.05 vs. 1.41${\pm}4.3$0.05, O2/A1: 1.36${\pm}4.3$0.07 vs. 1.41${\pm}4.3$0.05, p<0.05). 폐쇄성 수면무호흡증 환아에서 낮은 ${\alpha}$ 값을 보인 것은 자기조직적 고비성(self-organized criticality)이 줄어든 것으로 뇌 체계에서 자체 기전에 의한 에너지 축적이 감소한 것으로 해석해 볼 수 있다. 8시간에 이르는 수면 뇌파의 정량화가 수면무호흡증과 같은 질병 상태를 반영한다면 향후 연구에서 그 유효성과 범용성을 여러 질병에서 확인해 보아야 할 것이다.