Assessment of respiratory flow cycle morphology in patients with chronic heart failure

Breathing pattern as periodic breathing (PB) in chronic heart failure (CHF) is associated with poor prognosis and high mortality risk. This work investigates the significance of a number of time domain parameters for characterizing respiratory flow cycle morphology in patients with CHF. Thus, our primary goal is to detect PB pattern and identify patients at higher risk. In addition, differences in respiratory flow cycle morphology between CHF patients (with and without PB) and healthy subjects are studied. Differences between these parameters are assessed by investigating the following three classification issues: CHF patients with PB versus with non-periodic breathing (nPB), CHF patients (both PB and nPB) versus healthy subjects, and nPB patients versus healthy subjects. Twenty-six CHF patients (8/18 with PB/nPB) and 35 healthy subjects are studied. The results show that the maximal expiratory flow interval is shorter and with lower dispersion in CHF patients than in healthy subjects. The flow slopes are much steeper in CHF patients, especially for PB. Both inspiration and expiration durations are reduced in CHF patients, mostly for PB. Using the classification and regression tree technique, the most discriminant parameters are selected. For signals shorter than 1 min, the time domain parameters produce better results than the spectral parameters, with accuracies for each classification of 82/78, 89/85, and 91/89 %, respectively. It is concluded that morphologic analysis in the time domain is useful, especially when short signals are analyzed.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Breathing pattern characterization in patients with respiratory and cardiac failure

El objetivo principal de la tesis es estudiar los patrones respiratorios de pacientes en proceso de extubación y pacientes con insuficiencia cardiaca crónica (CHF), a partirde la señal de flujo respiratorio. La información obtenida de este estudio puede contribuir a la comprensión de los procesos fisiológicos subyacentes,y ayudar en el diagnóstico de estos pacientes. Uno de los problemas más desafiantes en unidades de cuidados intensivos es elproceso de desconexión de pacientes asistidos mediante ventilación mecánica. Más del 10% de pacientes que se extuban tienen que ser reintubados antes de 48 horas. Una prueba fallida puede ocasionar distrés cardiopulmonar y una mayor tasa de mortalidad. Se caracterizó el patrón respiratorio y la interacción dinámica entre la frecuenciacardiaca y frecuencia respiratoria, para obtener índices no invasivos que proporcionen una mayor información en el proceso de destete y mejorar el éxito de la desconexión.Las señales de flujo respiratorio y electrocardiográfica utilizadas en este estudio fueron obtenidas durante 30 minutos aplicando la prueba de tubo en T. Se compararon94 pacientes que tuvieron éxito en el proceso de extubación (GE), 39 pacientes que fracasaron en la prueba al mantener la respiración espontánea (GF), y 21 pacientes quesuperaron la prueba con éxito y fueron extubados, pero antes de 48 horas tuvieron que ser reintubados (GR). El patrón respiratorio se caracterizó a partir de las series temporales. Se aplicó la dinámica simbólica conjunta a las series correspondientes a las frecuencias cardiaca y respiratoria, para describir las interacciones cardiorrespiratoria de estos pacientes. Técnicas de "clustering", ecualización del histograma, clasificación mediante máquinasde soporte vectorial (SVM) y técnicas de validación permitieron seleccionar el conjunto de características más relevantes. Se propuso una nueva métrica B (índice de equilibrio) para la optimización de la clasificación con muestras desbalanceadas. Basado en este nuevo índice, aplicando SVM, se seleccionaron las mejores características que mantenían el mejor equilibrio entre sensibilidad y especificidad en todas las clasificaciones. El mejor resultado se obtuvo considerando conjuntamente la precisión y el valor de B, con una clasificación del 80% entre los grupos GE y GF, con 6 características. Clasificando GE vs. el resto de los pacientes, el mejor resultado se obtuvo con 9 características, con 81%. Clasificando GR vs. GE y GR vs. el resto de pacientes la precisión fue del 83% y 81% con 9 y 10 características, respectivamente. La tasa de mortalidad en pacientes con CHF es alta y la estratificación de estospacientes en función del riesgo es uno de los principales retos de la cardiología contemporánea. Estos pacientes a menudo desarrollan patrones de respiraciónperiódica (PB) incluyendo la respiración de Cheyne-Stokes (CSR) y respiración periódica sin apnea. La respiración periódica en estos pacientes se ha asociadocon una mayor mortalidad, especialmente en pacientes con CSR. Por lo tanto, el estudio de estos patrones respiratorios podría servir como un marcador de riesgo y proporcionar una mayor información sobre el estado fisiopatológico de pacientes con CHF. Se pretende identificar la condición de los pacientes con CHFde forma no invasiva mediante la caracterización y clasificación de patrones respiratorios con PBy respiración no periódica (nPB), y patrón de sujetos sanos, a partir registros de 15minutos de la señal de flujo respiratorio. Se caracterizó el patrón respiratorio mediante un estudio tiempo-frecuencia estacionario y no estacionario, de la envolvente de la señal de flujo respiratorio. Parámetros relacionados con la potencia espectral de la envolvente de la señal presentaron losmejores resultados en la clasificación de sujetos sanos y pacientes con CHF con CSR, PB y nPB. Las curvas ROC validan los resultados obtenidos. Se aplicó la "correntropy" para una caracterización tiempo-frecuencia mas completa del patrón respiratorio de pacientes con CHF. La "corretronpy" considera los momentos estadísticos de orden superior, siendo más robusta frente a los "outliers". Con la densidad espectral de correntropy (CSD) tanto la frecuencia de modulación como la dela respiración se representan en su posición real en el eje frecuencial. Los pacientes con PB y nPB, presentan diferentesgrados de periodicidad en función de su condición, mientras que los sujetos sanos no tienen periodicidad marcada. Con único parámetro se obtuvieron resultados del 88.9% clasificando pacientes PB vs. nPB, 95.2% para CHF vs. sanos, 94.4% para nPB vs. sanos.The main objective of this thesis is to study andcharacterize breathing patterns through the respiratory flow signal applied to patients on weaning trials from mechanicalventilation and patients with chronic heart failure (CHF). The aim is to contribute to theunderstanding of the underlying physiological processes and to help in the diagnosis of these patients. One of the most challenging problems in intensive care units is still the process ofdiscontinuing mechanical ventilation, as over 10% of patients who undergo successfulT-tube trials have to be reintubated in less than 48 hours. A failed weaning trial mayinduce cardiopulmonary distress and carries a higher mortality rate. We characterize therespiratory pattern and the dynamic interaction between heart rate and breathing rate toobtain noninvasive indices that provide enhanced information about the weaningprocess and improve the weaning outcome. This is achieved through a comparison of 94 patients with successful trials (GS), 39patients who fail to maintain spontaneous breathing (GF), and 21 patients who successfully maintain spontaneous breathing and are extubated, but require thereinstitution of mechanical ventilation in less than 48 hours because they are unable tobreathe (GR). The ECG and the respiratory flow signals used in this study were acquired during T-tube tests and last 30 minute. The respiratory pattern was characterized by means of a number of respiratory timeseries. Joint symbolic dynamics applied to time series of heart rate and respiratoryfrequency was used to describe the cardiorespiratory interactions of patients during theweaning trial process. Clustering, histogram equalization, support vector machines-based classification (SVM) and validation techniques enabled the selection of the bestsubset of input features. We defined a new optimization metric for unbalanced classification problems, andestablished a new SVM feature selection method, based on this balance index B. The proposed B-based SVM feature selection provided a better balance between sensitivityand specificity in all classifications. The best classification result was obtained with SVM feature selection based on bothaccuracy and the balance index, which classified GS and GFwith an accuracy of 80%, considering 6 features. Classifying GS versus the rest of patients, the best result wasobtained with 9 features, 81%, and the accuracy classifying GR versus GS, and GR versus the rest of the patients was 83% and 81% with 9 and 10 features, respectively.The mortality rate in CHF patients remains high and risk stratification in these patients isstill one of the major challenges of contemporary cardiology. Patients with CHF oftendevelop periodic breathing patterns including Cheyne-Stokes respiration (CSR) and periodic breathing without apnea. Periodic breathing in CHF patients is associated withincreased mortality, especially in CSR patients. Therefore it could serve as a risk markerand can provide enhanced information about thepathophysiological condition of CHF patients. The main goal of this research was to identify CHF patients' condition noninvasively bycharacterizing and classifying respiratory flow patterns from patients with PB and nPBand healthy subjects by using 15-minute long respiratory flow signals. The respiratory pattern was characterized by a stationary and a nonstationary time-frequency study through the envelope of the respiratory flow signal. Power-related parameters achieved the best results in all of the classifications involving healthy subjects and CHF patients with CSR, PB and nPB and the ROC curves validated theresults obtained for the identification of different respiratory patterns. We investigated the use of correntropy for the spectral characterization of respiratory patterns in CHF patients. The correntropy function accounts for higher-order moments and is robust to outliers. Due to the former property, the respiratory and modulationfrequencies appear at their actual locations along the frequency axis in the correntropy spectral density (CSD). The best results were achieved with correntropy and CSD-related parameters that characterized the power in the modulation and respiration discriminant bands, definedas a frequency interval centred on the modulation and respiration frequency peaks,respectively. All patients, i.e. both PB and nPB, exhibit various degrees of periodicitydepending on their condition, whereas healthy subjects have no pronounced periodicity.This fact led to excellent results classifying PB and nPB patients 88.9%, CHF versushealthy 95.2%, and nPB versus healthy 94.4% with only one parameter.Postprint (published version

Assessment of respiratory flow cycle morphology in patients with chronic heart failure

Breathing pattern as periodic breathing (PB) in chronic heart failure (CHF) is associated with poor prognosis and high mortality risk. This work investigates the significance of a number of time domain parameters for characterizing respiratory flow cycle morphology in patients with CHF. Thus, our primary goal is to detect PB pattern and identify patients at higher risk. In addition, differences in respiratory flow cycle morphology between CHF patients (with and without PB) and healthy subjects are studied. Differences between these parameters are assessed by investigating the following three classification issues: CHF patients with PB versus with non-periodic breathing (nPB), CHF patients (both PB and nPB) versus healthy subjects, and nPB patients versus healthy subjects. Twenty-six CHF patients (8/18 with PB/nPB) and 35 healthy subjects are studied. The results show that the maximal expiratory flow interval is shorter and with lower dispersion in CHF patients than in healthy subjects. The flow slopes are much steeper in CHF patients, especially for PB. Both inspiration and expiration durations are reduced in CHF patients, mostly for PB. Using the classification and regression tree technique, the most discriminant parameters are selected. For signals shorter than 1 min, the time domain parameters produce better results than the spectral parameters, with accuracies for each classification of 82/78, 89/85, and 91/89 %, respectively. It is concluded that morphologic analysis in the time domain is useful, especially when short signals are analyzed

Time-varying signal analysis to detect high-altitude periodic breathing in climbers ascending to extreme altitude

This work investigates the performance of cardiorespiratory analysis detecting periodic breathing (PB) in chest wall recordings in mountaineers climbing to extreme altitude. The breathing patterns of 34 mountaineers were monitored unobtrusively by inductance plethysmography, ECG and pulse oximetry using a portable recorder during climbs at altitudes between 4497 and 7546 m on Mt. Muztagh Ata. The minute ventilation (VE) and heart rate (HR) signals were studied, to identify visually scored PB, applying time-varying spectral, coherence and entropy analysis. In 411 climbing periods, 30–120 min in duration, high values of mean power (MPVE) and slope (MSlopeVE) of the modulation frequency band of VE, accurately identified PB, with an area under the ROC curve of 88 and 89 %, respectively. Prolonged stay at altitude was associated with an increase in PB. During PB episodes, higher peak power of ventilatory (MPVE) and cardiac (MPLF HR) oscillations and cardiorespiratory coherence (MPLFCoher), but reduced ventilation entropy (SampEnVE), was observed. Therefore, the characterization of cardiorespiratory dynamics by the analysis of VE and HR signals accurately identifies PB and effects of altitude acclimatization, providing promising tools for investigating physiologic effects of environmental exposures and diseases.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Estudio del patrón respiratorio en pacientes ancianos

La clínica relacionada con los pacientes ancianos, refleja una elevada incidencia de enfermedades de origen cardíaco y respiratorio. Alteraciones en el patrón respiratorio como son la respiración periódica (PB) y la respiración Cheyne-Stokes (CSR) pueden estar relacionadas con la insuficiencia cardíaca crónica (ICC). En este estudio se propuso caracterizar estos patrones respiratorios a partir de la envolvente de la señal de flujo respiratorio, aplicando técnicas de análisis frecuencial y de tiempo-frecuencia. Se estudiaron registros de 45 pacientes ancianos (25 pacientes con patrón PB y 20 pacientes con respiración no periódica (nPB)). Se analizaron los resultados considerando todas las posibles combinaciones de tipos de patrones: pacientes con patrones PB (con y sin apnea) vs nPB, y patrones CSR vs PB, CSR vs nPB y PB vs nPB. En el análisis tiempo-frecuencia se obtuvo la mayor exactitud (76.3%) con parámetros correspondientes a la variabilidad frecuencial y la desviación del pico de potencia, al comparar pacientes con patrón respiratorio nPB vs PB. Considerando segmentos de señal de 5 minutos, la potencia de pico de modulación, la variabilidad frecuencial y los rangos intercuartílicos presentaron los mejores resultados, con una exactitud del 72.8% al comparar los tres grupos (nPB, PB y CSR), y del 74.2% al comparar patrones PB vs nPB.Postprint (published version

The Different Facets of Heart Rate Variability in Obstructive Sleep Apnea

Obstructive sleep apnea (OSA), a heterogeneous and multifactorial sleep related breathing disorder with high prevalence, is a recognized risk factor for cardiovascular morbidity and mortality. Autonomic dysfunction leads to adverse cardiovascular outcomes in diverse pathways. Heart rate is a complex physiological process involving neurovisceral networks and relative regulatory mechanisms such as thermoregulation, renin-angiotensin-aldosterone mechanisms, and metabolic mechanisms. Heart rate variability (HRV) is considered as a reliable and non-invasive measure of autonomic modulation response and adaptation to endogenous and exogenous stimuli. HRV measures may add a new dimension to help understand the interplay between cardiac and nervous system involvement in OSA. The aim of this review is to introduce the various applications of HRV in different aspects of OSA to examine the impaired neuro-cardiac modulation. More specifically, the topics covered include: HRV time windows, sleep staging, arousal, sleepiness, hypoxia, mental illness, and mortality and morbidity. All of these aspects show pathways in the clinical implementation of HRV to screen, diagnose, classify, and predict patients as a reasonable and more convenient alternative to current measures.Peer Reviewe

Diagnosis of the sleep apnea-hypopnea syndrome : a comprehensive approach through an intelligent system to support medical decision

[Abstract] This doctoral thesis carries out the development of an intelligent system to support medical decision in the diagnosis of the Sleep Apnea-Hypopnea Syndrome (SAHS). SAHS is the most common disorder within those affecting sleep. The estimates of the disease prevalence range from 3% to 7%. Diagnosis of SAHS requires of a polysomnographic test (PSG) to be done in the Sleep Unit of a medical center. Manual scoring of the resulting recording entails too much effort and time to the medical specialists and as a consequence it implies a high economic cost. In the developed system, automatic analysis of the PSG is accomplished which follows a comprehensive perspective. Firstly an analysis of the neurophysiological signals related to the sleep function is carried out in order to obtain the hypnogram. Then, an analysis is performed over the respiratory signals which have to be subsequently interpreted in the context of the remaining signals included in the PSG. In order to carry out such a task, the developed system is supported by the use of artificial intelligence techniques, specially focusing on the use of reasoning mechanisms capable of handling data imprecision. Ultimately, it is the aim of the proposed system to improve the diagnostic procedure and help physicians in the diagnosis of SAHS.[Resumen] Esta tesis aborda el desarrollo de un sistema inteligente de apoyo a la decisión clínica para el diagnóstico del Síndrome de Apneas-Hipopneas del Sueño (SAHS). El SAHS es el trastorno más común de aquellos que afectan al sueño. Afecta a un rango del 3% al 7% de la población con consecuencias severas sobre la salud. El diagnóstico requiere la realización de un análisis polisomnográfico (PSG) en una Unidad del Sueño de un centro hospitalario. El análisis manual de dicha prueba resulta muy costoso en tiempo y esfuerzo para el médico especialista, y como consecuencia en un elevado coste económico. El sistema desarrollado lleva a cabo el análisis automático del PSG desde una perspectiva integral. A tal efecto, primero se realiza un análisis de las señales neurofisiológicas vinculadas al sueño para obtener el hipnograma, y seguidamente, se lleva a cabo un análisis neumológico de las señales respiratorias interpretándolas en el contexto que marcan las demás señales del PSG. Para lleva a cabo dicha tarea el sistema se apoya en el uso de distintas técnicas de inteligencia artificial, con especial atención al uso mecanismos de razonamiento con soporte a la imprecisión. El principal objetivo del sistema propuesto es la mejora del procedimiento diagnóstico y ayudar a los médicos en diagnóstico del SAHS.[Resumo] Esta tese aborda o desenvolvemento dun sistema intelixente de apoio á decisión clínica para o diagnóstico do Síndrome de Apneas-Hipopneas do Sono (SAHS). O SAHS é o trastorno máis común daqueles que afectan ao sono. Afecta a un rango do 3% ao 7% da poboación con consecuencias severas sobre a saúde. O diagnóstico pasa pola realización dunha análise polisomnográfica (PSG) nunha Unidade do Sono dun centro hospitalario. A análise manual da devandita proba resulta moi custosa en tempo e esforzo para o médico especialista, e como consecuencia nun elevado custo económico. O sistema desenvolvido leva a cabo a análise automática do PSG dende unha perspectiva integral. A tal efecto, primeiro realizase unha análise dos sinais neurofisiolóxicos vinculados ao sono para obter o hipnograma, e seguidamente, lévase a cabo unha análise neumolóxica dos sinais respiratorios interpretándoos no contexto que marcan os demais sinais do PSG. Para leva a cabo esta tarefa o sistema apoiarase no uso de distintas técnicas de intelixencia artificial, con especial atención a mecanismos de razoamento con soporte para a imprecisión. O principal obxectivo do sistema proposto é a mellora do procedemento diagnóstico e axudar aos médicos no diagnóstico do SAHS

Non-invasive techniques for respiratory information extraction based on pulse photoplethysmogram and electrocardiogram

El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de métodos no invasivos para la extracción de información respiratoria a partir de dos señales biomédicas ampliamente utilizadas en la rutina clínica: el electrocardiograma (ECG) y la señal fotopletismográfica de pulso (PPG). La motivación de este estudio es la conveniencia de monitorizar información respiratoria a partir de dispositivos no invasivos que permita sustituir las técnicas actuales que podrían interferir con la respiración natural y que presentan inconvenientes en algunas aplicaciones como la prueba de esfuerzo y los estudios del sueño. Además, si estos dispositivos no invasivos son los ya utilizados en la rutina clínica, la información respiratoria extraída de ellos representa un valor añadido que permite tener una visión más completa del paciente. DESARROLLO TEÓRICO Esta tesis se divide en 6 capítulos. El Capítulo 1 introduce la problemática, motivaciones y objetivos del estudio. También introduce el origen fisiológico de las señales estudiadas ECG y PPG, y cómo y por qué tienen información autonómica y respiratoria que se puede extraer de ellas. El Capítulo 2 aborda la obtención de información respiratoria a partir del ECG. Se han propuesto varios métodos para la obtención de la respiración a partir del ECG (EDR, del inglés ¿ECG derived respiration?). Su rendimiento se suele ver muy afectado en entornos altamente no estacionarios y ruidosos como la prueba de esfuerzo. No obstante, se han propuesto algunas alternativas, como una basada en el ángulo de rotación del eje eléctrico (obtenido del ECG), que es el que mejor funciona en prueba de esfuerzo según nuestros conocimientos. Este método requiere de tres derivaciones ortogonales y es muy dependiente de cada una de ellas, i.e., el método no es aplicable o su rendimiento se reduce significativamente si hay algún problema en alguna de las derivaciones requeridas. En el Capítulo 2 se propone un método EDR nuevo basado en las pendientes del QRS y el ángulo de la onda R. El Capítulo 3 aborda a obtención de información respiratoria a partir de la señal PPG. Se propone un método nuevo para obtener la tasa respiratoria a partir de la señal PPG. Explota una modulación respiratoria en la variabilidad de anchura de pulso (PWV) relacionada con la velocidad y dispersión de la onda de pulso. El Capítulo 4 aborda la extracción de información respiratoria a partir de señales PPG registradas con smarthpones (SCPPG), mediante la adaptación de los métodos basados en la señal PPG presentados en el Capítulo 3. En el Capítulo 5 se propone un método para el diagnóstico del síndrome de apnea obstructiva del sueño (OSAS) en niños basado únicamente en la señal PPG. El OSAS es una disfunción relacionada con la respiración y el sueño que se diagnostica mediante polisomnografía (PSG). La PSG es el registro nocturno de muchas señales durante el sueño, siendo muy difícil de aplicar en entornos ambulatorios. El método que presenta esta tesis está enfocado a diagnosticar el OSAS en niños utilizando únicamente la señal PPG que permitiría considerar un diagnóstico ambulatorio con sus ventajas económicas y sociales. Finalmente, el Capítulo 6 resume las contribuciones originales y las conclusiones principales de esta tesis, y propone posibles extensiones del trabajo. CONCLUSIÓN El método presentado en el Capítulo 2 para estimar la tasa respiratoria a partir de las pendientes del complejo QRS y el ángulo de la onda R en el ECG demostró ser robusto en entornos altamente no estacionarios y ruidosos y por tanto ser aplicable durante ejercicio incluyendo entrenamiento deportivo. Además, es independiente de un conjunto específico de derivaciones y, por tanto, un problema en alguna de ellas no implica una reducción considerable del rendimiento. El método presentado en el Capítulo 3 para estimar la tasa respiratoria a partir de la PWV extraída de la señal PPG está mucho menos afectada por el tono simpático que otros métodos presentados en la literatura que suelen basarse en la amplitud y/o la tasa de pulso. Esto permite una mayor precisión que otros métodos basados en PPG. Además, se propone un método para combinar información de diferentes señales respiratorias, y se utiliza para estimar la tasa respiratoria a partir de la PWV en combinación con otros métodos basados en la señal PPG, mejorando la precisión de la estimación incluso en comparación con otros métodos en la literatura que requieren el ECG o la presión sanguínea. Los métodos propuestos en el Capítulo 4 para estimar la tasa respiratoria mediante señales SCPPG estimaron de forma precisa la tasa respiratoria en sus rangos espontáneos habituales (0.2-0.4 Hz) e incluso a tasas más altas (hasta 0.5 Hz o 0.6 Hz, dependiendo del dispositivo utilizado). El único requerimiento es que el smartphone tenga un luz tipo flash y una cámara para grabar una yema del dedo sobre ella. La popularidad de los smartphones los convierte en dispositivos de acceso y aceptación r¿apidos. Así, para la población general es potencialmente aceptable un método que funciona en smartphones, pudiendo facilitar la medida de algunas constantes vitales utilizando solo la yema del dedo. El método presentado en el Capítulo 5 para el diagnóstico del OSAS en niños a partir de la PPG obtuvo una precisión suficiente para la clínica, aunque antes de ser aplicado en dicho entorno, el método debería ser validado en una base de datos más grande.The main objective of this thesis is to develop non-invasive methods for respiration information extraction from two biomedical signals which are widely adopted in clinical routine: the electrocardiogram (ECG) and the pulse photoplethysmographic (PPG) signal. This study is motivated by the desirability of monitoring respiratory information from non-invasive devices allowing to substitute the current respiration-monitoring techniques which may interfere with natural breathing and which are unmanageable in some applications such as stress test or sleep studies. Furthermore, if these noninvasive devices are those already used in the clinical routine, the respiratory information obtained from them represents an added value which allows a more complete overview of the patient status. This thesis is divided into 6 chapters. Chapter 1 of this thesis introduces the problematic, motivations and objectives of this study. It also introduces the physiological origin of studied ECG and PPG signals, and why and how they carry autonomic- and respiration-related information which can be extracted from them. Chapter 2 of this thesis addresses the derivation of respiratory information from ECG signal. Several ECG derived respiration (EDR) methods have been presented in literature. Their performance usually decrease considerably in highly non-stationary and noisy environments such as stress test. However, some alternatives aimed to this kind of environments have been presented, such as one based on electrical axis rotation angles (obtained from the ECG), which to the best of our knowledge was the best suited for stress test. This method requires three orthogonal leads, and it is very dependent on each one of those leads, i.e., the performance of the method is significantly decreased if there is any problem at any one of the required leads. A novel EDR method based on QRS slopes and R-wave angle is presented in this thesis. The proposed method demonstrated to be robust in highly non-stationary and noisy environments and so to be applicable to exercise conditions including sports training. Furthermore, it is independent on a specific lead set, and so, a problem at any lead do not imply a significantly reduction of the performance. Chapter 3 addresses the derivation of respiratory information from PPG signals. A novel method for deriving respiratory rate from PPG signal is presented. It exploits respiration-related modulations in pulse width variability (PWV) which is related to pulse wave velocity and dispersion. The proposed method is much less affected by the sympathetic tone than other methods in literature which are usually based on pulses amplitude and/or rate. This leads to highest accuracy than other PPG-based method. Furthermore, a method for combining information from several respiratory signals was developed and used to obtain a respiratory rate estimation from the proposed PWV-based in combination with other known PPG-based methods, improving the accuracy of the estimation and outperforming other methods in literature which involve ECG or BP recording. Chapter 4 addresses the derivation of respiratory information from smartphone- camera-acquired-PPG (SCPPG) signals by adapting the methods for deriving respiratory rate from PPG signal presented in Chapter 3. The proposed method accurately estimates respiratory rate from SCPPG signals at its normal spontaneous ranges (0.2-0.4 Hz) and even at higher rates (up to 0.5 Hz or 0.6 Hz, depending on the used device). The only requirement is that these smartphones and tablets contain a flashlight and a video camera to image a fingertip pressed to it. As smartphones and tablets have become common, they meet the criteria of ready access and acceptance. Hence, a mobile phone/tablet approach has the potential to be widely-accepted by the general population and can facilitate the capability to measure some of the vital signs using only fingertip of the subject. Chapter 5 of this thesis proposes a methodology for obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) screening in children just based on PPG signal. OSAS is a sleep-respiration-related dysfunction for which polysomnography (PSG) is the gold standard for diagnosis. PSG consists of overnight recording of many signals during sleep, therefore, it is quite involved and difficult to use in ambulatory scenario. The method presented in this thesis is aimed to diagnose the OSAS in children based just on PPG signal which would allow us to consider an ambulatory diagnosis with both its social and economic advantages. Finally, Chapter 6 summarizes the original contributions and main conclusions of the thesis, and proposes possible extensions of the work