On Improvement of Detection of Obstructive Sleep Apnea by Partial Least Square-based Extraction of Dynamic Features

This paper presents a methodology for Obstructive Sleep Apnea (OSA) detection based on the HRV analysis, where as a measure of relevance PLS is used. Besides, two different combining approaches for the selection of the best set of contours are studied. Attained results can be oriented in research focused on finding alternative methods minimizing the HRV-derived parameters used for OSA diagnosing, with a diagnostic accuracy comparable to a polysomnogram. For two classes (normal, apnea) the results for PLS are: specificity 90%, sensibility 91% and accuracy 93.56%

Non-Invasive Detection of Mechanical Alternans Utilizing Photoplethysmography

Background and Significance: Mechanical alternans (MA) is a biomarker associated with mortality and life-threatening arrhythmias in heart failure patients. Despite showing prognostic value, its use is limited by the requirement of measuring continuous blood pressure (BP), which is costly and impractical. Objective: To develop and test, for the first time, non-invasive MA surrogates based on photoplethysmography (PPG). Methods: Continuous BP and PPG were recorded during clinical procedures and tests in 35 patients. MA was induced either by ventricular pacing (Group A, N=19) or exercise (Group B, N=16). MA was categorized as sustained or intermittent if MA episodes were observed in at least 20 or between 12 to 20 consecutive beats, respectively. Eight features characterizing pulse morphology were derived from the PPG and MA surrogates were evaluated. Results: Sustained alternans was observed in 9 patients (47%) from Group A, whereas intermittent alternans was observed in 13 patients (68%) from Group A and in 10 patients (63%) from Group B. The PPG-based MA surrogate showing the highest accuracy, V'M, was based on the maximum of the first derivative of the PPG pulse. It detected both sustained and intermittent MA with 100% sensitivity and 100% specificity in Group A and intermittent MA with 100% sensitivity and 83% specificity in Group B. Furthermore, the magnitudes of MA and its PPG-based surrogate were linearly correlated (R 2 =0.83, p<0.001). Conclusion: MA can be accurately identified non-invasively through PPG analysis. This may have important clinical implications for risk stratification and remote monitoring

Pediatric sleep apnea: Characterization of apneic events and sleep stages using heart rate variability

Producción CientíficaHeart rate variability (HRV) is modulated by sleep stages and apneic events. Previous studies in children compared classical HRV parameters during sleep stages between obstructive sleep apnea (OSA) and controls. However, HRV-based characterization incorporating both sleep stages and apneic events has not been conducted. Furthermore, recently proposed novel HRV OSA-specific parameters have not been evaluated. Therefore, the aim of this study was to characterize and compare classic and pediatric OSA-specific HRV parameters while including both sleep stages and apneic events. A total of 1610 electrocardiograms from the Childhood Adenotonsillectomy Trial (CHAT) database were split into 10-minute segments to extract HRV parameters. Segments were characterized and grouped by sleep stage (wake, W; non-rapid eye movement, NREMS; and REMS) and presence of apneic events (under 1 apneic event per segment, e/s; 1–5 e/s; 5–10 e/s; and over 10 e/s). NREMS showed significant changes in HRV parameters as apneic event frequency increased, which were less marked in REMS. In both NREMS and REMS, power in BW2, a pediatric OSA-specific frequency domain, allowed for the optimal differentiation among segments. Moreover, in the absence of apneic events, another defined band, BWRes, resulted in best differentiation between sleep stages. The clinical usefulness of segment-based HRV characterization was then confirmed by two ensemble-learning models aimed at estimating apnea-hypopnea index and classifying sleep stages, respectively. We surmise that basal sympathetic activity during REMS may mask apneic events-induced sympathetic excitation, thus highlighting the importance of incorporating sleep stages as well as apneic events when evaluating HRV in pediatric OSA.Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) under projects (PID2019-104881RB-I00), (PID2020-115468RB-I00), (PDC2021-120775-I00) and (PID2021-126734OB-C21)Sociedad Española de Sueño (SES) en el marco del proyecto “Beca de Investigación SES 2019”, by 'CIBER-Consorcio Centro de Investigación Biomédica en Red- (CB19/01/00012)' a través del 'Instituto de Salud Carlos III' co- financiado con fondos FEDER, así como bajo el proyecto SleepyHeart de la convocatoria de valorización 2020, y por el Gobierno de Aragón (Grupo de Referencia BSICoS T39-20R).The National Sleep Research Resource was supported by the National Heart, Lung, and Blood Institute (R24 HL114473, 75N92019R002).Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, “Ayudas para contratos predoctorales para la Formación de Doctores” grant (PRE2018-085219) and “Ramón y Cajal” (MICIU/FSE) grant (RYC2019-028566-I)Institutos Nacionales de Salud-"Ensayo de adenoamigdalectomía infantil (CHAT)"- (HL083075, HL083129, UL1-RR-024134, UL1 RR024989) and (grant AG061824)

Estimación robusta de la diferencia del tiempo de tránsito del pulso sanguíneo a partir de señales fotopletismográficas

En el presente trabajo se va a estudiar la posibilidad de detectar estrés mental utilizando técnicas no invasivas basadas en la señal fotopletismográfica de pulso (PPG). Para ello se pretende detectar cambios en la velocidad de pulso arterial (PWV), utilizando señales de PPG tomadas en dos puntos distintos del árbol arterial con las que poder medir el tiempo de llegada de pulso arterial a la periferia (PAT) y la diferencia de ese tiempo de llegada entre dos puntos de la periferia distintos (PTTD). Tanto el PAT como el PTTD han sido propuestas en la bibliografía como medidas influenciados por el Tiempo de Tránsito de Pulso (PTT), este último capaz de medir cambios en la dinámica cardiovascular. Sin embargo, el PTTD, al contrario que el PAT, no necesita del electrocardiograma (ECG) para ser obtenido y no está influenciado por el periodo de pre-eyección (PEP) -un intervalo de tiempo en la sístole ventricular que cambia pulso a pulso- el cual genera que el PAT pierda la relación con el PTT, dos factores importantes que aventajan al PTTD frente al PAT. Primero, se estudia de fiabilidad de los puntos fiduciales para la detección de los pulsos de la señal PPG y con ésto comprobar cuál es el método con la mayor precisión. Se demuestra mediante diversos análisis que el mejor punto para detectar los pulsos corresponde al valor de la PPG en el instante de máxima pendiente (valor máximo en la primera derivada). Resulta necesario implementar un detector de artefactos ya que el método de adquisición de la PPG es muy sensible a ellos pudiendo llegar a haber segmentos en los que la señal registrada es absolutamente inutilizable. Posteriormente, se analizan 14 voluntarios sanos sometidos a un protocolo de estrés y se realiza un test estadístico para comprobar la validez del método propuesto. Los resultados muestran que la desviación estándar de la PTTD tiene la capacidad estadística suficiente como para discernir entre estados de estrés y de relajación, para cada uno de los sujetos por separado. Además, se puede ver una tendencia descendente generalizada del descenso de la PTTD en situación de estrés con respecto a relajación. %Sin embargo, resultará necesario repetir el análisis con una muestra de señales mayor ya que se dispone de pocos sujetos en la base de datos utilizada, ya que la calidad de la señal de PPG que se registró en la frente es muy mala y hay muy pocos sujetos con los que se puede computar la PTTD. A modo de conclusión, se ha visto que la PTTD contiene información fisiológica que puede ser interesante para la detección de estrés. A su vez, también es una técnica potencialmente interesante para otros tipos de aplicaciones clínicas tales como la estimación no invasiva de la presión arterial o la evaluación de la rigidez arterial, pero se necesita estudiar la adecuación de ésta en cada escenario en particular. Además, como la PTTD se puede medir a partir de únicamente dos señales PPG, la técnica es idónea para dispositivos wearable y smartphones

Discrimination of sleep-apnea-related decreases in the amplitude fluctuations of PPG signal in children by HRV analysis

In this paper, an analysis of heart rate variability (HRV) during decreases in the amplitude fluctuations of photopletysmography (PPG) [decreases in the amplitude fluctuations of photopletysmography (DAP)] events for obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) screening is presented. Two hundred and sixty-eight selected signal segments around the DAP event were extracted and classified in five groups depending on SaO (2) and respiratory behavior. Four windows around each DAP are defined and temporal evolution of time-frequency HRV parameters was analyzed for OSAS screening. Results show a significant increase in sympathetic activity during DAP events, which is higher in cases associated with apnea. DAP events were classified as apneic or nonapneic using a linear discriminant analysis from the HRV indexes. The ratio of DAP events per hour r(DAP) and the ratio of apneic DAP events per hour r(DAP)(a) were computed. Results show an accuracy of 79% for r(DAP)(a) (12% increase with respect to r(DAP)), a sensitivity of 87.5%, and a specificity of 71.4% when classifying 1-h polysomnographic excerpts. As for clinical subject classification, an accuracy of 80% (improvement of 6.7% ), a sensitivity of 87.5%, and a specificity of 71.4% are reached. These results suggest that the combination of DAP and HRV could be an improved alternative for sleep apnea screening from PPG with the added benefit of its low cost and simplicity

Discrimination of Sleep-Apnea-Related Decreases in the Amplitude Fluctuations of PPG Signal in Children by HRV Analysis

In this paper, an analysis of heart rate variability (HRV) during decreases in the amplitude fluctuations of photopletysmography (PPG) [decreases in the amplitude fluctuations of photopletysmography (DAP)] events for obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) screening is presented. Two hundred and sixty-eight selected signal segments around the DAP event were extracted and classified in five groups depending on SaO(2) and respiratory behavior. Four windows around each DAP are defined and temporal evolution of time-frequency HRV parameters was analyzed for OSAS screening. Results show a significant increase in sympathetic activity during DAP events, which is higher in cases associated with apnea. DAP events were classified as apneic or nonapneic using a linear discriminant analysis from the HRV indexes. The ratio of DAP events per hour VD A p and the ratio of apneic DAP events per hour r(DAP)(a) were computed. Results show an accuracy of 79% for r(DAP)(a) (12% increase with respect to r(DAP)), a sensitivity of 87.5% and a specificity of 71.4% when classifying 1-h polysomnographic excerpts. As for clinical subject classification, an accuracy of 80% (improvement of 6.7%), a sensitivity of 87.5%, and a specificity of 71.4% are reached. These results suggest that the combination of DAP and HRV could be an improved alternative for sleep apnea screening from PPG with the added benefit of its low cost and simplicity

Extracción, selección y clasificación automática de características de la señal de oximetría en la detección del síndrome de apnea-hipopnea del sueño en niños

El Síndrome de la Apnea Hipopnea del Sueño (SAHS) en la infancia es un trastorno respiratorio del sueño caracterizado por una obstrucción parcial y/o completa de la vía aérea superior. El SAHS tiene una prevalencia de entre el 1 y el 5% y puede originar múltiples consecuencias negativas para la salud y el desarrollo de los niños, como déficit neurocognitivo, retraso del crecimiento o disfunción cardiaca. La técnica diagnóstica de referencia es la polisomnografía (PSG), que es un método complejo, costoso, altamente intrusivo y de disponibilidad limitada. Estas limitaciones han favorecido la aparición de alternativas más sencillas enfocadas principalmente al análisis automático de un conjunto reducido de señales. Este trabajo se ha desarrollado bajo la hipótesis de que el análisis automático de la señal de SpO2 puede proporcionar información relevante en la ayuda al diagnóstico del SAHS infantil. En este trabajo se ha analizado la señal de saturación de oxígeno en sangre (SpO2) procedente de la oximetría nocturna con el objetivo de evaluar su capacidad diagnóstica. Para ello se ha contado con 981 registros (583 SAHS negativo y 398 SAHS positivo) procedentes del Comer Children's Hospital de la Universidad de Chicago. Estos registros pertenecen a niños de ambos sexos de 0 a 13 años con signos y síntomas indicativos de SAHS.Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería TelemáticaMáster en Ingeniería de Telecomunicació

Análisis de la saturación de oxígeno en sangre para la ayuda al diagnóstico del Síndrome de Apnea-hipopnea del Sueño en niños

El síndrome de apneas-hipopneas del sueño (SAHS)en la infancia es un trastorno respiratorio caracterizado por una obstrucción parcial prolongada de la vía aérea superior yju obstrucción intermitente completa que interrumpe la ventilación normal durante el sueño y los patrones normales del mismo. Elmétodo de diagnóstico estándar es la polisomnografía (PSG)nocturna en una unidad del sueño especializada. Sin embargo, esta prueba presenta numerosas limitaciones en cuanto a disponibilidad, complejidad, tiempo y coste. Palabras clave: Este trabajo tiene como principales objetivos la implementación y aplicación de diversos métodos de procesado de señal sobre los registros de Sp02 procedentes de la poligrafía domiciliaria (PLG)nocturna, con el fin de obtener información relevante sobre el efecto que producen los eventos de apnea en niños. Asimismo, se pretende estudiar el rendimiento diagnóstico de los algoritmos implementados en comparación con la metodología diagnóstica están dar basada en la PSG.Grado en Ingeniería de Tecnologías Específicas de Telecomunicació