Respiratory and cardiac monitoring at night using a wrist wearable optical system

Sleep monitoring provides valuable insights into the general health of an individual and helps in the diagnostic of sleep-derived illnesses. Polysomnography, is considered the gold standard for such task. However, it is very unwieldy and therefore not suitable for long-term analysis. Here, we present a non-intrusive wearable system that, by using photoplethysmography, it can estimate beat-to-beat intervals, pulse rate, and breathing rate reliably during the night. The performance of the proposed approach was evaluated empirically in the Department of Psychology at the University of Fribourg. Each participant was wearing two smart-bracelets from Ava as well as a complete polysomnographic setup as reference. The resulting mean absolute errors are 17.4 ms (MAPE 1.8%) for the beat-to-beat intervals, 0.13 beats-per-minute (MAPE 0.20%) for the pulse rate, and 0.9 breaths-per-minute (MAPE 6.7%) for the breath rate.Comment: Submitted to the 40th International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC

How Cognitive Factors Affect Sleep: the impact of manipulated intention, instruction, and pre-sleep arousal on sleep quality in healthy sleep

Sleep is important for health and well-being. Nevertheless, sleep is disturbed in about 20% of the population (e.g., by insomnia) with cognition (e.g., recurrent thoughts, rumination, or worry) making sleep harder. This dissertation therefore describes three cognitive models that illustrate the influence of cognition on sleep. The first model describes how negative cognitive activity leads to physical activation and to (emotional) stress. The second model adds a neurobiological component to the first in order to further substantiate this process. The last model tries to show this connection in healthy individuals and not only in patients. This is why the activation of "sleep/wake memories" and their embodiment is in the foreground. Additionally, a reactivation component during the night is included. The three studies attempt to substantiate these models and to show how changes in cognition before falling asleep influence nighttime sleep. This should lead to a better understanding of the relationship between cognition and sleep in healthy sleepers instead of patients. The first study investigated the relationship between intention and sleep. Participants were instructed to improve or to worsen sleep intentionally. As expected, results confirmed that it is possible to sleep worse just by thinking about sleeping worse. Participants managed to increase their sleep onset latency, woke up more often, and decreased total sleep time. Furthermore, there was a misperception between objective and subjective measurements. This misperception is typical for patients with insomnia as well. The second study aimed at looking at the relationship between pre-sleep (cognitive) arousal and its effects on sleep. Participants used social media intensively for 30 minutes before sleep, as previous studies have shown its arousing effects. Social media consumption was compared with a neutral control condition and a relaxing control condition, in which participants performed a progressive muscle relaxation session for 30 minutes. Results showed that social media consumption did not increase arousal and expected effects on sleep parameters were missing. Additionally, relaxation improved sleep despite the absence of a decreased arousal. The aim of the third study was to explain the role of on-call instructions on sleep. Participants were instructed to respond to alarm sounds, which was compared to a neutral night. Furthermore, the study design introduced a sound- group with alarm sounds on both nights while the no-sound-group never got sounds. Results showed that the on-call instruction altered sleep quality, independently from the actual presentation of alarm sounds. Additionally, results showed a protective role of instruction on sleep on a neurophysiological level. Taken together, these results confirm the relationship between cognition and sleep not only in patients with insomnia but in healthy sleepers as well. The three studies showed that the pre-sleep manipulation remained active during sleep and affected sleep quality. Out of the three models, the last model explained these results the best: the MemoSleep hypothesis states that pre- sleep cognitive activity is embodied through “sleep/wake memories” and (spontaneously) reactivated during the night. Thus, these “sleep/wake memories” affect sleep quality and recovery in the next morning. The results provided by this thesis provided initial evidence for the MemoSleep hypothesis. Future research should investigate this model and implement the targeted reactivation during the night not only with sounds but with the “sleep/wake memories” to confirm these preliminary data.Schlaf ist wichtig für die Gesundheit und das Wohlbefinden. Dennoch ist der Schlaf in ca. 20% der Bevölkerung gestört (z.B. durch Insomnie) mit Kognition (z.B. wiederkehrenden Gedanken, Ruminieren oder Sorgen), welche den Schlaf verunmöglichen. In dieser Dissertation werden daher drei kognitive Modelle beschrieben, welche den Einfluss von Kognition auf Schlaf verdeutlichen. Das erste Modell zeigt, dass negative kognitive Aktivität zu körperlicher Aktivierung und zu (emotionalem) Stress führt. Das zweite Modell ergänzt das erste noch um eine neurobiologische Komponente um die Prozesse weiter zu fundieren. Das letzte Modell versucht den Zusammenhang nicht nur bei Patient*innen aufzugeigen: Daher steht die Aktivierung von «Schlaf/Wach-Erinnerungen» und deren «Embodiment» im Vordergrund. Zusätzlich wird noch eine Reaktivierungskomponente während der Nacht eingebaut. Die drei Studien versuchen diese Modelle zu belegen und aufzuzeigen wie Veränderungen der Kognition vor dem Einschlafen den Nachtschlaf beeinflusst. Dadurch soll der Zusammenhang zwischen Kognition und Schlaf nicht nur bei Patient*innen besser verstanden werden. Die erste Studie untersucht den Zusammenhang zwischen Wille und Schlaf. Dabei wurden den Versuchspersonen die Aufgabe gestellt, den Schlaf ohne weitere Hilfsmittel und allein durch Willenskraft zu verbessern oder zu verschlechtern. Erwartungsgemäss zeigte sich, dass eine Verschlechterung des Schlafs möglich war. Die Versuchspersonen schafften es die Einschlafzeit zu verlängern, häufiger Aufzuwachen und die gesamte Schlafzeit zu verringern. Dabei zeigte sich eine Fehlwahrnehmung zwischen der objektiven Messung mittels Polysomnographie und die subjektive Messung. Diese Inkongruenz ist ebenfalls typisch für Patient*innen. Die zweite Studie sollte den Zusammenhang zwischen (kognitiver) Aktivierung vor dem Einschlafen auf den Schlaf zu zeigen. Dabei mussten die Versuchspersonen in den letzten 30 Minuten vor dem Einschlafen intensiv soziale Medien nutzen, da diverse Studien zeigen konnten, dass dies zu einer Aktivierung führt. Dies wurde mit einer neutralen und einer zweiten Kontrollbedingung verglichen, bei der die Versuchspersonen während 30 Minuten ein Entspannungs-training durchführten. Es zeigte sich, dass die Konsumation sozialer Medien zu keiner Aktivierung führte und erwartete Verschlechterungen des Schlafes ausblieben. Gleichzeitig zeigte sich eine Verbesserung des Schlafes durch Entspannungstraining trotz Ausbleiben einer Verringerung der Aktivierung. Die dritte Studie wurde konzipiert, um die Rolle von Bereitschaftsdienst- Instruktionen auf den Schlaf zu klären. Die Instruktion während der Nacht auf Töne zu reagieren, wurde einer neutralen Nacht gegenübergestellt. Dabei wurde bei einer Gruppe in beiden Nächte Töne präsentiert während die zweite Gruppe nie Töne hörte. Die Studie zeigte, dass die Instruktion für Bereitschaftsdienst den Schlaf verändert und dies unabhängig von der tatsächlichen Präsentation von Tönen. Ebenfalls zeigte sich eine protektive Funktion der Instruktion auf Schlaf. Insgesamt bestätigen den Zusammenhang zwischen Kognition und Schlaf auch bei gesunden Schläfer*innen. Die Resultate zeigen, dass die Manipulation oder Instruktion vor dem Schlaf, auch während dem Schlaf aktiv bleibt und die Schlafqualität beeinflusst. Dieser Zusammenhang kann am besten durch das dritte Modell erklärt werden, da die MemoSleep-Hypothese besagt, dass die kognitive Aktivität vor dem Einschlafen in unserem Körper zum Ausdruck gebracht (z.B. durch veränderten Herzschlag) und durch «Schlaf/Wach»-Erinnerungen abgespeichert werden. Diese körperliche Veränderung wird durch eine (spontane) Reaktivierung der Erinnerungen während der Nacht aufrechterhalten und beeinflusst dadurch die Schlafqualität sowie das Wohlbefinden am nächsten Morgen. Die vorliegenden Resultate geben einen ersten Beleg und die MemoSleep-Hypothese sollte in ergänzenden Studien noch weiter überprüft werden

The Intention to React to Sounds Induces Sleep Disturbances and Alters Brain Responses to Sounds during Sleep: A Pilot Study

Background: Pre-sleep intentions to react to stimuli during sleep affect sleep processes in spite of reductions in conscious awareness. Here, we compare influences of sounds presented during sleep (with and without intentions to react) with the effect of pre-sleep intentions on sleep (with and without sounds being present during sleep). Methods: Twenty-six young, healthy participants spent two experimental nights in the sleep laboratory. On one night, they were instructed to react to sounds during sleep (“on call”); on the other night, not (“neutral”). Unknown to the subjects, sounds were presented at a low volume in both nights in one group. No sound was presented in any of the two nights in the other group. Results: The instruction of being “on call” decreased objective sleep efficiency independently of sounds being present or not. In addition, event-related responses to sounds as well as slow-wave activity were reduced when being “on call”. Conclusions: Pre-sleep intentions to react impair sleep independently of sounds actually being present and influence brain responses to sounds during sleep. Our results highlight the importance of subjective relevance for reducing negative impact of external noise sources such as traffic or church bells