Screening for sleep-related breathing disorders from ECG Holter respiratory signals

The presence of sleep breathing disorders (SBD) indicates an occurrence of significant health risks. In terms of clinical context these disorders vary from the mild ones such as simple snoring through the upper airway resistance syndrome up to of those with increasing severity such as obstructive sleep apnea syndrome (OSAS). The typical symptoms of SBD are snoring during the sleep period, headache after waking up, sleepiness during awake period and reduction of cognitive performance abilities. Moreover, described above symptoms may consequently lead to everyday life problems including road accidents and social issues at study or work place. The OSAS presents an issue of a high level of importance. It is considered that the if the patient has OSA with a high level of probability he may acquire arterial hypertension and cardiovascular diseases; and nevertheless the recognition of this condition is often failing. According to the fact described above, sleep apnea is a serious medical (and social) issue, and hence to reduce its prevalence and decrease the severity of the disease with apropos treatment the proper diagnostic strategies are needed. The sleep diagnosis performed as a study at the specialized sleeping centers are considered to be the gold standard of sleep analysis. The diagnostic procedure is a demanding process due to the mandatory presence of the trained personnel, proper infrastructure and specialized acquisition systems. The gold standard in the sleep analysis is considered to be polysomnography, which is expected to use the recordings of different signals. The overall recording time is equal to a full night sleep, and some patients may even require an additional night of recordings in case of doubtful results. Due to the low capacity of sleep centers in terms of sleep night recordings and the high costs of the examination performance, the sleep apnea is considered to be significantly underdiagnosed. Hence, there is a need in a mew diagnostic tool with easier implementation outside of the sleeping labs and higher accessibility for the patients, at least at the screening phase of the breathing sleep disorders diagnosis. Despite the fact that sleep apnea is considered to be a breathing event, the effects of it can be observed in other peripheral systems, at the cardiovascular in particular. In these terms, there is obvious correspondence between the electrocardiographic signal (ECG) and the respiratory signal. Consequently, it is possible to estimate the respiratory signal from the ECG recordings, which were obtained in particular through a portable minimally invasive device such as a Holter recorder. This is possible in case of analysis of Holter ECG recordings during the sleep period of the patient. Previously, the work for analyzing the reliability of various standard algorithms for EDR estimation was evaluated. The aim of this thesis is to investigate the additional processing of the ECG Holter recordings aside from the standard ones in terms of veracity of the obtained respiratory signal. The use of the Holter is needed to have a continuous recording of the ECG during the sleep hours. The aim of this thesis is to analyze various ECG derived respiratory signals (EDR) and sleep apnea through the Holter The aim of this project is to make a step forward to designing an non-invasive low cost simple test, which will be accessible to a wide range of the patients who are suspected to suffer from the sleep apnea to confirm of decline the presence of the disease, to make a further decision according to the necessity of polysomnography (more complex and expensive investigation) performance. The signals analyzed in this thesis have been obtained by recording Holter ECG signals and polysomnography in a population of patients with obstructive sleep apnea. The thesis has five main chapters. The first chapter presents the clinical-physiological interaction between the respiratory and cardiovascular systems. In this part are examined studies on the identification of the causes and effects of the interaction between breathing and ECG. The second chapter is a literature review on the previous study in terms of estimating the breath from the ECG, the possible complications that may occur in the process of their implementation and the post-processing of the obtained EDR signal for better respiratory signal estimation. Here the term of Synchrosqueezing Transform (SST) is presented and the theory overview it is based on if observed. The third chapter describes the methods adopted in this work to estimate the breath. In particular two types of EDR has been implemented. The first category are the standard single-lead ECG methods, which were (1) the method based on the areas below the QRS complex of each beat, (2) the amplitude of the R peaks and (3) the R-S amplitude, which were used as the reference point for the estimation of the increased efficiency of further EDR signal processing. The second category are the post-processed though Synchrosqueezing transform primarily obtained from R-peaks and R-S amplitude methods EDR signals. Here the step-by-step Synchrosqueezing Transform application was described. Finally, the fourth chapter describes the algorithm of apnea detection processed on the EDR signals and the results are presented. The results obtained in this study were compared with quantitate signals of breathing (thorax plethysmographic signal) and with the Sleep Laboratory reports to define the effectiveness in terms of reliability of the applying of SST on the EDR signal; and lead to an encouraging use of this technique for more precise screening of patients suspected in suffering from the pathology.

La presenza di disturbi respiratori nel sonno (SBD) comporta la presenza di rischi significativi per la salute. In termini clinici, questi disturbi variano da quelli lievi come il semplice russare, dovuto alla sindrome da aumentata resistenza delle vie aeree superiori, fino a quelli con gravità maggiore, come la sindrome delle apnee ostruttive nel sonno (OSAS).I sintomi tipici dei SBD sono: russare durante il periodo di sonno, mal di testa dopo il risveglio, sonnolenza durante il periodo di veglia e riduzione delle capacità di performance cognitive. Inoltre, i sintomi descritti in precedenza possono conseguentemente indurre problemi nella vita quotidiana, tra cui incidenti stradali e difficoltà sociali sul posto di lavoro. La OSAS comporta un problema di importanza rilevante. Si ritiene che il paziente con OSAS abbia un’elevata probabilità di sviluppare ipertensione arteriosa e malattie cardiovascolari; tuttavia il riconoscimento di questa condizione è spesso difficoltoso. Per i motivi sopra citati, l’apnea del sonno è un grave problema medico (e sociale) e perciò sono necessarie strategie diagnostiche appropriate, al fine di ridurne la prevalenza e il carico della malattia.Le diagnosi eseguite negli studi realizzati presso centri del sonno specializzati sono considerate il gold standard di analisi del sonno. La procedura diagnostica è un processo impegnativo per la presenza obbligatoria di personale qualificato, infrastrutture adeguate e sistemi di acquisizione specialistici. Lo standard nell'analisi sonno è considerato la polisonnografia, in cui è previsto l’utilizzo di registrazioni di segnali differenti. Il tempo di registrazione è pari ad una notte di sonno pieno, e alcuni pazienti possono necessitare di una notte aggiuntiva di registrazioni in caso di risultati dubbi. A causa della bassa capacità dei centri del sonno in termini di registrazioni di notti di sonno e degli alti costi delle prestazioni, l’apnea nel sonno si rivela essere significativamente sotto diagnosticata. Vi è quindi la necessità di uno strumento diagnostico nuovo, di facile attuazione al di fuori dei laboratori del sonno e di maggior accessibilità per i pazienti, almeno per la fase di screening della diagnosi dei disturbi della respirazione nel sonno. Nonostante l'apnea nel sonno sia considerata un evento respiratorio, i suoi effetti possono essere osservati in altri sistemi periferici, in particolare nel sistema cardiovascolare. In queste condizioni è evidente la corrispondenza tra il segnale elettrocardiografico (ECG) e il segnale respiratorio. Di conseguenza, è possibile stimare il segnale respiratorio dalle registrazioni ECG, ottenute in particolare attraverso un dispositivo portatile minimamente invasivo quale un registratore Holter. Ciò è possibile nel caso dell’analisi di registrazioni ECG ottenute con Holter durante il periodo di sonno del paziente. In precedenza, è stata valutata l'affidabilità dei vari algoritmi standard per la stima dell’EDR. Lo scopo di questa tesi è quello di indagare l'elaborazione aggiuntiva delle registrazioni ECG da Holter rispetto a quelle standard, in termini di veridicità del segnale respiratorio ottenuto. L'uso dell’Holter è necessario per avere una registrazione continua dell'ECG durante le ore di sonno. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare i vari ECG derivati dai segnali respiratori (EDR) e dall'apnea del sonno attraverso l'Holter.Lo scopo di questo progetto è di fare un passo in avanti nella progettazione di un semplice test a basso costo non invasivo, accessibile a una vasta gamma di pazienti, sospettati di soffrire di apnea del sonno, per confermare la presenza della malattia, per prendere un'ulteriore decisione sulla necessità di prestazioni di polisonnografia (indagini più complesse e costose). I segnali analizzati in questa tesi sono stati ottenuti con la registrazione di segnali ECG da Holter e polisonnografia, in una popolazione di pazienti con apnea ostruttiva del sonno. La tesi si articola in cinque capitoli principali. Il primo capitolo presenta l'interazione clinico-fisiologica tra il sistema respiratorio e cardiovascolare. In questa parte vengono esaminati alcuni studi al fine di individuare le cause e gli effetti dell'interazione tra la respirazione e l'ECG. Il secondo capitolo è una revisione della letteratura sullo studio precedente in termini di stima del respiro dall’ECG, delle possibili complicanze che possono verificarsi nel processo della loro attuazione e di post-elaborazione del segnale EDR ottenuto per una migliore stima del segnale respiratorio. Qui viene introdotto il termine di Synchrosqueezing Transform (SST) e data una panoramica della teoria su cui si basa. Il terzo capitolo descrive i metodi adottati in questo lavoro per stimare il respiro. In particolare sono stati implementati due tipi di EDR. La prima categoria è rappresentata dai metodi standard di ECG single-lead, ovvero (1) il metodo basato sulle aree al di sotto del complesso QRS di ciascun battito, (2) l'ampiezza dei picchi R e (3) l'ampiezza R-S, che sono stati utilizzati come punto di riferimento per la stima della maggiore efficienza di una ulteriore elaborazione del segnale EDR. La seconda categoria sono quelli post-elaborati attraverso una trasformazione di Synchrosqueezing, principalmente ottenuti dai metodi dei picchi R e dell’ampiezza R-S di segnali EDR. Qui è stata descritta l'applicazione passo-passo della Synchrosqueezing Transform. Infine, il quarto capitolo descrive l'algoritmo di rilevamento di apnea, elaborato su segnali EDR e sono presentati i risultati. I risultati ottenuti in questo studio sono stati confrontati con segnali quantitativi di respirazione (segnale plestimografico toracico) e con le relazioni del Laboratorio del Sonno, per definire l'efficacia in termini di affidabilità della applicazione della SST sul segnale EDR; e portare ad un uso incoraggiante di questa tecnica per uno screening più preciso dei pazienti sospettati di essere affetti da questa patologia.