OptoSens: an Optical Sensor Based Mask for Sleep Quality Monitoring

Sleep has a critical role in health and well-being, as it is of fundamental importance for metabolic and emotional functions. Scientists recommend devoting a proper amount of time to rest, which is about 7-8 hours for a healthy adult individual, and up to 10 hours for a child to allow the proper development of the organism. Indeed, it is well known that sleep plays an active role in brain maturation, memory, learning and information processing. A lack of rest can therefore cause drowsiness, a decrease in attention and impairment in all those executive functions regulated by the prefrontal cortex. However, night rest can be impaired by the onset of diseases, such as insomnia, but also by non-clinical factors, such as environmental noise sources. It is interesting to remember that all the functions of human beings are regulated by an internal biological clock. The circadian rhythm, in particular, is an important mechanism that takes part in this process and is responsible for the sleep-wake rhythm. Among the different parameters we are nowadays used to track through different devices, the importance of monitoring sleep quality has henceforth established itself. It can now be performed not only in a clinical context through polysomnography but also in everyday life in the perspective of increasing attention to the well-being of the person. To date, there are different systems capable of classifying the phases of sleep through the analysis of several bio-signals: one of these is electrooculography, which has gained increasing interest in recent years' research in the study and development of new methods of measurement to replace the technology based on the application of traditional electrodes with innovative solutions based on, for example, optical systems. In this context, OptoSens is a device capable of recognizing sleep phases without requiring the use of highly industrialized instruments, non-invasive, easy to use by users with no medical knowledge and promotes the reduction of external noise sources. It consists of a sleep mask that exploits an optical system to link the post-processed signals of the eye movements with awake, light sleep, deep sleep and REM phases. The system exploits a post-processing algorithm built and parameterized initially using a smartwatch commercially available as a reference. OptoSens provided results that are coherent across multiple sleep recordings and for different users by considering the correspondence in the classification of the time intervals within the recorded session. Moreover, the data from the recordings of the eye movements were compared with those obtained from head motion sensing, recorded with a gyroscope embedded in the mask, to verify that the prototype was consistent within itself.

Il sonno presenta un ruolo critico nella salute e nel benessere della persona, in quanto è di fondamentale importanza per funzioni metaboliche e cognitive. Gli esperti raccomandano di dedicare una quantità adeguata di tempo al riposo, che per un individuo adulto è di circa 7-8 ore, mentre per un bambino può essere di anche 10 ore per consentirne il corretto sviluppo dell'organismo. Infatti, è ormai noto che il sonno assume un ruolo attivo nella maturazione cerebrale, nella memoria, nell’apprendimento e nell’elaborazione di informazioni. Una carenza di riposo può provocare sonnolenza, diminuzione dell’attenzione e compromissione di tutte quelle funzioni esecutive di cui la corteccia prefrontale, come è noto, è responsabile. Il riposo notturno può essere tuttavia compromesso dall’insorgenza di alcune patologie, come ad esempio l’insonnia, ma anche da fattori non clinici, come ad esempio fonti di rumore presenti nell’ambiente. È infatti interessante ricordare che tutte le funzioni degli esseri umani sono regolate da un orologio biologico interno. Il ritmo circadiano, in particolare, è un importante meccanismo che prende parte a questo processo e che regola tra le altre cose anche il ciclo sonno-veglia. Tra i diversi parametri che siamo oggi soliti tracciare attraverso diversi dispositivi, si è ormai affermata l'importanza di monitorare anche la qualità del sonno. Oggi può infatti essere eseguita non solo in un contesto clinico mediante l’esame della polisonnografia, ma anche nella vita di tutti i giorni nella prospettiva di una maggiore attenzione al benessere della persona. Ad oggi, ci sono diversi sistemi in grado di classificare le fasi del sonno attraverso l'analisi diversi segnali biomedici: in particolare, l'elettrooculografia ha guadagnato un crescente interesse nella ricerca degli ultimi anni nello studio e sviluppo di nuovi metodi di misura per la sostituzione delle tecnologie basate sull'applicazione di elettrodi tradizionali con soluzioni innovative basate, per esempio, su sistemi ottici. In questo contesto, OptoSens è un dispositivo in grado di riconoscere le fasi del sonno senza richiedere l'uso di strumenti altamente industrializzati, non invasivo, facile da usare da parte di utenti privi di conoscenze mediche e che favorisce la riduzione delle fonti di rumore esterne. Esso consiste in una maschera del sonno che sfrutta un sistema ottico per associare i segnali relativi al movimento degli occhi alle fasi di veglia, sonno leggero, sonno profondo e REM. Il sistema sfrutta un algoritmo di post-elaborazione inizialmente costruito e parametrizzato utilizzando uno smartwatch disponibile in commercio come riferimento. OptoSens ha fornito risultati coerenti su più registrazioni di sonno e per diversi utenti per quanto riguarda la corrispondenza nella classificazione degli intervalli di tempo all'interno della sessione registrata. Inoltre, i dati delle registrazioni relativi ai movimenti oculari sono stati confrontati con quelli ottenuti dal rilevamento del movimento della testa, registrato con un giroscopio incorporato nella maschera, per verificare che il prototipo fosse coerente con se stesso.