Simple and Autonomous Sleep Signal Processing System for the Detection of Obstructive Sleep Apneas

Abstract

Obstructive sleep apnea (OSA) is a common sleep disorder characterized by repetitive upper airway obstruction, intermittent hypoxemia, and recurrent awakenings during sleep. The most used treatment for this syndrome is a device that generates a positive airway pressure—Continuous Positive Airway Pressure (CPAP), but it works continuously, whether or not there is apnea. An alternative consists on systems that detect apnea episodes and produce a stimulus that eliminates them. Article focuses on the development of a simple and autonomous processing system for the detection of obstructive sleep apneas, using polysomnography (PSG) signals: electroencephalography (EEG), electromyography (EMG), respiratory effort (RE), respiratory flow (RF), and oxygen saturation (SO2). The system is evaluated using, as a gold standard, 20 PSG tests labeled by sleep experts and it performs two analyses. A first analysis detects awake/sleep stages and is based on the accumulated amplitude in a channel-dependent frequency range, according to the criteria of the American Academy of Sleep Medicine (AASM). The second analysis detects hypopneas and apneas, based on analysis of the breathing cycle and oxygen saturation. The results show a good estimation of sleep events, where for 75% of the cases of patients analyzed it is possible to determine the awake/asleep states with an effectiveness of >92% and apneas and hypopneas with an effectiveness of >55%, through a simple processing system that could be implemented in an electronic device to be used in possible OSA treatments. © 2022 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.

La apnea obstructiva del sueño (AOS) es un trastorno del sueño común caracterizado por obstrucción repetitiva de las vías respiratorias superiores, hipoxemia intermitente y despertares recurrentes durante el sueño. El tratamiento más utilizado para este síndrome es un dispositivo que genera una presión positiva en las vías respiratorias, la Presión Positiva Continua en las Vías Aéreas (CPAP), pero funciona de forma continua, haya o no apnea. Una alternativa consiste en sistemas que detectan los episodios de apnea y producen un estímulo que los elimina. El artículo se centra en el desarrollo de un sistema de procesamiento simple y autónomo para la detección de apneas obstructivas del sueño, utilizando señales de polisomnografía (PSG): electroencefalografía (EEG), electromiografía (EMG), esfuerzo respiratorio (RE), flujo respiratorio (RF) y saturación de oxígeno (SO2). El sistema se evalúa utilizando, como estándar de oro, 20 pruebas de PSG etiquetadas por expertos en sueño y realiza dos análisis. Un primer análisis detecta etapas de vigilia/sueño y se basa en la amplitud acumulada en un rango de frecuencia dependiente del canal, según los criterios de la Academia Americana de Medicina del Sueño (AASM). El segundo análisis detecta hipopneas y apneas, basándose en el análisis del ciclo respiratorio y la saturación de oxígeno. Los resultados muestran una buena estimación de los eventos de sueño, donde para el 75% de los casos de los pacientes analizados es posible determinar los estados de vigilia/sueño con una efectividad >92% y apneas e hipopneas con una efectividad >55%. , a través de un sistema de procesamiento simple que podría implementarse en un dispositivo electrónico para ser utilizado en posibles tratamientos de AOS. © 2022 por los autores. Licenciatario MDPI, Basilea, Suiza.