Análisis multimodal de las señales fotopletismográfica de pulso y electrocardiográfica para el diagnóstico del síndrome de apnea obstructiva durante el sueño en niños

Resumen

En esta tesis doctoral se aborda un estudio multimodal de las señales fotopletismográfica de pulso (PPG) y electrocardiográfica (ECG) y de medidas fisiológicas derivadas de las mismas como son la variabilidad del ritmo cardiaco (HRV) y el tiempo de tránsito del pulso (PTT) para ayudar al diagnóstico de trastornos del sueño en niños mediante el análisis de la actividad del sistema nervioso autónomo (ANS). El objetivo fundamental consiste en estudiar la relación existente entre estas señales y las apneas del sueño para así poder definir nuevos índices clínicos que ayuden al diagnóstico del síndrome de apnea obstructiva durante el sueño (OSAS) mediante una técnica más económica y menos compleja que el método de diagnóstico de referencia. En primer lugar se ha estudiado la relación entre las apneas del sueño y los eventos de descenso de la amplitud de las oscilaciones de la señal PPG (DAP). Nuestra hipótesis es que los DAP tienen una relación directa con los microdespertares producidos a causa de una apnea mediante la activación del sistema simpático. De manera que una detección automática de los eventos DAP puede servir para cuantificar indirectamente las apneas del sueño. Para ello se han desarrollado un detector de eventos DAP basado en la detección de atenuaciones de la envolvente de la señal PPG mediante un umbral adaptativo, que además incorpora un detector de artefactos, y un detector de apneas a partir de señales respiratorias donde se detectan los ceses en el flujo respiratorio y si están asociados a desaturaciones de oxígeno. Después se han determinado los valores óptimos de los diferentes parámetros de los detectores y se han evaluado mediante señales simuladas y bases de datos de registros reales. A continuación, se ha realizado un estudio que analiza la relación entre eventos DAP y apneas y se ha estudiado el efecto de la duración de los segmentos de la PSG de cara a la clasificación. También se ha analizado la capacidad diagnóstica del índice derivado de la PPG mediante un estudio clínico en la base de datos MSDBII, compuesta de señales PSG reales de niños registradas en el Hospital Infantil ''Miguel Server'' (Zaragoza). Los resultados obtenidos muestran que existe una relación entre los DAP y las apneas de forma que se verifica nuestra hipótesis y por tanto se ha demostrado que los DAP aportan una importante información para el diagnóstico del OSAS. No obstante, debido a que no todos los eventos DAP se encuentran relacionados con las apneas, se ha abordado el análisis de la HRV durante eventos DAP como un criterio alternativo para discriminar los DAP asociados a apnea de los no asociados a apnea. Dado que la señal HRV durante las apneas es claramente no estacionaria, se han empleado métodos específicos (tiempo-frecuencia) para el análisis frecuencial de esta señal. Se han definido un conjunto de índices, tanto temporales como frecuenciales, derivados de la HRV, y mediante un par de test estadísticos no paramétricos de Kruskal-Wallis se han estudiado las variaciones del ANS durante los DAP y la utilidad de los índices definidos para discriminar los DAP apnéicos de los no apnéicos. Mediante un análisis lineal discriminante basado en estos índices los eventos DAP se han clasificado en apnéicos y no apnéicos. También se ha realizado un estudio clínico sobre la base de datos MSDBII para evaluar del valor diagnóstico del índice derivado de la PPG y la HRV. Los resultados obtenidos muestran que se produce un incremento simpático durante el DAP y que la HRV permite diferenciar entre DAP apnéicos y no apnéicos lo que mejora las prestaciones del método diagnóstico. La señal PPG ha sido relacionada directamente con la actividad cardiaca, dando como resultado la señal tiempo de tránsito del pulso PTT. Se ha abordado el análisis de la variabilidad de la PTT (PTTV), que suponemos refleja principalmente la actividad simpática, durante los eventos DAP como otra posible alternativa para discriminar los eventos DAP apnéicos de los no apnéicos. Se ha realizado un estudio análogo al presentado para la HRV. En primer lugar se ha obtenido la señal PTT como la diferencia temporal entre el pico de la onda R en el ECG y el 50% del valor máximo de la forma del pulso de la PPG asociado. Para el análisis frecuencial de la PTTV se han empleado técnicas tiempo-frecuencia dada la no estacionariedad de la señal. A partir de la PTTV se han definido un conjunto de índices, tanto temporales como frecuenciales, y se han estudiado las variaciones del ANS durante los DAP y la utilidad de los índices definidos para discriminar los DAP apnéicos de los no apnéicos mediante un par de test estadísticos no paramétricos de Kruskal-Wallis. Los eventos DAP se han clasificado en apnéicos y no apnéicos usando un análisis lineal discriminante basado en estos índices. También se ha realizado un estudio clínico sobre la base de datos MSDBII para evaluar del valor diagnóstico del índice derivado de la PPG y la PTTV. Los resultados obtenidos muestran que el incremento en la actividad simpática que se produce durante un DAP es más evidente en la PTTV que en la HRV. Además el incluir información del ANS en el método diagnóstico mejora los resultados. Cuando esta información se obtiene a partir de la PTTV los resultados son muy similares a cuando se obtiene de la HRV, aunque el diagnóstico es más robusto y menos dependiente de los parámetros del detector en el caso de la PTTV.