Detection of sleep disordered breathing using photoplethysmography and electrocardiography

Aufgrund ihrer hohen Prävalenz und ihrer schweren Folgen sind schlafbezogene Atmungsstörungen (SBAS) von erheblicher medizinischer und gesundheitsökonomischer Bedeutung. Da eine frühzeitige Therapie entscheidend ist, wächst der Bedarf an einfach durchführbaren diagnostischen Verfahren. Ziel dieser Studie war es, zu prüfen, inwieweit die Photoplethysmographie (PPG) sowie die Elektrokardiographie (EKG) die Erkennung von SBAS ermöglichen. Bei 80 Patienten mit V.a. Schlafapnoesyndrom wurde parallel zur Polysomnographie (PSG) das PPG-Rohsignal über ein Fingerpulsoximeter aufgezeichnet. Anhand der visuellen Analyse der Pulswellenamplitude des Signals wurden Atmungsstörungen ermittelt und ein Apnoe-Hypopnoe-Index (AHI) errechnet. Zudem wurde das EKG separat unter Verwendung von Wavelet- Transformation analysiert und ebenfalls ein AHI ermittelt. Beide Werte wurden anschließend mit dem mittels PSG erhaltenen AHI verglichen. 52 von 80 Aufzeichnungen konnten erfolgreich ausgewertet werden. Der mittels PPG ermittelte AHI lag im Mittel um 3,8/h (SD 9,7) unter dem der PSG. Die Sensitivität der PPG-Analyse bezüglich des Vorliegens eines Schlafapnoesyndroms (AHI ≥15/h) lag bei 82,9%, die Spezifität bei 82,4%. Es zeigte sich keine Abhängigkeit der Korrelation von patientenbezogenen Faktoren wie der Höhe des BMI und verschiedenen Schlafcharakteristika. Die mittlere Differenz zwischen den AHI aus dem EKG und der PSG lag bei 4,3/h (SD 8,8). Die Sensitivität für ein SBAS betrug 91,4% und die Spezifität 93,8%. Insgesamt konnten für die Diagnostik von SBAS anhand des PPG-Signals sowie des EKG gute Ergebnisse erzielt werden. Somit scheint in Zukunft ein Einsatz der Verfahren im ambulanten Bereich möglich. Zudem gibt es Hinweise darauf, dass über das PPG-Signal schon subkortikale Arousals erkannt werden können, die Aktivität des sympathischen Nervensystems und die intrathorakalen Druckverhältnisse abgeschätzt werden können, welches wichtige Faktoren in der Entwicklung von Komplikationen von SBAS sind.Due to its high prevalence and severe complications, sleep disordered breathing (SDB) is of important medical and economic importance. Since early treatment is decisive, the need for simple diagnostic methods is increasing. The aim of this study was to determine whether sleep disordered breathing could be detected using photoplethysmography signal (PPG) and electrocardiography (ECG). 80 patients with suspected SDB underwent a recording of raw-PPG-signal via finger pulse oximeter in addition to standard overnight polysomnography (PSG). Breathing disorders were detected by analyzing the pulse wave amplitude and an apnea hypopnea index (AHI) was calculated. Additionally, the ECG signal of PSG was analyzed separately using wavelet transformation and was also used to calculate an AHI. Both AHI were compared to the AHI obtained by polysomnography. The recorded data of 52 out of 80 patients was successfully analyzed. The PPG-analysis underestimated the AHI by 3.8/h (SD 9.7) compared to PSG. Setting an AHI of ≥ 15/h to define a sleep apnea syndrome (SAS), sensitivity was 82.9% and specificity 82.4%. Patient related factors such as the BMI and different sleep characteristics did not have any influence on the accuracy of the method. The mean difference between the AHI obtained by ECG and PSG was 4.3/h (SD 8.8). The sensitivity to detect a SAS was 91.4%, the specificity 93.8%. The obtained results for diagnosing SAS using PPG and ECG were encouraging. Application in out-patient setting seems possible in the future. Additionally, the PPG signal appears appropriate to detect subcortical arousals and provide information about the autonomic nerve system activity and intrathoracic pressure. These are important factors in the development of complications