Sleep stage classification based on cardiorespiratory signals

Abstract

O sono está ligado a uma quantidade bastante considerável de patologias que têm impacto direto na maioria das atividades diárias tais como a aprendizagem, memorização ou produtividade. Assim, reduzir as consequências pessoais e os custos associados com os distúrbios do sono tornou-se num dos maiores desafios das últimas décadas. Patologias como distúrbios respiratórios do sono, sonolência, síndrome de pernas inquietas ou distúrbios do sono relacionados com o ritmo circadiano são bastante prevalentes, produzindo grandes distúrbios no dia-a-dia dos pacientes. Para o diagnóstico e tratamento deste tipo de patologias, a capacidade de avaliar o padrão de sono do paciente por períodos de tempo mais alargados poderá ser necessária. A necessidade de avaliação de um determinado medicamento ou a monitorização da qualidade do sono do paciente ao longo do tempo são bons exemplos. O teste clínico PSG, atualmente padrão para a avaliação do sono, é um método caro e complexo, disponíveis apenas em hospitais especializados e equipados com um laboratório do sono e profissionais qualificados. Para além de nem sempre estar disponível, PSG é considerado um procedimento muito penoso devido aos diversos elétrodos em contacto com o corpo e cabeça, que causam desconforto e possivelmente um padrão de sono anormal. Para além destes incómodos, os pacientes têm ainda que dormir num laboratório, sendo continuamente observados ao longo da noite. PSG é, portanto, uma técnica cara, geralmente limitada a uma ou duas noites num laboratório do sono. Métodos como actigraphy, que utilizam sensores semelhantes a relógios de pulso para medir os movimentos corporais dos pacientes, podem dar informações úteis sobre os padrões de sono dos indivíduos durante períodos de tempo mais alargados sem perturbar significativamente os hábitos normais de sono dos pacientes. No entanto, este método tem várias limitações, uma vez que apenas avalia movimentos corporais, o que é insuficiente para informações relativas à arquitetura do sono dos pacientes. Para ultrapassar as limitações dos métodos acima descritos, seria relevante a criação de um novo procedimento capaz de complementar os já existentes. Um sistema de monitorização do sono baseado em informação cardiorrespiratória poderá fornecer mais informação sobre a arquitetura do sono, de forma não intrusiva e durante períodos de tempo alargados, no conforto e privacidade da residência dos pacientes. Esta informação poderia ser utilizada para o rastreio de doenças, acompanhamento e monitorização de tratamentos ou mesmo complementar o PSG para o diagnóstico de algumas doenças do sono. O sistema apresentado neste trabalho aborda parte desta hipótese, classificando automaticamente várias fases do sono usando apenas informação cardiorrespiratória. Embora os dados utilizados para este estudo, tenham sido adquiridos através do uso de sensores de contacto, no futuro, esta informação poderá ser obtida através da utilização de métodos não intrusivos, que já se encontram disponíveis comercialmente. Esta hipótese é bastante interessante porque consegue fornecer mais informação aos profissionais do sono, sem interferir com o dia-a-dia do paciente.

Sleep pathologies have a direct negative impact into most of daily activities such has learning, memorization or productivity. Decreasing the personal burden and the societal cost associated with sleep disturbances has become one of the major challenges in the last decades. Pathologies like sleep disordered breathing, insomnia, restless leg syndrome or circadian rhythm sleep disorders are fairly prevalent, heavily disturbing the life of af-fected subjects. For the diagnosis and treatment of these disorders, the ability to assess a patient’s sleep pattern over longer periods of time may be required. The need of evalua-tion of a certain medication or the monitoring of the sleep quality of the patient over time can be named as good examples. The polysomonographic (PSG) clinical test, current gold standard for sleep assessment, is an expensive and complex method only available in specialized hospitals equipped with a sleep lab and qualified professionals. Not always available, PSG is considered a very stressful procedure because of the various electrodes attached to the body and head, which cause discomfort and potentially disrupt the usual sleep patterns. Furthermore people need to sleep in an unfamiliar environment while be-ing observed throughout the entire night. PSG is therefore an expensive technique usually limited to one or two nights in a sleep laboratory. Methods like actigraphy, which measure body movements, can give useful insight about the sleeping patterns of the subjects during longer periods of time without significantly disrupting the normal sleeping habits of a person. However this method has several limitations as it only assesses the movements of the patients and therefore provides little insight about the subjects’ sleep architecture. In order to address the shortcomings of the existing techniques, the introduction of a new system, easy and cheap to deploy and use, capable of complementing the existent ap-proaches is relevant. A sleep monitoring system based on cardiorespiratory data may be able to provide bigger insight of the sleep architecture, while having the potential to be unobtrusive and able to monitor sleep during longer periods of time, in the comfort and privacy of the subject’s own room. Furthermore it can potentially enable the screening of diseases, follow-up on treatments, or even complementing PSG for diagnosis of some sleep disorders. The system presented in this work addresses part of this system by automatically classi-fying multiple sleep stages using cardiorespiratory information. Although the data used for this study was acquired with contact sensors, in the future, this information might be obtained through the use of non-obtrusive methods that are already commercially availa-ble. This possibility is interesting as it provides bigger insight of the subject sleeping patterns and architecture for the sleep professional, without interfering with the daily life of the patient.