ScreenOX – Ein automatisierter Screening-Test für zu Hause auf Schlafapnoe bei Erwachsenen mit nächtlicher Oximetrie (ScreenOX)

Die Teilnehmer werden aus den spezialisierten Schlafambulanzen des Universitätskrankenhauses Río Hortega aus Valladolid (Spanien) rekrutiert. Alle Patienten werden aufgrund eines mäßigen bis hohen klinischen Verdachts, an einem Schlafapnoe-Hypopnoe-Syndrom (SAHS) zu leiden, von der Primärversorgung überwiesen. Die endgültige Population wird nach dem Zufallsprinzip in zwei unabhängige Datensätze aufgeteilt: 1) Trainingssatz (50 %), der zum Entwerfen und Erstellen/Trainieren der Screening-Algorithmen verwendet wird; und 2) das Test-Set (die restlichen 50 %), das verwendet wird, um die Leistung anhand von unsichtbaren Daten weiter zu bewerten.

Die Regeln der American Academy of Sleep Medicine werden verwendet, um respiratorische Ereignisse zu bewerten und den Apnoe-Hypopnoe-Index (AHI) aus der ambulanten PSG zu Hause zu erhalten, der zur definitiven Diagnose von SAHS verwendet wird.

Ein tragbares, am Handgelenk getragenes Pulsoximeter (WristOX2 3150, Nonin) wird für NPO zu Hause verwendet. Die tragbare NPO wird gleichzeitig mit der ambulanten PSG (Embletta MPR, Natus) beim Patienten zu Hause durchgeführt. Darüber hinaus werden zu Vergleichszwecken beaufsichtigte tragbare Labor-NPO (WristOX2 3150, Nonin) und Labor-PSG (E-Series, Compumedics) gleichzeitig im Krankenhaus in einer anderen aufeinanderfolgenden/vorherigen Nacht durchgeführt. Die Teilnehmer werden nach dem Zufallsprinzip zugewiesen, um vor oder nach den Aufzeichnungen im Krankenhaus unbeaufsichtigte Schlafstudien zu Hause durchzuführen.

SpO2 und PR von NPO werden gleichzeitig mit einer Abtastrate von 1 Hz (1 Abtastung pro Sekunde) aufgezeichnet. Alle Aufzeichnungen werden in separaten Dateien gespeichert und offline verarbeitet. Zur Entfernung von Artefakten durch Patientenbewegungen (Signalverlust) wird eine automatische Signalvorverarbeitung durchgeführt.

Die Signalverarbeitungsmethodik ist in drei automatisierte Stufen unterteilt: (i) Merkmalsextraktion, (ii) Merkmalsauswahl und (iii) Mustererkennung.

Erstens werden NPO-Aufzeichnungen anhand eines breiten Satzes von Variablen parametrisiert, die zuvor eine hohe Trennschärfe im Zusammenhang mit der SAHS-Erkennung gezeigt haben. Alle Features werden für jede ganze portable Nachtaufnahme berechnet. Die folgenden Feature-Subsets werden zusammengestellt:

• Zeitbereichsstatistiken von SpO2-Aufzeichnungen. Statistische Momente erster bis vierter Ordnung im Zeitbereich, d. h. arithmetisches Mittel, Varianz, Schiefe und Kurtosis, die jeweils die zentrale Tendenz, das Ausmaß der Streuung, die Asymmetrie und die Spitzigkeit quantifizieren.
• Zeitbereichsmerkmale aus PR-Aufzeichnungen: Durchschnitt, Standardabweichung und quadratischer Mittelwert der Standardabweichung der Puls-zu-Puls-Intervall-Zeitreihen.
• Frequenzbereichsstatistiken von SpO2-Aufzeichnungen. Statistische Momente erster bis vierter Ordnung, Medianfrequenz und Shannon-Spektralentropie aus der spektralen Leistungsdichtefunktion.
• Frequenzbereichsstatistiken aus PR-Aufzeichnungen. Statistische Momente erster bis vierter Ordnung, Medianfrequenz und Shannon-Spektralentropie aus der spektralen Leistungsdichtefunktion.
• Herkömmliche Spektralmessungen aus SpO2-Aufzeichnungen. Gesamtsignalleistung sowie Spitzenamplitude und relative Leistung im Frequenzbereich 0,014 - 0,033 Hz.
• Herkömmliche Spektralmaße aus PR-Aufnahmen. Normalisierte Leistung in den niedrigen (0,04 - 0,15 Hz) und in den hohen (0,15 - 0,40 Hz) Frequenzbändern sowie das Verhältnis von niedriger zu hoher Frequenz (sympathovagales Gleichgewicht).
• Nichtlineare Merkmale von SpO2-Aufzeichnungen. Probenentropie, zentrales Tendenzmaß und Lempel-Ziv-Komplexität, die die Unregelmäßigkeit, Variabilität und Komplexität von SpO2-Aufzeichnungen messen.
• Nichtlineare Merkmale aus PR-Aufzeichnungen. Probenentropie, zentrales Tendenzmaß und Lempel-Ziv-Komplexität, die Unregelmäßigkeit, Variabilität und Komplexität von PR-Aufzeichnungen messen.

Dann wird die optimale Merkmalsuntermenge zusammengestellt, die aus den relevantesten sowie komplementären Variablen besteht. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die folgenden Merkmalsauswahlmethoden angewendet:

• Schrittweise Funktionsauswahl vorwärts
• Genetische Algorythmen
• Schneller korrelationsbasierter Filter
• Kriterium für minimale Redundanz und maximale Relevanz

Schließlich entspricht die dritte Stufe der Mustererkennung. Das Ziel dieser Phase ist zweifach: (i) Entwurf und Optimierung binärer klassifikationsorientierter Modelle, die darauf trainiert sind, unter Verwendung optimaler Merkmale von NPO zwischen SAHS-negativen und SAHS-positiven Probanden zu unterscheiden; (ii) um regressionsorientierte Modelle zu entwerfen und zu optimieren, die darauf trainiert sind, den AHI unter Verwendung optimaler Merkmale von NPO zu schätzen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die folgenden Mustererkennungsalgorithmen bewertet:

• Binäre Klassifikation: logistische Regression, künstliche neuronale Netze, Bayes'sche Netze, Entscheidungsbäume, Ensemble-Lernen (AdaBoost).
• Regressionsmodelle: multiple lineare Regression, künstliche neuronale Netze, Bayes'sche Netze, Ensemble-Lernen (Boosting der kleinsten Quadrate).

Diese Modelle werden anschließend kombiniert, um das folgende 2-Stufen-Screening-Protokoll zu optimieren: Stufe 1) richtig negative Screening-Stufe, die darauf abzielt, die maximale Anzahl von Nicht-SAHS-Patienten zu erkennen und gleichzeitig die Anzahl falsch negativer Patienten zu minimieren (idealerweise 0 % falsch positive Rate); Stufe-2) Richtig-Positiv-Screening-Stufe, die darauf abzielt, (unter Patienten, die in der ersten Stufe nicht als richtig-negativ identifiziert wurden) die maximale Anzahl von richtig-positiven Patienten zu erkennen, während die Anzahl von falsch-positiven Fällen minimiert wird (idealerweise 0% falsch-positiv-Rate) . Beide Phasen sind komplementär und werden nacheinander durchgeführt, sodass:

• Patienten, die in der ersten Phase als richtig negativ identifiziert wurden, werden an den Schlafspezialisten überwiesen, um SAHS unter Berücksichtigung von Symptomen, Komorbiditäten und Vorgeschichte endgültig zu verwerfen. Diese Patienten werden nicht mehr auf die Schlafstation verlegt, es sei denn, der Schlafspezialist fordert sie aufgrund anhaltender und/oder zusätzlicher Symptome auf.
• Patienten, die in der zweiten Phase als richtig positiv identifiziert wurden, werden an den Schlafspezialisten überwiesen, um SAHS endgültig zu bestätigen und die am besten geeignete Behandlungsoption zu wählen. Diese Patienten werden nicht mehr auf die Schlafeinheit verlegt, es sei denn, der Schlafspezialist fordert sie auf.
• Nicht schlüssige Fälle werden schließlich für eine Standard-PSG an die Schlafeinheit weitergeleitet, um SAHS zu bestätigen/zu verwerfen.