ScreenOX - Un test di screening domiciliare automatizzato per l'apnea notturna negli adulti utilizzando l'ossimetria notturna (ScreenOX)

I partecipanti vengono reclutati dalle strutture ambulatoriali specializzate nel sonno dell'Ospedale Universitario Río Hortega di Valladolid (Spagna). Tutti i pazienti vengono indirizzati dalle cure primarie a causa del sospetto clinico da moderato ad alto di soffrire di sindrome da apnea-ipopnea notturna (SAHS). La popolazione finale viene suddivisa casualmente in due set di dati indipendenti: 1) set di addestramento (50%), utilizzato per progettare e costruire/addestrare gli algoritmi di screening; e 2) il set di test (il restante 50%), che viene utilizzato per valutare ulteriormente le prestazioni utilizzando dati non visibili.

Le regole dell'American Academy of Sleep Medicine vengono utilizzate per valutare gli eventi respiratori e per ottenere l'indice di apnea-ipopnea (AHI) dal PSG ambulatoriale a casa, che viene utilizzato per diagnosticare definitivamente la SAHS.

Un pulsossimetro portatile da polso (WristOX2 3150, Nonin) viene utilizzato per NPO domiciliare. Portable NPO viene effettuato contemporaneamente al PSG ambulatoriale (Embletta MPR, Natus) a casa del paziente. Inoltre, l'NPO portatile in laboratorio assistito (WristOX2 3150, Nonin) e il PSG in laboratorio (E-Series, Compumedics) vengono eseguiti simultaneamente in ospedale in una diversa notte consecutiva/precedente a scopo di confronto. I partecipanti vengono assegnati in modo casuale a svolgere studi del sonno incustoditi a casa prima o dopo le registrazioni in ospedale.

SpO2 e PR da NPO vengono registrati simultaneamente a una frequenza di campionamento di 1 Hz (1 campionamento ogni secondo). Tutte le registrazioni vengono salvate in file separati ed elaborate offline. Viene eseguita una fase di pre-elaborazione automatica del segnale per rimuovere gli artefatti dovuti ai movimenti del paziente (perdita di segnale).

La metodologia di elaborazione del segnale è suddivisa in tre fasi automatizzate: (i) estrazione delle caratteristiche, (ii) selezione delle caratteristiche e (iii) riconoscimento del modello.

In primo luogo, le registrazioni NPO sono parametrizzate mediante un ampio set di variabili, che in precedenza hanno dimostrato un elevato potere discriminante nel contesto del rilevamento SAHS. Tutte le caratteristiche sono calcolate per ogni registrazione notturna portatile completa. Sono composti i seguenti sottoinsiemi di funzionalità:

• Statistiche nel dominio del tempo dalle registrazioni SpO2. Momenti statistici dal primo al quarto ordine nel dominio del tempo, ovvero media aritmetica, varianza, asimmetria e curtosi, che quantificano rispettivamente la tendenza centrale, la quantità di dispersione, l'asimmetria e il picco.
• Caratteristiche del dominio del tempo dalle registrazioni PR: media, deviazione standard e valore quadratico medio della deviazione standard delle serie temporali dell'intervallo da impulso a impulso.
• Statistiche nel dominio della frequenza dalle registrazioni SpO2. Momenti statistici dal primo al quarto ordine, frequenza mediana ed entropia spettrale di Shannon dalla funzione di densità spettrale di potenza.
• Statistiche nel dominio della frequenza dalle registrazioni PR. Momenti statistici dal primo al quarto ordine, frequenza mediana ed entropia spettrale di Shannon dalla funzione di densità spettrale di potenza.
• Misure spettrali convenzionali da registrazioni SpO2. Potenza totale del segnale, ampiezza di picco e potenza relativa nell'intervallo di frequenza 0,014 - 0,033 Hz.
• Misure spettrali convenzionali da registrazioni PR. Potenza normalizzata nelle bande di frequenza bassa (0,04 - 0,15 Hz) e alta (0,15 - 0,40 Hz), così come il rapporto tra bassa frequenza e alta frequenza (equilibrio simpaticovagale).
• Caratteristiche non lineari da registrazioni SpO2. Campione di entropia, misura della tendenza centrale e complessità di Lempel - Ziv, che misurano l'irregolarità, la variabilità e la complessità delle registrazioni di SpO2.
• Caratteristiche non lineari da registrazioni PR. Entropia del campione, misura della tendenza centrale e complessità di Lempel - Ziv, che misurano l'irregolarità, la variabilità e la complessità delle registrazioni PR.

Quindi, viene composto il sottoinsieme di caratteristiche ottimali composto dalle variabili più rilevanti e complementari. Per raggiungere questo obiettivo, vengono applicati i seguenti metodi di selezione delle caratteristiche:

• Avanzamento graduale della selezione delle funzioni
• Algoritmi genetici
• Filtro rapido basato sulla correlazione
• Criterio di massima pertinenza a ridondanza minima

Infine, la terza fase corrisponde al riconoscimento del patter. Lo scopo di questa fase è duplice: (i) progettare e ottimizzare modelli orientati alla classificazione binaria addestrati a discernere tra soggetti SAHS negativi e SAHS positivi utilizzando le caratteristiche ottimali di NPO; (ii) progettare e ottimizzare modelli orientati alla regressione addestrati a stimare l'AHI utilizzando caratteristiche ottimali da NPO. Per raggiungere questo obiettivo, vengono valutati i seguenti algoritmi di pattern recognition:

• Classificazione binaria: regressione logistica, reti neurali artificiali, reti bayesiane, alberi decisionali, ensemble learning (AdaBoost).
• Modelli di regressione: regressione lineare multipla, reti neurali artificiali, reti bayesiane, ensemble learning (least squares boosting).

Questi modelli vengono successivamente combinati per ottimizzare il seguente protocollo di screening in 2 fasi: fase 1) fase di screening dei veri negativi, che ha lo scopo di rilevare il numero massimo di soggetti non SAHS riducendo al minimo il numero di pazienti falsi negativi (idealmente 0% falsi tasso positivo); fase 2) fase di screening dei veri positivi, che ha lo scopo di rilevare (tra i pazienti non identificati come veri negativi nella prima fase) il numero massimo di pazienti veri positivi riducendo al minimo il numero di casi di falsi positivi (idealmente 0% tasso di falsi positivi) . Entrambe le fasi sono complementari e vengono implementate consecutivamente, in modo tale che:

• I pazienti identificati come veri negativi nella prima fase vengono indirizzati allo specialista del sonno per scartare definitivamente la SAHS tenendo conto dei sintomi, delle comorbilità e della storia clinica passata. Questi pazienti non vengono più trasferiti all'unità del sonno a meno che non sia richiesto dallo specialista del sonno a causa di sintomi persistenti e/o aggiuntivi.
• I pazienti identificati come veri positivi nella seconda fase vengono indirizzati allo specialista del sonno per confermare definitivamente la SAHS e decidere l'opzione terapeutica più adatta. Questi pazienti non vengono più trasferiti all'unità del sonno a meno che non sia richiesto dallo specialista del sonno.
• I casi non conclusivi vengono infine trasferiti all'unità del sonno per un PSG standard al fine di confermare/scartare SAHS.