Een wearable met licht om slaapapneu op te sporen

Leonardo da Vinci zei ooit: "Een welbestede dag zorgt voor goede slaap", maar het omgekeerde is ook waar. Slaap is van cruciaal belang voor lichamelijke en geestelijke rust en herstel. Een goede slaap kan echter worden verstoord door verschillende aandoeningen, met als een van de meest voorkomende obstructieve slaapapneu (OSA), waaraan wereldwijd een miljard mensen lijden. 

"Tot 80% van de mensen met matige of ernstige OSA blijft mogelijk ongediagnosticeerd, wat een aanzienlijke impact op de gezondheid kan hebben", zegt Gabriele Papini, PhD-onderzoeker in het Biomedical Diagnostics Lab van de faculteit Electrical Engineering.

OSA blokkeert de regelmatige luchttoevoer, wat de slaap kan verstoren en het lichaam berooft van een adequate toevoer van zuurstof. "Als OSA niet wordt behandeld, kan het slaperigheid overdag, vermoeidheid en cardiovasculaire problemen tot gevolg hebben", merkt Papini op. "Een tijdige diagnose is dus essentieel."

Overstap naar wearables

In klinische tests zijn polysomnografie en polygrafische slaapapneu-tests de gouden standaard voor de diagnose van OSA, maar in beide gevallen moet een persoon 's nachts sensoren dragen om functies als hersenactiviteit, hartslag en spieractiviteit in de gaten te houden.

"De signalen van de verschillende sensoren worden gecombineerd, en het aantal ongewone ademhalingen per uur slaap wordt geteld in het samengestelde signaal", zegt Papini. "Dit staat bekend als de apneu-hypopneu-index."

De gouden standaard OSA-instrumenten zijn echter niet geschikt voor screening en monitoring gedurende meerdere nachten, omdat de sensoren oncomfortabel zijn om te dragen, de slaap kunnen beïnvloeden en voor een persoon onmogelijk thuis te gebruiken zouden zijn. "Mijn onderzoek keek naar een manier om metingen te doen op een comfortabele manier die door een patiënt thuis kan worden gebruikt, en die ook de screening- en monitoringproblemen oplost."

En de sleutel tot Papini's oplossing? Dat is een methode geïnspireerd door populaire wearables, zoals smartwatches en fitness trackers.

Het groene licht krijgen

"We wilden een compact systeem ontwerpen dat niet door een slaaparts hoeft te worden bediend en dat iemand gemakkelijk zelf kan gebruiken", zegt Papini.

Papini en zijn collega's hebben daarom een methode ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van een apparaatje dat om de pols wordt gedragen en eruitziet als een smartwatch of fitness-tracker, waarbij de huid wordt verlicht met groen licht van LED's. Een deel van het licht wordt gereflecteerd door het bloed in het lichaam en vervolgens gedetecteerd door een lichtsensor.

Voor het onderzoek droegen 500 mensen, zowel gezonde mensen als mensen met slaapstoornissen zoals OSA of slapeloosheid, het apparaatje terwijl ze sliepen. Over deze experimenten zo dadelijk meer, maar: welke informatie bevat het weerkaatste lichtsignaal?

"Ten eerste bevat het signaal polsslagen. Deze kunnen worden gecontroleerd op veranderingen die verband kunnen houden met OSA”, zegt Papini.  "Hetzelfde signaal bevat ook informatie over het ademhalingssysteem, en ook dit kan worden gebruikt om OSA te diagnosticeren. Maar voordat we het signaal goed konden analyseren, moesten we de kwaliteit van het signaal verbeteren."

Tijdens de slaap kan signaalruis het gevolg zijn van factoren zoals beweging of verhoogde druk op het horloge tijdens de slaap. Papini berekende daarom een gemiddelde polsslag uit het signaal, vergeleek elke meting met de gemiddelde polsslag om de door ruis beïnvloede metingen te vinden, en verwijderde deze vervolgens. Aangezien de normale ademhaling door OSA wordt beïnvloed, isoleerde Papini vervolgens het ademhalingsgedeelte van het signaal door te kijken naar de variaties in de sterkte van de polsslag.

De proef op de som nemen

Toen er naast een om de pols gedragen groen lichtapparaat ook een manier was gecreëerd om schone signalen op te vangen, werd het apparaat op de proef gesteld. De signalen zijn echter vrij complex om te analyseren, dus zette Papini deep learning in om een handje te helpen.

"We gebruikten deep learning-convolutiemodellen om de ademhalingsgebeurtenissen te identificeren, en gebruikten deze vervolgens om de apneu-hypopneu-index (AHI) voor een patiënt te berekenen", vertelt Papini.

Het deep learning-model werd eerst getraind met opnames van 250 patiënten met en zonder slaapstoornissen. Daarna werd het getrainde model gebruikt om de signalen van nog eens 250 patiënten te controleren op OSA. En: de resultaten waren veelbelovend.

"De AHI-waarden die met ons polsapparaatje werden berekend, kwamen goed overeen met de AHI-waarden die met de gouden standaard werden berekend. Het is dus denkbaar dat iemand dit apparaat gebruikt om thuis OSA te screenen en te monitoren", zegt Papini. 

Slaap in de toekomst

De veelbelovende resultaten stemmen Sebastiaan Overeem, somnoloog bij Kempenhaeghe en hoofdbegeleider van Papini, zeer optimistisch over de toekomst: "Hopelijk zorgt dit onderzoek voor nieuwe technieken die niet alleen tot een betere diagnose leiden, maar ook iets kunnen betekenen voor de efficiëntie van behandelingen voor slaapstoornissen. En wat vooral belangrijk is: het apparaat zou thuis en gedurende langere periodes kunnen worden gebruikt."

Papini benadrukt echter een belangrijk aspect van het apparaat dat om de pols wordt gedragen: "Helaas is het niet zo nauwkeurig als de gouden standaardbenaderingen, met name die waarbij hersengolven worden gemeten. Het zal de gouden standaard nooit vervangen. Maar artsen kunnen patiënten vragen om het apparaat te gebruiken als ze OSA langdurig willen monitoren, zonder dat er veel kabels en sensoren nodig zijn."

Dus, waar Da Vinci het belang van een welbestede dag voor een goede nachtrust onderstreepte, heeft zijn Italiaanse landgenoot Gabriele Papini een apparaat ontwikkeld om de oorzaak van een slechte nachtrust vast te stellen. Hierdoor zouden steeds meer mensen die welbestede dagen kunnen ervaren.

Titel van PhD-thesis: Taking the pulse: unobtrusive sleep apnea monitoring using cardiovascular features. Promotors: Sebastiaan Overeem (TU/e-hoogleraar en klinisch somnoloog bij het Slaapgeneeskundig Centrum Kempenhaeghe), Pedro Fonseca (onderzoeker, TU/e) en Rik Vullings (universitair hoofddocent, TU/e). Sponsors: Het werk werd financieel ondersteund door STW/IWT in het kader van het OSA+ project (nr. 14619).

Over Kempenhaeghe

Centrum voor Slaapgeneeskunde Kempenhaeghe is een gespecialiseerd centrum voor de diagnose en behandeling van slaapstoornissen. Het hele spectrum van slaapgeneeskunde wordt bestreken, van kinderen tot ouderen. Het centrum is door de Nederlandse federatie van universitair medische centra geaccrediteerd voor de diagnostiek en behandeling van zeldzame slaapstoornissen. Er is een sterke focus op de ontwikkeling en implementatie van zorgprofielen en de opleiding van slaapprofessionals. Wetenschappelijk onderzoek is een integraal onderdeel, aangevuld met samenwerking tussen academische centra, kennisinstituten en het bedrijfsleven in binnen- en buitenland. 

Over e/MTIC

Het Eindhoven MedTech Innovation Center (e/MTIC) is een grootschalige onderzoekssamenwerking tussen het Catharina Ziekenhuis, Maxima Medisch Centrum, Kempenhaeghe Epilepsie en Slaapcentrum, Technische Universiteit Eindhoven, en Philips Research Eindhoven. e/MTIC stimuleert op waarde gebaseerde gezondheidszorg door een ecosysteem te laten groeien dat een snel traject creëert in onderzoek, ontwikkeling en implementatie van duurzame innovaties in de klinische praktijk.