Ambulantes Assessment von Schlafstörungen auf Basis pulsoximetrischer Messwerte Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTOR-INGENIEUR von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie KIT genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Ing. Nicole Groß geb. in: Saarlouis Tag der mündlichen Prüfung: 19.07.2012 Hauptreferent: Prof.Dr.rer.nat. Wilhelm Stork Korreferent: Prof.Dr.med. Harald Korb ii Danksagung Mein erster und ganz besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Stork für seine langjährige Unterstützung und sein persönliches Engagement für meine Arbeit. Beginnend bei der Betreuung meiner Diplomarbeitbis hin zur Realisierung meinerDissertation stand er mirstets als kompetenterAnsprechpartner zurSeite und zeigte bei inhaltlichenAspekten der Arbeit auch großesEntgegenkommenfürpersönlicheForschungsinteressen. Herrn Prof. Dr. med. Harald Korb möchte ich sehr für die Übernahme des Korreferats mei- ner Arbeit danken. Von seiner Expertise in Medizin und Wirtschaft habe ich insbesondere in den interdisziplinären Fragestellungen meiner Arbeit sehr profitieren können. Besten Dank hierfür. OhneeinentsprechendesArbeitsumfeldwäredieEntwicklungdieserArbeitnichtmöglichge- wesen. Ich danke meinen Kollegen und Vorgesetzten am FZI Forschungszentrum Informatik für das stets hervorragende Arbeitsklima.Sei es zum wissenschaftlichenAustausch, gemein- samen Publikationen, Diskussionen und auch Freizeitaktivitäten: Es hat mir stets eine große Freude bereitet, am FZI arbeiten zu dürfen. Hiervon haben auch die Qualität und Fortschritt meinerArbeitprofitiert. AuchmeinenKollegenamInstitutfürTechnikderInformationsverarbeitungundimHouseof Competence am KIT danke ich für ihre Unterstützung und Diskussionsbereitschaft während meinerStudien-und Promotionszeit. Einen besonders lieben Dank möchte ich Jörg Ottenbacher, Malte Kirst, Ann-Kathrin Bring- mann, Prof. Dr. Stephan Sorichter, Andreas Eger und PD Dr. Friedhart Raschke zukommen lassen.DiestetsengeZusammenarbeitunddenSupporthabeichsehrgeschätzt,insbesondere an den technischen,thematischenundsignaldatenbezogenenSchnittstellenmeinerArbeit. Ein großer Dank gebührt auch den von mir betreuten Studierenden, die durch ihre Arbei- ten einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der vorliegenden Arbeit beigetragen haben. Insbesondere Jennifer Friedmann, die im Rahmen ihre studentischen Arbeit den Erfolg und das Voranschreiten dieser Arbeit unterstützt hat, möchte ich an dieser Stelle nochmals ein besonderes Dankeschönausrichten. Ein ganz lieber Dank gebührt auch Herrn Prof. Dr. Luis Felipe Crespo Foix, Herrn Prof. Dr. Daniel Sanchez Morillo, Dr. Antonio León Jiménez und Prof. Dr. Juan Luis Rojas Ojeda. SiehabenmichbereitswährendmeinesAuslandsaufenthaltsanderUniversitätCádiz(Spani- en)herzlichstinihreForschungsgruppeaufgenommen.AuchwährendmeinerPromotionszeit waren siefür michdaundbereicherten meineArbeit durchDiskussionenund Kooperationen inwissenschaftlich-fachlicherHinsicht.Siesindmirsowohlinkollegialeralsauch infreund- schaftlicherHinsichtansHerz gewachsen.¡Muchísimasgracias! Ein ganz besonders herzliches Dankeschön gilt meinem Freund Volker. Ohne seine Zunei- gung, unendliches Verständnis und Geduld, sowie die liebevollen Aufmunterungen auch in schwierigen ZeitenwäredieseArbeitnichtmöglichgewesen.Zudemhabeich stetsauf seine Unterstützung auch in technischen Fragestellungen und beim Korrekturlesen vertrauen kön- nen. Auch hierfürliebenDank. Der größte Dank gilt meiner Familie und insbesondere meinen Eltern Vera und Gerd. Sie haben mich jederzeit mit Liebe auf meinem Lebensweg begleitet und mich vorbehaltlos bei der Realisierung privater und beruflicher Ziele und Träume unterstützt. Ohne ihren Rückhalt wäre mein Studium und die anschließende Promotion nicht möglich gewesen. Hierfür ein Dankeschön vonganzemHerzen. Karlsruhe, imOktober2012 NicoleGroß iv Abstract Schlaf ist ein Grundbedürfnis des Menschen und Voraussetzung für Gesundheit und Le- bensqualität. Ist der Schlaf gestört, kann dies zu einer reduzierten körperlichen und geisten Leistungsfähigkeit führen. Die Betroffenen wirken gereizt. Das Unfallrisiko steigt. Bleibt ei- ne Schlafstörung unbehandelt, besteht ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung von Herz- Kreislauferkrankungen sowieeinerreduzierten Lebenserwartung. IndervorliegendenArbeitwirdeinAlgorithmuszurautomatisiertenBewertungvonschlafbe- zogenenAtmungsstörungenundSchlafqualitätpräsentiert.MesstechnischbasiertdasSystem aufeinemspektralphotometrischen,nicht-invasivemMessgerät,welchesindermedizinischen DiagnostikundMonitoringbereitswohletabliertist–demPulsoximeter.DieeinfacheAnbrin- gungdesMesssensors(Fingerclipbzw.Fingerklebesensor)machendasPulsoximeterauchfür den Gebrauch durch medizinischeLaien im häuslichen Umfeld einsetzbar. Als Messvariable dientderPulsoximetriedieperipherePulswelle,ausderHerzfrequenzHRundarterielleSau- erstoffsättigung SpO abgeleitet werden können. Als Ergänzung stehen zur Bewertung der 2 Schlafqualität aktigraphische Daten zur Verfügung, welche über einen Beschleunigungssen- soram Armbanddes Pulsoximetersaufgezeichnet werden. FokussiertaufdieseParameterwerdenindieserArbeitdasSchlafphasenprofil(Hypnogramm) des Untersuchten generiert und Parameter zur objektiven Bewertung der Schlafqualität be- stimmt. Die Besonderheit liegt hierbei in der signalanalytischen Bewertung der Schlafqua- lität und Erholsamkeit des Schlafes ohne Ableitung und Einbeziehung der als notwendig er- achtetenStandardmessgrößenElektroenzephalographieEEG,ElektrookoulogrammEOGund Elektromyogramm EMG. Zur Ermöglichung der Schlafqualitätsbewertung über die periphe- re Messsensorik wird ein regelungstechnisches Modell der physiologischen Kopplung zwi- schen Schlafphasen, Herz-Kreislaufsystem und Atmungsregulation aufgestellt. Regelungs- größendiesesModellssowiederenEinflussaufdieperipherePulswellebildendieGrundlage zursignalanalytischenBewertung dereinzelnen Schlafphasen. Unter Berücksichtigung der aktuell gültigen S3-Leitlinie Nicht erholsamer Schlaf/Schlaf- störungen der DGSM (Deutsche Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin) wird die Bewertung der Schlafqualität durch ein Screening zur Erkennung schlafassoziierter At- mungsregulationsstörungen ergänzt. Schlafassoziierte Atmungsregulationsstörungen, insbe- sondere das Schlafapnoe-Hypopnoe Syndrom SAHS, gelten als eine der häufigsten und bis heute stark unterdiagnostizierten schlafmedizinischen Erkrankungen. Eine frühe Erkennung zur adäquaten Therapieeinstellung sind aus schlafmedizinischer und gesundheitspräventiver SichtvongroßemInteresse.DieMöglichkeiteineseinfachenundzuverlässigenSAHS-Scree- nings stellt demzufolge neben der Schlafqualitätsbewertung einen zweiten Schwerpunkt der Arbeit dar. v vi Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Schlafstörungen:HintergrundundMotivation . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielsetzung:AmbulantesAssessmentvonSchlafstörungen . . . . . . . . . . 3 1.3 Abgrenzungzu existierendenSystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Aufbau derArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Grundlagen der Schlafmedizin 7 2.1 Physiologiedes Schlafes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.1 Schlafphasen undSchlafphasenprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 Atmungsregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 Regulationdes Herz-Kreislaufsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Ursachevon Schlafstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 Insomnien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 SchlafbezogeneAtmungsstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.3 ZirkadianeSchlafrhythmusstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 PulsoximetrieimschlafmedizinischenEinsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.1 FunktionsweisederpulsoximetrischenSpO -Bestimmung . . . . . . 20 2 2.3.2 PulsoximetrischeSensortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.3 Fehlerquellen pulsoximetrischerMessverfahren . . . . . . . . . . . . 24 2.4 AktigraphieimschlafmedizinischenEinsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.2 Störeinflüsseauf aktigraphischeMessungen . . . . . . . . . . . . . . 26 3 Grundlagen der Signal- und Systemanalyse 27 3.1 SystemdynamikundRegelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2 Erfassungvon Messwerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2.1 Messsignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.2 QuantisierungundQuantisierungsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3 StochastischeSignalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.1 DarstellungstochastischerVerteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.2 Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.3 StatistischeTestverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 vii Inhaltsverzeichnis 3.4 Spektralanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4.1 Nicht-modellbasierteSpektralschätzer: Fouriertransformation . . . . 33 3.4.2 ModellbasierteSpektralschätzer: Yule-WalkerAlgorithmus . . . . . . 34 3.5 FilterungvonSignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.6 Kreuz-und Autokorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.7 TrendanalysevonSignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.7.1 Detrended FluctuationAnalysisDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.7.2 ProgressiveDetrended FluctuationAnalysisPDFA . . . . . . . . . . 39 3.7.3 WindowedDetrended FluctuationAnalysisWDFA . . . . . . . . . . 39 3.8 MethodenzurAnalysevon Aktigrammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.8.1 Signalenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.8.2 NormalizedSignalMagnitudeArea SMA . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.8.3 Achsenwinkelθ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.9 Klassifikationsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.9.1 KünstlicheNeuronaleNetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.9.2 SupportVectorMachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.10 Bewertungeines Klassifikators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 Stand der Technik 49 4.1 RegulativeStandards inderSchlafmedizin undSchlafforschung . . . . . . . 49 4.1.1 Standards zurKlassifizierungvonSchlafstörungen . . . . . . . . . . 49 4.1.2 S3-LeitlinieNichterholsamerSchlaf/Schlafstörungen . . . . . . . . 50 4.2 DiagnosevonSchlafstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2.1 Nicht-apparative und apparative Standards zur Diagnose von Schlaf- störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2.2 Polysomnographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.3 Standards derautomatisiertenAnalysepolysomnographischerDaten . 56 4.2.4 Vor- und Nachteile der Polysomnographie im schlafmedizinischen Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3 Forschungsbedarf:AmbulantesAssessementvonSchlafstörungen . . . . . . 57 4.4 Stand derTechnik:AmbulantesAssessmentvonSchlafstörungen . . . . . . . 58 4.4.1 1-bis3-Kanalmonitoring:Aktigraphie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.4.2 1-bis3-Kanalmonitoring:Atemfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.4.3 1-bis3-Kanalmonitoring:EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.4.4 1-bis3-Kanalmonitoring:Pulsoximetrie . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.4.5 ZusammenfassendeBewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.5 Abgrenzungdes Forschungsvorhabens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Anforderungsanalyse und Systemdesign 71 5.1 Spezifikation undZielsetzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 viii Inhaltsverzeichnis 5.2 ModulI:SAHS-Erkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.2.1 ZielsetzungSchlafapnoescreening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.2.2 Daten-undPatientenkollektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.2.3 Lösungsansatzzum SAHS-Screening . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.2.4 MöglichkeitenundGrenzen des Algorithmus . . . . . . . . . . . . . 73 5.3 ModulII: Schlafqualitätsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 ZielsetzungSchlafqualitätsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.2 Daten-undPatientenkollektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.3.3 LösungsansatzzurErkennungeinzelnerSchlafphasen . . . . . . . . 76 5.3.4 MöglichkeitenundGrenzen auf Grunddes Datenkollektivs . . . . . . 85 6 Realisierung Modul I - SAHS-Screening 87 6.1 Patientenkollektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.2 KlassifikationskriterienzurSAHS-Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.2.1 Datenvorverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.2.2 SAHS-Klassifikationdurch stochastischeKriterien . . . . . . . . . . 88 6.2.3 SAHS-Detektionim zeitlichenVerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.2.4 Klassifikationdurch Frequenzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.3 SAHS-Klassifikationdurch eineSupportVectorMachine . . . . . . . . . . . 107 6.4 ZusammenfassungderErgebnissedes SAHS-Screenings . . . . . . . . . . . 107 7 Realisierung Modul II - Bewertung der Schlafqualität 109 7.1 Patientenkollektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.2 Datenvorverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.3 IdentifikationgeeigneterKlassifikationsmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.3.1 StatistischeKriterienzurSchlafphasenklassifikation . . . . . . . . . 112 7.3.2 FrequenzbasierteKriterien zurSchlafphasenklassifikation . . . . . . 114 7.3.3 TrendbereinigteFluktuationsanalyseals Schlafphasenklassifikator . . 117 7.3.4 KörperlicheAktivitätzurSchlafphasenklassifikation . . . . . . . . . 123 7.3.5 ZusammenfassungderErgebnissederEinzelklassifikatoren . . . . . 129 7.4 Hypnogrammerstellungüberkünstlichesneuronales Netz . . . . . . . . . . . 132 7.4.1 ZusammenfassungderErgebnissezurHypnogrammerstellung . . . . 139 7.5 BeurteilungderSchlafqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 7.5.1 Zuverlässigkeitder Schlafqualitätsbewertung . . . . . . . . . . . . . 140 7.5.2 ZusammenfassungderErgebnissederSchlafqualitätsbewertung . . . 145 8 Ergebnisse und Evaluation 147 8.1 Evaluationdes SAHS-Screenings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 8.1.1 DiagnostischePrädiktivitätdes SAHS-Screenings . . . . . . . . . . . 147 8.2 EvaluationderBewertung derSchlafqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 ix Inhaltsverzeichnis 8.2.1 EvaluationderHypnogrammerstellung . . . . . . . . . . . . . . . . 150 8.2.2 EvaluationderSchlafqualitätsbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.3 ErgebnisseimVergleich zum Standder Technik . . . . . . . . . . . . . . . . 158 9 Zusammenfassung und Ausblick 163 9.1 ZusammenfassungderErgebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Literaturverzeichnis 171 x