Συγκριτική μελέτη μεθόδων εντροπίας σημάτων κορεσμού οξυγόνου για την εκτίμηση της σοβαρότητας του συνδρόμου αποφρακτικής άπνοιας στον ύπνο

Abstract

Η μελέτη της κανονικότητας σημάτων κορεσμού οξυγόνου (SpO2) μπορεί να βοηθήσει στον καθορισμό της σοβαρότητας του συνδρόμου αποφρακτικής άπνοιας στον ύπνο (ΣΑΑΥ). Σε αυτήν την εργασία ερευνώνται τρεις μέθοδοι μελέτης της κανονικότητας σημάτων κορεσμού οξυγόνου, η προσεγγιστική εντροπία (ΑpEn), η εντροπία δειγμάτων (Sampen) και η εντροπία κατά Shannon (S), με σκοπό να βρεθεί ποια παρουσιάζει την καλύτερη διακριτική ικανότητα μεταξύ ήπιου και σοβαρού ΣΑΑΥ. Η μελέτη της εντροπίας έγινε σε πραγματικές καταγραφές SpO2 25 ασθενών: 5 ήπιου ΣΑΑΥ, με ΑΗΙ<10, και 20 σοβαρού ΣΑΑΥ, με ΑΗΙ>10. Αρχικά αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο των τριών μεθόδων εντροπίας και στη συνέχεια αυτές υλοποιούνται στο περιβάλλον της matlab με τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες. Συγκεκριμένα, στην πρώτη μεθοδολογία υπολογίζονται οι ApEn, SampEnγια διάφορες τιμές παραμέτρων (μήκος παραθύρου m = 1, m= 2 και φίλτρο r = 0,1×SD, r = 0,15×SD) και S ολόκληρων των χρονοσειρών SpO2, αφού αρχικά οι χρονοσειρές υπέστησαν δειγματοληψία συχνότητας Fs = 0,2 Hz. Στη δεύτερη μεθοδολογία οι δειγματοληπτημένες εκδοχές των σημάτων SpO2 χωρίστηκαν σε διαστήματα διάρκειας 1000 s και για κάθε διάστημα υπολογίστηκαν οι ApEn, SampEn (για ίδιες τιμές παραμέτρων) και η S. Ως τελική τιμή κάθε εντροπίας θεωρήθηκε η μέση τιμή των τιμών εντροπίας των επί μέρους διαστημάτων. Τέλος, με την τρίτη μεθοδολογία, υπολογίστηκε η ApEn για m = 1, r = 0,1×SD και η S των αρχικών, μη υποδειγματοληπτημένων, εκδοχών των σημάτων SpO2. Παράλληλα με τα παραπάνω υπολογίστηκε και η τυπική απόκλιση (SD) των υποδειγματοληπτημένων και μη χρονοσειρών SpO2. Επίσης, διεξήχθη στατιστικός έλεγχος (Wilcoxon test) στα αποτελέσματα των παραπάνω μεγεθών για να βρεθεί αν είναι στατιστικά σημαντικά. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι χρησιμοποιώντας τις μεθόδους εντροπίας στις υποδειγματοληπτημένες εκδοχές των σημάτων οι τιμές εντροπίας ήταν υψηλότερες στην ομάδα σοβαρού ΣΑΑΥ. Σε καμία περίπτωση, όμως, δεν παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ τους. Αντιθέτως, στις αρχικές χρονοσειρές SpO2 η ApEn εμφανίζει χαμηλότερες τιμές εντροπίας στην ομάδα σοβαρού ΣΑΑΥ και, έτσι, φαίνεται ότι η χρήση της σε μη υποδειγματοληπτημένες χρονοσειρές μπορεί να οδηγήσει σε παραπλανητικά αποτελέσματα. Οι τιμές της SD ήταν υψηλότερες στην ομάδα σοβαρού ΣΑΑΥ, ανεξάρτητα από την εφαρμογή δειγματοληψίας ή μη και επιπλέον βρέθηκε ότι, σε αντίθεση με την εντροπία, τα αποτελέσματά της έχουν στατιστικά σημαντική διαφορά. Συμπερασματικά, η εφαρμογή μεθόδων εντροπίας σε σήματα SpO2 χαμηλής συχνότητας δειγματοληψίας μπορεί να αποδειχτεί χρήσιμο εργαλείο στη διάγνωση του ΣΑΑΥ. Ωστόσο, δεδομένου του πρόσφατου της μελέτης της κανονικότητας για τη διάγνωση του ΣΑΑΥ και του μικρού δείγματος ασθενών σε αυτήν την εργασία κρίνεται αναγκαία η περαιτέρω μελέτη των SampEn, ApEm και S σε σήματα SpO2 για να επαληθευτεί η αξιοπιστία τους στη διάγνωση του ΣΑΑΥ.

Regularity of overnight pulse oximetry data, which can be quantified using entropy, may be used to characterize severity of obstructive sleep apnea syndrome (OSAS). In this thesis three entropy measures, the approximate entropy (ApEn) the sample entropy (SampEn) and the Shannon entropy (S) were investigated in order to study their ability to discriminate between mild and severe OSAS. The study was carried out on real oxygen saturation recordings of 25 subjects: 5 mild OSAS subjects, with apnea hypopnea index (AHI) <10, and 20 severe OSAS subjects, with AHI>10. Firstly, the theoretical background of the three entropy measures (ApEn, SampEn and S) is described. Then, the above measures were implemented in matlab environment using three different methodologies. Specifically, in the first methodology the , (for window length m= 1, m= 2 and tolerance r = 0,1×SD, r = 0,15×SD) and S of subsampled versions (sampling frequency Fs = 0,2 Hz) of the SpO2 signals were calculated. In the second methodology the subsampled versions of SpO2 signals were initially separated in 1000 periods and then, for each period, ApEn, SampEn (for the same parameter values as above) and S were calculated. The overall entropy value was considered as the average of all single- period entropy values. Finally, in the third methodology ApEn (m = 1, r = 0,1×SD) and S of the original, non subsampled, versions of SpO2 signals were calculated. Along with the above, the standard deviation (SD) of both the original and subsampled versions of the SpO2 signals was calculated. A statistical hypothesis test (Wilcoxon test) was used to assess the statistical significance of the entropy values between the two groups. The results showed that the entropy values of the severe OSAS group were higher than those of the mild OSAS group only when the SpO2 signals were subsampled. Furthermore, it was shown that the parameters m and r affect the estimated entropy values. However, no statistically significant difference between the two groups was observed. Between the first and the second methodology, the first was proved to be more reliable. On the other hand, the ApEn of the original SpO2 signals was lower in the severe OSAS group and, as a result, its use on non subsampled signals may lead to misleading results. The SD values of the severe OSAS group were also higher than those of the mild OSAS group for both the original and subsampled versions of the SpO2 signals and, in contrast to entropy measures, the two groups proved to be statistically independent. To conclude, entropy measures can be useful for characterizing the OSAS severity. Due to the fact that the use of entropy measures for the diagnosis of OSAS is quite recent and the fact that the number of patients in this thesis is small, further study of ApEn, SampEn and S so as to verify their reliability in the diagnosis of OSAS is necessary.