Heart rate variability analysis in pediatric obstructive sleep apnea: Automated signal processing to identify biomarkers and help in the diagnosis

Abstract

Pediatric obstructive sleep apnea (OSA) is a respiratory disease defined by episodes of complete airflow cessation (apneas) or significant airflow reduction (hypopneas). This disorder is highly prevalent among children, affecting 5.7% of the pediatric population. If left untreated, it can lead to various adverse cardiovascular consequences, as well as cognitive and developmental impairments. Given the potential threat to the health of children, the early diagnosis and management of OSA are of the utmost importance, however being an underdiagnosed disease. Overnight polysomnography (PSG) is currently considered the gold standard diagnostic technique for pediatric OSA. This procedure involves children spending an entire night in a sleep laboratory, where numerous sensors are attached to their bodies to record up to 32 biomedical signals. Subsequently, medical experts visually analyze and score apneic events based on these recordings. The number of events of apneas and hypopneas per hour of sleep (e/h) is then calculated, resulting in the apnea-hypopnea index (AHI), which is used for diagnosing and determining the severity of OSA in children. Despite being the gold standard, PSG has certain drawbacks. It is time-consuming, complex, expensive, and highly uncomfortable for the pediatric population, leading to issues such as limited access and long waiting lists. As a result, there has been growing interest in exploring alternative techniques to simplify OSA diagnosis. The present Doctoral Thesis aims to comprehensively examine the behavior of HRV in children, seeking valuable insights into cardiac alterations associated with pediatric OSA that could aid in its diagnosis.

La apnea obstructiva del sueño (AOS) pediátrica es un trastorno respiratorio del sueño que se caracteriza por periodos de interrupción total del flujo aéreo (conocidos como apneas), así como periodos de reducción significativa del flujo aéreo (conocidos como hipopneas). Esta enfermedad tiene una alta prevalencia, padeciéndola alrededor del 6% de la población pediátrica general, y se ha asociado con un aumento en los problemas cardiovasculares, como la hipertrofia ventricular izquierda y derecha, alteraciones en la regulación autónoma de la frecuencia cardíaca y cambios en la presión sanguínea. Además, la AOS también se ha relacionado con problemas cognitivos, incluyendo déficits en el aprendizaje y en el rendimiento académico, lo que resalta la importancia de la detección temprana y el tratamiento para mantener la salud cardiovascular a largo plazo y el potencial académico de los niños. La prueba de referencia diagnóstica para la AOS es la polisomnografía (PSG) nocturna, durante la cual los niños tienen que pasar una noche en un laboratorio del sueño, tratándose de un proceso complejo, costoso y especialmente incómodo para ellos. Por ello, los inconvenientes ligados a la PSG han motivado la búsqueda de alternativas para diagnosticar la AOS pediátrica y estudiar sus consecuencias. En la presente Tesis Doctoral se ha llevado a cabo una caracterización exhaustiva de la variabilidad de la frecuencia cardíaca (heart rate variability, HRV) con el objetivo de describir las alteraciones que ocurren en el sistema nervioso autónomo (SNA) debido a la AOS y ayudar a simplificar el diagnóstico de esta enfermedad. Los resultados obtenidos a partir de estas investigaciones han sido publicados en cuatro artículos científicos en revistas indexadas en el Journal citation reports (JCR), tratándose de una Tesis por compendio de publicaciones.