Messung des kardialen autonomen Tonus mittels nichtinvasiver Verfahren in der Diagnostik und Therapie schlafbezogener Atmungsstörungen

Abstract

Zu den wesentlichen Folgen schlafbezogener Atmungsstörungen (SBAS) gehören neben dem nicht-erholsamen Schlaf und der Tagesmüdigkeit eine veränderte Regulation des autonomen Nervensystems (ANS) sowie eine erhöhte Prävalenz kardiovaskulärer Begleiterkrankungen. In dieser Arbeit wurde untersucht, in welchem Maße nichtinvasive Kenngrößen des kardialen autonomen Tonus - als Marker des ANS - durch das zirkadiane System und den Vigilanzzustand beeinflusst sind, diese zur Detektion von Atmungsstörungen im Schlaf genutzt werden können und ob sie Auskunft über den Grad der Herz-Kreislauf-Belastung bei SBAS geben können. Dazu wurden in drei Studien statistische Verfahren der Biosignalanalyse entwickelt und Parameter der Herzfrequenzvariabilität (HRV), der Blutdruckvariabilität (BDV), der Barorezeptorsensitivität (BRS) sowie aus dem Photoplethysmogramm (PPG) ausgewertet. Unter Bedingungen 40-stündiger kontrollierter Schlafdeprivation wurden bei 11 Gesunden die kontinuierlich aufgezeichnete HRV mit stündlich erhobenen Schläfrigkeitsmaßen in Beziehung gesetzt. Es wurde eine zirkadiane Rhythmik und eine mit der Dauer der Schlafdeprivation assoziierte Änderung der HRV nachgewiesen, die auch noch während des Schlafes in der darauf folgenden Nacht persistierte. Der kardiale autonome Tonus weist eine vom Vigilanzzustand unabhängige zirkadiane Modulation auf und scheint sensitiv gegenüber durch Schlafdeprivation induzierte Schläfrigkeit zu sein. Bei 8 Patienten mit einem Obstruktiven Schlafapnoesyndrom (OSAS) wurden während einer Polysomnographie (PSG) parallel der Ösophagusdruck (Pes) und das PPG aufgezeichnet. Beim Auftreten gemischter Apnoen wiesen für den obstruktiven Anteil die Änderungen der aus dem PPG- Signal ermittelten Pulswellenparameter eine hohe Korrelation mit dem Referenzsignal Pes auf. Das PPG-Signal ist sowohl durch die Atmung und den Sympathikus moduliert und kann zukünftig möglicherweise als Instrument zur Detektion von SBAS genutzt werden. Bei 40 OSAS-Patienten wurde in einem randomisierten Crossover-Design ein kardiovaskulärer Funktionstest am Tage vor - und jeweils nach 12 Wochen Therapie mit einer kontinuierlichen nasalen Überdruckbeatmung (CPAP) und mit einer Unterkieferprotusionsschiene (MAD) durchgeführt. Unter Bedingungen kontrollierter Atmung wurden nichtinvasiv der kontinuierliche Blutdruck und das EKG aufgezeichnet. Mit beiden Therapieformen wurden effektiv die Atmungsstörungen reduziert und der diastolische Blutdruck vermindert. Die BRS änderte sich nicht, jedoch erhöhten sich selektiv unter MAD-Therapie die vagal modulierten Anteile der HRV. Die Ergebnisse deuten auf eine moderate Verbesserung der kardiovaskulären autonomen Regulation am Tage durch beide Therapieformen hin. Nichtinvasive Parameter des kardialen autonomen Tonus sind sensitive Marker des kardiorespiratorischen Systems. Bei SBAS können sie in Zukunft, bei Berücksichtigung von Randbedingungen, im Rahmen der Diagnostik und Therapieentscheidung sowie dem Behandlungs- Monitoring unter Umständen als Zusatzinstrument eingesetzt werden; insbesondere in der kardiovaskulären Risikoeinschätzung. Die beschriebenen Verfahren werden in Ansätzen in Geräte zur schlafmedizinischen Diagnostik integriert, jedoch sind große multizentrische Untersuchungen notwendig, um diese weiter zu validieren und zu standardisieren.

In addition to daytime sleepiness and non-restorative sleep, modified regulation of the autonomic nervous system (ANS) as well as heightened prevalence of concomitant cardiovascular diseases represent the primary consequences of sleep-related breathing disorders (SRBD). The goal of this work was to investigate the following: the degree to which non-invasive variables of cardiac autonomic tone – as markers of the ANS – are influenced by the circadian system and by the state of vigilance; the extent to which these variables can be used for detection of breathing disturbances in sleep; and the question of whether these variables could provide information on the degree of cardiovascular load under conditions of SRBD. Toward this objective, three studies to develop and apply statistical procedures for biosignal analysis are conducted. These studies likewise evaluated features from heart rate variability (HRV), blood pressure variability (BPV), and photoplethysmogram (PPG). Eleven healthy volunteers were subjected to conditions of 40-hour supervised sleep deprivation. HRV was continuously recorded during this period, and recorded signs of sleepiness measured hourly were analysed with respect to HRV. Measured data disclosed circadian rhythm and modulation in HRV associated with the length of sleep deprivation. This modulation persisted during sleep in the following night as well. Results revealed, in summary, that cardiac autonomic tone demonstrated circadian modulation independently of the state of vigilance, and that autonomic tone is evidently sensitive with respect to sleepiness induced by sleep deprivation. In 8 patients with obstructive sleep apnoea syndrome (OSAS), oesophagus pressure (Pes) and PPG simultaneously with polysomnography (PSG) are recorded. Upon occurrence of apnoea episodes, the modulations of the pulse-wave parameters from the PPG signal demonstrated, for the obstructive part, high correlation with the reference signal Pes. The PPG signal is modulated by both breathing and the sympathetic nervous system and can in future possibly serve as a useful tool for detection of SBAS. A total of 40 OSAS patients were subjected to a cardiovascular function test which took place before and after therapy with continuous positive airway pressure (CPAP) and with a mandibular advancement device (MAD) for 12 weeks each in a randomized crossover design. Under conditions of controlled breathing, continuous non-invasive measurement of blood pressure and ECG took place. Both forms of therapy effectively reduced respiratory disturbances and lowered diastolic blood pressure. Although BRS did not change, selective increase of vagal modulation components of the HRV became apparent with MAD therapy. These results indicate moderate improvement of daytime cardiovascular autonomic regulation as a result of both forms of therapy. Non-invasive parameters of cardiac autonomic tone are sensitive markers of the cardio-respiratory system. In cases of SBAS they can in future be employed under certain conditions as an additional tool: under conditions of observance of the necessary restraints, within the framework of diagnosis and therapy decisions, and in conjunction with treatment monitoring. This especially applies for cardiovascular risk assessment. The described procedures are being integrated to an initially small extent in equipment for diagnosis of SRBD; large-scale multicentric investigations, however, are necessary to further validate and standardize these procedures.