Impulse Radio Ultra Wideband Pulse Doppler radar technology as a new tool for sleep assessment

Alle som noensinne har sovet dårlig en natt vet hvor viktig søvn er. Alle pattedyr trenger det. Det gjør fulger også, og reptiler. Til og med bløtdyr og encellede organismer har daglige 24-timers sykluser av aktivitet og hvile. Forskning fra det siste århundret har vist at at søvn er en aktiv prosess med en distinkt syklisk arkitektur som manifesterer seg i hjernen og kroppen. I dag hersker det ingen tvil om at søvn er en essensiell biologisk prosess som mennesker er komplett avhengig av for å fungere (selv om hvorfor det er slik fortsatt er et mysterie!), og at søvndeprivasjon og søvnrelaterte sykdommer har alvorlige personlige og samfunnsmessige konsekvenser. Subjektive tolkninger av søvn er like vanlige som søvn selv, men for å oppdage og behandle søvnrelaterte problemer er vi avhengige av å også kunne måle søvn, objektivt. Og det er overraskende problematisk! De siste årene har forbrukermarkede for produkter og hjelpemidler for å måle og analysere søvn vokst svært fort, og nye løsninger dukker opp i et rasende tempo. Men når man ser litt nøyere etter blir det fort tydelig at lovnadene ofte er mer omfattende enn bevisene som underbygger dem. Resultatet er at mens konsummarkedet vokser er det betydelig mindre som skjer med sensorer, utstyr, og metoder som benyttes i klinikk og søvnforskning. Gullstandarden for objektiv søvnmåling er polysomnografi (PSG). Dette er en kompleks metode som krever et betydelig antall sensorer festet til kroppen, samt tidkrevende manuell tolkning av en ekspert. Metoden er pålitelig og nøyaktig, men også dyr og resurskrevende. De kroppsmonterte sensorene gjør at den også er krevende for pasienten, og ofte mindre gjennomførbar for noen pasienter (små barn, psykisk syke, etc). Det eneste generelt aksepterte alternativet i dag er aktigrafi, en metode basert på armbåndsur-liknende sensorer som overvåker bevegelse over lenger perioder. Aktigrafer er særlig godt egnet for å undersøke aktivitet-hvile syklus over tid, men informasjonen de gir om søvn er som regel begrenset til et estimat av søvn eller våkenhet. Tolkninger rundt søvnarkitektur eller -kvalitet har ikke tradisjonelt blitt gjort basert på aktigrafidata (selv om noe nyere forskning har begynt å se på muligheter for å utnytte mer av potensialet i denne dataen). Dette prosjektet ønsker å addressere gapet mellom PSG og aktigrafi. Vi vil lage et alternativ som er enkelt å bruke og har lav kostnad, og som samtidig er klinisk og forskningsmessig nyttig. Teknologien vi bruker er en ultra-wideband radar utviklet av det norske selskapet Novelda. Denne radaren kan måle pust og kroppsbevegelse med høy presisjon, og våre innledende undersøkelser indikerer at disse parameterne bærer signifikant informasjon ikke bare om søvn/våkenhet (lik som aktigrafi), men også om den underliggende søvnarkitekturen. Videre, siden teknologien er helt kontaktfri, kan den benyttes helt uten å påvirke målpersonen. Den kan for eksempel bygges inn i taket i sykehusrom. Vi har et samarbeid med forskere fra Østmarka Psykiatriske sykehus i Trondheim. Deres mål er å undersøke effekten av de særegne lysforholdene i det nye akuttpsykiatriske bygget der. Denne bygningen har også radarsensorer montert i taket i alle pasientrom. En studie fra høsten 2017 inkluderte kontinuerlige radar- og aktigrafopptak fra tolv friske frivillige som bodde i dette bygget i to uker, pluss totalt fire netter parallell PSG fra hver deltaker. Disse dataene vil danne kjernematerialet for et paper som nå gjennomgår siste runde med revisjoner før innsending, hvor vi har undersøkt radarens evne til å skille søvn og våkenhet for denne populasjonen, særlig ift aktigrafi. En videreføring av dette prosjektet har samlet inn data fra pasienter på bygget over en periode på to ganger seks måneder. Opptaksperioden er nå avsluttet, og analysearbeidet vil begynne tidlig 2020. Vi har også samarbeidet med et prosjekt på St Olavs, der målet er å studere effekten av CPAP-behandling for pasienter med klasehodepine. 30 pasienter ble inkludert i denne studien, hver fikk en natt med parallell PSG og radar, og en ukes overvåkning med radar og aktigraf i periodene de mottok CPAP og placebo-CPAP-behandling. Vi har inngått et samarbeid med Statens Arbeidsmiljøinstitutt (STAMI), som ønsket å benytte radarer i en omfattende studie av effektene av skiftarbeid. Søvn ble undersøkt hos 30 industriarbeidere på Østlandet over en periode på fem uker høsten 2019. Aktigraf ble brukt i to uker, radar i fem, og deltakerne ble også bedt om å sende inn en daglig søvndagbok i fem uker. Våren 2020 ble en andre runde med datainnsamling inkludere 40 deltakere gjennomført. Den komplette studien er beskrevet i en protokollartikkel, Cardiovascular health effects of shift work with long working hours and night shifts: study protocol for a 3-years prospective follow-up study on industrial workers., publisert i International Journal of Environmental Research and Public Health.

De numeriske resultatene fra den preliminære proof-of-concept studien var akseptable, men som forventet fra et lite men heterogent datasett ble det observert høy interindividuell varians. Mangelen på uavhengig testing gjør at resultatene fra denne studien har begrenset overføringsverdi. De aktigrafi-inspirerte modellene for søvn/våkenhetsklassifisering brukt med radardata oppnådde resultater på nivå med, og noen ganger bedre enn, resultater fra aktigrafi. Sanntidsmodeller oppnådde litt svakere resultater enn ikke-sanntidsmodeller, men i en situasjon hvor sanntidsovervåkning er ønskelig vil tapet være lite. Aktigrafen oppnådde bedre resultater enn radaren over de heterogene søvnklinikkpasientene i DS2, men begge sensortypene oppnådde resultater sammenlignbare med tidligere rapporterte tall for aktigrafi sammenlignet med PSG over lignende grupper. Radar-utledet LIDS korrelerte sterkt med aktigraf-utledet LIDS, og begge korrelerte også sterkt med oppløsningsreduserte PSG-hypnogram. Når radar-LIDS, aktigrafi-LIDS, og hypnogram ble aggregert over datasettet kunne det observeres at nivåene av gjennomsnittssignalene sank omtrent like mye per syklus.

Selv om det i nyere år har skjedd en rask utvikling på markedet for konsumerprodukt for registrering og evaluering av søvn, har etterspørsel for, interesse i, og tilgjengelighet av kommersielle produkt hatt en tendens til å gå mye raskere enn den strenge valideringen nye teknologier trenger for å være brukbare alternativer i klinisk- og forskningsøyemed. Resultatet er at mens markedet oversvømmes av sensorer og teknologier for undersøkelse av søvn hos forbrukere, har det skjedd lite innovasjon i klinisk praksis. Gullstandarden for søvnundersøkelse i medisin og forskning er polysomnografi (PSG), en svært omfattende og resurskrevende metode for måling av et høyt antall elektrofysiologiske parametere i tillegg til kroppsposisjon, hjerterate, respirasjon, oksygenmetning, og beinbevegelser. Metoden har store fordeler for evaluering av søvn, men også vesentlige praktiske begrensninger – data må tolkes manuelt av kvalifisert personell (noe som ofte er tidkrevende), utstyret er dyrt, fungerer dårlig for gjentatte målinger over tid, og kan virke forstyrrende for pasienter. For flere pasientgrupper hvor evaluering av søvn er av særlig interesse, for eksempel demente, psykiatriske akuttpasienter, små barn, eller svært syke pasienter, er det særlig vanskelig og noen ganger umulig å benytte PSG. Det er derfor stort behov for et mindre krevende alternativ i klinisk praksis. Dette prosjektet ønsker å undersøke om, hvordan, og i hvilken grad XeThru Ultra-Wideband (UWB) radar, utviklet av Novelda AS, kan benyttes til registrering og evaluering av søvn i en klinisk- og forskningssetting. Prosjektet vil fokusere på å samle inn data, utvikle tolkningsalgoritmer, og sammenligne sensoren med de nevnte eksisterende alternativer.