Universitat Politècnica de Catalunya
Jané Campos, Raimon
2022-06-27
188 p.
Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria de Sistemes, Automàtica i Informàtica Industrial
(English) Spinal cord injury (SCI) is one of the leading causes of disability worldwide. SCI causes motor and sensory impairment but is also associated with many other health problems. Two of these problems are trunk muscle impairment and sleep disorders. Impaired trunk function affects postural control and sitting balance, which are critical for activities of daily living. Disturbed sleep causes fatigue and sleepiness and can lead to serious comorbidities, impacting patient recovery and outcomes. However, due to the multiple health problems secondary to SCI and the limitations in current diagnostic tools, trunk function and sleep are rarely examined after SCI. The non-invasive acquisition and analysis of biomedical signals can help to overcome this issue, providing quantitative measures to assess patient condition. Smartphones can facilitate this task, thanks to their ubiquitous presence and powerful sensors. The aim of this PhD thesis is to propose new smartphone-based tools and biomedical signal analysis techniques for the quantitative assessment of trunk function and sleep-disordered breathing (SDB) in patients with SCI. This dissertation is divided into two parts, including four publications in high-impact journals. The first part addresses the characterization of trunk function in healthy subjects and patients with cervical (cSCI) and thoracic SCI (tSCI). The second part focuses on the development of a mobile health (mHealth) system based on smartphone audio signals for obstructive sleep apnea (OSA) diagnosis, and the detection and monitoring of SDB in SCI patients. The first part of the thesis introduces a novel methodology to quantitatively evaluate trunk function by combining electromyography (EMG) and smartphone accelerometry. In the first study, we characterized the muscle activity and movement patterns of trunk flexion during reaching in healthy humans and investigated if trunk stability was affected by a startling acoustic stimulus (SAS). We found that SAS markedly reduced the response time (RespT) and EMG onset latencies of all muscles (the so-called StartReact effect), either prime movers or stabilizers. In the second study, we evaluated trunk function and the effects of a SAS in patients with cSCI and tSCI. The results revealed deficits in postural control and compensatory strategies employed by SCI patients, such as delayed responses and high lateral deviations, with potential consequences for rehabilitation. This was the first study investigating the StartReact responses in trunk muscles in SCI. The SAS significantly shortened the RespT in tSCI, but not in cSCI, which suggests an increased cortical control in cSCI. In the second part of the thesis, we present mHealth tools for monitoring sleep disorders and investigate the sleep patterns of SCI patients. In the first article of this part, we designed a smartphone system and novel algorithms based on acoustic analysis for OSA screening. This approach demonstrated good agreement with a commercial system for home OSA diagnosis, correctly detecting and stratifying all the OSA patients. In the last article, sleep studies were performed in SCI patients using the smartphone, showing a very high prevalence of moderate-to-severe SDB in SCI patients. This study highlighted the problem of SDB in SCI and provided simple cost-effective tools to improve the detection and management of SDB in SCI patients. Overall, this thesis supports the use of smartphones and biomedical signal analysis for the assessment of trunk function and SDB in SCI patients. These novel approaches provide quantitative and objective measures for the evaluation and follow-up of patients in a simple and non-invasive way. We also give insights into the underlying mechanisms of postural control, respiratory function during sleep, and the changes occurring after SCI. Consequently, our results open the way for improving the management of health complications associated with SCI or other disabling conditions.
(Català) La lesió medul·lar (LM) és una de les primeres causes de discapacitat al món. La LM causa dèficit motor i sensitiu, però també molts altres problemes de salut, com l'afectació dels músculs del tronc i els trastorns del son. Una funció del tronc malmesa compromet el control postural i l'equilibri, crítics per a les activitats del dia a dia. Els trastorns del son sovint provoquen fatiga, somnolència i diverses comorbiditats, empitjorant l'estat i la recuperació del pacient. Malgrat tot, a causa de les múltiples complicacions de la LM i les limitacions de les eines diagnòstiques actuals, el tronc i el son rarament s'examinen en aquests pacients. L'adquisició no invasiva i anàlisi de senyals biomèdics pot ajudar a adreçar aquest problema, proveint mesures quantitatives per a l'avaluació dels pacients. Els telèfons mòbils poden contribuir a aquest repte, gràcies a la seva gran disponibilitat i potents sensors. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral és proposar noves eines mòbils i tècniques d'anàlisi de senyals biomèdics per a l'avaluació quantitativa de la funció del tronc i els trastorns del son en pacients amb LM. La dissertació es divideix en dues parts i inclou quatre articles de revista. La primera part conté la caracterització de la funció del tronc en subjectes sans i pacients amb LM cervical (LMC) i toràcica (LMT). La segona part aborda el desenvolupament d'un sistema mHealth basat en senyals d'àudio d'un mòbil per al diagnòstic de l'apnea obstructiva del son (AOS) i la detecció i monitoratge de l'AOS en pacients amb LM. La primera part de la tesi introdueix una nova metodologia per avaluar quantitativament la funció del tronc, combinant electromiografia (EMG) i l'acceleròmetre d'un mòbil. Al primer estudi, vam caracteritzar el moviment i activitat muscular de la flexió de tronc en humans sans i vam investigar si un estímul acústic de sobresalt (SAS, per les sigles en anglès) n'afecta l'estabilitat. Vam trobar que el SAS reduïa notablement el temps de resposta (RespT) i les latències de tots els músculs (l'anomenat efecte StartReact), tant impulsors del moviment com músculs posturals. Al segon estudi, vam mesurar la funció del tronc i els efectes d'un SAS en pacients amb LMC i LMT. Els resultats indiquen dèficits al control postural i estratègies compensatòries emprades pels pacients amb LM, com ara respostes retardades i grans desviacions laterals, amb possibles conseqüències per a la rehabilitació. Aquest és el primer estudi sobre l’efecte StartReact en músculs del tronc en pacients amb LM. El SAS va reduir significativament el RespT al grup amb LMT, però no amb LMC, suggerint un major control cortical en LMC. La segona part de la tesi presenta eines mHealth per monitorar trastorns del son i investigar-ne l'impacte en pacients amb LM. Al primer estudi d'aquesta part, vam dissenyar un dispositiu mòbil i nous algoritmes basats en l'anàlisi de senyals acústics per al cribratge de l'AOS. El sistema va mostrar una gran concordança amb un equip comercial per diagnosticar l'AOS a domicili, permetent una correcta detecció i estratificació de tots els pacients. Al darrer article, vam fer estudis de son amb el mòbil en individus amb LM, trobant una prevalença molt alta d'AOS moderada o severa en aquesta població. Aquest estudi remarca el problema de l'AOS en la LM i aporta eines senzilles i eficients per millorar la detecció i gestió dels trastorns del son. En conjunt, la tesi avala l'ús de mòbils i l'anàlisi de senyals biomèdics per a l'avaluació de la funció del tronc i l'AOS en pacients amb LM. Els mètodes proposats ofereixen mesures quantitatives i objectives per a la valoració i seguiment dels pacients, de manera fàcil i no invasiva. A més a més, s'ha pogut aprofundir en els mecanismes del control postural, la funció respiratòria durant el son i els canvis que es produeixen amb la LM. Així doncs, els resultats obren el camí per millorar la gestió de les complicacions de salut resultants de la LM o altres afeccions neurològiques.
616. 8 - Neurologia. Neuropatologia. Sistemanerviós
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica
Tesi amb menció de Doctorat Internacional
Tesi en modalitat de compendi de publicacions
In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Universitat Politècnica de Catalunya's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.
ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
