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Proyecto TreatNet

MODELO AUTOMÁTICO DE PREDICCIÓN TEMPRANA DE ADHERENCIA AL TRATAMIENTO EN PACIENTES CON APNEA OBSTRUCTIVA DEL SUEÑO

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El Proyecto TreatNet (CPP2022-009735) está financiado por MICIU/AEI/10.13039/501100011033 y por la Unión Europea NextGenerationEU/PRTR

Resumen ejecutivo

Contexto del estudio

La apnea obstructiva del sueño (AOS) es una enfermedad respiratoria crónica y muy prevalente, que puede repercutir significativamente en la salud y calidad de vida de los pacientes. La presión positiva continua en las vías respiratorias durante la noche (continuous positive airway pressure, CPAP) se considera la terapia más efectiva, siendo la principal opción de tratamiento en todo el mundo. Se ha demostrado que los efectos positivos de la CPAP dependen de la adherencia al tratamiento.

Esta adherencia se define como el uso del dispositivo durante más de 4 horas al menos el 70% de las noches. La CPAP no es un tratamiento curativo, lo que implica que su efectividad se mantiene solo mientras se usa y debe aplicarse de manera ininterrumpida. Por ello, se requiere el compromiso y la adaptación de los pacientes para favorecer el éxito del tratamiento. Sin embargo, se estima que entre el 20% y el 32% de los pacientes no cumplen con el tratamiento.

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La falta de adherencia se ha reportado como una importante limitación del tratamiento con CPAP, restringiendo significativamente su efectividad

Hipótesis

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Actualmente, no existe una forma precisa de predecir si un paciente con AOS será adherente o no adherente al tratamiento con CPAP. Los factores que contribuyen a la falta de adherencia no están lo suficientemente claros, lo que impide el uso de estrategias eficientes para minimizar sus consecuencias.
El análisis conjunto de datos médicos complejos y heterogéneos procedentes de fuentes de datos complementarias, como datos sociodemográficos, clínicos y/o de uso de recursos (por ejemplo, telemonitorización), podría conducir a una identificación precisa de aquellos factores responsables de una mayor o menor adherencia a la CPAP.

Objetivo principal

El objetivo general del proyecto consiste en diseñar, desarrollar y evaluar un modelo predictivo basado en algoritmos de inteligencia artificial destinado a estimar la adherencia al tratamiento con CPAP en diferentes intervalos de tiempo (corto plazo: 3 meses; medio plazo: 6 meses; largo plazo: 12 meses), utilizando datos sociodemográficos, antropométricos, clínicos y polisomnográficos del paciente justo antes del tratamiento, así como datos del uso de CPAP durante como máximo el primer mes de tratamiento

Objetivos específicos

01

Identificar subgrupos de pacientes y subconjuntos de variables predictoras estrechamente relacionados con una mayor o menor adherencia al tratamiento con CPAP

Se aplicarán técnicas de aprendizaje no supervisado y métodos automáticos de selección de características: (i) para obtener una descripción adicional de los factores actuales relacionados con la adherencia en diferentes subgrupos de pacientes con AOS; y (ii) para identificar nuevos factores no establecidos previamente.

02

Obtener un modelo de Machine Learning (ML)/Deep Learning (DL) de alto rendimiento capaz de predecir la adherencia a la CPAP en diferentes marcos temporales utilizando fuentes complementarias de datos multivariantes

Se utilizarán datos sociodemográficos, antropométricos, clínicos, polisomnográficos y de uso a corto plazo del CPAP para entrenar y testear prospectivamente una serie de algoritmos de ML y DL destinados a realizar las siguientes tareas: (i) clasificar a los pacientes en las categorías mutuamente excluyentes de "adherencia" y "no adherencia" (clasificación binaria); y (ii) estimar el número promedio de horas diarias de uso de CPAP (regresión de una variable continua). Todos los modelos (de clasificación y regresión) se entrenarán para inferir la adherencia en períodos de tiempo crecientes: 3, 6 y 12 meses desde el inicio de la terapia. Este enfoque variable contribuirá a mejorar la detección temprana de pacientes no adherentes a largo plazo.

03

Explicar las predicciones derivadas de los modelos de ML/DL en términos de características conocidas e interpretables de los pacientes utilizando técnicas de inteligencia artificial explicable (explainable artificial intelligence, XAI)

Las técnicas de XAI complementarán los modelos basados en ML/DL al mejorar su fiabilidad y maximizar las posibilidades de integración en entornos reales. XAI permitirá identificar los patrones críticos de datos que conducen a las predicciones de adherencia, así como posibles sesgos.

04

Obtener una herramienta integral capaz de gestionar datos clínicos, aplicar el modelo predictivo automatizado de adherencia a la CPAP y explicar las predicciones

Esta solución debe ser capaz de manejar una gran cantidad de datos relacionados con la salud (datos sociodemográficos, antropométricos, clínicos, polisomnográficos y variables de CPAP) de pacientes con AOS obtenidos diariamente. También incluirá el modelo óptimo final de ML/DL y las soluciones basadas en XAI, garantizando al mismo tiempo la seguridad de los datos. Se espera que ayude a los clínicos a seguir de cerca y de manera efectiva a sus pacientes, aumentando la salud y la calidad de vida de las personas afectadas por AOS, ofreciéndoles un servicio de atención médica más personalizado y eficiente.

05

Transferir el conocimiento y los resultados tecnológicos generados al proveedor de terapias respiratorias domiciliarias

Realizar un análisis de coste-efectividad fiable de la propuesta es el primer paso para evaluar su viabilidad en un mercado real. Las acciones específicas relacionadas con este objetivo incluirán las siguientes: (i) analizar los costes reales de la falta de adherencia a la CPAP; (ii) estudiar los costes asociados con la implementación de nuestra propuesta en el sistema de salud; (iii) estimar el número de pacientes que se beneficiarán de ella; y (iv) calcular el ahorro de costes y el margen de beneficio para la explotación real de la propuesta. Después de la integración y evaluación prospectiva de la herramienta final en la práctica clínica, se estudiará la posibilidad de emprender acciones de protección intelectual sobre los resultados, como patentes y/o licencias. En consecuencia, se identificarán todos los resultados que requieren protección y se transferirán a empresas e instituciones involucradas en el marco de la atención sanitaria, particularmente en los servicios de terapias respiratorias.

Colaboradores

Grupo formado principalmente por ingenieros y médicos de diferentes especialidades (neumología, oftalmología, neurología, neurofisiología y psiquiatría), que trabajan conjuntamente en distintas líneas de investigación. En particular, tiene una amplia experiencia en el procesado de señales cardiorrespiratorias para la ayuda al diagnóstico de la AOS. Los múltiples proyectos en los que ha participado y su creciente producción científica de alto impacto avalan la gran capacidad investigadora del grupo.

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Roberto Hornero Sánchez

Fundador & Coordinador

gib.tel.uva.es

Empresa especializada en la prestación de productos y servicios integrales de Terapias Respiratorias a Domicilio (TRD). En los últimos años la empresa ha realizado un importante esfuerzo de diversificación entrando en sectores con fuertes sinergias con las TRD, como son los gases medicinales, material fungible y hospitalario, equipos de diagnóstico para el sueño, gases alimentarios e industriales. La visión de OXIGEN SALUD se centra en satisfacer las necesidades del mercado de las TRD basado en las necesidades particulares de los pacientes.

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Juan Martín López

Supervisor de la gestión de terapias
respiratorias en la sede de Valladolid

oxigensalud.es

Metodología de desarrollo

Se utilizarán datos sociodemográficos, antropométricos, clínicos, polisomnográficos y de uso de CPAP del programa de telemonitorización de la terapia de AOS gestionado por Oxigen Salud. El acceso, almacenamiento y análisis posterior de estas variables requiere abordar la gestión de un alto volumen de datos adquiridos diariamente de diferentes fuentes y con diferentes formatos, así como verificarlos en términos de integridad y precisión. Además, dado que el número de pacientes con AOS está creciendo constantemente, deberá ser escalable. De acuerdo con estos requisitos, la primera etapa del presente proyecto se centrará en un estudio exhaustivo del estado del arte en sistemas de big data aplicados a problemas de salud. Esto incluirá la elección de herramientas y tecnologías adecuadas para el almacenamiento, acceso y gestión de datos, así como su verificación.

En esta etapa se aplicarán enfoques complementarios: aprendizaje no supervisado vs. supervisado; aprendizaje convencional (ML) vs. profundo (DL):

  • Aprendizaje no supervisado: se buscarán subgrupos de AOS que compartan similitudes entre los datos utilizados, ayudando a descubrir si los pacientes con AOS del mismo rango de edad, comorbilidades, sexo, etc., siguen patrones similares. Un análisis prospectivo post-hoc de estos grupos nos permitirá evaluar sus comportamientos de adherencia y evaluar su información común para identificar nuevos factores que afectan a la adherencia.
  • Aprendizaje supervisado: se utilizarán métodos de clasificación y de regresión basados en ML y DL. El primero servirá para clasificar a los sujetos en "adherentes" o "no adherentes", mientras que el segundo estimará automáticamente el número de horas de uso de CPAP. Además, se realizarán modelos independientes para predecir la adherencia a corto (3 meses), medio (6 meses) y largo plazo (12 meses).

Los modelos de ML y DL han sido tradicionalmente percibidos como "cajas negras". Esta percepción es particularmente importante en el contexto de la salud, ya que disminuye la confianza de los clínicos en sus predicciones, afectando negativamente la implementación real de estas herramientas. Para abordar este problema, se implementarán y aplicarán diferentes métodos de XAI. Estas técnicas han sido diseñadas y evaluadas en diferentes campos de aplicación, facilitando la interpretación de las predicciones y la identificación de nuevas leyes o patrones ocultos en los datos. Su uso en esta etapa del proyecto nos permitirá explicar e interpretar los modelos de ML y DL a posteriori, así como comprender mejor por qué se proporcionan tales predicciones/resultados.

Para la clasificación binaria (adherencia vs. no adherencia), el rendimiento de los modelos de ML y DL se evaluará en términos de: sensibilidad, especificidad, precisión, valor predictivo positivo, valor predictivo negativo y área bajo la curva ROC.

Para el enfoque de regresión (estimación del número de horas de uso de CPAP), el rendimiento de los modelos se evaluará en términos de concordancia: coeficiente de correlación intra-clase, gráficos de Bland-Altman y kappa de Cohen.

Todas las métricas estadísticas se derivarán del conjunto de datos de prueba prospectivo, con el fin de asegurar una validación adecuada de la metodología.

Se llevará a cabo un análisis coste-eficacia para evaluar la viabilidad del modelo automático de predicción temprana de la adherencia al tratamiento en pacientes con AOS. Primero, analizaremos los costes estimados de la no adherencia al CPAP según los estudios de vanguardia. Luego, evaluaremos los costes asociados con la implementación de nuestra propuesta, así como el número estimado de pacientes que se beneficiarán de ella. Finalmente, estimaremos los ahorros en costes y el margen de beneficio para la explotación real de la propuesta, y se considerarán posibles acciones para proteger los resultados del proyecto.

Difusión de resultados

Artículos JCR (10)

1

Early prediction of longitudinal treatment adherence in obstructive sleep apnea using machine learning approaches

Máximo Domínguez-Guerrero, Daniel Álvarez, Verónica Barroso-García, María Fernández-Vaquerizo, Tomás Ruiz-Albi, Roberto Hornero BioData Mining, 2026 , DOI: 10.1186/s13040-026-00554-0

2

Combined explainable deep learning model to predict pediatric sleep apnea from ECG and SpO2

Clara García-Vicente, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Fernando Vaquerizo-Villar, Adrián Martín-Montero, David Gozal, Roberto Hornero Measurement, 2026 , DOI: 10.1016/j.measurement.2025.120259

3

An explainable deep learning approach for sleep staging in sleep apnea patients across all age subgroups from pulse oximetry signals

Fernando Vaquerizo-Villar, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Daniel Álvarez, Adrián Martín-Montero, David Gozal, Roberto Hornero Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2025 , DOI: 10.1016/j.engappai.2025.112562

4

An explainable deep-learning approach to detect pediatric sleep apnea from single-channel airflow

Verónica Barroso-García, Fernando Vaquerizo-Villar, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Ehab A. Dayyat, David Gozal, Timo Leppänen, Roberto Hornero IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine, 2025 , DOI: 10.1109/JTEHM.2025.3625388

5

Beyond the ground truth, XGBoost model applied to sleep spindle event detection

Enrique Gurdiel, Fernando Vaquerizo-Villar, Javier Gomez-Pilar, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Félix del Campo, Roberto Hornero IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, 2025 , DOI: 10.1109/JBHI.2025.3544966

6

Special Issue: “Artificial Intelligence for Biomedical Signal Processing”

Fernando Vaquerizo-Villar, Verónica Barroso-García Bioengineering, 2025 , DOI: 10.3390/bioengineering12070753

7

Concatenation Augmentation for Improving Deep Learning Models in Finance NLP with Scarce Data

César Vaca, Jesús-Ángel Román-Gallego, Verónica Barroso-García, Fernando Tejerina, Benjamín Sahelices Electronics, 2025 , DOI: 10.3390/electronics14112289

8

Heart rate variability analysis in comorbid insomnia and sleep apnea (COMISA)

Adrián Martín-Montero, Fernando Vaquerizo-Villar, Clara García-Vicente, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Thomas Penzel, Roberto Hornero Scientific Reports, 2025 , DOI: 10.1038/s41598-025-02541-7

9

SleepECG-Net: explainable deep learning approach with ECG for pediatric sleep apnea diagnosis

Clara García-Vicente, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Fernando Vaquerizo-Villar, Adrián Martín-Montero, David Gozal, Roberto Hornero IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, 2025 , DOI: 10.1109/JBHI.2024.3495975

10

Data Augmentation in Predictive Maintenance Applicable to Hydrogen Combustion Engines - A Review

Alexander Schwarz, Jhonny Rodriguez Rahal, Benjamín Sahelices, Verónica Barroso-García, Ronny Weis, Simon Duque Antón Artificial Intelligence Review, 2024 , DOI: 10.1007/s10462-024-11021-9

Congresos Internacionales (5)

1

Explainable hybrid convolutional and transformer network for pediatric sleep apnea diagnosis using nocturnal oximetry

Clara García-Vicente, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Javier Gomez-Pilar, Fernando Vaquerizo-Villar, Adrián Martín-Montero, Máximo Domínguez-Guerrero, David Gozal, Roberto Hornero 47th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC 2025), Copenhague (Denmark), 14-15 de julio 2025 , DOI: 10.1109/EMBC58623.2025.11254523

2

Explainable hybrid convolutional and transformer network for pediatric sleep apnea diagnosis using nocturnal oximetry

Clara García-Vicente, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Javier Gomez-Pilar, Fernando Vaquerizo-Villar, Adrián Martín-Montero, Máximo Domínguez-Guerrero, David Gozal, Roberto Hornero 47th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC 2025), Copenhague (Denmark), 14-15 de julio 2025 , DOI: 10.1109/EMBC58623.2025.11254523

3

An Interpretable CNN-Transformer for Pediatric Sleep Apnea Diagnosis using ECG

Clara García-Vicente, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Adrián Martín-Montero, Jorge Jiménez-García, Verónica Barroso-García, David Gozal, Roberto Hornero 13th International Conference of the European Study Group on Cardiovascular Oscillations (ESGCO 2024), Zaragoza (Spain), 23-25 de octubre 2024 , DOI: 10.1109/ESGCO63003.2024.10767021

4

An explainable artificial intelligence approach for sleep staging in sleep apnea patients across all age subgroups from pulse oximetry signals

Fernando Vaquerizo-Villar, Daniel Álvarez, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Adrián Martín-Montero, Verónica Barroso-García, David Gozal, Eduardo Tamayo, Roberto Hornero 27th Congress of the European Sleep Research Society (ESRS 2024), Sevilla (Spain), 24-27 de septiembre 2024 , DOI: 10.1111/jsr.14291

5

Automatic detection of paediatric sleep apnoea applying deep learning and explainable artificial intelligence techniques to airflow signals

Verónica Barroso-García, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Jorge Jiménez-García, Clara García-Vicente, Daniel Álvarez, David Gozal, Roberto Hornero 27th Congress of the European Sleep Research Society (ESRS 2024), Sevilla (Spain), 24-27 de septiembre 2024 , DOI: 10.1111/jsr.14291

Congresos Nacionales (8)

1

Optimización del período de telemonitorización inicial en la predicción temprana de la adherencia al tratamiento en pacientes con apnea obstructiva del sueño empleando técnicas de Machine Learning

Máximo Domínguez-Guerrero, Daniel Álvarez, Verónica Barroso-García, María Fernández-Vaquerizo, Fernando Moreno, Julio de Frutos, Félix del Campo, Roberto Hornero XXXIV Reunión Anual de la Sociedad Española de Sueño 2026 (SES 2026), Granada (España), 5-7 de marzo 2026

2

Influencia del periodo de telemonitorización inicial en la predicción temprana de la adherencia al tratamiento en pacientes con apnea obstructiva del sueño

Máximo Domínguez-Guerrero, Daniel Álvarez, Verónica Barroso-García, María Fernández-Vaquerizo, Fernando Moreno, Julio de Frutos, Félix del Campo, Tomás Ruiz-Albi, Roberto Hornero XLIII Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB 2025), Zaragoza (España), 19-21 de noviembre 2025. ISBN: 978-84-09-80259-3

3

Identifying Clinically Relevant OSA Phenotypes using HRV and Subject-Based Weighted Correlation Network Analysis

Adrián Martín-Montero, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Clara García-Vicente, Máximo Domínguez-Guerrero, Daniela Ferreira-Santos, Pedro Pereira-Rodrigues, David Gozal, Roberto Hornero, Javier Gomez-Pilar XLIII Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB 2025), Zaragoza (España), 19-21 de noviembre 2025. ISBN: 978-84-09-80259-3

4

StageECG: un enfoque deep learning para detectar las fases del sueño a partir del ECG nocturno de niños con sospecha de apnea obstructiva

Lidia Enríquez-Meijome, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, David Gozal, Roberto Hornero, Clara García-Vicente XLIII Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB 2025), Zaragoza (España), 19-21 de noviembre 2025. ISBN: 978-84-09-80259-3

5

Track Record and Capabilities of the Biomedical Engineering Group at the University of Valladolid in Respiratory Disease Research

Fernando Vaquerizo-Villar, Verónica Barroso-García, Daniel Álvarez, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Javier Gomez-Pilar, Adrián Martín-Montero, Jorge Jiménez-García, Clara García-Vicente, Tomás Ruiz-Albi, Félix del Campo, Roberto Hornero 17ª Jornadas de Personal Investigador Joven CIBERES-CIBER-BBN 2025, El Escorial (España), 6-7 de noviembre 2025. ISBN: 978-84-09-80259-3 10.1016/j.opresp.2026.100543

6

Inteligencia artificial explicable basada en Shapley values para interpretar modelos de deep learning orientados a detectar la apnea del sueño pediátrica usando flujo aéreo y oximetría

Jorge Jiménez-García, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, María García, Joran Michiels, Guido Gagliardi, David Gozal, Maarten De Vos, Roberto Hornero XLII Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB 2024), Sevilla (España), 12-15 de noviembre 2024. ISBN: 978-84-09-67332-2

7

XAINet-SleepECG: red neuronal basada en transfer learning con interpretación multimétodo para ayudar en el diagnóstico de la apnea del sueño infantil

Clara García-Vicente, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Jorge Jiménez-García, Adrián Martín-Montero, David Gozal, Roberto Hornero XLII Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB 2024), Sevilla (España), 12-15 de noviembre 2024. ISBN: 978-84-09-67332-2

8

Procesado automático de señales cardiorrespiratorias para la caracterización de pacientes con COVID-19 persistente

María Fernández-Vaquerizo, Fernando Moreno, Gonzalo C. Gutiérrez-Tobal, Tomás Ruiz-Albi, Roberto Hornero, Félix del Campo, Daniel Álvarez XLII Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB 2024), Sevilla (España), 12-15 de noviembre 2024. ISBN: 978-84-09-67332-2

Premios y Distinciones (2)

1

Segundo premio a mejor comunicación celebrado durante el XXXIV Reunión Anual de la Sociedad Española de Sueño 2026 (SES 2026)

Máximo Domínguez Guerrero, Daniel Álvarez, Verónica Barroso García, María Fernández Vaquerizo, Fernando Moreno Torrero, Julio de Frutos, Félix del Campo y Roberto Hornero Granada (España), marzo, 2026

2

Tercer premio José María Ferrero Corral celebrado durante el XLIII Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB 2025)

Máximo Domínguez Guerrero, Daniel Álvarez, Verónica Barroso García, María Fernández Vaquerizo, Fernando Moreno Torrero, Julio de Frutos, Félix del Campo y Roberto Hornero Zaragoza (España), Noviembre, 2025

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