Cheyne-Stokes respiration is a distinct breathing pattern consisting of periods of hyperpnea followed by apneas, with unknown etiology. One in two patients with congestive heart failure suffer from this condition. Researchers hypothesize that key factors in CSR are the fluid shift from the standing to supine position and the differences between genders. A mathematical model of the cardio-respiratory system was constructed using parameter values from real data. Hopf bifurcation analysis was used to determine regions of stable versus oscillatory breathing patterns. In the model, Cheyne-Stokes respiration is more likely to occur while in the supine position and males are more likely to develop Cheyne-Stokes than females. These findings, which are in agreement with clinical experience, suggest that both gender and fluid shift contribute to the pathogenesis of Cheyne-Stokes respiration, and that physical quantities such as blood volumes and neural feedback may be sufficient to explain the observations of CSR. / Department of Mathematics and Statistics

Introdução: A apnéia central do sono e a apnéia obstrutiva do sono (ACS e AOS, respectivamente) são comuns em pacientes com insuficiência cardíaca com disfunção sistólica (ICC). No entanto, vários fatores que levam a instabilidade respiratória incluindo baixo débito cardíaco, congestão pulmonar e hipocapnia coexistem nestes pacientes. Pacientes com valvopatias (VAL) com alta pressão de capilar pulmonar (PCP) e com fração de ejeção (FE) de ventrículo esquerdo normal representam um modelo adequado para elucidar a gênese da apnéia do sono. Objetivos: Comparar as características dos distúrbios respiratórios do sono em pacientes com VAL e pacientes com ICC. Métodos: Pacientes com VAL com PCP > 12 mmHg e pacientes com ICC foram avaliados por, gasometria arterial, ecocardiograma e polissonografia. Resultados: Pacientes com VAL (n=17, PCP 24 ± 9 mmHg e FE 61 ± 6 %) e ICC (n=17, FE 31 ± 10 %) eram semelhantes quanto as características demográficas e gases arteriais (idade: 46 ± 10 versus 47 ± 9, sexo feminino: 11 em ambos os grupos, índice de massa corporal: 26 ± 5 vs 26 ± 6 Kg/m2, PaCO2: 34 ± 3 vs 35 ± 4 mmHg, respectivamente). Pacientes com VAL apresentaram índice de apnéia-hipopnéia (IAH) significativamente menor do que pacientes com ICC (10 ± 8 e 26 ± 25 eventos/hora, p=0,0179) e uma menor prevalência de apnéia do sono (IAH > 15 eventos/hora, 29% e 53%, p=0,0009). Dentre os pacientes com apnéia do sono, os pacientes com VAL apresentaram predominantemente AOS (60%) enquanto os pacientes com ICC apresentaram predominantemente ACS (89%, p < 0,0001). Conclusões: Pacientes com VAL e alta PCP e FE normal apresentam apnéia do sono menos grave e com excesso de eventos de origem obstrutiva quando comparados com pacientes com ICC. Congestão pulmonar e hipocapnia não explicam completamente a presença de ACS em pacientes com doenças cardíacas / Introduction: Central and obstructive sleep apnea (CSA and OSA, respectively) are common in patients with systolic congestive heart failure (ICC). However, several factors leading to respiratory instability, including low cardiac output, pulmonary congestion and hypocapnia co-exist in these patients. Patients with valvular heart disease (VAL) with high pulmonary capillary wedge pressure (PCWP) but normal resting left ventricular ejection fraction (LVEF) may provide insights into the genesis of sleep apnea. Objectives: Compare sleep disordered breathing characteristics in patients with VAL and patients with ICC. Methods: Patients with VAL and PCWP > 12 mmHg and ICC were evaluated by awake arterial blood gas analysis, echocardiogram and overnight polysomnography. Results: Patients with VAL (n=17, PCP=24 ± 9 mmHg and LVEF=61 ± 6 %) and ICC (n=17, LVEF=31 ± 10 %) were similar for demographics and blood gases (age: 46 ± 10 vs 47 ± 9, females: 11 in both groups, body mass index: 26 ± 5 Kg/m2 vs 26 ± 6, PaCO2: 34 ± 3 vs 35 ± 4 mmHg, respectively). Patients with VAL as compared to patients with ICC presented significantly lower apnea hypopnea index (10 ± 8 vs 26 ± 25 events/hour, p=0.0179), a lower prevalence of sleep apnea (apnea-hypopnea index > 15 events/hour) 29% vs 53%, p=0.0009, and among patients with sleep apnea the nature was predominantly OSA (60%) while patients with ICC had predominantly CSA (89%, p < 0.0001). Conclusion: Patients with VAL and high PCWP had a less severe sleep apnea and an excess of obstructive events when compared to patients ICC. Pulmonary congestion and hypocapnia do not completely explain CSA in patients with heart diseases

Introdução: A apnéia central do sono e a apnéia obstrutiva do sono (ACS e AOS, respectivamente) são comuns em pacientes com insuficiência cardíaca com disfunção sistólica (ICC). No entanto, vários fatores que levam a instabilidade respiratória incluindo baixo débito cardíaco, congestão pulmonar e hipocapnia coexistem nestes pacientes. Pacientes com valvopatias (VAL) com alta pressão de capilar pulmonar (PCP) e com fração de ejeção (FE) de ventrículo esquerdo normal representam um modelo adequado para elucidar a gênese da apnéia do sono. Objetivos: Comparar as características dos distúrbios respiratórios do sono em pacientes com VAL e pacientes com ICC. Métodos: Pacientes com VAL com PCP > 12 mmHg e pacientes com ICC foram avaliados por, gasometria arterial, ecocardiograma e polissonografia. Resultados: Pacientes com VAL (n=17, PCP 24 ± 9 mmHg e FE 61 ± 6 %) e ICC (n=17, FE 31 ± 10 %) eram semelhantes quanto as características demográficas e gases arteriais (idade: 46 ± 10 versus 47 ± 9, sexo feminino: 11 em ambos os grupos, índice de massa corporal: 26 ± 5 vs 26 ± 6 Kg/m2, PaCO2: 34 ± 3 vs 35 ± 4 mmHg, respectivamente). Pacientes com VAL apresentaram índice de apnéia-hipopnéia (IAH) significativamente menor do que pacientes com ICC (10 ± 8 e 26 ± 25 eventos/hora, p=0,0179) e uma menor prevalência de apnéia do sono (IAH > 15 eventos/hora, 29% e 53%, p=0,0009). Dentre os pacientes com apnéia do sono, os pacientes com VAL apresentaram predominantemente AOS (60%) enquanto os pacientes com ICC apresentaram predominantemente ACS (89%, p < 0,0001). Conclusões: Pacientes com VAL e alta PCP e FE normal apresentam apnéia do sono menos grave e com excesso de eventos de origem obstrutiva quando comparados com pacientes com ICC. Congestão pulmonar e hipocapnia não explicam completamente a presença de ACS em pacientes com doenças cardíacas / Introduction: Central and obstructive sleep apnea (CSA and OSA, respectively) are common in patients with systolic congestive heart failure (ICC). However, several factors leading to respiratory instability, including low cardiac output, pulmonary congestion and hypocapnia co-exist in these patients. Patients with valvular heart disease (VAL) with high pulmonary capillary wedge pressure (PCWP) but normal resting left ventricular ejection fraction (LVEF) may provide insights into the genesis of sleep apnea. Objectives: Compare sleep disordered breathing characteristics in patients with VAL and patients with ICC. Methods: Patients with VAL and PCWP > 12 mmHg and ICC were evaluated by awake arterial blood gas analysis, echocardiogram and overnight polysomnography. Results: Patients with VAL (n=17, PCP=24 ± 9 mmHg and LVEF=61 ± 6 %) and ICC (n=17, LVEF=31 ± 10 %) were similar for demographics and blood gases (age: 46 ± 10 vs 47 ± 9, females: 11 in both groups, body mass index: 26 ± 5 Kg/m2 vs 26 ± 6, PaCO2: 34 ± 3 vs 35 ± 4 mmHg, respectively). Patients with VAL as compared to patients with ICC presented significantly lower apnea hypopnea index (10 ± 8 vs 26 ± 25 events/hour, p=0.0179), a lower prevalence of sleep apnea (apnea-hypopnea index > 15 events/hour) 29% vs 53%, p=0.0009, and among patients with sleep apnea the nature was predominantly OSA (60%) while patients with ICC had predominantly CSA (89%, p < 0.0001). Conclusion: Patients with VAL and high PCWP had a less severe sleep apnea and an excess of obstructive events when compared to patients ICC. Pulmonary congestion and hypocapnia do not completely explain CSA in patients with heart diseases

Background: Patients with sleep apnea have frequent apneas and hypopneas during sleep. Apneas can be either central or obstructive. The apnea-hypopnea index (AHI) is the mean number of apneas and hypopneas per hour of sleep. Aims: 1) To evaluate the effect of a mandibular advancement device on obstructive apneas and sleep; 2) to evaluate the influence of body position on central apnea frequency; 3) to investigate whether obstructive or central apnea is related to mortality in patients with stroke; and 4) to investigate sleep and sleeping positions in women. Methods: Subjects were investigated during whole-night sleep respiratory recordings, either polysomnography including continuous recordings of EEG, EOG, EMG, airflow, respiratory effort, ECG, pulse oximetry and body position, or simplified sleep apnea recordings without EEG, EOG and EMG. Results: The frequency of obstructive apneas, hypopneas and arousals decreased and rapid eye movement (REM) sleep increased in patients with mild, moderate and severe sleep apnea during treatment with a mandibular advancement device. Central apneas were more prevalent in the supine position compared with the non-supine position in patients with Cheyne-Stokes respiration. The mean ± SD central AHI was 41 ± 13 in the supine position and 26 ± 12 in the non-supine position, p&lt;0.001. Stroke patients with obstructive sleep apnea ran an increased risk of death during 10 ± 0.6 years of follow-up with an adjusted hazard ratio of 1.76 (95% CI 1.05-2.95) compared with controls, independent of hypertension, age, body mass index, gender, smoking, diabetes mellitus, atrial fibrillation, Mini-Mental State Examination and Barthel-ADL. Central apnea was not related to early death. Total sleep time, sleep efficiency, rapid eye movement sleep, slow wave and time in the supine position decreased with age in women. Sleep quality in women was reduced with age, body mass index, obstructive sleep apnea, smoking, alcohol and hypertension. Conclusions: Obstructive sleep apneas and arousals are reduced and REM sleep is increased using a mandibular advancement device in patients with mild, moderate and severe sleep apnea. The frequency of central apneas and hypopneas is increased in the supine position in patients with Cheyne-Stokes respiration. Stroke patients with obstructive sleep apnea run an increased risk of early death. Central sleep apnea was not related to early death among the present patients. Normal values for sleep stages and sleeping positions are presented in a population-based sample of women. Age, body mass index, obstructive sleep apnea, smoking, alcohol and hypertension reduce sleep quality in women.

Introdução: Os distúrbios respiratórios do sono na forma de apnéia central associada à respiração de Cheyne-Stokes (RCS) e apnéia obstrutiva do sono (AOS), são comuns nos pacientes com insuficiência cardíaca (IC) e podem contribuir para morbimortalidade. A RCS é uma forma exagerada de ventilação periódica (VP) na qual apnéias centrais alternam com períodos de hiperventilação. Em contraste, a AOS resulta em um colapso completo ou parcial da via aérea superior recorrente durante o sono. Objetivo: Fizemos à hipótese que VP durante vigília prediz a RCS durante o sono em pacientes com IC. Métodos: Estudamos pacientes do ambulatório de Cardiopatia Geral, do Instituto do Coração (InCor), recrutados no período de 2001 a 2003, submetidos a avaliação clínica e ecocardiográfica. Os pacientes foram submetidos à monitoração do padrão respiratório em posição supina, com luz acesa por 10 minutos, imediatamente antes do início de registro do sono por polissonografia noturna. Na manhã seguinte, o padrão respiratório foi monitorado por 10 minutos em repouso, os pacientes permaneciam sentados, seguido por teste de exercício cardiopulmonar em bicicleta ergométrica, com medida de fração expirada de CO2 e relação ventilação/CO2 (VE/VCO2). A presença dos distúrbios respiratórios do sono foi determinada através de polissonografia (índice de apnéia-hipopnéia 15 eventos/hora), os pacientes foram divididos nos grupos sem Distúrbio Respiratório do Sono (sem DRS), RCS e AOS. Os resultados estão apresentados como média ± desvio padrão. Resultados: Foram incluídos no estudo 47 pacientes, 5 foram excluídos por falta de coordenação motora e incapacidade de realizar o teste de exercício em bicicleta. O grupo final se constituiu de 42 pacientes (67% masculino, idade = 62±9 anos, fração de ejeção ventricular esquerda = 35±6%), sendo 22 do grupo sem DRS, 11 do grupo RCS e 9 do grupo AOS. Não houve diferenças significativas nos grupos nos parâmetros antropométricos e fração de ejeção ventricular esquerda. O grupo RCS apresentou maior proporção de classe funcional III e IV (p=0,03), menor pressão parcial de dióxido de carbono em repouso (p=0,01) e maior inclinação da curva de relação da ventilação versus produção de dióxido de carbono (VE/VCO2) (p=0,03) do que os grupos sem DRS e AOS. A VP durante a vigília foi presente em 19%, 31% e 36% antes, durante o exercício e antes do sono, respectivamente. Entre os pacientes, a VP durante a vigília (independente do momento) foi presente em 91% nos pacientes com RCS e significativamente menor em 18% e 22% nos pacientes sem DRS e AOS, respectivamente (p<0,001). Ao contrário, entre os pacientes com VP, o sono se caracterizou como sem DRS, RCS e AOS em 25%, 63% e 13% (p<0,05). A sensibilidade e especificidade da VP antes do exercício (sentado) e VP antes do sono (posição supina) para prever RCS foi de 56 e 88% e 91 e 84%, respectivamente. Conclusões: A VP durante a vigília, tanto antes do exercício como antes do sono, prevê a presença da RCS. A presença da VP na vigília não está associada com a AOS. A monitoração do padrão respiratório durante a vigília é um teste simples que pode ser empregado para prever a presença da RCS em pacientes com IC / Introduction: Sleep disordered breathing in the form of central sleep apnea and Cheyne-Stokes respiration (CSR) and obstructive sleep apnea (OSA) are common among heart failure (HF) patients and can independently contribute to morbimortality. CSR is an exaggerated form of periodic breathing (PB) in which central apneas alternate with periods of hyperventilation. In contrast, OSA results from recurrent collapse of upper airway during sleep. Objective: We hypothesize that PB while awake predicts CSR during sleep in patients with HF. Methods: Patients were recruited from one outpatient heart failure clinic (Instituto do Coração, InCor) in the period 2001 until 2003. All patients were submitted respiratory monitoring, for 10 minutes while awake in supine position immediately before overnight polysomnography. In the next morning, the patients were monitored for 10 minutes while sitting in a comfortable chair at rest, followed by cardiopulmonary exercise tests (electromagnetic-braked cycle). The presence of sleep disordered breathing was determined through polysomnography (apnea-hypopnea index 15 events/hour). The patients were divided according to the respiratory pattern during sleep in no-Sleep Disordered Breathing (no-SDB), CSR and OSA. Results: Forty seven patients were included in the study, 5 were excluded because of inability to perform exercise. The final group consisted of 42 patients (67% males, age: 62±9 yr, left ventricular ejection fraction: 35±6%). There were 22 in the no-SDB group, 11 in the CSR group and 9 in the OSA group. There were no significant differences among groups regarding anthropometric measurements and left ventricular ejection fraction. The CSR group presented a significantly increased proportion of NYHA functional class III-IV (p=0.03), lower PETCO2 (p=0.01) and increased VE/VCO2 slope (p=0.03) than no-SDB and OSA groups. PB while awake was present 19%, 31% e 36% before and during exercise and before sleep, respectively. Among patients with no-SDB, CSR and OSA, PB while awake was present in 18%, 91% and 22% (p<0.001). Conversely, among patients with PB while awake, the patients were classified as no-SDB, CSR and OSA in 25%, 63% and 13% (p<0.05). PB while awake before exercise and before sleep had sensitivity and specificity to predict the presence CSR of 56 and 88 % and 91 and 84 %, respectively. Conclusions: PB while awake is tightly linked and predicts CSR during sleep, but not OSA. PB while awake can have use in a simple test for to predict the presence of CSR in patients with HF

Introdução: Os distúrbios respiratórios do sono na forma de apnéia central associada à respiração de Cheyne-Stokes (RCS) e apnéia obstrutiva do sono (AOS), são comuns nos pacientes com insuficiência cardíaca (IC) e podem contribuir para morbimortalidade. A RCS é uma forma exagerada de ventilação periódica (VP) na qual apnéias centrais alternam com períodos de hiperventilação. Em contraste, a AOS resulta em um colapso completo ou parcial da via aérea superior recorrente durante o sono. Objetivo: Fizemos à hipótese que VP durante vigília prediz a RCS durante o sono em pacientes com IC. Métodos: Estudamos pacientes do ambulatório de Cardiopatia Geral, do Instituto do Coração (InCor), recrutados no período de 2001 a 2003, submetidos a avaliação clínica e ecocardiográfica. Os pacientes foram submetidos à monitoração do padrão respiratório em posição supina, com luz acesa por 10 minutos, imediatamente antes do início de registro do sono por polissonografia noturna. Na manhã seguinte, o padrão respiratório foi monitorado por 10 minutos em repouso, os pacientes permaneciam sentados, seguido por teste de exercício cardiopulmonar em bicicleta ergométrica, com medida de fração expirada de CO2 e relação ventilação/CO2 (VE/VCO2). A presença dos distúrbios respiratórios do sono foi determinada através de polissonografia (índice de apnéia-hipopnéia 15 eventos/hora), os pacientes foram divididos nos grupos sem Distúrbio Respiratório do Sono (sem DRS), RCS e AOS. Os resultados estão apresentados como média ± desvio padrão. Resultados: Foram incluídos no estudo 47 pacientes, 5 foram excluídos por falta de coordenação motora e incapacidade de realizar o teste de exercício em bicicleta. O grupo final se constituiu de 42 pacientes (67% masculino, idade = 62±9 anos, fração de ejeção ventricular esquerda = 35±6%), sendo 22 do grupo sem DRS, 11 do grupo RCS e 9 do grupo AOS. Não houve diferenças significativas nos grupos nos parâmetros antropométricos e fração de ejeção ventricular esquerda. O grupo RCS apresentou maior proporção de classe funcional III e IV (p=0,03), menor pressão parcial de dióxido de carbono em repouso (p=0,01) e maior inclinação da curva de relação da ventilação versus produção de dióxido de carbono (VE/VCO2) (p=0,03) do que os grupos sem DRS e AOS. A VP durante a vigília foi presente em 19%, 31% e 36% antes, durante o exercício e antes do sono, respectivamente. Entre os pacientes, a VP durante a vigília (independente do momento) foi presente em 91% nos pacientes com RCS e significativamente menor em 18% e 22% nos pacientes sem DRS e AOS, respectivamente (p<0,001). Ao contrário, entre os pacientes com VP, o sono se caracterizou como sem DRS, RCS e AOS em 25%, 63% e 13% (p<0,05). A sensibilidade e especificidade da VP antes do exercício (sentado) e VP antes do sono (posição supina) para prever RCS foi de 56 e 88% e 91 e 84%, respectivamente. Conclusões: A VP durante a vigília, tanto antes do exercício como antes do sono, prevê a presença da RCS. A presença da VP na vigília não está associada com a AOS. A monitoração do padrão respiratório durante a vigília é um teste simples que pode ser empregado para prever a presença da RCS em pacientes com IC / Introduction: Sleep disordered breathing in the form of central sleep apnea and Cheyne-Stokes respiration (CSR) and obstructive sleep apnea (OSA) are common among heart failure (HF) patients and can independently contribute to morbimortality. CSR is an exaggerated form of periodic breathing (PB) in which central apneas alternate with periods of hyperventilation. In contrast, OSA results from recurrent collapse of upper airway during sleep. Objective: We hypothesize that PB while awake predicts CSR during sleep in patients with HF. Methods: Patients were recruited from one outpatient heart failure clinic (Instituto do Coração, InCor) in the period 2001 until 2003. All patients were submitted respiratory monitoring, for 10 minutes while awake in supine position immediately before overnight polysomnography. In the next morning, the patients were monitored for 10 minutes while sitting in a comfortable chair at rest, followed by cardiopulmonary exercise tests (electromagnetic-braked cycle). The presence of sleep disordered breathing was determined through polysomnography (apnea-hypopnea index 15 events/hour). The patients were divided according to the respiratory pattern during sleep in no-Sleep Disordered Breathing (no-SDB), CSR and OSA. Results: Forty seven patients were included in the study, 5 were excluded because of inability to perform exercise. The final group consisted of 42 patients (67% males, age: 62±9 yr, left ventricular ejection fraction: 35±6%). There were 22 in the no-SDB group, 11 in the CSR group and 9 in the OSA group. There were no significant differences among groups regarding anthropometric measurements and left ventricular ejection fraction. The CSR group presented a significantly increased proportion of NYHA functional class III-IV (p=0.03), lower PETCO2 (p=0.01) and increased VE/VCO2 slope (p=0.03) than no-SDB and OSA groups. PB while awake was present 19%, 31% e 36% before and during exercise and before sleep, respectively. Among patients with no-SDB, CSR and OSA, PB while awake was present in 18%, 91% and 22% (p<0.001). Conversely, among patients with PB while awake, the patients were classified as no-SDB, CSR and OSA in 25%, 63% and 13% (p<0.05). PB while awake before exercise and before sleep had sensitivity and specificity to predict the presence CSR of 56 and 88 % and 91 and 84 %, respectively. Conclusions: PB while awake is tightly linked and predicts CSR during sleep, but not OSA. PB while awake can have use in a simple test for to predict the presence of CSR in patients with HF

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