Arterial pulse wave analysis: impact of models for impedance and wave reflection

Abstract

Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind in vielen entwickelten Ländern die bedeutendste Todesursache. Die Analyse hämodynamischer Vorgänge besitzt eine lange Tradition. Diese Arbeit basiert auf zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelten Konzepten wie die Theorie der Wellenausbreitung in Arterien unter Berücksichtigung von Reflexionen und die Fourieranalyse zur Wellenzerlegung. Ebenfalls auf diese Zeit zurück geht ein auf dem Windkesseleffekt basierendes Modell, bei dem alle Arterien zu einem dehnbaren Gefäß zusammengefasst werden. Bei einer klassischen kardiovaskulären Risikostratifikation werden nur zwei hämodynamische Parameter berücksichtigt: Der maximale (systolische) und minimale (diastolische) Blutdruck, beides an der Brachialarterie am Oberarm gemessen. Die Pulswellenanalyse erweitert diese Betrachtungsweise, denn dabei werden Druck- und Flusskurven über einen ganzen Herzschlag analysiert, wobei aortale Messungen bevorzugt werden. Wenn sich Pulswellen mit einer gewissen Geschwindigkeit durch das Arteriensystem ausbreiten, werden sie an vielen Stellen reflektiert.<br />Sowohl die Pulswellengeschwindigkeit (pulse wave velocity, PWV) als auch das Ausmaß der Reflexionen stehen im Zusammenhang mit der Beschaffenheit des kardiovaskulären Systems, zum Beispiel mit der arteriellen Gefäßsteifigkeit. Ziel dieser Arbeit ist es daher neue Methoden zu entwickeln, um Parameter zur Quantifizierung der Reflexionen und die PWV mittels einer einzelnen nichtinvasiven Blutdruckmessung bestimmen zu können. Die Algorithmen basieren auf teilweise neuen Modellen zur Blutflusssimulation. Es wird eine aortale Druckkurve in vorlaufende und rücklaufende Wellen zerlegt. Für die Zerlegung werden Druck- und Flusskurven benötigt. Da die Messung des Blutflusses in der Aorta beschwerlich ist, wird stattdessen ein neuentwickeltes Modell zur Blutflussgenerierung verwendet. Die Entwicklung einer einfach handhabbaren, robusten und zugleich präzisen Methode zur Schätzung der aortalen Pulswellengeschwindigkeit war das Hauptziel dieser Arbeit. Es wird daher ein neues Modell zur Berechnung der PWV vorgestellt, das auf Parametern der Pulswellenanalyse und der Pulswellenzerlegung basiert. Um das entwickelte Blutflussmodell für die Pulswellenzerlegung zu evaluieren, wird es mit Ultraschallmessungen und anderen Modellen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die neue Methode akkurate Schätzungen der Wellenreflexion liefert. Die mit dem vorgestellten Modell berechnete Pulswellengeschwindigkeit wird mit invasiven Messungen und der carotid-femoralen Pulswellengeschwindigkeit verglichen. Die Berechnungen liefern Ergebnisse mit vergleichbarer Genauigkeit wie die carotid-femorale PWV in Bezug auf die Werte der invasiven Messung.<br />Darüber hinaus prognostizieren sowohl die Reflexionsparameter aus der Zerlegung mit dem neuen Blutflussmodell als auch die geschätzte Pulswellengeschwindigkeit kardiovaskuläre Vorfälle in einem stärkeren Ausmaß als konventionelle Parameter. Insgesamt zeigen diese Validationsstudien eine ausreichende Übereinstimmung zwischen den Referenzmethoden und den neu entwickelten Methoden für Parameter der Pulswellenreflexion und Pulswellengeschwindigkeit. Zusammen mit der verglichen mit den Referenzmethoden einfacheren Benutzbarkeit, die auf leicht bedienbaren Messtechniken beruht, erweitert dies die zukünftigen Möglichkeiten, arterielle hämodynamische Eigenschaften in größeren Quer- und Längsschnittstudien zu untersuchen. Weiters können diese neuen Methoden die Einführung der Pulswellenanalyse in der klinischen und ambulatorischen Praxis vereinfachen.<br />

Cardiovascular diseases are the major cause of death in many developed countries. The analysis of hemodynamical processes has a long tradition. This thesis is based on concepts developed at the beginning of the 20th century, such as the theory of waves in arteries, Fourier analysis for decomposition of pulse waves and the consideration of reflections due to bifurcations in the arterial system. An alternative model evolved around the same time is based on the Windkessel effect, where all arteries are considered to be a single compliant compartment.<br />For a classic cardiovascular risk stratification only two hemodynamical parameters are considered: the maximal (systolic) and minimal (diastolic) blood pressure, measured at the brachial artery. This is widened within the concept of pulse wave analysis. Here pressure and flow curves over a whole cardiac cycle are analyzed and preferably aortic measurements are used. When pulse waves are traveling through the arterial system with a certain velocity, they are reflected at several sites. Both, pulse wave velocity (PWV) and the amount of reflections, are related to the properties of the cardiovascular system such as stiffening of the vessels.<br />Therefore the aim of this work is to provide new methods to assess parameters quantifying pulse wave reflections and pulse wave velocity from a single non-invasive pressure measurement. The algorithms are based on partly new models for blood flow simulation. An aortic pressure curve will be separated into forward and backward traveling waves. For the separation pressure and flow curves are needed. Since the measurement of blood flow in the aorta is cumbersome, a new model based on Windkessel theory is used to generate flow curves. The development of an easy to handle, robust and yet accurate way to estimate the true aortic pulse wave velocity was the main goal of this work. Therefore a new model to calculate PWV is proposed, which is based on parameters from pulse wave analysis and pulse wave separation. To evaluate the new blood flow model for wave separation, a comparison with ultrasound measurements as well as other models is carried out. The results indicate that the new method provides accurate estimates of wave reflection. Pulse wave velocity calculated with the proposed model is compared to invasive measurements and carotid-femoral pulse wave velocity. The calculations provide values with equitable accuracy as carotid-femoral PWV compared to invasively measured PWV. Furthermore wave reflection parameters from a separation with the new blood flow model as well as estimated aortic pulse wave velocity predict cardiovascular events to a greater extent than classic parameters.<br />Overall these validation studies show a sufficient equivalence between reference methods and the newly developed methods for pulse wave reflection parameters and pulse wave velocity. Combined with the improved usability compared to the reference methods based on easy to handle measurement techniques, this widens the future opportunities to investigate arterial hemodynamic properties in larger cross-sectional studies as well as in longitudinal studies, and it can ease the implementation of pulse wave analysis in clinical and ambulatory practice.