Reconstruction of attractors as new method for quantification of arterial pulse wave morphology

Abstract

Kardiovaskuläre Erkrankungen sind einer der häufigsten Todesursachen weltweit. Früherkennung und Prävention mit Hilfe von nicht-invasiven, schnellen und kosteneffizienten Methoden sind daher von größter Bedeutung. Eine Vorgehensweise ist, nicht-invasiv aufgenommene Pulswellen zu analysieren. Sehr viele Methoden betrachten nur gemittelte Daten, wie z.B. die Herzrate oder den systolischen und diastolischen Blutdruck (Maximum bzw. Minimum der Druckwelle) in einem kurzen Zeitfenster. Dabei werden jedoch viele Werte, die für die Form der Pulswelle bzw. deren Veränderung eine wichtige Rolle spielen, nicht berücksichtigt. Miteinbeziehung dieser Datenpunkte könnte jedoch helfen, physiologische und pathologische Veränderungen innerhalb des kardiovaskulären Systems besser zu verstehen.In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Quantifizierung der arteriellen Pulswellenmorphologie vorgestellt. Zu diesem Zweck, wurde die bereits bestehende Attraktorrekonstruktionsmethode, die sich Takens "delay coordinates" zunutze macht, verwendet und weiterentwickelt. Diese Technik erlaubt eine einfache Darstellung der Pulswellenform und vor allem deren Variabilität.Der erste Schritt des Prozesses beinhaltet die Vorverarbeitung der Pulswellendaten und die Generierung des Attraktors. Anschließend wird der Attraktor mittels Medianfilter bearbeitet, um verbleibende Artefakte zu beseitigen. Um nun die Attraktoren zu quantifizieren, entwickelte und implementierte die Autorin eine Technik zur Merkmalsgewinnung basierend auf einem Bildverarbeitungsverfahren und brachte die gewonnenen Parameter mit Eigenschaften der Pulswelle in Verbindung. Zu guter Letzt stellt diese Arbeit die Anwendung des Algorithmus auf Pulswellendaten von 30 Patienten, die gegen arteriellen Bluthochdruck behandelt wurden, vor. Die Messungen wurden mittels Photoplethysmographie (PPG) an der Fingerspitze durchgeführt. Während der ersten 10 Minuten mussten die Probanden eine geleitete Atemübung durchführen, wohingegen sie in den letzten 5 Minuten der Aufnahme frei atmen durften. Ziel war es, zu untersuchen, wie sich die Attraktoren bzw. die Pulswellenmorphologie über die Zeit verändern. Auswertungen zeigten eine signifikante Verkleinerung der durchschnittlichen Höhe der Attraktoren (p=0.001) während der gesamten Aufzeichnung. Dies kann mit einer Abnahme des Pulsdrucks in Verbindung gebracht werden. Außerdem ließ sich ein grenzwertig signifikanter Anstieg (p=0.077) des Verhältnisses zwischen durchschnittlicher Attraktorarmbreite zu durchschnittlicher Höhe der Attraktoren in den letzten 5 Minuten feststellen. Das lässt vermuten, dass die Variabilität der Pulswellen in der ungeleiteten Phase höher war als während der geleiteten Atemübung.Um die Performance der entwickelten Methode zu beurteilen, wurden 90 Attraktoren visuell untersucht. Obwohl die Mehrheit der Attraktoren korrekt quantifiziert wurde, konnte man dennoch feststellen, dass sich verbleibende Ausreißer bzw. messtechnische Probleme während der Aufnahme negativ auf die Resultate auswirkten. Außerdem lieferte die vorgestellte Methode bei Attraktoren mit sich überlappenden Armen wenig zufriedenstellende Ergebnisse.Neben bereits bekannten Zusammenhängen konnte man feststellen, dass Form und Ausrichtung der Attraktoren hauptsächlich von der Krümmung des "Downstrokes" der Pulswelle und vom Verhältnis zwischen "crest time" und der durchschnittlichen Herzrate abhängig sind. Es kann angenommen werden, dass sich die Position der dikrotischen Erhebung sowie deren Amplitude auf die Form der Attraktoren auswirken. Allerdings bedarf es weiterer Untersuchung, um den genauen Zusammenhang zu ermitteln.Die in dieser Arbeit vorgestellten Resultate sind durchaus vielversprechend und rechtfertigen weitere Untersuchungen im Bereich der Attraktorrekonstruktion zur Quantifizierung kardiovaskulärer Wellenformen.

Cardiovascular diseases (CVDs) are one of the leading causes of death worldwide. Therefore, early detection and prevention by means of non-invasive, quick and cost-effective methods are of crucial importance. One approach is to analyse non-invasively recorded pulse waveforms. Many methods focus only on averaged numerical values, such as heart rate or systolic and diastolic blood pressure (minimum and maximum of pressure wave) in a short time-frame, and neglect a majority of other data points, which, however, influence morphology and variability of a waveform. Thus, considering all data might provide a deeper understanding of physiological or pathological changes within the cardiovascular system.Therefore, this thesis presents a new way to quantify arterial pulse wave morphology based on the reconstruction of attractors. To that end, an existing attractor reconstruction method using Takens' delay coordinates has been used and further developed. Attractor reconstruction enables an easy representation of pulse waveforms and, especially, their variability. The first step of the procedure is to preprocess the pulse wave data and generate the attractor. Afterwards, a median filter edits the reconstructed attractor to remove remaining artefacts. In order to quantify the attractor, the author beforehand developed and implemented a feature extraction technique based on image processing and subsequently linked the extracted parameters to pulse waveform features. Lastly, the thesis presents the application of the algorithm to pulse wave data acquired through photoplethysmography (PPG) at the fingertip of 30 patients with treated arterial hypertension. During the first 10 minutes, the subjects exercised device-guided breathing, followed by an unguided cooling phase of 5 minutes. The aim was to examine how the attractors or, respectively, the pulse wave morphology change over time. Analyses of the evolution plots showed a significant decline in the average height of the attractors (p=0.001) during the entire recording which can be linked to a decrease in pulse pressure. In addition, the ratio of the average width of the attractor arms to the average height of the attractors, as a measure of the waveforms' variability, showed a borderline significant increase (p=0.077) during the cooling down phase. This suggested that the variability of the pulse waveform was higher during the unguided phase than during the guided breathing.Visual examinations of 90 attractors evaluated the performance of the feature extraction technique. Although the developed method correctly quantified a majority of the generated attractors, it was discovered that remaining outliers or metrological discrepancies had a negative impact on the results. Additionally, the introduced approach did not work well on attractors with overlapping arms.Apart from already established correlations, it was discovered that shape and orientation of the attractors mostly depend on the curvature of the pulse waves' downstroke and on the ratio of the crest time to the average heart rate. It can be assumed that the position of the dicrotic notch and the dicrotic wave amplitude influence the shape of the attractors. However, it needs further investigations to specify these correlations. The results presented in this thesis are promising and encourage further studies on attractor reconstruction as a new way to quantify cardiovascular waveforms.