From model to practice: Cuffless blood pressure measurement on the finger

Abstract

Bluthochdruck ist einer der größten Risikofaktoren für Schlaganfälle, Herz- und Gefäßkrankheiten. Dennoch wissen 45 bis 55 Prozent aller Menschen mit Bluthochdruck nichts davon. Um dies zu ändern, wird stetig daran gearbeitet, Blutdruckmessmethoden zu verbessern und neue, einfacher anzuwendende Methoden zu entwickeln. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine bereits bestehende oszillometrische Methode, die darauf beruht, den systolischen und diastolischen Blutdruck ohne Manschette am Finger zu messen, weiterzuentwickeln. Es werden mit Hilfe eines eigens entwickelten Gerätes, bestehend aus einem Druck- und einem Photoplethysmografiesensors (PPG), die Oszillationen des Blutvolumens in einer Arterie der Fingerkuppe gemessen. Der bestehende Algorithmus berechnet, ähnlich zum etablierten Maximum Amplitude Algorithmus, aus dem gemessenen Signal den systolischen, diastolischen und mittleren Blutdruck. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz gewählt. Dazu wird ein existierendes Modell, das einen Zusammenhang zwischen transmuralem Druck und Oszillationen des Blutvolumens beschreibt, durch Model Fitting an reale Messungen angepasst. Mit Hilfe des Modells kann dann der systolische und diastolische Blutdruck berechnet werden. Verschiedene Methoden zur Vorbereitung der gemessenen Signale auf das Model Fitting und unterschiedliche Einstellungen, Startwerte und Grenzen des Fittings werden getestet und verglichen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Wiederholbarkeit von Blutdruckmessungen. Dazu werden die berechneten Blutdruckwerte direkt aufeinanderfolgender Messungen verglichen. Weiters werden zwei Methoden entwickelt und getestet, um die gemessenen Signale zu klassifizieren und zu entscheiden, ob sie gut genug sind, um damit den Blutdruck schätzen zu kšnnen oder nicht. Einerseits wird die Qualität des Model Fittings als Kriterium herangezogen und andererseits die Gleichmäßigkeit und Linearität der Druckausübung des Fingers auf den Sensor.Es standen 443 reale Messungen an 26 verschiedenen Personen zur Verfügung. Die Reproduzierbarkeit sowie die Qualität des Model Fittings ist stark von der Qualität der Messungen abhängig. Für eine strenge Klassifizierung der Messungen konnten gute Ergebnis bezüglich der Reproduzierbarkeit erzielt werden. Die Verteilung der Abweichungen für den systolischen Blutdruck liegt im besten Fall bei 2.17 mmHg (1. Quartil), 4.34 mmHg (Median) und 6.26 mmHg (3. Quartil) bei 393 aussortierten Messungen. Für weniger strenge Klassifizierungen konnten unter anderem folgende Ergebnisse erzielt werden: 4.95 mmHg (1. Quartil), 9.00 mmHg (Median) und 15.77 mmHg (3. Quartil) bei 228 aussortierten Messungen.Die Methode liefert also für gute Messungen bereits vielversprechende Ergebnisse. Ausschlaggebend ist dafür die Qualität der Ausführung der Messung durch die Messperson sowie das Messgerät an sich. Eine verbesserte Ausführung sowie eine Überarbeitung des Geräts sind somit Optionen, um die Methode weiter zu optimieren. Ein weiterer Aspekt, der in Zukunft noch bearbeitet werden muss, ist die Bewertung der berechneten Blutdruckwerte gegen Messungen mit bewährten oszillometrischen Methoden zur Blutdruckmessung.

Hypertension is one of the biggest risk factors for strokes, heart and vascular diseases. Despite this fact between 45 and 55 % of all people with high blood pressure have no knowledge of their condition. To change this, it is a continuous relevant topic to improve existing blood pressure measurement methods and develop new and easier accessible methods. The aim of this thesis is to further develop an already existing oscillometric method, which is based on measuring the systolic and diastolic blood pressure on the finger without a cuff. With a specially developed device consisting of a pressure and a photoplethysmography (PPG) sensor, blood volume oscillations are measured in an artery of the fingertip. The already existing algorithm finds the systolic and diastolic blood pressure similar to the approach of the established maximum amplitude algorithm. In this thesis, a different, new approach is chosen. An existing model, which describes the relation between transmural pressure, and blood volume oscillations, is adapted to real measurements by model fitting. By using the model, the diastolic and systolic blood pressure can then be calculated. Different methods of preparing the measured signals for the fitting, and various settings, initial values, and limits of the fitting are tested and compared. The focus of this work lies on repeatability. Therefore, the calculated blood pressure obtained from repeated measurements is compared. Furthermore, two methods for categorizing the measured signals and deciding whether they are good enough for estimating the blood pressure are developed and tested. On the one hand, the quality of the model fitting is used as criterion and, on the other hand, the smoothness and linearity of the application of pressure on the sensor with the finger is chosen as indicator.From 26 different subjects 443 measurements are available. The repeatability as well as the goodness of the model fitting are strongly dependent on the quality of the measurements. With a strict classification of the measurements, good results have been obtained with respect to repeatability. The dispersion for the systolic blood pressure is in the best case 2.17 mmHg (1. quartile), 4.34 mmHg (median) and 6.26 mmHg (3. quartile), with 393 rejected measurements. With a less strict classification the following results can be achieved: 4.95 (1. quartile), 9.00 mmHg (median) and 15.77 mmHg (3. quartile), with 228 rejected measurements.Hence, for good measurements promising results are obtained using this approach. The crucial factors for good results are the quality of the execution of the measurement by the subject and the device itself. An improved execution as well as a revision of the device are therefore options to improve the method. Another aspect, which needs to be investigated in the future, is the assessment of the calculated blood pressure values against estimations performed with established oscillometric blood pressure measurement methods.