Hemodynamic Monitoring Enabled by Applied Data-Driven Signal Processing

Abstract

A esfigmomanometria é fundamental no cuidado a pacientes agudos, sendo amplamente utilizada para medição intermitente da Pressão Arterial (PA). Embora este seja o principal objetivo dos dispositivos de braçadeira insuflável, estes podem oferecer uma vasta gama de oportunidades para a modelação hemodinâmica, como por exemplo em relação ao fluxo sanguíneo e à propagação da onda de pulso ao longo da artéria em estudo. Em conjunto com outros equipamentos padrão de monitorização de pacientes críticos, como o Eletrocardiograma (ECG) e o Fotopletismógrafo de dedo (PPG), há quantidades significativas de informação que podem ser extraídas, fornecendo perspetivas sobre os mecanismos subjacentes de propagação de pulso e permitindo o desenvolvimento de novas técnicas de estimativa de PA e outras informações adicionais, muito mais difíceis de obter, como a complacência arterial, atualmente considerada de grande relevância clínica. Em colaboração com o grupo de investigação 'Patient Care and Monitoring' da Philips, implementamos estruturas de simulação já estabelecidas que nos permitem investigar as mecânicas subjacentes destes processos em ambiente controlado, para que possamos entender e prever melhor os diferentes comportamentos esperados da vasculatura de pacientes com estados e condições hemodinâmicas específicas. Para isso, é realizada uma Análise de Sensibilidade formal, revelando os efeitos e interações dos diversos parâmetros em causa. Para além da análise supracitada, os modelos também foram testados e comparados com registos reais de pacientes para uma visualização mais direta dos seus pontos fortes e fracos. Combinado com os resultados da Análise de Sensibilidade, estabelecem-se as bases para a proposta de melhorias ao modelo. Com base nos conhecimentos mencionados, implementamos um conjunto de algoritmos com o objetivo de expandir e melhorar as medidas baseadas na braçadeira com base na calibração do Pulse Arrival Time (PAT) e da PA. Os dados de Pressão Arterial Invasiva foram registados para um conjunto de quatro pacientes durante intervenções cirúrgicas e usados como auxílio para a otimização do algoritmo e como referência para a validação dos resultados obtidos. Paralelamente, sinais de ECG, PPG e de pressão da braçadeira foram recolhidos. Os nossos resultados indicam que nossa estratégia é bem-sucedida não apenas relativamente à estimativa batimento-a-batimento da Pressão Arterial Sistólica (PAS) com uma mediana de Root Mean Squared Error (RMSE) de 5.11, 13.59, 11.19 e 9.04 mmHg e uma mediana de Coeficiente de Correlação de Pearson (PCC) de 0,67, 0,36, 0,46 e 0,65 para os Pacientes 1 a 4, respetivamente, mas também o rastreamento de eventos hemodinâmicos dos pacientes que de outra forma não seriam descobertos pelas técnicas de medição padrão. Por último, a estimação da complacência arterial é brevemente explorada com uma intenção meramente observacional, dada a atual escassez de medições in vivo deste parâmetro. Valores médios de 0.00923, 0.00726, 0.00830 e 0.00755 mL/mmHg foram registados para os Pacientes 1 a 4, respetivamente.

Cuff sphygmomanometry is core in acute patients' care, being widely utilized for intermittent Blood Pressure (BP) measurement. Although this is the main purpose of inflatable cuff devices, these can offer a vast array of opportunities for the modulation of hemodynamics such as blood flow and pulse propagation along the targeted artery. In conjunction with other standard critical patient monitoring equipment such as the ECG and the finger site PPG, there are significant amounts of information that can be extracted, providing insights on the underlying pulse propagation mechanisms and enabling the development of new estimation techniques for BP and additional, much harder to obtain information, such as arterial compliance, currently regarded as of great clinical utility.In close collaboration with the Philips 'Patient Care and Monitoring' research group, we implement established simulation frameworks that allow us to investigate the underlying mechanics of these processes in a controlled setting, so that we can better understand and predict the different behaviors to be expected from the vasculature of patients with specific hemodynamic statuses and conditions. For this, a formal Sensitivity Analysis is carried out, uncovering the effects and interactions of the many different parameters at play.Furthermore, the models were also tested and compared with real patient recordings for a more direct visualization of their strengths and weaknesses. Combined with the results from the Sensitivity Analysis, this lays the groundwork for the proposal of further model improvements.Based on the aforementioned insights, we implemented a set of algorithms aiming to expand and improve cuff-based measurements based on calibration of Pulse Arrival Time (PAT) and BP. Invasive Arterial Blood Pressure (ABP) data was recorded for a set of four patients during surgical interventions and used as both an aid for algorithm optimization and as a reference for the subsequent outcomes. Along with these measurements, ECG, PPG and cuff pressure signals were recorded.Our results indicate that our framework is successful for not only the accurate beat-to-beat estimation of Systolic Blood Pressure (SBP) with a median RMSE of 5.11, 13.59, 11.19, and 9.04 mmHg and a median Pearson Correlation Coefficient of 0.67, 0.36, 0.46, and 0.65 for Patients 1 to 4, respectively, but also the tracking of events in the patient's hemodynamic status that would otherwise not be discovered through the standard measurement techniques.At last, arterial compliance estimation is briefly explored. This is done with a merely observational intent given the current scarcity of in-vivo measurements of this parameter. Average values of 0.00923, 0.00726, 0.00830, and 0.00755 mL/mmHg were recorded for Patients 1 to 4, respectively.