Non-Invasive Hemodynamic Parameters Assessment using Optoelectronic Devices

Abstract

A grande incidência das doenças cardiovasculares no mundo estimulou a procura de novas soluções que permitam a deteção precoce de processos patológicos associados a este tipo de doenças. Especial ênfase foi dada a métodos que permitem a monitorização da pressão arterial e da forma de onda de pressão arterial, que fornecem uma ferramenta precisa que complementa o diagnóstico baseado em múltiplos parâmetros. Da análise das características da forma de onda da pressão arterial, e da sua velocidade de propagação, podem ser extraídas importantes parâmetros clínicos de modo a avaliar o risco cardiovascular, a adaptação vascular e a eficácia terapêutica. O uso de múltiplos parâmetros permite minimizar erros na estimação de um dos parâmetros. As soluções emergentes para a monitorização cardiovascular têm-se afastado de tecnologias invasivas e caras para soluções não invasivas e sem contacto. Neste sentido, os sistemas ópticos apresentam uma grande vantagem devido ao grande progresso tecnológico sofrido nas últimas décadas. A natureza de não contacto desta tecnologia permite a medição sem distorção da forma da onda arterial ultrapassando as limitações dos aparelhos comerciais usados para este tipo de avaliação. O principal objetivo deste trabalho consistia em demonstrar que é possível adquirir através do uso de uma metodologia óptica, a forma da onda de pressão arterial sem contacto, com uma configuração que permite medir a velocidade onda de pulso (VOP) local e determinar os principais parâmetros usando algoritmos dedicados. Foram desenvolvidos quatro protótipos: três baseados em luz não-coerente e um em luz coerente. As sondas foram desenvolvidas usando uma configuração comum, composta por dois fotodetectores distanciados de 2 cm, o que garante a deteção da onda de pulso em dois pontos distintos e permite uma determinação rigorosa do tempo de trânsito. Nas sondas de luz não-coerente foram testados três fotodetectores: fotodíodos de avalanche, fotodíodos planares, e fotodíodos de efeito lateral (LEP). Os componentes do sistema óptico (protótipos das sondas e caixa de aquisição) foram desenhados com as características físicas que permitem o uso clínico, como a portabilidade, o tamanho compacto, leves, de baixo consumo e com materiais de baixo custo, ergonómicas para o operador e confortáveis para o paciente, de modo a serem consideradas uma solução interessante para a comercialização. Os testes in vivo permitiram a seleção da melhor combinação sonda/algoritmo para a determinação da PWV, usando o método da correlação e a sonda baseada em fotodíodos planares que demonstrou ser mais eficiente para a aquisição de sinais em humanos. O sistema óptico desenvolvido mostrou boa reprodutibilidade na avaliação inter e intra-operador. Um estudo alargado foi desenvolvido em 131 sujeitos jovens, com um valor médio PWV de 33.33±0.72 ms-1, confirmando o seu aumento com a idade. O teste comparativo entre a onda de distensão medida com o sistema óptico na carótida e o perfil da onda de pressão adquirida invasivamente por um cateter intra-arterial mostrou uma grande correlação entre as duas ondas (valor médio de 0.958), validando a capacidade das sondas ópticas para estimar a forma da onda de pulso de modo não-invasivo e sem contacto. A sonda óptica baseada em luz coerente foi testada em combinação com algoritmos de processamento de sinal baseados nos métodos short time Fourier transform e empirical mode decomposition, demonstrando ser capaz de determinar os pontos característicos da forma de onda com baixo erro (menor que 5ms). Uma configuração alternativa foi testada usando um fotodetector com uma maior área que permitiu obter o efeito de self-mixing fora da cavidade laser. Esta característica abriu a possibilidade de construir uma nova sonda adaptada a esta nova técnica de modo a melhorar a qualidade do sinal e permitir uma aplicação biomédica. Globalmente, os resultados obtidos para a metodologias desenvolvidas (protótipos e ferramentas de processamento de sinal associados) mostraram ser possível de medir a onda de pulso arterial na carótida, para determinar vários parâmetros clínicos e avaliar a condição cardiovascular.

The world wide incidence of cardiovascular diseases (CVDs), has spurred the research efforts targeting new solutions that may be able to perform an early detection of the pathological processes associated with these diseases. Special emphasis has been given to the methods that allow the monitoring of the blood pressure and the arterial pulse waveform, thus providing a more precise tool to complement the diagnosis process based on a multi-parameter assessment approach. From the analysis of arterial pulse pressure waveform features, and its propagation velocity, important clinical parameters can be extracted in order to evaluate the CVD risk, the vascular adaptation and the therapeutic efficacy. The use of multiple parameters allows to minimize the error when compared to the approach where a subject is classified solely based on a single parameter. Emerging trends in cardiovascular monitoring are moving away from invasive and costly technologies towards non-invasive and low-cost solutions. In this sense, optical solutions represent a great advantage due to the immense technological progresses observed in the recent decades. The truly non-contact nature of optical techniques allows measurements without distortion in the shape of the pulse curve, which is one of the main limitations of the current commercial devices used in hemodynamic parameters assessment. The main objective of this work consists in demonstrating that with an optical system it is possible to acquire the arterial pulse waveform with a configuration that allows the local pulse wave velocity (PWV) measurement and the determination of the most important clinical parameters using dedicated algorithms, without physical contact with the skin of the patient. Four prototypes were developed: three based in non-coherent light and one with coherent light. All the developed optical probes have a common design structure. They include two identical photodetectors placed 2 cm apart from each other to guarantee accurate determination of local pulse transit time. Relatively to the non-coherent light probes three different probes base on photodetectors were tested: an avalanche photodiode, a planar photodiode and a lateral effect photodiode (LEP). The optical system components (probe prototypes and acquisition box) were designed to meet specific requirements that allow the clinical use, such as portability, compact size and low weight, low cost, limited power consumption, ergonomics and easy user-interface in order to be considered as an interesting solution for commercial purposes. The in vivo tests allowed the selection of the best algorithm and probe combination to determine PWV: cross-correlation algorithm and the probe with planar photodiodes demonstrated to be the most efficient. This system showed good reproducibility, as evaluated by both inter-operator and intra-operator analysis. A large study was performed in 131 young subjects, obtaining a mean value for PWV of 3.33±0.72 ms-1, thus confirming its significant increase with age. A comparative test between the distension waveform measured with the optical probe at the carotid artery and the invasive profile of the pulse pressure acquired by an intra arterial catheter showed a strong correlation (mean value of 0.958), and validates the ability of this non-invasive device to estimate the arterial pulse waveform. Also a coherent light probe was developed and tested using several processing techniques based on the short time Fourier transform and empirical mode decomposition algorithm. This approach demonstrated the ability to determine the main feature points in the waveform with low error in the pulse transit time determination (less than 5ms). An alternative configuration for the Doppler effect-based probe was tested, using a photodetector with a larger area in order to obtain the self-mixing effect outside the laser cavity. This feature opened the possibility to improve the quality of the signal which may foresee potential future biomedical applications. Globally, the results obtained with the developed methodologies (prototypes and associated algorithmic tools) proved that it is possible to measure the arterial pulse waveform in the carotid artery, to determine several clinical parameters and assess the cardiovascular condition with optical technology.