Tiefenselektives Photoplethysmographie-basiertes Verfahren zur Erfassung der Pulswellenlaufzeit an nur einer Messposition (DeePPG)
Biomedizinische Systemtechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Pulswellenlaufzeit (PTT) ist ein kardiovaskulärer Parameter, der in verschiedenen medizinischen Anwendungsfeldern genutzt wird, wobei die zukünftige Anwendung für die manschettenlose Blutdruckmessung derzeit die herausforderndste ist. Das etablierte Verfahren zur Messung der PTT basiert auf der Kombination von Elektrokardiographie (EKG) und Photoplethysmographie (PPG). Dabei wird der zeitliche Abstand zwischen der elektrischen Anregung des Herzens (per EKG) und der Ankunft, der durch die Herzkontraktion verursachten (Blut-) Pulswelle an einem perfundierten Hautareal (per PPG) gemessen. Die PPG ist ein optisches Verfahren, das durch die Kombination von Licht-Emitter(n) und Licht- Detektor(en) die Messung der Perfusion in der Haut ermöglicht. In diesem Vorhaben sollte untersucht werden ob mittels lokalem PPG an einer einzigen Messposition durch die parallele Messung mit verschiedenen Wellenlängen eine präparationsfreie, tiefenselektive PTT-Erfassung möglich ist. Auf Basis von Literaturdaten zu Gewebezusammensetzung, Gefäßanteil und -Verteilung, sowie zugehörigen Daten zu Reflexions-, Transmissions- und Dämpfungsverhalten wurden verschiedene Schicht-Modelle der oberen Hautschichten erstellt. Diese wurden genutzt, um mittels eines auf Zufallsprozessen basierenden Einzelphotonen-Ray-Tracing Verfahrens unter Anwendung eines Monte-Carlo-Simulationsansatzes die Lichtverteilung im Querschnitt der Region zwischen Licht-Emitter und Licht-Detektor zu berechnen. Hieraus konnten in rechenintensiven Simulationszyklen das Eindringverhalten bzw. die mittlere Eindringtiefe der Photonen in Abhängigkeit vom emittierten Wellenlängenspektrum der in den späteren Messungen zur Anwendung kommenden LEDs als Licht-Emitter und dem Emitter-Detektor-Abstand abgeleitet, quantifizierbar gemacht und nachvollzogen werden. Für weitergehende Aussagen dauern die Simulationen noch an. Weiterhin entstanden für die Probanden-Versuche iterativ verschiedene Demonstratoren von DeePPG-Messsystemen mit denen ein großes Spektrum an Konstellationen von Anregungswellenlängen, Spektralverteilungen, LED-Anordnungen und skalierbaren Emitter-Detektor-Abständen analysiert werden konnten. Der Photostrom der Detektoren wird jeweils über eine Verstärkerkette Lastentkoppelt, bis 10 kHz Bandbegrenzt, um 20 dB verstärkt und digitalisiert. Die weitere Messwertkonditionierung, Merkmalsextraktion und Indikatorgenerierung erfolgt mittels Matlab (Mathworks). An drei Probanden-Kohorten wurden in drei Entwicklungsstadien des Messsystems auf Basis jeweils angepasster Studiendesigns Messungen durchgeführt, wobei die aktuellste Studie mit 47 Probanden die umfangreichste war. Anhand der großen Zahl von Messdaten konnten eine Vielzahl von Merkmalen identifiziert und Indikatoren extrahiert und analysiert werden. Zur Laufzeit konnten jedoch nicht alle geplanten Forschungsfragen, insbesondere nicht die einer verallgemeinerbaren algorithmischen Lösung zur lokalen Pulslaufzeitmessung abschließend beantwortet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Optimization of the deep selectivity of PPG signals in the context of PTT determination; Konferenzbeitrag und Abstract BMT September 2023, Duisburg; DGBMT
Hallekamp, Gabriel
