Erfassung der Pulswelle am Unterarm mittels optisch-transmissiver Plethysmographie

Acquisition of pulse wave signal at the forearm by optical transmissive plethysmography

  • Der Unterarmbereich in der Nähe des Handgelenks stellt einen aus Patientensicht komfortablen Ableitort für das Pulswellensignal dar. Die vorliegende Dissertation hat die Sensormethode der transmissiven Photoplethysmographie (PPG) in ihrer Anwendung am Unterarm untersucht. Der experimentelle Nachweis erfolgte mithilfe eines Mehrkanal-PPG-Sensor-Prototyps, der eine aktive Sensor-Fläche von mehreren Quadratzentimetern bereitstellt, die durch eine Matrixanordnung aktiver und passiver optischer Bauelemente realisiert wird. Im Zeitmultiplex werden unterschiedliche Lichtquellen- (LED) und -empfänger (PD) paarweise aktiviert und die Signale aufgezeichnet. Im Rahmen einer Probandenstudie wurden validDer Unterarmbereich in der Nähe des Handgelenks stellt einen aus Patientensicht komfortablen Ableitort für das Pulswellensignal dar. Die vorliegende Dissertation hat die Sensormethode der transmissiven Photoplethysmographie (PPG) in ihrer Anwendung am Unterarm untersucht. Der experimentelle Nachweis erfolgte mithilfe eines Mehrkanal-PPG-Sensor-Prototyps, der eine aktive Sensor-Fläche von mehreren Quadratzentimetern bereitstellt, die durch eine Matrixanordnung aktiver und passiver optischer Bauelemente realisiert wird. Im Zeitmultiplex werden unterschiedliche Lichtquellen- (LED) und -empfänger (PD) paarweise aktiviert und die Signale aufgezeichnet. Im Rahmen einer Probandenstudie wurden valide PW-Signale an im Mittel 17 von 64 Kanälen nachgewiesen. Die weitere Analyse zeigte eine verbesserte Signalintensität näher am Handgelenk, andererseits war ein deutlicher Gradient der Kanalamplituden in Umfangsrichtung zu beobachten. Um die beste Ableitposition automatisch finden zu können, müssen die Kanalsignale auf Vorliegen der PW-Charakteristik geprüft und deren Signalqualität berechnet werden. Als zweiter Schwerpunkt wurde daher eine ressourcenbeschränkte Methode zur PW-Identifikation und Qualitätsbewertung entwickelt und mit Referenzsignalepisoden validiert. Dabei erwies sich ein dreistufiger Ansatz aus Signalvorverarbeitung, Merkmalsberechnung und Klassifikation als zielführend, der die Segmentierung einzelner PW-Zyklen und damit die Berechnung trennscharfer Merkmale erlaubt. Für die Signalvorverarbeitung zeigte sich die Signalzerlegung und -rekonstruktion mithilfe der diskreten Meyer-Wavelet-Transformation (DMWT) einem FIR-Filter als überlegen. Die Referenzpunktbestimmung (Minima, Maxima, Steigungsmaxima) mit der Haar-Wavelet-Tranformation führte zur besten Klassifikationsleistung. Die lineare Trennbarkeit der Merkmale erlaubt die Entwicklung einer Entscheidungsfunktion, deren Rechenzeit vernachlässigbar ist. Zur Qualitätsbewertung bieten die Merkmale SNR und KKZ Vorteile. Mithilfe einer Rechenaufwandsabschätzung wurde gezeigt, dass die entwickelten Verfahren auf aktuellen Mikrocontroller-Systemen lauffähig sind. Der dritte Schwerpunkt umfasst die Modellierung der optischen Signalausbreitung im Unterarmgewebe als signalgebenden Prozess der PPG. Theoretisch lässt dies als Strahlungstransportproblem beschreiben. Das Gesetz von Lambert-Beer, welches aus der Strahlungstransporttheorie abgeleitet werden kann, bot die Ausgangsbasis für das eigene Modell “MINnimaler Optischer Pfad (MINOP)”. Dieser wird als geometrisch-kürzeste Verbindung zwischen Lichtquelle, Hauptarterie und Lichtempfänger definiert. Zur Modellparametrierung wurden die Streckenabschnitte aus MRT-Schichtbildern einer Probandenstudie entnommen. Bei Verifikation mit gemessenen optischen Gesamtintensitäten ergab sich eine signifikante Korrelation. Die transmittierte Intensitätsverteilung entlang des Unterarmumfangs wurde mithilfe eines Zylinder-Geometriemodells nach der Monte-Carlo-Methode simuliert. Damit konnten bevorzugte Ableitpositionen identifiziert werden. Als Fazit erbrachte die vorliegenden Dissertation den Nachweis, dass die Ableitung des arteriellen PW-Signals am Unterarm mittels optisch-transmissiver Plethysmographie möglich ist. Mit einem mehrkanaligen Sensorsystem ist darüber hinaus eine automatische Ableitpositionsfindung sowie die Erkennung und Qualitätsbewertung des PW_ Signals anhand der vorgestellten Verfahren ressourcenbegrenzt realisierbar. Die entwickelten Modelle sowie ihre Verikation durch Simulation und Messungen trugen zum besseren Verständnis des signalgebenden Prozesses im Unterarmgewebe bei, welches bevorzugte Ableitregionen und ein optimiertes Sensordesign erlaubte.show moreshow less
  • The forearm area at the wrist represents a predestined site for derivation of the pulse wave (PW) signal enabling medical applications for “Personal Health”. The dissertation therefore provides an investigation of the sensor method of transmissve photo plethysmography (PPG) at the forearm. First the experimental proof of the sensor method was shown by developing a multi channel transmissive PPG sensor system for forearm application enabling an active sensor area of several square centimeters. The light emitters and receivers are activated by time multiplex allowing signals to be recorded channel by channel. Within a study for all probands valid PW signals could be acquired in avaerage 17 outThe forearm area at the wrist represents a predestined site for derivation of the pulse wave (PW) signal enabling medical applications for “Personal Health”. The dissertation therefore provides an investigation of the sensor method of transmissve photo plethysmography (PPG) at the forearm. First the experimental proof of the sensor method was shown by developing a multi channel transmissive PPG sensor system for forearm application enabling an active sensor area of several square centimeters. The light emitters and receivers are activated by time multiplex allowing signals to be recorded channel by channel. Within a study for all probands valid PW signals could be acquired in avaerage 17 out of from 64 channels. Further analises showed a better signal intensity closer to the wrist. However in direction of circumference a distinct gradient of channel amplitudes were observed. For automatically finding the best derivation position the PW characteristics has to be proved and signal quality calculated. As second part a method for identification of PW signal characteristics has been developed and validated on a reference signal database. A three-stage-approach starting with signal pre-processing, feature extraction and subsequent classification yielded high discrimination rates. For signal pre-processing the Discrete Meyer Wavelet Transformation outperformed FIR filtering. Determing reference points within a PW cycle (Minima, Maxima, Maxima of Derivation) the Discrete Haar Wavelet Transformation showed highest classifcation rates. The linear separability of the features allowed development of a discrimination function requiring neglectable caclulation effort. For assessing quality of already identified PW signals the features SNR and KKZ were selected. Detailed estimation of required calculation power of the proposed algorithms verified to be run on actual embedded processor platforms. As third part modelling of light propagation in the forearm tissue as the essential signal generating process of PPG was pursued. In theory the PPG method could be described as radiation transport problem. The Lambert-Beer-Law (LBL), which could be derived from radiation transport theory was chosen as starting point for the proposed model of minimal optical path (MINOP). This defines the geometrically shortest connection between light emitter, main artery and light receiver. For model parameters the tissue sections were extracted from MRT cross images of a proband study. By verification with measured optical intensities significant correlation could be achieved. The transmitted intensities along forearm circumference were simulated by implementing a cylindrical model using Monte-Carlo-method. By that preferred derivation positions could be identified. As conclusion the method of transmissive PPG for derivation of the arterial PW signal at the forearm proved feasibility. Using a multichannel sensor system also an automated search of derivation location is performed. The reliable identification of the PW signal and a quality measure were shown for the proposed procedures able to run on domestic embedded platforms. The developed models and verification by simulation and measurement contribute to a better understanding of the signal generating process in the forearm tissue. Based on that preferred derivation regions could be identified and sensor design optimised.show moreshow less

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Metadaten
Author:Robert Couronné
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-31121
Advisor:Dieter Seitzer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/02/10
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/10/28
Release Date:2012/02/10
Tag:Modelle zur Lichtausbreitung; Photoplethysmographie; Pulswellenerfassung
model light propagation; photoplethysmography; pulse wave acquisition
SWD-Keyword:Medizintechnik; Sensortechnik; Signalanalyse
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $