Blood pressure and hemodynamic monitoring from the fingertip

Abstract

Hypertensio eli korkea verenpaine on merkittävin sydän- ja verisuonitautien riskitekijä. Tarpeeksi ajoissa havaittuna hypertensiota voidaan kuitenkin hoitaa tehokkaasti lääkityksellä ja elämäntapamuutoksilla. Mikroelektroniikan kehitys ja kannettavien teknologioiden murros ovat mahdollistaneet uudenlaisten verenpaineenseurantamenetelmien kehityksen.

Tässä väitöstyössä tutkitaan verenpaineen instrumentoinninmenetelmiä. Paneutumalla antureiden fysikaalisiin ominaisuuksiin ja niiden mittaamiin fysiologisiin ilmiöhin tavoitellaan verenpaineen mittausmenetelmien toiminnan syvällistä ymmärrystä. Keskeisessä osassa väitöskirjaa ovat kliiniset kokeet, joiden avulla osoitetaan teknologioiden kyvykkyys ja luotettavuus.

Väitöstyö esittelee uuden menetelmän verenpaineen mittaamiseen sormenpäästä.Tämä teknologia perustuu kehittämääme tono-oskillometriseen menetelmään, jossa valtimon pulsaatiota mitataan samalla, kun sormeen kohdistetaan kontrolloitu paineenmuutos. Kustannustehokkuutta tavoiteltiin käyttämällä kaupallisia paineantureita, joita muokattiin tähän käyttöön sopiviksi. Vaikuttavia mekanismeja tutkittiin sekä matemaattisen mallinnuksen että antureiden sähköisen karakterisoinnin avulla. Kehitettyä teknologiaa hyödyntävä prototyyppilaite validoitiin alustavassa ihmiskokeessa. Laitteen soveltuvuutta kliiniseen käyttöön parannettiin miniatyrisoimalla aiemman instrumentin mekatroninen toteutus. Sormenpäähän kiinnitettävä instrumentti validoitiin erillisessä kliinisessä kokeessa. Laitetta kehitettiin edelleen jatkuva-aikaiseen verenpaineen seurantaan sopivaksi lisäämällä tähän optinen anturiyksikkö. Hyödyntämällä fotoplethysmogrammisignaalin vakiovirtakomponentteja yhdessä takaisinkytketyn paineensäädön kanssa, saavutettiin tarkka verenkeskipaineen seuranta. Tämän niin kutsutun matalataajuisen tilavuuskompensaatiomenetelmän toimivuus todennettiin erillisessä ihmiskokeessa.

Tässä väitöskirjassa esitellyt menetelmät ja tulokset tarjoavat uusia näkemyksiä verenpaineen ja muiden hemodynaamisten parametrien seurantaan. Esitetyt teknologiat edistävät kajoamattoman potilasmonitoroinnin kehitystä ja lisäävät käyttäjämukavuutta – hyödyttäen näin sekä potilaita että terveydenhuollon ammattilaisia.

ASIASANAT: Verenpaine, läketieteellinen instrumentointi, puettava elektroniikka, oskillometria, tonometria

Hypertension, or high blood pressure(BP), is the most significant risk factor for cardiovascular disease – the leading cause of death in the world. Fortunately, when detected early,it is easily controlled with medication and lifestyle changes.The emergence of wearable technologies and the ongoing miniaturization of microelec- tronics has paved the way for new BP monitoring technologies. In this thesis, a collection of sensing modalities is experimented with and refined incrementally. Both the physical properties of the sensors and the underlying physi- ological phenomena are studied, providing deeper understanding into the mechanics of BP instrumentation. The key elements of this thesis are the extensive human stud- ies that are conducted to demonstrate the capabilities and prove the reliability of the technologies. This thesis introduces a new way of measuring BP from the fingertip.The technology is based on tono-oscillometry, where arterial pulsations are recorded while simultaneously applying controlled pressure to the finger. Cost-efficiency was achieved by using commercial pressure sensors and modifying them for the intended use. The underlying mechanisms were studied through mathematical modeling and sensor characterization. After validating the prototype in a preliminary human study, the technology was miniaturized with clinical translatability taken in to account.The small form factor system was validated in a separate human study. Continuous BP monitoring was achieved by adding an optical sensing modality to the tono- oscillometric method. Using the non-pulsatile components in the photoplethysmo- gram signal, we were able to measure continuous BP with the low-frequency vascular unloading technique. The methods and results from this study give new insights into the monitoring of BP and other hemodynamic parameters. The proposed technologies pave the way to- wards less intrusive bedside patient monitoring and increased user comfort–helping both patients and healthcare professionals. KEYWORDS:Bloodpressure, medical instrumentation,wearable electronics, oscil- lometry, tonometry