WO2010043728A1 - Sistema y aparato para la medición no invasiva de la presión arterial - Google Patents

Sistema y aparato para la medición no invasiva de la presión arterial Download PDF

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WO2010043728A1
WO2010043728A1 PCT/ES2009/000064 ES2009000064W WO2010043728A1 WO 2010043728 A1 WO2010043728 A1 WO 2010043728A1 ES 2009000064 W ES2009000064 W ES 2009000064W WO 2010043728 A1 WO2010043728 A1 WO 2010043728A1
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blood pressure
invasive measurement
ppg
pressure
sbp
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PCT/ES2009/000064
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Vicente Jorge Ribas Ripoll
Víctor Manuel GARCÍA LLORENTE
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Sabirmedical, S.L.
Especialidades Médicas Myr, S.L.
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    • A61B5/1455Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
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    • A61B5/7235Details of waveform analysis
    • A61B5/7264Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems
    • A61B5/7267Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems involving training the classification device

Definitions

  • the present invention develops a system for non-invasive measurement of systolic, diastolic and mean arterial pressure independent of the Oscillometric and Korotkoff methods. For this, a stochastic model of the pressure pulse physiology is developed along with its instantaneous energy combined with a system for the approximation of functions based on ⁇ random forests'.
  • the input signal is a pre-processed version of the plethysmographic pulse combined with other patient variables.
  • the main function of the circulation is to meet the needs of the tissues (e.g. transport nutrients to the tissues, take away the waste products, transport hormones and maintain a proper balance of all tissue fluids).
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Since the heart pumps the blood to the aorta continuously, the pressure in this artery is high (100 mmHg on average). Since cardiac pumping is pulsatile, on average, blood pressure fluctuates between a systolic pressure (SBP) of 120 mmHg and a diastolic pressure (DBP) of 80 mmHg. As blood flows through the systemic circulation, its mean pressure (MAP) is progressively reduced to approximately 0 mmHg at the time it reaches the mouth of the vena cava in the right atrium of the heart.
  • SBP systolic pressure
  • DBP diastolic pressure
  • the pressure in the systemic capillaries varies from 35 mmHg, near the arteriolar ends, to levels as low as 10 mmHg, near the venous ends, but their average functional pressure in most vascular beds is approximately 17 mmHg, pressure low enough for a small amount of plasma to pass through the porous capillaries while also allowing the diffusion of nutrients to the tissue cells.
  • pulmonary circulation its tension is also pulsatile, as in the aorta, but with a systolic pressure of 25 mmHg and a diastolic pressure of 8 mmHg with an average pulmonary arterial pressure of only 16 mmHg.
  • the pulmonary capillary pressure is only 7 mmHg.
  • the total blood flow through the lungs per minute is the same as in the systemic circulation.
  • GC cardiac output
  • the heart acts as a state machine in response to tissue needs.
  • the response of the heart is not perfect, so it requires special nerve signals that make it pump the necessary amounts of blood.
  • Blood pressure is controlled independently by local blood flow control and / or by cardiac output control. As an example, when the pressure is reduced below its normal mean value (100 mmHg), a cascade of nerve reflexes results in a series of circulatory changes
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) in order to restore said pressure to its normal value.
  • These nerve signals increase the pumping pressure of the heart, the contraction of the large venous reservoirs to provide more blood to the heart along with a generalized contraction of most of the arterioles of the whole body so that it is accumulated in the arterial tree .
  • FIG. 1 shows a typical record of the pulsations of pressure taken invasively by catheterization in the root of the aorta.
  • SBP cardiac systole
  • DBP diastole
  • PP pulse pressure
  • PP can also be defined as the ratio between systolic volume and capacitance of the arterial tree. Any circulation process that affects either of these two factors will also affect the PP.
  • SUBSTITUTE SHEET severe as, for example, patients with septic shock or multiorgan failure.
  • the determination / monitoring of blood pressure is performed by indirect procedures such as the auscultatory method (Korotkoff sounds).
  • Korotkoff sounds the auscultatory method
  • a stethoscope is placed in the antecubital artery and a blood pressure cuff is inflated around the upper arm. While the cuff compresses the arm with so little pressure that the artery remains distended by the blood, no sounds are heard with the stethoscope, although blood circulates along the artery.
  • the cuff pressure is high enough to occlude the artery during a part of the blood pressure cycle, a sound is heard with each pulse.
  • the cuff pressure is raised well above the SBP so that as long as this pressure is higher than the SBP of the brachial artery no sound will be heard.
  • the pressure of the cuff begins to decrease and, just at the moment when the cuff pressure falls below the SBP, blood begins to flow through the artery, hearing the sounds of Korotkoff synchronous with the heartbeat.
  • the SBP is determined.
  • the quality of Korotkoff's sounds changes its quality with a rough and rhythmic sound.
  • the pressure of the sleeve equals the DBP, said sounds cease to be heard, thus determining said pressure.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) describe electronic systems and devices for the determination of blood pressure by this method.
  • PPG photoplethysmographic pulses
  • NIR near-infrared
  • PPG can be considered as a low-cost technique for measuring changes in the volume of blood at the micro vascular level (usually a finger or earlobe) using non-invasively on the skin of a subject.
  • This technology is implemented in commercial medical devices such as digital pulse oximeters and diagnostic systems.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) vascular (for example, arrhythmias or extra-systoles can be detected reliably with PPG).
  • US19740523196 establishes a system for continuous monitoring of the SBP. from the differentiation of the PPG signal at the beginning of cardiac diastole.
  • the US4418700 patent presents a system for the estimation of the SBP and the DBP from the Blood Volume, Cardiac Expenditure etc. represented by an analytical and deterministic model of the circulatory system. Said system requires specific calibration for each patient and is thus confirmed in the mathematical models presented in said invention (constant K).
  • US4030485 describes a method for continuous monitoring of the DBP based on the time intervals between electrocardiographic signal peaks (ECG) and the pulses detected by a pulse detector.
  • ECG electrocardiographic signal peaks
  • Said invention is based on the fundamental principle that the pulse transmission time varies with blood pressure.
  • the SBP measurement system is initially calibrated specifically for each patient with a sphygmomanometer (mechanical procedure).
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) US5140990 describes the method for continuous monitoring of the SBP and DBP based on the PPG signal.
  • the SBP and the DBP are determined from the volume of blood obtained with the PPG and the measurements of the SBP and DBP during the specific calibration period for each patient using a particular K constant at the blood pressure - blood volume of the subject in question, which is determined before the measure.
  • US5237997 describes the method for the continuous measurement of Average Blood Pressure (MAP) based on the transit time of the pulses of the PPG signal in the earlobe.
  • MAP Average Blood Pressure
  • DBP DBP
  • Said invention requires a calibration of the individualized blood pressure values by conventional methods (oscillometric or Korotkoff).
  • US5865755 and US5857975 describe a method for determining the SBP and DBP from the ECG and PPG signals. Blood pressure is computed from the arrival times of the pulses, the volumetric waveform and the heart rate for each pulse. These patents use the time differences between the R waves of the ECG and the start of the PPG pulse together with the difference in times between the start of the PPG pulse and 50% of the amplitude for the determination of blood pressure.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the measurement of blood pressure from the transit time of the pulses and, at least, the heart rate and pulse area after calibrating with a conventional system and a linear regressive analysis.
  • European patent EP0443267 Al describes the technique for establishing a NIBP system based on two PPG sensors located in different anatomical areas and calculating the difference in the transit times of the pulses measured with said sensors to determine changes in the volume of blood pumped by the heart. Said system requires calibration by a conventional system.
  • US2004 / 0260186 Al establishes a system for obtaining various physiological parameters from PPG. More specifically, said patent makes an estimation of the Respiratory Rate, Heart Rate, Variability of Heart Rate, Variability of Blood Volume, information on the Autonomous Nervous System and monitoring of relative (non-absolute) changes in Blood Pressure.
  • Patent US2006 / 0074322 Al establishes a system for measuring blood pressure without cuffs based on the principle of photoplethysmography (PPG).
  • PPG photoplethysmography
  • Said patent despite claiming a system and apparatus for measuring blood pressure without a cuff, requires a calibration for each user based on the oscillometric and Korotkoff principles. Once the system calibration has been carried out, it can be operated exclusively and personalized by means of the principle of
  • Patent US2007 / 0032732 Al establishes a system and apparatus for obtaining the volume of blood present in the arterial tree by harmonic analysis of the cardiovascular waveform (pressure pulse obtained from the PPG) for the extraction of the fundamental frequencies of the PPG wave and obtain from them the volume of blood.
  • harmonic analysis of the cardiovascular waveform pressure pulse obtained from the PPG
  • NIBP neurotrophic blood pressure
  • SpO 2 pulse oximeter
  • the fundamental principle of said invention lies in the fact that, from a swelling pressure in the sleeve above the SBP, the pulses of the PPG wave disappear. This allows the user to be protected from a swollen envelope of the sleeve and to perform many more measures safely.
  • the US2008 / 0082006 Al patent in contrast to the previous one, establishes an NIBP system using the PPG signal in order to reduce and / or optimize the blood pressure measurement time.
  • the deflation period of the sleeve is controlled by the PPG signal.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) combined with an individualized calibration well with its joint use with conventional blood pressure measurement systems, the need to establish a safe, reliable continuous monitoring system that does not include mobile mechanical components, and non-invasive for the clinical determination of clinical blood pressure (NIBP), which does not require individual calibration using sphygmomanometers and that can function without requiring support from any conventional method (or any evolution of the oscillometric and Korotkoff methods detailed above) for proper operation and operation.
  • NIBP clinical blood pressure
  • the pulse undergoes an attenuation and an alteration of its morphology, which depends on the blood pressure. This effect varies according to the difference between the SBP and the DBP.
  • the system and apparatus proposed in the present invention is based on the inference of the functional relationship between the pulse form (PPG) and the pressure levels where the information is deduced from the dependence between the pulse form and its statistics with the state of blood pressure of the subject.
  • the input information to perform the estimation of the SBP, DBP and MAP is processed to facilitate the task of the function estimator. Since the PPG signal is of variable duration, a treatment is performed to generate a vector of fixed dimension for each measurement. This vector contains information on the shape of the SBP, DBP and MAP.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) pulse (self-regression coefficients and moving average), the average distance between pulses, their variance, information on instantaneous energy, energy variation and clinical information of the person such as sex, age, weight, height, patient clinical information (Body mass index or similar measures), etc.
  • the system for the inference of functions works blindly in the sense that no functional restriction is imposed on the relationship between the pulse and blood pressure levels. Since the functional form that relates PPG to blood pressure levels is unknown, a system has been chosen to infer such a function that is robust against irrelevant input variables such as clinical information and parameters derived from the PPG waveform. In addition, said technique is related to other parameters as discussed in the background of the present invention.
  • the preferred system for the estimation of functions in the present invention is the ⁇ random forests' as opposed to other 'machine learning' and pattern recognition systems such as, for example, decision and regression trees (CART) ), 'Splines', classifier committees, ⁇ Support Vector Machines' and Neural Networks.
  • the ⁇ random forests' are based on parallel generation of a set of decision trees, which estimate the function of interest with a random selection of variables in each node performing the operation of pruning nodes, and each tree by training with random subset of the base of
  • the implementation of the present invention consists of two distinct phases.
  • the first phase is system training, which is done only once and, therefore, does not require any subsequent calibration / customization.
  • This phase consists of obtaining a database with information on various parameters of patients including, sex, weight, age, etc. along with a recording of the plethysmographic wave. This information is used in the estimation of the decision tree parameters and is saved in the system.
  • the second phase consists of loading the information of the set of trees obtained in the training phase and recording the patient's plethysmographic wave at the time of measurement along with other variables such as, for example, sex, weight, age, etc.
  • This phase the system reads the information of the plethysmographic pulse, performs the processing of the same and generates a vector of fixed length with the information that describes the signal. To this vector the additional information of the person is added and a set of 'random forests' is applied, which calculate several intermediate functions of the variables of interest. Subsequently, the variables of interest are calculated from these intermediate functions.
  • Figure 1 of the present invention shows the pulse wave profile obtained by invasive catheterization.
  • Figure 2 of the present invention shows the general block diagram of the system and apparatus described.
  • Figure 3 of the present invention shows the plethysmographic wave profile obtained by means of a digital pulse oximeter.
  • FIG. 4 shows the detailed block diagram of the preprocessing system described in the present invention.
  • Figure 5 shows the detailed block diagram of the AR filter for the establishment of the stochastic model of the pressure pulse physiology described in the present invention.
  • the present invention consists of a system for continuous monitoring of blood pressure (systolic, diastolic and mean) (figure 2) whose data is evaluated by means of a device (1) for collecting plethysmographic signals (optical, acoustic or mechanical) consisting of Preferred implementation of the invention described a pulse oximetry system (SpO 2 ).
  • PPG information is combined with other subject data such as age, sex, height, weight, etc. and is linked to a preprocessing system (2)
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) digital, which implements a stochastic model of the physiology of the circulatory system presented in the background of the present invention. This system better captures all the parameters that randomly affect the transmission of the pressure pulse and, therefore, the average blood pressure.
  • the vector of the stochastic model obtained is, in turn, linked to a digital system (3) function approximator based on ⁇ random forests' whose main function is to estimate the basic parameters (SBP, DBP and MAP) with various related functions in order to reduce the estimation error in the post-processing stage (4).
  • the main function of the system (4) is to estimate the final values of the SBP, DBP and MAP by averaging the functions in the previous stage (3) to reduce the systematic error (bias) and the variance of the estimates of the SBP, DBP and MAP obtained.
  • the systems (2,3 and 4) are implemented by means of a CPU formed by FPGA, DSP or microcontroller devices.
  • the system (1) for obtaining the PPG curve implements a simple, non-invasive and low-cost technique for the detection of volume changes in the micro-vascular network of a tissue.
  • the most basic implementation of such a system requires few opto-electronic components including:
  • tissue illumination for example, skin
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) associated with changes in tissue perfusion in the detection volume.
  • PPG is normally used non-invasively and operates at infrared or near infrared (NIR) wavelengths.
  • NIR near infrared
  • the most recognized waveform with PPG is the peripheral pulse (figure 3) and is synchronized with each heartbeat.
  • the similarity between the waves obtained by PPG and the pulses obtained by invasive catheterization ( Figures 1 and 3). Due to the valuable information obtained through the PPG, it is considered one of the main entries of the present invention.
  • the PPG wave comprises a pulsatile physiological wave (AC component) attributed to changes in synchronous blood volume with each heartbeat. This component is superimposed on another low frequency basal component (DC component) related to respiratory rate, central nervous system activity and thermoregulation.
  • DC component low frequency basal component
  • the fundamental frequency of the AC component is around 1 Hz depending on the heart rate (figure 3).
  • the interaction between light and biological tissues is complex and includes optical processes such as scattering, absorption, reflection, transmission and fluorescence.
  • the wavelength selected for the system (1) is of paramount importance for the following reasons:
  • Optical water window the main constituent of tissues is water. It absorbs the light
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) strongly in ultraviolet wavelengths and long wavelengths in the infrared band. There is, in turn, a window in the water absorption spectrum that allows the passage of visible light (red) or NIR more easily through the tissue and allowing the measurement of blood flow or its volume at these wavelengths . Therefore, the present invention will use NIR wavelengths for the system (1). 2. Isobetic wavelength: there are significant differences in absorption between oxyhemoglobin (HbO ⁇ ) and reduced hemoglobin [Hb) except for this wavelength. Therefore, for measurements made at this wavelength (ie near 805 nm, for the NIR range) the signal will not be affected by changes in tissue oxygen saturation.
  • HbO ⁇ oxyhemoglobin
  • Hb reduced hemoglobin
  • Tissue penetration the depth of light penetration into a tissue for a given radiation intensity is also a function of the selected wavelength.
  • the penetration volume (depending on the probes used) is of the order of 1 cm 3 for transmission systems as used in (1).
  • the PPG pulse ( Figure 3) has two distinct phases: the anacrotic phase, which represents the rise in the pulse, and the catacrotic phase, which represents the pulse broth.
  • the first phase is related to cardiac systole while the second is related to diastole and the reflections suffered by the wave in the periphery of the system
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) circulatory.
  • a dichrotic pulse is also usually found in the catacrotic phase in healthy subjects without arteriosclerosis or arterial stiffness.
  • the propagation of the pressure pulse PP along the circulatory shaft must be taken into consideration.
  • Said PP changes its shape as it moves towards the periphery of the circulatory tree undergoing amplifications / attenuations as well as alterations in its shape and temporal characteristics. These changes are due to the reflections suffered by PP due to narrowing of the arteries in the periphery.
  • the propagation of the PP pulse in the arteries is further complicated by a frequency-dependent phase distortion.
  • the ARMA models Auto-regressive Models of Moving Average
  • the Teager-Kaiser operator coupled with an AR (Auto-Regressive) system (2) is used.
  • the PP shows similarities with the PPG, with similar changes observed during vascular pathologies (damping due to stenosis or changes in pulsatility).
  • the pulse oximeter of the system (1) uses PPG to obtain information on oxygen saturation ⁇ SpO ⁇ )
  • SpO ⁇ can be obtained by illuminating tissues (usually the finger or earlobe) at the red and NIR wavelengths. Normally, SpO devices ⁇ use switching between both wavelengths to determine that parameter. The amplitudes of both wavelengths are sensitive to changes in SpO ⁇ due to the difference of. absorption of HbO 2 and Hb for these wavelengths. SpO ⁇ can be obtained from the ratio between amplitudes, PPG and AC and DC components.
  • the intensity of light (T) transmitted through the tissue is commonly referred to as a DC signal and is a function of the optical properties of the tissue
  • the intensity variations of the AC component of the PPG can be written as follows:
  • This physiological waveform is proportional to the variation of the light intensity, which, in turn, is a function of the scattering and absorption coefficients ( ⁇ a and ⁇ ' s respectively). Variations of ⁇ a can
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Write as a linear variation of the concentrations of oxy and deoxy hemoglobin ( ⁇ c ox and ⁇ c deox ):
  • equation (VI) is an exact solution for SpO2, k cannot be evaluated since ⁇ a ' u s is not available ) .
  • dP represents the differential change in the intensity of a beam of light going through an infinitesimal
  • the PPG signal obtained in the system (1) is used as an excitation of the system (2) ( Figure 4) of the present invention whose main function is to establish a stochastic model of the circulatory function for the estimation of the SBP, DBP and MAP
  • the preferred implementation of the present invention utilizes an ARMA stochastic modeling system (q, p) (Average Self-Regressive Model
  • ° ⁇ can be defined so that the Z transform of the predictor filter will be given by:
  • Figure 5 shows the analysis filter of the AR component of the PPG pulse ( n) obtained in the system (1).
  • a (z) and B (z) being the AR and MA components of PPG (n) respectively.
  • the filter H (z) is generated and the input signal is filtered with the inverse filter of H (z) (6) .
  • the statistics of the residue e (n) with the subsystem (7) are calculated.
  • the information obtained from these subsystems is stored in the output vector " ( n ) of fixed dimension.
  • the preprocessing system (2) of the present invention of a subsystem (8) that calculates the Teager-Kaiser operator and models the output by an AR process of order p equivalent to that described above.
  • t PPG (t) a (t) cosJw (r) dr (XX) or
  • the AR process of p order of ⁇ [PPG (t)] is i m pi eme ntado with a filter (9) equivalent to that presented in Figure 5.
  • the present invention calculates the heart rate (HR) and heart synchrony (ie heart rate variability) from PPG using the subsystem (10).
  • the preferred implementation of the present invention calculates the heart rate on temporary PPG windows that can vary between 2 seconds and 5 minutes together with the function
  • It also consists of the preprocessing system (2) of a subsystem (11), which calculates the zero steps of the input PPG signal together with the variance of these zero steps.
  • the preferred implementation of the present invention calculates the heart rate on temporary PPG windows that can vary between 2 seconds and 5 minutes.
  • the pre-processed system (2) consists of a subsystem (12) for the generation of variables related to the subject under study, including: 1. Sex, age, weight, height, if you have taken any food , time of the day.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) functions (3) based on ⁇ random forests'.
  • the function estimation system presented in this invention has the advantage of not requiring any calibration once the 'random forest' has been properly trained.
  • the 'random forests' used in the present invention are generated by the growth of decision trees as a function of the random vector ® so that the predictor n ( v, ⁇ ) takes numerical values.
  • Each tree has a different generalization error and p represents the correlation between the residues defined in (XXIV). This fact implies that a lower correlation between residues (XXIV) results in better estimates. In the present invention, this minimum correlation is given by the random sampling process of the feature vector in each node of the tree that is being trained in the subsystem (2). In order to further reduce the generalization error, the present invention estimates both the parameters of interest (SBP, DBP and MAP) and linear combinations thereof.
  • SBP, DBP and MAP parameters of interest
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) 1. Random choice in each node of a subset of attributes which makes it impossible to establish an equivalence at a statistical level of the partitions made in different trees between similar nodes so that each tree behaves differently.
  • each tree is trained with a sample of type ⁇ bootstrap '(ie a sample of the input data is taken, which results in a part of the input data missing while another part is missing repeated)
  • This 'bootstrap' effect introduces a variability, which, when the average estimates are made, is compensated.
  • the base classifier is a tree, which decides based on levels, which makes it robust against input distributions with ⁇ outliers' or heterogeneous data
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the preferred implementation of the system (4) consists in taking random samples of two elements of 47 at the node level (variations between 2 and 47 can also be implemented) and a ⁇ bootstrap 'size of 100 and variations of size 25 or 500 can also be implemented .
  • the handheld device can incorporate a screen for displaying data and control orders of the operation of the apparatus. It has at least one acoustic, mechanical and / or optical probe whose signals are interpreted by a postprocessing system using a CPU made using DSP, FPGA or microcontrollers. It has working memories to store the data and operating procedures of the system, for example flash type.
  • the invention also provides for the provision in said manual device of push-buttons or control buttons, according to the state of the art, for activation and control thereof, as well as batteries and / or access to an external power supply.
  • results obtained by the present invention can be transmitted to a PC for analysis via the serial or USB port or a network connection, for example via Ethernet, WIFI, Zigbee or UWB.

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Abstract

Desarrolla la presente invención un sistema para la estimación de la tensión arterial sistólica (SBP), diastólica (DBP) y media (MAP). Dicho sistema establece un modelo fisiológico de la onda de pulso junto con su energía para, posteriormente, generar un vector de longitud fija conteniendo los valores del modelo anterior junto con otras variables relacionadas con el usuario como, por ejemplo, la edad, sexo, altura, peso, etc.. Este vector de longitud fija es utilizado como entrada de un sistema estimador de funciones basado en 'random forests' para el cálculo de las tres variables de interés. La ventaja principal de este sistema estimador de parámetros radica en el hecho que no impone ninguna restricción a priori sobre la función a estimar además de ser altamente robusto frente a datos heterogéneos, como es el caso de la presente invención.

Description

SISTEMA Y APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA
PRESIÓN ARTERIAL
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención desarrolla un sistema para la medida no invasiva de la presión arterial sistólica, diastólica y media independiente de los métodos Oscilométrico y Korotkoff. Para ello, se desarrolla un modelo estocástico de la fisiología del pulso de presión junto con su energía instantánea combinado con un sistema para la aproximación de funciones basado en Λrandom forests' . La señal de entrada es una versión pre-procesada del pulso pletismográfico combinada con otras variables del paciente.
ANTECEDENTES La principal función de la circulación es satisfacer las necesidades de los tejidos (p.e. transportar nutrientes a los tejidos, llevarse los productos de desecho, transportar hormonas y mantener un correcto equilibrio de todos los líquidos tisulares) .
La interrelación entre el control del flujo sanguíneo en relación con las necesidades tisulares junto con el control del corazón y la presión arterial necesarios para el flujo sanguíneo son de difícil comprensión por lo que existe abundante literatura en este ámbito encontrándose, además, numerosas patentes sobre gestión hemodinámica de pacientes que requieren control hemodinámico como, por ejemplo, pacientes críticos e hipertensos .
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Puesto que el corazón bombea la sangre a la aorta de forma continua, la presión en esta arteria es elevada (100 mmHg de media) . Puesto que el bombeo cardiaco es pulsátil, de media, la presión arterial fluctúa entre una presión sistólica (SBP) de 120 mmHg y una presión diastólica (DBP) de 80 mmHg. A medida que la sangre fluye por la circulación sistémica, su presión media (MAP) se reduce progresivamente hasta, aproximadamente, 0 mmHg en el momento en que alcanza la desembocadura de las venas cavas en la aurícula derecha del corazón.
La presión en los capilares sistémicos varia desde los 35 mmHg, cerca de los extremos arteriolares, hasta niveles tan bajos como los 10 mmHg, cerca de los extremos venosos, pero su presión funcional media en la mayor parte de los lechos vasculares es de aproximadamente 17 mmHg, presión suficientemente baja para que poca cantidad de plasma atraviese los capilares porosos mientras que también permite la difusión de nutrientes a las células tisulares.
Por lo que se refiere a la circulación pulmonar, su tensión también es pulsátil, al igual que en la aorta, pero con una presión sistólica de 25 mmHg y una presión diastólica de 8 mmHg con una presión arterial pulmonar media de sólo 16 mmHg. La presión capilar pulmonar es de sólo 7 mmHg. Sin embargo, el flujo sanguíneo total que atraviesa los pulmones por minuto es igual que en la circulación sistémica. Estas bajas presiones en el sistema pulmonar son adecuadas respecto a las necesidades de los pulmones, porque los capilares sólo
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) requieren la exposición de la sangre para el intercambio de gases y las distancias que la sangre debe recorrer antes de volver al corazón son cortas. En base a este hecho, se puede concluir que la función respiratoria y el intercambio de gases juegan un importante papel en la hemodinámica de los sujetos y, por lo tanto, en las tensiones de éstos.
De forma más especifica, existen tres principios básicos subyacentes a la función circulatoria:
1. El flujo sanguíneo de todos los tejidos del cuerpo se controla en función con las necesidades de los tejidos puesto que cuando los tejidos se encuentran activos, requieren más flujo sanguíneo que en reposo (i.e. función metabólica) .
2. El control del gasto cardiaco (GC) viene controlado por la suma de todos los flujos tisulares locales
(i.e. retorno venoso cuya respuesta es el bombeo de vuelta a las arterias de donde procede por parte del corazón) . En este sentido, el corazón actúa como una máquina de estados en respuesta a las necesidades de los tejidos. Sin embargo, la respuesta del corazón no es perfecta por lo que requiere señales nerviosas especiales que le hagan bombear las cantidades necesarias de sangre.
3. La presión arterial se controla de forma independiente mediante el control de flujo sanguíneo local y/o por el control del gasto cardiaco. A modo de ejemplo, cuando la presión se reduce por debajo de su valor medio normal (100 mmHg) se produce una cascada de reflejos nerviosos que resulta en una serie de cambios circulatorios
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) con la finalidad de restablecer dicha presión a su valor normal. Dichas señales nerviosas incrementan la presión de bombeo del corazón, la contracción de los grandes reservorios venosos para proporcionar más sangre al corazón junto con una contracción generalizada de la mayor parte de las arteriolas de todo el cuerpo de forma que ésta quede acumulada en el árbol arterial.
En cada nuevo latido del corazón, una nueva oleada de sangre llena las arterias. Debido a la distensibilidad del sistema arterial, la sangre fluye tanto durante la sistole como la diástole cardiaca. También, en condiciones normales, la capacitancia del árbol arterial disminuye la presión de las pulsaciones de forma que casi desaparecen cuando la sangre llega a los capilares garantizando, asi, un flujo sanguíneo casi continuo (con escasas oscilaciones) en los tejidos. La figura 1 muestra un registro típico de las pulsaciones de presión tomada de forma invasiva por cateterismo en la raiz de la aorta. Para un adulto joven normal, la presión durante la sistole cardiaca (SBP) es aproximadamente 120 mmHg mientras que en la diástole (DBP) es de aproximadamente 80 mmHg. La diferencia entre ambas presiones se denomina presión del pulso (PP) y, en condiciones normales, es de aproximadamente 40 mmHg.
Existen dos factores principales que afectan la presión del pulso: 1. Volumen sistólico del corazón.
2. Ditensibilidad total (capacitancia) del árbol arterial.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) En general, a mayor volumen sistólico, mayor cantidad de sangre que se debe acomodar en el árbol arterial con cada latido del corazón resultando en un mayor ascenso y caida de la presión durante la sístole y la diástole resultando, a su vez, en una mayor PP.
Por otra parte, la PP también puede definirse como la proporción entre el volumen sistólico y la capacitancia del árbol arterial. Cualquier proceso de la circulación que afecte a cualquiera de estos dos factores afectará también a la PP.
En base a lo descrito anteriormente, cuando el corazón bombea sangre a la aorta durante la sístole, al inicio del bombeo, sólo se distiende la porción proximal de dicha arteria puesto que la inercia de la sangre impide el desplazamiento rápido de ésta hacia los vasos periféricos. Sin embargo, el aumento de la presión en la aorta central supera con rapidez dicha inercia y el frente de onda de la distensión se extiende a lo largo de la aorta. Este fenómeno es conocido como transmisión del pulso de presión en las arterias. A medida que dicho frente de onda se propaga por el árbol arterial, los contornos del pulso de presión se irán atenuando durante su transmisión a los vasos periféricos (amortiguamiento de los pulsos de presión) .
Para medir la presión arterial en el ser humano no es razonable recurrir a un cateterismo invasivo en una via principal, como se ha comentado anteriormente, salvo en casos críticos (pacientes con un compromiso hemodinámico
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) severo como, por ejemplo, pacientes con shock séptico o fallo multiorgánico) . En su lugar, la determinación/monitorización de la presión arterial se realiza mediante procedimientos indirectos como el método auscultatorio (sonidos de Korotkoff) . En este método se coloca un estetoscopio en la arteria antecubital y se infla un manguito de presión arterial alrededor de la parte superior del brazo. Mientras el manguito comprime el brazo con tan poca presión que la arteria permanece distendida por la sangre, no se escuchan sonidos con el estetoscopio, aunque la sangre circula a lo largo de la arteria. Sin embargo, cuando la presión del manguito es lo bastante alta como para ocluir la arteria durante una parte del ciclo de la presión arterial, se escucha un sonido con cada pulsación. Por lo tanto, en este método primero se eleva la presión del manguito muy por encima de la SBP de forma que mientras esta presión sea superior que la SBP de la arteria braquial no se escuchará ningún sonido. En este momento se empieza a disminuir la presión del manguito y, justo en el momento en que la presión del manguito cae por debajo de la SBP, la sangre empieza a fluir por la arteria oyéndose lo sonidos de Korotkoff síncronos con el latido cardiaco. En este momento, queda determinada la SBP. Al seguir disminuyendo la presión del manguito, la calidad de los sonidos de Korotkoff cambian su calidad con un sonido áspero y rítmico. En el momento en que la presión del manguito iguala la DBP dichos sonidos dejan de oirse quedando determinada, asi, dicha presión. Dicho sistema es considerado como referencia por la comunidad médica existiendo numerosa literatura sobre el mismo y diversas patentes, que
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) describen sistemas y aparatos electrónicos para la determinación de la presión arterial por este método.
Existe también un sistema complementario al detallado anteriormente basado en la medida de las oscilaciones de una columna de fluido (normalmente mercurio) causadas por la propagación de la onda de presión. Dicho sistema es conocido como método oscilométrico. También existe numerosa literatura sobre dicho método existiendo, además, numerosas patentes describiendo sistemas y aparatos para la determinación de la presión arterial mediante este método. Dichos métodos pueden combinarse con la finalidad de mejorar las determinaciones de presión arterial realizada. En resumen, los métodos descritos anteriormente se basan en procedimientos mecánicos, que comparan presiones de forma física.
La transmisión del pulso de presión se encuentra intimamente ligada con los pulsos fotopletismográficos (PPG, por sus siglas en inglés) puesto que estos dispositivos miden los cambios de absorción de luz, normalmente para longitudes de onda cerca de los infrarrojos (NIR, por sus siglas en inglés) , de la hemoglobina de la sangre y la señal obtenida es proporcional al pulso de presión. De hecho, la PPG puede considerarse como una técnica de bajo coste para la medida de cambios en el volumen de sangre a nivel micro vascular (normalmente un dedo o lóbulo de la oreja) usándose de forma no invasiva sobre la piel de un sujeto. Dicha tecnología se encuentra implementada en dispositivos médicos comerciales como, por ejemplo, pulsi-oximetros digitales y sistemas de diagnóstico
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) vascular (por ejemplo, con la PPG pueden detectarse de forma fiable arritmias o extra-sistoles) .
Existen diversas patentes en lo referente a la utilización de la PPG, obtenida por diversos medios, para la estimación indirecta de la tensión arterial.
La patente US19740523196 establece un sistema para la monitorización continua de la SBP . a partir, de la diferenciación de la señal PPG al inicio de la diástole cardiaca.
La patente US4418700 presenta un sistema para la estimación de la SBP y la DBP a partir del Volumen de Sangre, Gasto Cardiaco etc. representada mediante un modelo analítico y determinista del sistema circulatorio. Dicho sistema requiere calibración especifica para cada paciente y asi queda confirmado en los modelos matemáticos presentados en dicha invención (constante K) .
La patente US4030485 describe un método para la monitorización continua de la DBP basado en los intervalos de tiempo entre picos de la señal electrocardiográfica (ECG) y los pulsos detectados mediante un detector de pulso. Dicha invención está basada en el principio fundamental de que el tiempo de transmisión de los pulsos varia con la presión arterial. El sistema de medida de la SBP está inicialmente calibrado de forma especifica para cada paciente con un esfingomanómetro (procedimiento mecánico) .
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) La patente US5140990 describe el método para la monitorización continua de la SBP y DBP basado en la señal PPG. La SBP y la DBP son determinadas a partir del volumen de sangre obtenido con la PPG y las medidas de la SBP y DBP durante el periodo de calibración especifica para cada paciente utilizando una constante K particular a la presión arterial - volumen de sangre del sujeto en cuestión, que es determinada antes de la medida.
La patente US5237997 describe el método para la medida continua de la Presión Arterial Media (MAP, por sus siglas en inglés) a partir del tiempo de tránsito de los pulsos de la señal PPG en el lóbulo de la oreja. La SBP y DBP se obtienen a partir de la medida de la densidad de volumen de sangre en dicho lóbulo. Dicha invención requiere de una calibración de los valores de tensión arterial individualizada mediante métodos convencionales (oscilométrico o Korotkoff) .
Las patentes US5865755 y US5857975 describen un método para la determinación de la SBP y DBP a partir de las señales ECG y PPG. La presión arterial se computa a partir de los tiempos de llegada de los pulsos, la forma de onda volumétrica y el ritmo cardiaco para cada pulso. Dichas patentes utilizan las diferencias de tiempo entre las ondas R del ECG y el inicio del pulso PPG junto con la diferencia de tiempos entre el inicio del pulso PPG y el 50% de la amplitud para la determinación de la presión arterial.
La patente US6527725 describe un sistema y aparato para
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) la medida de la tensión arterial a partir del tiempo de tránsito de los pulsos y, al menos, el ritmo cardiaco y el área del pulso después de calibrar con un sistema convencional y un análisis regresivo lineal.
La patente Europea EP0443267 Al describe la técnica para establecer un sistema NIBP basado en dos sensores PPG ubicados en zonas anatómicas diferentes y calculando la diferencia en los tiempos - de tránsito de los pulsos medidos con dichos sensores para determinar cambios en el volumen de sangre bombeada por el corazón. Dicho sistema requiere una calibración mediante un sistema convencional .
La patente US2004/0260186 Al establece un sistema para la obtención de diversos parámetros fisiológicos a partir de la PPG. De forma más especifica, dicha patente realiza una estimación del Ritmo Respiratorio, Ritmo Cardiaco, Variabilidad del Ritmo Cardiaco, Variabilidad del Volumen de Sangre, información sobre el Sistema Nervioso Autónomo y monitorización de cambios relativos (no absolutos) en la Presión Arterial.
La patente US2006/0074322 Al establece un sistema para la medida de la tensión arterial sin manguito basado en el principio de la fotopletismografia (PPG) . Dicha patente a pesar de reivindicar un sistema y aparato para la medición de la tensión arterial sin manguito, requiere una calibración para cada usuario basado en los principios oscilométrico y Korotkoff. Una vez realizada la calibración del sistema, éste puede ser operado de forma exclusiva y personalizada mediante el principio de
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Ia PPG .
La patente US2007/0032732 Al establece un sistema y aparato para la obtención del volumen de sangre presente en el árbol arterial mediante análisis armónico de la forma de onda cardiovascular (pulso de presión obtenido a partir de la PPG) para la extracción de las frecuencias fundamentales de la onda PPG y obtener a partir de éstas el volumen de sangre.
La patente US2008/0045846 Al establece un sistema para la monitorización no invasiva de la tensión arterial
(NIBP por sus siglas en Inglés) incluyendo un manguito hinchable y un fotopletismógrafo implementado con un pulsi-oximetro (SpO2) para establecer la presión de hinchado inicial de dicho manguito. El principio fundamental de dicha invención radica en el hecho que a partir de una presión de hinchado en el manguito superior a la SBP los pulsos de la onda PPG desaparecen. Con ello se consigue proteger al usuario de un sobre hinchado del manguito y poder realizar muchas más medidas de forma segura.
La patente US2008/0082006 Al en contraposición a la anterior, establece un sistema NIBP utilizando la señal PPG con la finalidad de reducir y/o optimizar el tiempo de medida de la presión arterial. En dicha invención, el periodo de desinflado del manguito es controlado mediante la señal PPG.
A pesar del gran número de patentes que utilizan la señal PPG como principio básico de funcionamiento, bien
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) combinada con una calibración individualizada bien con su uso conjunto con sistemas convencionales de medida de presión arterial, queda por resolver la necesidad de establecer un sistema seguro, fiable de monitorización continua, que no incluya componentes mecánicos móviles, y no invasivo para la determinación clínica de la presión arterial (NIBP) , que no requiera de calibración individualizada mediante esfingomanómetros y que pueda funcionar sin requerir soporte de ningún método convencional (o cualquier evolución de los métodos oscilométrico y Korotkoff detallados anteriormente) para su correcto funcionamiento y operación.
BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con los antecedentes de la invención detallados anteriormente, el pulso sufre una atenuación y una alteración de su morfología, que depende de la presión arterial. Este efecto varia según la diferencia entre la SBP y la DBP. El sistema y aparato propuesto en la presente invención se basa en la inferencia de la relación funcional entre la forma del pulso (PPG) y los niveles de presión donde la información es deducida a partir de la dependencia entre la forma del pulso y sus estadísticos con el estado de presión arterial del sujeto.
La información de entrada para realizar la estimación de la SBP, DBP y MAP es procesada para facilitar la tarea del estimador de funciones. Puesto que la señal PPG es de duración variable, se realiza un tratamiento para generar un vector de dimensión fija para cada medida. Este vector contiene información sobre la forma del
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) pulso (coeficientes de autorregresión y media móvil) , la distancia media entre pulsos, su variancia, información sobre la energia instantánea, variación energética e información clínica de la persona como, por ejemplo, sexo, edad, peso, altura, información clínica del paciente (Índice de masa corporal o medidas similares) , etc..
El sistema para la inferencia de funciones funciona de forma ciega en el sentido que no se impone ninguna restricción funcional a la relación entre el pulso y los niveles de tensión arterial. Puesto que se desconoce la forma funcional que relaciona la PPG con los niveles de tensión arterial, se ha elegido un sistema para inferir dicha función que sea robusto frente a variables de entrada irrelevantes como información clínica y parámetros derivados de la forma de onda del PPG. Además, dicha técnica está relacionada con otros parámetros tal y como se ha comentado en los antecedentes de la presente invención. El sistema preferido para la estimación de funciones en la presente invención son los Λrandom forests' en contraposición a otros sistemas de 'machine learning' y reconocimiento de patrones como, por ejemplo, árboles de decisión y regresión (CART, por sus siglas en inglés), 'Splines' , comités de clasificadores, ΛSupport Vector Machines' y Redes Neuronales. Los Λrandom forests' se basan en la generación en paralelo de un conjunto de árboles de decisión, que estiman la función de interés con una selección aleatoria de variables en cada nodo no realizándose la operación de poda de nodos, y cada árbol entrenándose con un subconjunto aleatorio de la base de
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) datos de entrenamiento de tal manera que cada árbol presente un error sistemático de generalización diferente. Por lo tanto, al realizar el promedio de las estimaciones de cada árbol, los errores sistemáticos se compensan y la variancia de la estimación baja.
La implementación de la presente invención consta de dos fases diferenciadas. La primera fase es de entrenamiento del sistema, que se- .realiza sólo una vez y, por lo tanto, no requiere ninguna calibración/personalización posterior. Esta fase consiste en la obtención de una base de datos con información sobre diversos parámetros de pacientes incluyendo, sexo, peso, edad, etc. junto con una grabación de la onda pletismográfica . Esta información es utilizada en la estimación de los parámetros de los árboles de decisión y son guardados en el sistema.
La segunda fase consiste en cargar la información del conjunto de árboles obtenida en la fase de entrenamiento y grabar la onda pletismográfica del paciente en el momento de la medida junto con otras variables como, por ejemplo, sexo, peso, edad, etc.. En esta fase, el sistema lee la información del pulso pletismográfico, realiza el procesado de la misma y genera un vector de longitud fija con la información que describe la señal. A este vector se le agrega la información adicional de la persona y se aplica un conjunto de 'random forests' , que calculan varias funciones intermedias de las variables de interés. Posteriormente, se calcula las variables de interés a partir de dichas funciones intermedias.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) BREVE EXPLICACIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 de la presente invención muestra el perfil de la onda de pulso obtenida mediante cateterismo invasivo.
La figura 2 de la presente invención muestra el diagrama de bloques general del sistema y aparato descrito.
La figura 3 de la presente invención muestra el perfil de onda pletismográfica obtenida mediante un pulsi- oximetro digital.
La figura 4 muestra el diagrama de bloques detallado del sistema de pre-procesado descrito en la presente invención.
La figura 5 muestra el diagrama de bloques detallado del filtro AR para el establecimiento del modelo estocástico de la fisiología del pulso de presión descrito en la presente invención.
EXPLICACIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Consiste la presente invención en un sistema para la monitorización continua de la presión arterial (sistólica, diastólica y media) (figura 2) cuyos datos son evaluados mediante un dispositivo (1) de captación de señales pletismográficas (ópticas, acústicas o mecánicas) consistiendo la implementación preferida de la invención descrita un sistema de pulsi-oximetria (SpO2) . La información PPG es combinada con otros datos del sujeto como, por ejemplo, edad, sexo, altura, peso, etc. y es enlazada con un sistema de pre-procesado (2)
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) digital, que implementa un modelo estocástico de la fisiología del sistema circulatorio presentado en los antecedentes de la presente invención. Dicho sistema captura mejor todos los parámetros que afectan de forma aleatoria la transmisión del pulso de presión y, por lo tanto, a la tensión arterial media.
El vector del modelo estocástico obtenido, es, a su vez, enlazado con un sistema digital (3) aproximador de funciones basado en Λrandom forests' cuya función principal es la de estimar los parámetros básicos (SBP, DBP y MAP) junto con diversas funciones relacionadas con éstos con el fin de disminuir el error de estimación en la etapa de post-procesado (4). La función principal del sistema (4) es la de estimar los valores finales de la SBP, DBP y MAP mediante el promediado de las funciones en la etapa anterior (3) para disminuir el error sistemático (sesgo) y la variancia de las estimaciones de la SBP, DBP y MAP obtenidas. Los sistemas (2,3 y 4) son implementados mediante una CPU formada por dispositivos FPGA, DSP o microcontroladores .
El sistema (1) para la obtención de la curva PPG implementa una técnica simple, no invasiva y de bajo coste para la detección de cambios de volumen en la red micro-vascular de un tejido. La implementación más básica de dicho sistema requiere de pocos componentes opto-electrónicos incluyendo:
1. Una o varias fuentes para la iluminación del tejido (por ejemplo, la piel)
2. Uno o varios foto-detectores para la medida de las pequeñas variaciones en la intensidad de la luz
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) asociadas con los cambios en la perfusión del tejido en el volumen de detección.
La PPG se usa normalmente de forma no invasiva y opera en las longitudes de onda infrarroja o cercana al infrarrojo (NIR) . La forma de onda más reconocida con la PPG es el pulso periférico (figura 3) y está sincronizada con cada latido del corazón. En este punto es importante notar la similitud entre las ondas obtenidas mediante PPG y los pulsos obtenidos mediante cateterismo invasivo (figuras 1 y 3) . Debido a la valiosa información obtenida mediante la PPG, se considera ésta como una de las entradas principales de la presente invención.
La onda PPG comprende una onda fisiológica pulsátil (componente AC) atribuida a los cambios en el volumen de sangre sincronos con cada latido del corazón. Dicha componente se encuentra superimpuesta a otra componente basal de baja frecuencia (componente DC) relacionada con el ritmo respiratorio, la actividad del sistema nervioso central y termorregulación. La frecuencia fundamental de la componente AC se encuentra alrededor de 1 Hz dependiendo del ritmo cardiaco (figura 3) .
La interacción entre la luz y los tejidos biológicos es compleja e incluye procesos ópticos como el scattering, absorción, reflexión, transmisión y fluorescencia. La longitud de onda seleccionada para el sistema (1) es de capital importancia por las siguientes razones:
1. Ventana óptica del agua: el principal constituyente de los tejidos es agua. Ésta absorbe la luz
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) fuertemente en las longitudes de onda ultravioletas y las longitudes de onda largas en la banda de los infrarrojos. Existe, a su vez, una ventana en el espectro de absorción del agua que permite el paso de la luz visible (roja) o NIR más fácilmente a través del tejido y permitiendo la medida del flujo de sangre o su volumen a estas longitudes de onda. Por lo tanto, la presente invención utilizará longitudes de onda NIR para el sistema (1) .. 2. Longitud de onda isobéstica: existen diferencias significativas en cuanto a absorción entre la oxi- hemoglobina (HbO) y la hemoglobina reducida [Hb) excepto para esta longitud de onda. Por lo tanto, para medidas realizadas a esta longitud de onda (i.e. cerca de los 805 nm, para el rango NIR) la señal no se verá afectada por los cambios en la saturación de oxigeno en el tejido.
3. Penetración en el tejido: la profundidad de penetración de la luz en un tejido para una determinada intensidad de radiación también es función de la longitud de onda seleccionada. Para la PPG, el volumen de penetración (en función de las sondas utilizadas) es del orden de 1 cm3 para sistemas de transmisión como el utilizado en (1) .
El pulso PPG (figura 3) presenta dos fases diferenciadas: la fase anacrótica, que representa la subida del pulso, y la fase catacrótica, que representa la calda del pulso. La primera fase se encuentra relacionada con la sístole cardiaca mientras que la segunda se relaciona con la diástole y las reflexiones sufridas por la onda en la periferia del sistema
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) circulatorio. En la PPG también suele encontrarse un pulso dicrótico en la fase catacrótica en sujetos sanos y sin arteriesclerosis o rigidez arterial.
Tal y como se ha comentado en los antecedentes de la presente invención, debe tomarse en consideración la propagación del pulso de presión PP a lo largo del árbol circulatorio. Dicho PP cambia su forma a medida que se mueve hacia la periferia del árbol circulatorio sufriendo amplificaciones/atenuaciones además de alteraciones en su forma y características temporales. Estos cambios se deben a las reflexiones sufridas por la PP debidas al estrechamiento de las arterias en la periferia. La propagación del pulso PP en las arterias se ve complicada todavía más por una distorsión de fase dependiente de la frecuencia.
Dado el proceso fisiológico, que genera el pulso, los modelos ARMA (Modelos Auto-regresivos de Media Móvil) , caracterizan el mecanismo de generación y por ello se ha considerado la representación del PP mediante estos modelos. Para modelar en paralelo las interacciones no lineales, se utiliza el operador Teager-Kaiser acoplado con un sistema AR (Auto-Regresivo) (2) .
Como puede observarse en las figuras 1 y 3, el PP presenta similitudes con el PPG observándose cambios similares durante patologías vasculares (amortiguamiento debido a estenosis o cambios en la pulsatilidad) .
El pulsi-oximetro del sistema (1) utiliza la PPG para obtener información sobre la saturación de oxigeno {SpO∑)
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) en las arterias del sujeto bajo estudio. Tal y como se ha comentado anteriormente la SpO puede obtenerse mediante la iluminación de tejidos (normalmente el dedo o el lóbulo de la oreja) en las longitudes de onda roja y NIR. Normalmente, los dispositivos SpO utilizan la conmutación entre ambas longitudes de onda para la determinación de dicho parámetro. Las amplitudes de ambas longitudes de onda son sensibles a los cambios en SpO∑ debido a la diferencia de. absorción, de la HbO2 y la Hb para estas longitudes de onda. La SpO puede obtenerse a partir del ratio entre las amplitudes, la PPG y los componentes AC y DC.
En pulsi-oximetria, la intensidad de luz (T) transmitida a través del tejido es comúnmente referida como señal DC y es una función de las propiedades ópticas del tejido
(i.e. coeficiente de absorción μa y el coeficiente de scattering ]ϊs ) . La pulsación arterial produce variaciones periódicas en las concentraciones de oxi y deoxi hemoglobina resultando, a su vez, en variaciones periódicas en el coeficiente de absorción.
Las variaciones de intensidad de la componente AC del PPG pueden escribirse de la siguiente forma:
Figure imgf000022_0001
Esta forma de onda fisiológica es proporcional a la variación de la intensidad de luz, que, a su vez, es función de los coeficientes de scattering y absorción ( μa y μ' s respectivamente) . Las variaciones de Δμa pueden
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) escribirse como una variación lineal de las concentraciones de oxi y deoxi hemoglobina (Δcoxy Δcdeox ) :
Δμa = ε0XΔc0X + εdeoxΔcdeox ( I I ) ,
Siendo εox y εdeoxlos coeficientes de extinción (i.e. fracción de luz perdida como causa del scattering y absorción por unidad de distancia en un medio determinado) de la oxi y deoxi hemoglobina. En base a las ecuaciones anteriores, la saturación de oxigeno arterial {SpO) vendrá dada por:
Λr
SpO2 = ^ ( I I I ) .
Δcox + Δcdeox
La expresión de la SpO2 en función de la componente AC puede obtenerse mediante la aplicación directa de las ecuaciones (I) y (III) a las longitudes de onda seleccionadas (roja y NIR) :
Figure imgf000023_0001
Donde,
Figure imgf000023_0002
Normalizando la componente AC con la componente DC para compensar los efectos de baja frecuencia no relacionados con los cambios síncronos en la sangre (ver antecedentes), se obtiene:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) AC ( R)
R = DC ( R) AC (NIR) '
DC(NIR) Incluyendo este parámetro en (IV) se obtiene:
Figure imgf000024_0001
Siendo
ΔT (NIR) j DC(NIR) AT(R) '
DC(R)
Donde ΔT (NIR) y ΔT (R)COrresponden a la ecuación (I) evaluada en las longitudes de onda R y NIR.
A pesar de que la ecuación (VI) es una solución exacta para la SpO2, k no puede ser evaluada puesto que no se dispone de ^a'u s ) . De todas maneras, k y R son funciones de las propiedades ópticas del tejido siendo posible expresar k como función de R. De forma más particular, es posible expresar k como una regresión lineal de la forma: k = aR + b (VII).
Esta regresión lineal implica un factor de calibración derivado empiricamente pero asumiendo una onda plana de intensidad P, su coeficiente de absorción se define como: dP = μaPdz mil) ι
Donde dP representa el cambio diferencial en la intensidad de un rayo de luz atravesando un infinitésimo
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) dz en un medio homogéneo con un coeficiente de absorción
^a . Por lo tanto, integrando sobre z se obtiene la ley de Beer-Lambert .
P = P eμaZ
0 (IX),
Asumiendo que T«P χa ecuación (VII) se reduce a k=l, que es la aproximación preferida en la medida de la pulsi-oximetria realizada en la presente invención.
La señal PPG obtenida en el sistema (1) es utilizada como excitación del sistema (2) (figura 4) de la presente invención cuya función principal es la de establecer un modelo estocástico de la función circulatoria para la estimación de la SBP, DBP y MAP.
En los antecedentes de la presente invención se ha dado cuenta de los diferentes parámetros, que juegan un papel primordial tanto en la forma como en la propagación del pulso de presión PP. Dichos parámetros están relacionados con el gasto cardiaco, ritmo cardiaco, sincronía cardiaca, ritmo respiratorio, función metabólica, etc.. También se ha detallado anteriormente la intima relación entre el PP y la PPG. Por lo tanto, atendiendo a que los parámetros anteriormente detallados juegan un papel primordial en la forma y propagación del PP, es de suponer que, también, dichos parámetros afectarán al PPG.
Atendiendo a este hecho, la implementación preferida de la presente invención utiliza un sistema de modelado estocástico ARMA(q,p) (Modelo Auto-Regresivo de Media
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Móvil de orden q (MA) y p (AR)) (5) .
La serie temporal PPG(n), PPG (n-1) , ..., PPG(n-M) se puede modelar como un proceso AR de orden p=M si satisface la siguiente ecuación en diferencias finitas (EDF) :
PPG(n)+ a*PPG(n-l) + --- + a*PPG(n-M) = w(n) (X)
Donde los coeficientes "-ai' a2'""'aMJ son χOs denominados parámetros AR y w'n'es un proceso blanco. El término k ' ' es el producto interior del coeficiente k y PPG(n-k)^ donde k=l,..,M. La ecuación (X) puede reescribirse como: PPG(n) = v*PPG(n-l) + V2PPG(n-2) + --- + v^PPG(n-M) + w(n) (XI) ,
donde vk = —ak
De la ecuación anterior, se desprende que el valor actual del pulso PPG (n) es igUai a una combinación lineal finita de los valores anteriores (PPG(n-k)) m¿s un término de error de predicción w(n). por lo tanto, reescribiendo la ecuación (X) como una convolución lineal, se obtiene:
Figure imgf000026_0001
Sin pérdida de generalidad, puede definirse ° ~ por lo que la transformada Z del filtro predictor vendrá dada por:
Figure imgf000026_0002
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Definiendo PPG(Z) como la transformada Z del pulso PPG, entonces :
A(z)PPG(z)=W(z) (XIV), donde
M
W(z) = ∑v(n)z~n (XV) . n=0
La figura 5 muestra el filtro de análisis de la componente AR del pulso PPG(n) obtenido en el sistema (1).
Por lo que respecta a la componente MA (Media Móvil) de orden q=K del pulso P"G(n)
Figure imgf000027_0001
puede describirse como la respuesta de un filtro discreto lineal excitado por un ruido blanco gaussiano. Por lo tanto, la respuesta MA de dicho filtro escrita como EDF será:
PPGMA(n) = e(n)+b;e(n-l)+ -" + b;e(n-K) (XVI) ,
donde
Figure imgf000027_0002
constantes llamadas parámetros MA y e (n> es un proceso blanco de media nula y variancia σ . Por lo tanto, relacionando las ecuaciones (XII) y (XVI) se obtiene:
PPG(n)=e (n)+ ∑a*PPG (n-k) + jVke (n-k) (XVII) , k=0 k=0 siendo e(n) los términos de error del modelo ARMA(q,p) .
Tomando la transformada Z en (XVII) se obtiene:
PPG(z) = ^-^E(z) (XVIII),
A(z) puesto que los primeros términos de los vectores AR y MA pueden igualarse a 1 sin pérdida de generalidad, la expresión del filtro ARMA(q,p) del filtro (5) en el
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) sistema (2) vendrá dada por:
H(z) = ^-^ (XIX) . A(z)
Siendo A(z) y B(z) las componentes AR y MA de PPG(n) respectivamente. La implementación preferida de la presente invención utiliza un modelo ARMA de orden q=l y p=5 aunque también puede utilizarse cualquier orden de p y q comprendidos entre [4,12].
Una vez calculado el modelo ARMA(q,p) mediante la descomposición de WoId y la recursión de Levinson-Durbin se genera el filtro H(z) y la señal de entrada es filtrada con el filtro inverso de H(z) (6) . A su vez, se calcula los estadísticos del residuo e (n) con el subsistema (7) . La información obtenida de estos subsistemas es almacenada en el vector de salida "(n) de dimensión fija.
Consta, a su vez, el sistema de pre-procesado (2) de la presente invención de un subsistema (8) que calcula el operador de Teager-Kaiser y modela la salida éste mediante un proceso AR de orden p equivalente al descrito anteriormente.
En este caso, sin pérdida de generalidad, consideraremos el pulso PPG como una señal modulada AM-FM (modulada tanto en amplitud como en frecuencia) del tipo: t PPG(t) = a(t)cosJw(r)dr (XX) o
Siendo a'^) y w(t) ^a amplitud y frecuencia instantáneas del PPG. El operador de Teager-Kaiser de una señal
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) determinada viene definido por: Ψ[x(t) ]=[x'(t) f-x(t)κ(t) (χχi) #
dx(t¡ x(t) =
Siendo dt
Este operador aplicado a la señal modulada AM-FM de la ecuación (XX) resulta en la energía instantánea de la fuente que produce la oscilación del PPG. Es decir,
Ψ[PPG(t)
Figure imgf000029_0001
(XXII), donde el error de aproximación es despreciable si la amplitud instantánea a (t) y la frecuencia instantánea w(t) no varían demasiado rápido respecto al valor medio de w(t). como es el caso con el pulso PPG.
El proceso AR de orden p de Ψ[PPG(t)] es impiementado con un filtro (9) equivalente al presentado en la figura 5. La implementación preferida de la presente invención utiliza un modelo AR de orden p=5 aunque también puede utilizarse cualquier orden de p y q comprendido entre 4 y 12.
Una vez calculados los modelos estocásticos basados en un modelo ARMA(q,p) (5,6 y 7) y el modelo ARMA(q,p) sobre el operador de Teager-Kaiser (8 y 9) , la presente invención calcula el ritmo cardiaco (HR) y la sincronía cardiaca (i.e. variabilidad del ritmo cardiaco) a partir de la PPG mediante el subsistema (10) . La implementación preferida de la presente invención calcula el ritmo cardiaco sobre ventanas temporales del PPG que pueden variar entre 2 segundos y 5 minutos junto con la función
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) de autocorrelación de la señal.
Consta también el sistema de pre-procesado (2) de un subsistema (11), que calcula los pasos por cero de la señal PPG de entrada junto con la variancia de estos pasos por cero. La implementación preferida de la presente invención calcula el ritmo cardiaco sobre ventanas temporales del PPG que pueden variar entre 2 segundos y 5 minutos.
Finalmente, el sistema de pre-procesado (2) consta de un subsistema (12) para la generación de variables relacionadas con el sujeto bajo estudio entre las que se incluye: 1. Sexo, edad, peso, altura, si ha tomado algún alimento, hora del dia.
2. índice de masa corporal.
3. Peso dividido por la edad.
4. Peso dividido por HR. 5. Altura dividida por HR.
6. HR dividido por la edad.
7. Altura dividida por la edad.
8. Edad dividida por el Índice de masa corporal.
9. HR dividido por el índice de masa corporal.
Todos los datos obtenidos en los subsistemas constituyentes del sistema (2) son almacenados en el vector de dimensión fija de salida "(n).
Una vez obtenido el vector de características de dimensión fija v(n), puede realizarse la estimación de la SBP, DBP y MAP mediante el sistema aproximador de
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) funciones (3) basado en ^random forests' . El sistema de estimación de funciones presentado en esta invención posee la ventaja de no requerir ninguna calibración una vez el 'random forest' ha sido correctamente entrenado.
De forma más especifica, un 'random forest' es un clasificador que consiste en un conjunto de clasificadores con estructura de árbol {h (V,Θk ) ,k = l,---} donde Θk son vectores aleatorios independientes e idénticamente distribuidos (i.i.d) donde cada vector deposita un único voto para la clase más popular de la entrada V. Esta aproximación presenta una clara ventaja en cuanto a fiabilidad respecto a otros clasificadores basados en un único árbol además de no imponer ninguna restricción funcional a la relación entre el pulso y los niveles de tensión arterial.
Los 'random forests' utilizados en la presente invención se generan mediante el crecimiento de árboles de decisión en función del vector aleatorio ® de manera que el predictor n(v,Θ) tome valores numéricos. Este vector aleatorio ® asociado a cada árbol proporciona una distribución aleatoria en cada nodo y al mismo tiempo también provee información sobre el muestreo aleatorio de la base de entrenamiento, dando como resultado subconjuntos de datos diferentes para cada árbol. En base a este resultado, el error de generalización del clasificador utilizado en la presente invención vendrá dado por: PE*=Ev,γ(Y-h(V))2 (XXIII).
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Puesto que el error de generalización del Λrandom forest' es menor que el de un único árbol de decisión, definiendo: Y-h(V,Θ) Y-h(V,Θ') (χχiγ) f se obtiene: PE*(forest)<pPE*(árbol) (xxv)
Cada árbol presenta un error de generalización diferente y p representa la correlación entre los residuos definidos en (XXIV) . Este hecho, implica que una menor correlación entre los residuos (XXIV) resulta en mejores estimaciones. En la presente invención, esta correlación mínima viene dada por el proceso de muestreo aleatorio del vector de características en cada nodo del árbol que se esté entrenando en el subsistema (2) . Con el fin de disminuir todavía más el error de generalización, la presente invención estima tanto los parámetros de interés (SBP, DBP y MAP) como combinaciones lineales de los mismos.
Los Λrandom forests' consisten en un conjunto de árboles de decisión de tipo CART ( ΛÁrboles de Clasificación y Regresión' , por sus siglas en inglés) , alterados para introducir errores sistemáticos (XXV) en cada uno y luego, mediante un sistema de ^bootstrap' una variabilidad sistemática (estos dos procesos aleatorios están modelados por el parámetro ® en el análisis del predictor h(V,Θ)^ El error sistemático diferente en cada realización se introduce por dos mecanismos:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 1. Elección aleatoria en cada nodo de un subconjunto de atributos lo que hace que no se pueda establecer una equivalencia a nivel estadístico de las particiones realizadas en árboles diferentes entre nodos semejantes de manera que cada árbol se comporte de forma diferente.
2. Dejar crecer los árboles al máximo. En este caso los árboles actúan de forma semejante a una tabla de búsqueda basada en reglas. Debido al muestreo de los atributos, se trata de tablas de búsqueda de estructura diferente.
El resultado de este proceso es que cada árbol presentará un error sistemático diferente.
Además, de estas dos modificaciones, cada árbol se entrena con una muestra de tipo Λbootstrap' (i.e. se toma una muestra de los datos de entrada, lo que da lugar a que una parte de los datos de entrada falte mientras y otra parte esté repetida) . Este efecto de 'bootstrap' introduce una variabilidad, que al realizar el promedio de estimaciones se compensa.
El resultado global de estas características es un sistema (4), en el que el error sistemático y la variabilidad del error puede compensarse fácilmente resultando bastante más preciso que otros tipos de estimadores de funciones (XXVII) . En este sistema, el clasificador base es un árbol, que decide en base a niveles, lo que lo hace robusto frente a distribuciones de entrada con ^outliers' o datos de tipo heterogéneo
(como es el caso de la presente invención) .
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) La implementación preferida del sistema (4) consiste en tomar muestras aleatorias de dos elementos de 47 a nivel de nodo (pudiendo implementarse también variaciones entre 2 y 47) y un tamaño de Λbootstrap' de 100 pudiendo implementarse también variaciones de tamaño 25 o 500.
El dispositivo de mano según la invención puede incorporar una pantalla para la visualización de datos y órdenes de control del funcionamiento del aparato. Dispone cuando menos de una sonda acústica, mecánica y/o óptica cuyas señales son interpretadas por un sistema de postprocesado mediante una CPU realizada mediante DSP, FPGA o microcontroladores. Dispone de memorias de trabajo para almacenar los datos y procedimientos operativos del sistema, por ejemplo de tipo flash.
La invención prevé también la disposición en dicho dispositivo manual de pulsadores o botoneras de control, de acuerdo al estado de la técnica, para activación y control del mismo, asi como de baterías y/o acceso a una fuente de alimentación exterior.
Finalmente, los resultados obtenidos mediante la presente invención pueden transmitirse a un PC para su análisis mediante el puerto serie o USB o una conexión red, por ejemplo mediante Ethernet, WIFI, Zigbee o UWB.
Se sobreentiende que quedan comprendidas dentro de la invención cuantas alteraciones de detalle o forma estén comprendidas en la esencia de la invención.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)

Claims

REIVINDICACIONES
1.- SISTEMA Y APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL CARACTERIZADO por - incorporar un modelo estocástico de la función circulatoria del tipo autorregresivo de media móvil (ARMA) (5), (6) y (7) sobre la señal de entrada. incorporar un modelo estocástico de la energía del pulso de presión del tipo autorregresivo de media móvil (ARMA) sobre el operador de Teager-Kaiser de la señal de entrada (8) y (9) . incorporar datos clínicos (sexo, edad, altura, Índice e masa corporal, etc.) y funciones de éstos. incorporar un sistema de estimación de funciones basado en Λrandom forests' (3) .
2.- SISTEMA Y APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según la reivindicación anterior, CARACTERIZADO porque la entrada al sistema estimador de funciones (3) consiste en un vector de longitud fija incluyendo los modelos anteriores e información del sujeto (sexo, edad, altura, peso, índice de masa corporal, ritmo cardíaco, coherencia cardíaca, pasos por cero de la señal de entrada pre-procesada y variabilidad de los pasos por cero de la señal de entrada pre- procesada) .
3.- SISTEMA Y APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque la señal de entrada del sistema es una onda pletismográfica preprocesada obtenida de forma óptica, mecánica o acústica.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
4.- SISTEMA Y APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque la onda pletismográfica se ha obtenido mediante un pulsi-oximetro digital.
5.- SISTEMA Y APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque las funciones a estimar en (3) son los parámetros básicos (SBP, DBP y MAP) y combinaciones lineales de éstos para bajar el error de estimación en (3).
6.- SISTEMA Y APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque incorpora un sistema de postprocesado (4), que realiza la media de las estimaciones del sistema (3) para bajar el error sistemático y la variancia de los parámetros estimados (SBP, DBP y MAP) .
7.- SISTEMA Y APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque el sistema para la estimación de la SBP, DBP y MAP es implementado mediante dispositivos DSP, por ejemplo, mediante microcontroladores de tipo FPGA.
8.- APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según la reivindicación 1, CARACTERIZADO por estar formado por un dispositivo manual que incorpora cuando menos una sonda acústica, mecánica y/o óptica,
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) disponiendo en su interior de un sistema de procesado de datos, por medio de una CPU, encaminado a reducir la variancia de los parámetros estimados (SBP, DBP, MAP) .
9.- APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según la reivindicación anterior, CARACTERIZADO porque dicha CPU está implementada mediante dispositivos DSP, FPGA o microcontroladores .
10.- APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones 6 a 8, CARACTERIZADO porque dispone de memoria de almacenamiento, por ejemplo de tipo flash.
11.- APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones 6 a 9, CARACTERIZADO porque dispone de medios de conexión exterior a un PC, por ejemplo mediante un puerto serie, Bluetooth o USB (12), y/o medios de conexión a una red, por ejemplo mediante Ethernet, WIFI, Zigbee o UWB.
12.- APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones 6 a 10, CARACTERIZADO por incorporar una pantalla de visualización de datos.
13.- APARATO PARA LA MEDICIÓN NO INVASIVA DE LA PRESIÓN ARTERIAL, según las reivindicaciones 6 a 11, CARACTERIZADO por incluir pulsadores de control, baterías y/o conexión a una fuente de alimentación exterior.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
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