Blood Pressure Estimation Based on Pulse Transit Time

Abstract

High blood pressure is a global public health problem. Current methods of measuring blood pressure are mainly single and one-time measurements. However, this does not provide a general view of a person's true blood pressure level, as blood pressure varies daily and due to many factors. A possible solution that is currently being researched for continuous blood pressure measurement is blood pressure estimation based on arterial pulse transit time, which is also being investigated in this thesis.

The pulse transit time of the arterial blood pulse waveform is determined as the time difference between the arrival of the pulse waveform at two measurement sites. The pulse wave can be measured using photoplethysmography, in which the tissue is illuminated by a light source and the variation in light intensity is measured by a photodetector. This variation reflects changes in blood perfusion. A photodiode acts as a photodetector, and it generates a current proportional to the intensity of the incident light. This current is so small that it needs to be amplified by a low noise amplifier circuit before analysis. The aim of the first part of this thesis is to design and build a low noise amplifier circuit into an existing wireless body sensor network. In the preliminary tests, the lowest noise circuit type was selected from the three circuits based on the signal-to-noise ratio. This type of printed circuit board was designed to be suitable for the wireless body sensor network. In the second part, the constructed printed circuit board was tested for blood pressure measurement on 10 human subjects. Six types of pulse transit times were tested using the index finger, wrist, forehead and earlobe as measurement sites. The aim was to find suitable constants for five different models for estimating blood pressure from pulse transit time. The performance of the models was evaluated using Pearson's correlation, bias error, root mean square error and standard deviation. The ISO 81060-2 standard is used to assess the reliability of a blood pressure monitor. The limits of this standard were used to evaluate the error values obtained.

Blood pressure is typically described using two numbers, systolic and diastolic blood pressure. In this thesis, the estimation of these two blood pressures based on the models and pulse transit times was investigated. The models performed better for diastolic blood pressure than for systolic blood pressure estimation. The correlations for systolic blood pressure were mostly low or insignificant and the root mean square error values exceeded the allowed limits in short time scale measurements. These indicate that the models obtained for systolic blood pressure have poor performance at each measurement site.

For diastolic blood pressure, the correlations are highest, and the errors are smallest for finger–forehead and finger–earlobe measurements, regardless of the model. From all of the tested models, the tested non-linear model had the highest average correlations, 0.51 (p < 0.05) and 0.52 (p < 0.05), and the smallest errors. The linear, logarithmic, and inverse models were almost equally good models with average correlations of 0.41–0.48 (p < 0.05). These promising results obtained from finger and head measurement sites may enable blood pressure measurement based on pulse transit time in the future, for example between a smart ring and earphones.

Kohonnut verenpaine on maailmanlaajuinen kansanterveysongelma. Nykyiset verenpaineen mittaustavat ovat pääasiassa yksittäisiä kertamittauksia. Nämä eivät kuitenkaan anna kokonaiskuvaa henkilön verenpaineen todellisesta tasosta, koska verenpaine vaihtelee päivittäin ja monien tekijöiden vaikutuksesta. Yksi mahdollinen tutkimusvaiheessa oleva ratkaisu jatkuvaaikaiseen verenpaineen mittaukseen on pulssin kulkuaikaan perustuva verenpaineen estimointi, mitä myös tässä työssä tutkitaan.

Valtimoveren pulssiaallon kulkuaika määritetään kahden mittauskohdan välisenä aikaerona. Pulssiaaltoa voidaan mitata fotopletysmografia tekniikalla, jossa kudosta valaistaan valonlähteellä ja valon intensiteetin vaihtelua mitataan valoanturilla. Tämä vaihtelu kuvastaa veren perfuusion muutoksia. Valoanturina toimii fotodiodi, joka tuottaa tulevan valon intensiteettiin verrannollisen virran. Tämä virta on pieni ja sitä täytyy vahvistaa vähäkohinaisella vahvistinpiirillä ennen analysointia. Tässä työssä ensimmäisen osan tavoitteena on rakentaa vähäkohinainen vahvistinpiiri valmiina olevaan kehoanturiverkkoon. Esitesteissä kolmesta kytkentävaihtoehdosta valittiin signaali-kohinasuhteen perusteella vähäkohinaisin kytkentätyyppi. Tämän tyyppinen piirilevy suunniteltiin kehoanturiverkkoon sopivaksi. Toisessa osassa rakennettua piirilevyä testattiin verenpaineen mittaukseen 10 koehenkilöllä. Kuutta erilaista pulssin kulkuaikaa testattiin, kun mittauspisteinä toimivat etusormi, ranne, otsa ja korvalehti. Viidelle eri mallille pyrittiin löytämään sopivat vakiot, joiden avulla verenpainetta voitaisiin arvioida pulssin kulkuajan perusteella. Mallien toimivuutta arvioitiin Pearsonin korrelaation, systemaattisen virheen (engl. bias error), keskineliövirheen (engl. root mean square error, RMSE) ja keskihajonnan avulla. ISO 81060-2 -standardia käytettiin verenpainemittarin luotettavuuden arviointiin. Kyseisen standardin rajoja käytettiin arvioimaan saatuja virhearvoja.

Verenpainetta tyypillisesti kuvataan kahden luvun, systolisen ja diastolisen verenpaineen, avulla. Tässä työssä tutkittiin näiden kahden verenpaineen arviointia mallien ja pulssin kulkuajan perusteella. Mallit toimivat paremmin diastoliselle kuin systoliselle verenpaineelle. Systolisen verenpaineen korrelaatiot olivat pääasiassa matalia tai merkityksettömiä ja keskineliövirheen arvot ylittivät standardin sallimat virherajat lyhyen aikaskaalan mittauksissa. Nämä osoittivat, että systoliselle verenpaineelle saadut mallit eivät toimineet millään mittauspisteillä.

Diastolisen verenpaineen sormi–otsa ja sormi–korvalehti mittausten korrelaatiot ovat korkeimmat ja virheet pienimmät mallista riippumatta. Malleista epälineaarisella mallilla oli korkeimmat keskimääräiset korrelaatiot, 0,51 (p < 0.05) ja 0,52 (p < 0.05), ja virheet olivat myös pienimmät. Lineaarinen, logaritminen, ja käänteinen malli olivat melkein yhtä hyviä malleja keskimääräisten korrelaatioiden ollessa välillä 0,41–0,48 (p < 0.05). Lupaavat tulokset sormen ja pään mittauspisteillä voisivat mahdollistaa pulssin kulkuaikaan perustuvan verenpaineen mittauksen tulevaisuudessa esimerkiksi älysormukseen ja kuulokkeeseen integroitujen antureiden väliltä.