Electrical muscle stimulation intervention in impedance-based deep vein thrombosis detection

Abstract

Deep vein thrombosis (DVT) is a condition in which a blood clot develops in the deep veins, potentially leading to life-threatening complications. To prevent these dangerous complications, it is important to diagnose and treat the condition at an early stage.

This bachelor's thesis investigates the use of interventions produced by electrical muscle stimulation (EMS) in impedance plethysmography (IPG) based DVT detection. The ability of EMS technology to accelerate blood circulation is known, but no published studies have examined its use in IPG measurements. According to the hypothesis of the study, the EMS-induced intervention in the calf would activate the calf’s venous return, causing blood to accumulate in the thigh. This could be observed in the thigh as a decrease in impedance.

To induce EMS interventions, the study used a commercial Beurer EM49 EMS device. The impedance measurements were conducted using the BIOPAC MP160 device. The measurements were performed on six test subjects. The measurements were recorded by measuring impedance for approximately three minutes. During the measurement, the EMS device was turned on for approximately 30 seconds. The graphs obtained from these measurements were studied to determine whether the EMS device could be utilized in IPG measurements.

Only about 14 % of the measurements conducted on the test subjects behaved according to the hypothesis. Factors that interfered with the measurements included, among others, the test subjects' varying sensitivity to EMS intensity and the variation in the precise placement of the EMS electrodes. The biggest obstacle to achieving measurements in line with the hypothesis was the slow stabilization of measured impedance when the test subject had laid down. This could sometimes take up to several minutes. The intervention applied by the EMS device to the calf was not strong enough to decrease impedance in such situations, and the impedance continued to rise even while the EMS device was on. Additionally, results were also obtained where the impedance behaved opposite to the assumption. In these cases, an increase was observed as a result of the EMS impulses.

Based on the results, the EMS device could induce an intervention that is visible in the data obtained from the IPG device. However, the method is unreliable and, as used in this study, is not yet suitable for detecting DVT. Intervention and change in impedance induced by EMS device was relatively small, so different sources of interference made the signal of interest hard to analyze. In possible future studies, both the intervention and the resulting impedance change should be made stronger. This would help minimize the influence of various sources of interference.

Syvä laskimotukos (SLT) on syvällä laskimoissa kehittyvä sairaus, jolla on jopa kuolemanvaarallisia komplikaatioita. Vaarallisten komplikaatioiden estämiseksi on tärkeää diagnosoida ja hoitaa tauti jo aikaisessa vaiheessa.

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan sähköisen lihasstimulaation (EMS) aikaansaaman intervention hyödyntämistä impedanssipletysmografia-mittauksessa syvien laskimotukosten diagnosoimiseksi. EMS-tekniikan kyky kiihdyttää verenkiertoa on tunnettu, mutta tämän ominaisuuden hyödyntämisestä impedanssipletysmografia-mittauksissa ei ole vielä julkaistuja tutkimuksia. Tutkimuksen hypoteesin mukaan EMS-laitteen aiheuttama interventio pohkeessa aktivoisi pohkeen laskimopaluuta, jolloin veri pakkautuisi reiteen. Tämä voitaisiin nähdä reiden impedanssin laskuna.

Verenkiertoa kiihdyttävien interventioiden aikaansaamiseksi tutkimuksessa käytettiin kaupallista Beurer EM49 laitetta. Impedanssin mittaukseen käytettiin BIOPAC MP160 laitetta. Mittauksia suoritettiin kuudella koehenkilöllä ja ne suoritettiin tallentamalla reiden impedanssia noin kolmen minuutin ajan kerrallaan. Mittauksien keskivaiheilla EMS-laite syötti pohkeeseen impulsseja noin puoli minuuttia. Näistä mittauksista saaduista kuvaajista analysoitiin, voitaisiinko EMS-laitetta hyödyntää interventioiden aiheuttamiseen impedanssipletysmografia-mittauksissa.

Koehenkilöille toteutetuista mittauksista vain noin 14 % tuki hypoteesia. Erilaisia mittauksia häiritseviä tekijöitä oli muun muassa koehenkilöiden vaihteleva herkkyys EMS-laitteen antamien impulssien voimakkuudelle, sekä laitteen elektrodien tarkkojen paikkojen vaihtuminen eri mittauskerroilla. Suurin este hypoteesia tukevien mittauksien aikaansaamiseksi oli kuitenkin impedanssin hidas tasaantuminen, kun koehenkilö kävi makaamaan sängylle. Tämä tasaantuminen saattoi kestää useita minuutteja. EMS-laitteen pohkeeseen kohdistama interventio ei ollut tarpeeksi voimakas laskemaan impedanssia tällaisessa tilanteessa, vaan impedanssi jatkoi nousemistaan laitteen syöttämistä impulsseista huolimatta. Toisaalta saatiin myös tuloksia, joissa impedanssi käyttäytyi päinvastaisesti hypoteesiin, eli se nousikin laitteen syöttämien impulssien seurauksena.

Tulosten perusteella EMS-laite pystyy aiheuttamaan intervention, joka on nähtävissä impedanssipletysmografilta saadusta datasta. Menetelmä on kuitenkin epävarma, eikä se sellaisenaan sovellu vielä syvälaskimotukosten havaitsemiseen. EMS-laitteen aiheuttama interventio ja sitä seurannut impedanssin muutos olivat pieniä. Siksi erilaisilla häiriötekijöillä oli suuri vaikutus mittauksiin. Mahdollisissa jatkotutkimuksissa interventiota ja siitä seuraavaa impedanssin muutosta pitäisi saada voimakkaammaksi. Näin erilaisten häiriöiden mittauksiin kohdistamaa vaikutus pienentyisi.