Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen weltweit die häufigste Todesursache dar. Dabei bildet der ambulant gemessene nächtliche Blutdruck einen bedeutenden Prädiktor für das kardiovaskuläre Risiko. Bekannte Methoden zur kontinuierlichen nichtinvasiven Blutdruckmessung wie Volume Clamp und Pulse Transit Time (PTT) können jedoch den Schlaf stören und sind zudem nicht für die ambulante Anwendung durch Laien geeignet. Die Analyse des nur am Finger mit einem Pulsoximeter gemessenen Photoplethysmogramm (PPG) bildet einen vielversprechenden Ansatz zur kardiovaskulären Risiko- und wie auch zur kontinuierlichen Blutdruckbestimmung. Allerdings fehlen Validierungsstudien. Überdies können Bewegungs- und Rauschartefakte das PPG unbrauchbar machen. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen dreier Studien neuartige PPG-Analysen zur kardiovaskulären Risikostratifikation sowie zur nichtinvasiven Blutdruckbestimmung erforscht. Als Basis hierfür wurden überdies eine Artefakterkennung und eine Pulswellensegmentierung in Echtzeit entwickelt. Der Arbeit liegt die Hypothese zugrunde, dass die Morphologie der Pulswelle durch kardiovaskuläre Risikofaktoren, den Blutdruck und Artefakte beeinflusst werden und diese sich daher mit Verfahren der Mustererkennung aus der Pulswelle bestimmen lassen. Die vorliegende Arbeit beschreibt Blutdruckmessverfahren und stellt die neuen PPG-Analysen sowie den zugehörigen Validierungsprozess vor. In der ersten Studie wurde der erweiterte Autonomic-State-Indicator-Algorithmus (ASI-Algorithmus) zur kardiovaskulären Risikobestimmung mit 495 Personen validiert. Der so berechnete Risikofaktor zeigte eine signifikante Dosis-Wirkungs-Beziehung zu etablierten kardiovaskulären Risikofaktoren und fiel bei Personen mit obstruktiver Schlafapnoe erhöht aus. In der zweiten Studie wurde eine neuartige Pulswellenform-Analyse (PWF-Analyse) zur Pulswellensegmentierung und Artefakterkennung mit Aufzeichnungen von 63 Personen aus Ergometrielabor, Schlaflabor und Intensivstation validiert. Der Algorithmus erreichte im Vergleich zur Expertenauswertung eine Sensitivität von 99,5%, eine Spezifität von 91,6%, eine Präzision von 98,6% und eine Vertrauenswahrscheinlichkeit von 98,4%. In der dritten Studie wurde die Pulse Propagation Time (PPT) – definiert als die Zeit zwischen dem systolischen und dem diastolischen Peak im PPG – zur Bestimmung des Blutdrucks untersucht. Die PPT-Methode wurde anhand der Daten von 42 Personen aus einem Ergometrie- und Schlaflabor validiert. Der abgeleitete systolische Blutdruck erreichte eine signifikante Korrelation mit der Referenzblutdruckmessung von 0,89 bzw. 0,95 bei einem Mittelwert von 0,1 mmHg bzw. 0,2 mmHg und Grenzen der Übereinstimmung von -29,8 bis 30,0 mmHg bzw. -18,3 bis 18,8 mmHg. Zusammenfassend kann die Aussage getroffen werden, dass der erweitere ASI-Algorithmus zur kardiovaskulären Risikoerkennung geeignet ist und die PWF-Analyse eine verlässliche Methode zu PPG-Signalqualitätsbestimmung, Echtzeitannotierung, Datenkompression und Berechnung von Pulswellenmetriken darstellt. Weiterhin bildet die PPT-Methode eine vielversprechende Alternative zur kontinuierlichen Bestimmung des systolischen Blutdrucks. Die entwickelten PPG-Analysen eröffnen Krankenhäusern, Hausärzten und Gesundheitsdienstleistern neue Möglichkeiten zur vereinfachten ambulanten Kontrolle kardiovaskulärer Funktionen.
Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide, and measurements of nocturnal ambulatory blood pressure (BP) are an important predictor of cardiovascular risk (CR). Known methods for conducting continuous noninvasive BP measurement, such as the volume-clamp and pulse transit time (PTT) methods, can disturb sleep and are not suitable for ambulatory use by laypersons. The analysis of the photoplethysmogram (PPG), which are measured only with a pulse oximeter placed on the subject’s fingertip, is a promising approach for conducting continuous BP determination and assessing CR. However, no validation studies are currently available. Furthermore, motion and noise artifacts can render the PPG unusable. For the present work, therefore, three studies have been carried out in which novel PPG analyses are investigated for the purposes of CR stratification and noninvasive BP determination. In addition, as basis for these a real-time artifact detection and pulse waveform (PWF) segmentation was developed. The underlying hypothesis assumes that the morphology of the PWF is affected by CR factors, BP and artifacts which could be extracted from the PWF with methods of pattern recognition. This work describes BP measurement methods, presents these novel PPG analyses, and demonstrates their clinical validity. In the first study, an extended autonomic state indicator (ASI) algorithm for CR determination is validated with a sample of 495 subjects. The calculated risk score indicates a significant dose–response relationship with established CR factors that is elevated in subjects with obstructive sleep apnea. In the second study, a novel PWF analysis for pulse wave segmentation and artifact detection is validated with records from 63 subjects acquired from an ergometry laboratory, sleep laboratory, and intensive care unit. In comparison with experts’ annotations, the algorithm achieved a sensitivity of 99.5%, specificity of 91.6%, precision of 98.6%, and accuracy of 98.4%. In the third study, the measure of pulse propagation time (PPT), defined as the time between systolic and diastolic peaks in a PPG, is investigated as a means of BP determination. The PPT method is validated with records from 42 subjects acquired from an ergometry laboratory and sleep laboratory. A significant correlation is found to exist between measurements of systolic blood pressure and the reference BP measurement of 0.89 and 0.95, with bias of 0.1 mmHg and 0.2 mmHg and limits of agreement of -29.8 to 30.0 mmHg and -18.3 to 18.8 mmHg, respectively. It is therefore concluded that use of the extended ASI algorithm is appropriate for CR detection; the PWF analysis is a suitable method for determining PPG signal quality and conducting real-time annotation, data compression, and pulse wave metric calculation; and for performing continuous systolic BP determination, the PPT method provides a promising alternative to methods requiring more expensive devices, such as the volume-clamp and PTT methods. The PPG analyses developed in this work will provide hospitals, general practitioners, and healthcare providers with new, simplified possibilities for conducting ambulatory monitoring of cardiovascular functions.
