Development and characterization of a miniaturized ultrasound transceiver to measure blood pressure

Abstract

As cardiovascular diseases are one of the most prominent illnesses, a continuous, non-invasive, and comfortable monitoring of blood pressure becomes indispensable. A highly accurate wrist-worn device that derives the blood pressure curve from hemodynamic pulse waves could be the key for telemonitoring anatomical and functional information about arterial health. The use of ultrasound technology holds great promise as a method of measuring critical arterial parameters. The changes in the pressure waveform through the arterial tree enforce a site-specific blood pressure model and calibration. This work investigates the best method for obtaining highly accurate blood pressure values in non-invasive measurements when using an ultrasound sensor designed for use via a wrist-worn device. State-of-the-art blood pressure models were analysed and qualitatively compared. Relevant arterial parameters such as luminal area, flow velocity and pulse wave velocity, of 729 subjects were extracted from a computer-simulated database and served as input parameters for the proposed wearable ultrasound device. In the novel in-silico study, the linear model was the most accurate at the radial artery. An electronic system was designed to acquire the distending diameter of a vessel through echo tracking of the inner walls. The ultrasound echo signal was amplified and filtered, simplifying the post-processing procedure. A specific algorithm was developed to extract the diameter waveform from the ultrasound echo signal and consequent conversion to a pressure waveform. The best model for the radial artery was validated in an ex-vivo experiment, where a porcine artery, combined with a heart-like pump, and the developed electronic system (temporal sampling of 0.5 ms) were used. The ex-vivo experimental pressure measurements demonstrated the high accuracy of the linear model based on the mean arterial pressure calibration with extremely low mean error values of (0.544±2.315) mmHg. This study emphasizes the need to consider site-specific blood pressure models and calibration procedures for high accuracy measurements, while also introducing proof-of-concept of an ultrasound-based device for continuous and non-invasive measurement of blood pressure.

Actualmente, as doenças cardiovasculares são das mais proeminentes, sendo vital uma monitorização contínua da pressão arterial, acessível a todos, não invasiva e confortável. Um dispositivo de alta precisão, usado à volta do pulso, capaz de derivar a pressão arterial a partir de curvas de parâmetros arteriais hemodinâmicos, pode ser a chave para a telemonitorização de informação anatómica e funcional da saúde arterial. A utilização da tecnologia de ultrassons é muito promissora como método de medição de tais parâmetros arteriais críticos. As alterações na forma da onda de pressão ao longo da árvore arterial requerem um modelo de pressão arterial específico para cada local de medição. Este trabalho investiga o melhor método para obter valores de pressão precisos em medições não invasivas, utilizando um sensor de ultrassons incorporado num dispositivo desenhado para uso no pulso. Os modelos de pressão existentes foram analisados e comparados qualitativamente; foram extraídos parâmetros arteriais relevantes (tais como a área luminal e as velocidades do fluxo e da onda de pulso) de 729 indivíduos de uma base de dados simulada que serviram de entrada para os modelos. Neste estudo inovador in-silico, o modelo linear foi o mais preciso para a artéria radial. Foi projectado um sistema electrónico para a aquisição do diâmetro em distensão de um vaso, que toma como princípio de funcionamento o rastreio de eco das paredes internas do vaso. O sinal de eco dos ultrassons é amplificado e filtrado, simplificando o procedimento de pós-processamento; foi, igualmente, desenvolvido um algoritmo específico para extrair a forma da onda do diâmetro do vaso, a partir do sinal de eco de ultrassons, e aplicar a consequente conversão para uma curva de pressão. O melhor modelo para a artéria radial foi validado ex-vivo, na qual foi utilizada uma artéria de porco conjuntamente com o sistema electrónico desenvolvido (amostragem temporal de 0,5 ms). As medições experimentais da pressão ex-vivo comprovaram a alta precisão do modelo linear, calibrado com base na pressão arterial média, com valores de erro médio muito baixos de (0,544±2,315) mmHg. Este estudo realça a necessidade de considerar, para medições de alta precisão, modelos de pressão arterial específicos e adaptados ao local, e introduz a prova de conceito de um dispositivo baseado em ultrassons para medição contínua e não invasiva da pressão arterial.