Erfassung der Pulswelle am Unterarm: Optisch-transmissives Mehrkanalsensorsystem und Simulationsmodelle

335 Pages·2013·10.368 MB·German

by  Robert Couronné (auth.)

Aktuelle Forschung Medizintechnik
Editor-in-Chief:
Th. M. Buzug, Lübeck, Deutschland
Unter den Zukunft stechnologien mit hohem Innovationspotenzial ist die Medizintechnik
in Wissenschaft und Wirtschaft hervorragend aufgestellt, erzielt überdurchschnittliche
Wachstumsraten und gilt als krisensichere Branche. Wesentliche Trends der Medizin-
technik sind die Computerisierung, Miniaturisierung und Molekularisierung. Die Com-
puterisierung stellt beispielsweise die Grundlage für die medizinische Bildgebung, Bild-
verarbeitung und bildgeführte Chirurgie dar. Die Miniaturisierung spielt bei intelligenten
Implantaten, der minimalinvasiven Chirurgie, aber auch bei der Entwicklung von neuen
nanostrukturierten Materialien eine wichtige Rolle in der Medizin. Die Molekularisierung
ist unter anderem in der regenerativen Medizin, aber auch im Rahmen der sogenannten
molekularen Bildgebung ein entscheidender Aspekt. Disziplinen übergreifend sind daher
Querschnittstechnologien wie die Nano- und Mikrosystemtechnik, optische Technologien
und Soft waresysteme von großem Interesse.
Diese Schrift enreihe für herausragende Dissertationen und Habilitationsschrift en aus
dem Th emengebiet Medizintechnik spannt den Bogen vom Klinikingenieurwesen und
der M edizinischen Informatik bis hin zur Medizinischen Physik, Biomedizintechnik und
Medizinischen Ingenieurwissenschaft .
Editor-in-Chief:
Prof. Dr. Th orsten M. Buzug
Institut für Medizintechnik,
Universität zu Lübeck
Editorial Board:
Prof. Dr. Olaf Dössel Prof. Dr.-Ing. Tim C. Lüth
Institut für Biomedizinische Technik, Micro Technology
Karlsruhe Institute for Technology and Medical Device Technology,
TU München
Prof. Dr. Heinz Handels
Institut für Medizinische Informatik, Prof. Dr. Dietrich Paulus
Universität zu Lübeck Institut für Computervisualistik,
Universität Koblenz-Landau
Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger
Lehrstuhl für Bildverarbeitung, Prof. Dr. Bernhard Preim
Universität Erlangen-Nürnberg Institut für Simulation und Graphik,
Universität Magdeburg
Prof. Dr. Marc Kachelrieß
Institut für Medizinische Physik Prof. Dr.-Ing. Georg Schmitz
Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Medizintechnik,
Universität Bochum
Prof. Dr. Edmund Koch,
Klinisches Sensoring und Monitoring,
TU Dresden
Robert Couronné
E rfassung der Pulswelle
am Unterarm
Optisch-transmissives
Mehrkanals ensorsystem
und Simulationsmodelle
RESEARCH
Robert Couronné
Erlangen, Deutschland
[email protected]
Dissertation Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2011
ISBN 978-3-8348-2402-8 ISBN 978-3-8348-2403-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-8348-2403-5
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-
bibliografi e; detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de
abrufb ar.
Springer Vieweg
© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung,
die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zu-
stimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Über-
setzungen, Mikroverfi lmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen
Systemen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu
betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürft en.
Einbandentwurf: KünkelLopka GmbH, Heidelberg
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe
Springer Science+Business Media
www.springer-vieweg.de
Geleitwort des Herausgebers
DasWerk“ErfassungderPulswelleamUnterarm-Optisch-transmissivesMehr-
kanalsensorsystem und Simulationsmodelle”von Dr. Robert Couronn´e ist der
vierte Band der neuen Reihe exzellenter Dissertationen des Forschungsberei-
chesMedizintechnikimSpringerViewegVerlag.DieArbeitvonDr.Couronn´e
wurde durch einen hochrangigen wissenschaftlichen Beirat dieser Reihe aus-
gew¨ahlt. Springer Vieweg verfolgt mit dieser Reihe das Ziel, fu¨r den Bereich
Medizintechnik eine Plattform fu¨r junge Wissenschaftlerinnen und Wissen-
schaftler zur Verfu¨gung zu stellen, auf der ihre Ergebnisse schnell eine breite
O¨ffentlichkeiterreichen.
AutorinnenundAutorenvonDissertationenmitexzellentemErgebnisknnen
sichbeiInteresseaneinerVer¨offentlichungihrerArbeitindieserReihedirekt
andenHerausgeberwenden.
Prof.Dr.ThorstenM.Buzug
ReihenherausgeberMedizintechnik
Institutfu¨rMedizintechnik
Universit¨atzuLu¨beck
RatzeburgerAllee160
23562Lu¨beck
Web:www.imt.uni-luebeck.de
Email:[email protected]
Geleitwort
Die Menschen werden immer ¨alter und bleiben dabei l¨anger gesund als je zu-
vor. Ursache dafu¨r sind die Fortschritte der Medizin, nicht zuletzt auch der
technische Fortschritt in der medizinischen Bildverarbeitung, der in Erlangen
durchdieguteZusammenarbeitzwischenMedizinundTechnikzumangestreb-
tenRufals“Medizinhauptstadt”beitr¨agt.DievorgelgeteArbeitentstandam
Fraunhofer-Institut fu¨r Integrierte Schaltungen in diesem Umfeld: Sie k¨onnte
den Ansto geben zu einem neuen Ger¨at, mit dem die Menschen noch ¨alter
werdendadurch,dassHerzkreislauf-Erkrankungen,dieinEuropanochimmer
die h¨aufigste Todesursache darstellen, besser diagnostiziert und am Patienten
u¨berwachtwerdenk¨onnen.
Zugute kommt der Darstellung in U¨berblick und Breite, die mehr als ein
Jahrzehnt lange Erfahrung des Autors in der Bearbeitung von Projekten der
angewandten Forschung, welche sich in seinem interdisziplin¨aren Verst¨andnis
fu¨r Elektronik, Informatik und Medizin niederschl¨agt. Dankbar erw¨ahnt sei
hierauchdieintensiveKooperationmitderMedizin,u.a.inFormderProban-
denstudie im Universit¨atsklinikum wie auch die Kooperation mit der Physik.
Anzuerkennen ist auch das deutliche Bemu¨hen um eine anschauliche Darstel-
lung,welchesdieLektu¨redesumfangreichenInhaltserleichtert.
Prof.em.Dr.-Ing.DieterSeitzer
Erstbetreuer
Danksagung
An erster Stelle danke ich dem Leiter des Fraunhofer-Instituts, Herrn Prof.
Heinz Gerh¨auser, fu¨r die Gew¨ahrung eines Forschungs-Sabbaticals sowie ma-
terieller Unterstu¨tzung zur Fertigstellung der Arbeit. Dank gebu¨hrt in beson-
dererWeiseHerrnProfessorDieterSeitzerfu¨reinemotivierende,konstruktiv-
kritischeBetreuungundwichtigeAnregungenw¨ahrenddergesamtenBearbei-
tungszeit.
Weiter bedanken m¨ochte ich mich bei Herrn Oberarzt Dr. M. Lell, Frau
Antje Heunemann (MTA) und Herrn Prof. M. Uder, dem Leiter der Radiolo-
giedesUniversit¨atsklinikumsErlangenfu¨rdiesubstanzielleUnterstu¨tzungund
partnerschaftliche Kooperation bei der Durchfu¨hrung der MRT-PPG-Studie.
Besondere Wertsch¨atzung verdienen auch die 18 Probandinnen und Proban-
den,dieanmehrerenTerminenunentgeltlichfu¨rMessungenbereitstanden.
Was die Umsetzung des Modells fu¨r die Monte-Carlo-Simulation betrifft,
binichHerrnProf.BernhardHenselfu¨rweiterfu¨hrendeDiskussionensowiedie
Co-BetreuungstudentischerArbeitenzuDankverpflichtet.HerrnProf.Robert
Weigelgiltdieserfu¨rdieU¨bernahmedesZweitgutachtens.
Fu¨r die Unterstu¨tzung beim Aufbau der Sensorprototypen will ich Mit-
arbeitern und Studenten der Abteilung Bildverarbeitung und Medizintechnik
des Fraunhofer-Instituts fu¨r Integrierte Schaltungen herzlich danken, mit de-
ren Leitung ich von 1999-2009 betraut war. Hier m¨ochte ich Fabio Ciancitto,
RuslanRybalko,AlexanderAnufriewsowieDaonanXunamentlicherw¨ahnen.
Dr. Thomas Wittenbergs unermu¨dliche Ermutigung zur Realisierung des
ProjektsverdientebenfallsAnerkennung.
Nicht zuletzt meiner Frau, die durch groes Verst¨andnis, Entgegenkommen
und kontinuierliche Unterstu¨tzung mir den Ru¨cken freigehalten hat, bin ich
Wertsch¨atzungschuldig.FernerunserenKindernSarah,ErikundMarina,die
nichtimmermitmeinerPr¨asenzrechnenkonnten.
RobertCouronn´e
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis xi
Abstract xvii
Abku¨rzungen xxv
Symbole xxvii
1 Einleitung 1
1.1 Pr¨aventionvonHerz-Kreislauf-Erkrankungen. . . . . . . . . . . 1
1.1.1 MonitoringdesGef¨aßsystems . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 RelevanzderInformationderPW . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 LimitationenderBlutdruckmessung . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4 PW-MonitoringzurPr¨avention . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 EigenerBeitragundZiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 AufbauderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Stand der Wissenschaft und Technik 7
2.1 MedizinischeRelevanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 HistorischerHintergrundderPW-Analyse . . . . . . . . 8
2.1.2 Pr¨adiktorfu¨rGef¨aßerkrankungen . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 PhysiologiederarteriellenGef¨aßfunktion . . . . . . . . . 11
2.1.4 AnatomiedesUnterarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.5 PW-LaufzeitalsModellparameter . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.6 AlternativerAbleitortfu¨rdiePulsoximetrie . . . . . . . 22
2.1.7 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 SensorikzurPW-Erfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 DruckpulsbasierteMethoden . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Flusspuls-basierteMethoden . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Volumenpuls-basierteMethoden . . . . . . . . . . . . . 30
3 Eigener Beitrag - Idee und Realisierung 39
3.1 Forschungsziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 U¨berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
xii INHALTSVERZEICHNIS
4 Optisch-transmissives Sensorsystem 43
4.1 AufgabeundZiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2 ErstePPG-Sensor-Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.1 Prototyp“LifeStatusSensor“ . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.2 Prototyp“Wrist-Pleth-V1” . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Systemanforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1 Lichtquelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.2 Photoempf¨angerzweig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.3 Strahlenschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Mehrkanal-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.1 Systemaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4.2 Mikrocontroller-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.3 AnsteuerungderLichtquelle . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.4 PhotoelektrischerEingangszweig. . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.5 LED-PD-Kanalzuordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.6 ErmittlungderSignalpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 Einkanal-Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.5.1 ArmbandfixierbareSensorik . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.5.2 Elektronikmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.6 Labormessplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.6.1 MesstechnischesSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.6.2 Lichtquelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.6.3 Empf¨angerzweig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6.4 Messger¨ate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Bewertung von PW-Signalen 75
5.1 Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 VerfahrenzurPW-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.1 DetektionvonReferenzpunkten . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 DiediskreteWavelet-Transformation . . . . . . . . . . . 78
5.3 DatenbankmitSignalepisoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.1 KriterienderIdentifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.2 BeispielevonSignalepisoden . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4 AlgorithmuszurPW-Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5 Signalvorverarbeitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.5.1 EntfernungTrendwanderung . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5.2 Entfernungh¨oherfrequentenRauschens . . . . . . . . . . 86
5.6 Merkmalsakquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.6.1 SNRausVorverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.6.2 GFPmittelsFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.6.3 ARPmithilfePeak-DetektionundHaar-Wavelet . . . . . 91
5.6.4 KorrelationsegmentierterPulszyklen . . . . . . . . . . . 99
5.6.5 AUCsegmentierterPulszyklen . . . . . . . . . . . . . . .100
5.7 Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
5.7.1 VerfahrenzurKlassifikation . . . . . . . . . . . . . . . .102