Optische Sensorlösung für ein nichtinvasives Blutdruckmonitoring im Ohr - Olaf Brodersen - IHK Gera
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Competence in Silicon
15. Thüringer Forschungs-
und Technologieforum
3. Zukunftskonferenz Medizin-
technik
22.5.2019, IOF Jena
Optische Sensorlösung für ein nichtinvasives
Blutdruckmonitoring im Ohr
Olaf Brodersen
Überwachung von Vitalparametern: Stand heute
Blutdruck-Monitoring typ. 24 h … 2 Wochen
Bluthochdruck als Risikofaktor für
koronare Herzkrankheit, Herzinfarkt,
Schlaganfall und arterielle
Verschlusskrankheit…
Wikipedia \ Misscurry
Langzeit EKG typ. 24 h … 1 Woche
Angina pectoris, Herzrhythmusstörungen,
Koronare Herzkrankheit…
Schlaflabor typ. 2 – 7 Nächte
Wikipedia \ Robert Lawton
Narkolepsie, Restless-Legs-Syndrom,
Schlafapnoe …
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 2
Im-Ohr-Sensor als Alternative
• Aufbau und Funktionsprinzip
Anwendungen:
• Blutdruckmonitoring
• (Herz-Kreislauf-Überwachung)
• (Schlafapnoe)
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 3
Der Im-Ohr-Sensor
Sensor Integration in Otoplastik
1 mm
Photodiode
flexible Leiterkarte
mit Lötkontakten
verspiegelte Grube
in Silizium
3D-integrierte LEDs Demonstratoren
Datenerfassung
3 frei wählbare
Wellenlängen
z.B. 525, 670
und 905 nm
Gürteleinheit Hinterohreinheit
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 4
Funktionsprinzip: Auflicht-Photoplethysmographie
Nur einige ‰ bis wenige % des Signals tragen die relevanten Informationen
Sensor erfasst den momentanen Füllstand der Blutgefäße
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 5
Wie kommt man vom PPG zum Blutdruck?
Pulsdruckwelle (suprasystolischer Drucksensor)
1,0025
Primär- &
1,002
Sekundärwelle
1,0015
Druck [arb.u.]
1,001
1,0005
1
0,9995
0,999
∆t
0,9985 Schema des
15,5 16 16,5 17 17,5 18 18,5 Blutkreislaufs
Zeit [s] beim Menschen:
rot = sauerstoff-
Pulswellengeschwindigkeit reiches Blut;
blau = sauerstoff-
… abhängig von Gefäßsteifigkeit armes Blut
… abhängig vom Blutdruck
User:Sansculotte (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Grafik_blutkreislauf.jpg), „Grafik blutkreislauf“,
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/legalcode, 17.10.2018 6
Wie kommt man vom PPG zum Blutdruck?
Pulsdruckwelle und PPG-Signal am Ohr (Tragus)
1,0025 0,025
Druck
1,002 Rücktransformation? 0,02
PPG
1,0015 0,015
Druck, PPG [arb.u.]
1,001 0,01
1,0005 0,005
1 0
0,9995 -0,005
0,999 -0,01
0,9985 -0,015 Schema des
15,5 16 16,5 17 17,5 18 18,5 Blutkreislaufs
Zeit [s] beim Menschen:
rot = sauerstoff-
reiches Blut;
blau = sauerstoff-
armes Blut
User:Sansculotte (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Grafik_blutkreislauf.jpg), „Grafik blutkreislauf“,
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/legalcode, 17.10.2018 7
Methodik
Sensor sieht Füllzustand Übertragung Druck der peripheren
der feinen Blutgefäße Arterien zu Füllung der feinen
Hautgefäßen:
Wie kommt man damit
zu Blutdruck? Vereinfachtes RC-Windkesselmodell1
RC-Kette Ueing Uausg
0,4
Ueing
Uausg Gebraucht wird aber Umkehrrechnung:
Füllstand Druck (≙ Uausg Ueing)
rel
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Einzelimpuls der Form x2exp(-x2)
t(s)
(kein komplexer Blutdruckpuls)
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 1Baulmann J, Schillings U, Rickert S, Sakir Uen, Dusing R, Illyes M, Cziraki A, Nickenig G and Mengden T, A new oscillometric method for8
assessment of arterial stiffness: comparison with tonometric and piezo-electronic methods, Journal of Hypertension 2008, 26:523–528
Methodik
Hautgefäß- „Füllwelle“
Umgekehrt kann aus MODELL PPG
dem Füllzustand Rückrechnung auf
wieder auf den „Druckwelle“
Druck rückgerechnet 0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0,4
werden 1,2 MODELL
1
• K0
0,8
0,6
1.Ableitung
RC-Kette
0,4
0,2
• K1 Σ
0,4
• K2
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Ueing -0,2
-0,4
Uausg
30
rel
0
2.Ableitung
25
20 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
15
10
0
5
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
2. Abl. der gemessenen Daten
erfordert hohe Datenqualität!
-5
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
-10
t(s)
-15
-20
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 9
Anwendung des Modells
Anwendung des Modells
auf gemessene PPG-Daten
Reale Daten
Synchrones Drucksignal
einer suprasystolischen
Armmanschette als
Referenz
2. Komponente der
Wikipedia / Sansculotte
Druckwelle aus
Reflexionsanteile an der
Bein-Verzweigung der Aorta
Zeitunterschied als Maß für
Blutdruck (analog zu nicht-
optischer Druckmessung)
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 10Erste Verifizierung
Ergebnisse 140
PATENT @Laufzeit
CiS PPG-
„Kollegen“-Versuchsreihe: 135
130
Modell
Blutdruckvariation durch
Zufuhr großer Mengen 125
Δt (ms)
Flüssigkeit (Kaffee) 120
Daten bestätigen 115
Modellansatz bei 110 κ P P0
Verwendung von nur einem 105 TPT TPT 0 e 2
Referenzpunkt
100
125 135 145 155 165
Im-Ohr-Sensor scheint geeignet syst. blood pressure (mm Hg)
zum Überwachen von Referenzpunkt: P0 = 130 mm Hg, TPT 0 = 131 ms
Blutdruckänderungen zu sein Aus [Baulmann08]: κ = 0,016 / mm Hg
[Baulmann08] Baulmann J, Schillings U, Rickert S, Sakir Uen, Dusing R, Illyes M, Cziraki A, Nickenig G and
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH Mengden T, A new oscillometric method for assessment of arterial stiffness: comparison with tonometric 11
and piezo-electronic methods, Journal of Hypertension 2008, 26:523–528Vorklinischer Test im Herzkatheterlabor (Patient 83 Jahre)
300
Ohrsensor
280
Katheter
260
Referenzpunkt
Blutdruck [mmHg]
240
220 Nitropräparat
200
180
160
140
120
0 500 1000 1500 2000 2500
Zeit [s]
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 12Kipptischversuche - Blutdruckmessungen während einer
Lageänderung
Kipptischuntersuchung
Proband waagerecht gelagert
kontrolliertes Aufrichten
Blut „versackt“ in untere
Extremitäten
Fähigkeit des Körpers zur
Blutdruckregulierung kann
untersucht werden, z.B.
Hinweise auf Synkopen
(plötzliche Bewusstlosigkeit)
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 13Kipptischversuche - Blutdruckmessungen während einer
Lageänderung
220
200 Gute qualitative Überein-
stimmung beider Systeme
Systolischer Blutdruck [mmHg]
180
160
Referenzsystem
140 Im-Ohr-Sensor
Kippvorgang
120
100
80
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
t [s]
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 14Radsporttraining
Radsporttraining
Intervallprogramm auf
Smarttrainer
Leistung wird vorgegeben
Erwärmung
4 Intervalle
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 15Alpines Skifahren
Alpines Skifahren
Liftfahrt
Abfahrt
Pause
Liftfahrt
Ergebnisse schwer
interpretierbar!
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 16Zusammenfassung
Im-Ohr-Sensor als
komfortable Alternative
für:
Monitoring von In-ear-sensor and finger oximeter records of sleep apnea event
Blutdruckänderungen
110
105
100
95
Pulse rate (bpm), SPO2 (%)
90
ear pulse rate
85
80
75 ear SPO2
70
Puls und HRV
65 finger SPO2
60
55
50
45
40
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
t (s)
SpO2 z.B. zur
Schlafüberwachung
© 2019 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH 17Teile der gezeigten
Ergebnisse wurden Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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