Multispectrale Speckle Plethysmografie die de oorsprong ervan in weefsel onderzoekt door temporele en morfologische kenmerken te vergelijken met klinische referenties

Achtergrond

Monitoring van hemodynamische variabelen is een hoeksteen van de moderne geneeskunde die de diagnose en analyse van veel ziekten heeft vergemakkelijkt. De belangrijkste methoden voor verschillende soorten hemodynamische monitoring die in medische omgevingen worden gebruikt, zijn elektrocardiogram (ECG), continue vingerarteriële drukmonitoren (fiAP), fotoplethysmografie (PPG) en continue golf Doppler flowmetrie. Gebrek aan continuïteit en specificiteit van weefsellocatie, evenals in sommige gevallen opdringerigheid, blijven echter beperkingen voor continue monitoring van patiënten. Bovendien falen deze systemen vaak bij het detecteren van kritieke microcirculatoire veranderingen. Tijdige detectie van ongelijkheid tussen microcirculatie en macrocirculatie kan de monitoring en diagnose van veel voorkomende ziekten zoals diabetes en perifere arteriële aandoeningen verder verbeteren, evenals dodelijke aandoeningen zoals sepsis. Het vinden van een oplossing om deze beperkingen te overwinnen kan een aanzienlijke impact hebben op de uitkomst van patiënten.

Speckle Plethysmografie (SPG) is een vorm van laser speckle contrast imaging (LSCI) toegepast op menselijk weefsel om tijd-domeinsignalen te extraheren die sterk gerelateerd zijn aan hemodynamica. SPG-technologie werd oorspronkelijk geïntroduceerd als een methode voor het monitoren van de microvasculaire bloedstroom. In eerder gepubliceerd onderzoek leek de morfologie van de signalen die door SPG werden geproduceerd echter sterk op macrovasculaire bloeddruk, wat mogelijke misvattingen over de mogelijkheden van de technologie aangaf. Gezien het potentieel van SPG om in realtime een ander perspectief te bieden op menselijke hemodynamische variabelen, werd deze technologie geselecteerd als het centrale onderwerp van dit onderzoek.

Doelstellingen van de scriptie

Het doel van deze scriptie is om te onderzoeken op welke manier SPG-technologie kan helpen om de beperkingen van huidige hemodynamische monitoringstechnologieën te overwinnen. Om het potentieel van SPG-signalen voor hemodynamische metingen te verkennen, wordt SPG vergeleken met verschillende huidige hemodynamische monitoringmethoden. SPG wordt ook vergeleken met conventionele PPG in deze scriptie omdat beide biofotonische signalen gemeenschappelijke beperkingen en gemeenschappelijke morfologische kenmerken hebben.

Het eerste doel van deze scriptie is om de nauwkeurigheid in het tijdsdomein van SPG en PPG beat-to-beat hartslag te vergelijken met de R-R piekintervallen van ECG. ECG is gekozen als referentie omdat dit het meest nauwkeurige hulpmiddel is om de elektrische activatie van het hart te meten. Terwijl eerder gepubliceerde literatuur over SPG-onderzoek werd uitgevoerd met apparaten die signalen verkregen met behulp van een vingerclip in transmissieve verlichtingsmodus, past dit onderzoek naar nauwkeurigheid in het tijdsdomein een externe camera toe in reflectieve modus (25cm afstand).

Het tweede doel is om de prestaties van SPG en PPG onder verschillende optische configuraties en golflengten te vergelijken. Het effect van transmissieve en reflectieve verlichtingsmodus op SPG- en PPG-signalen wordt vergeleken bij twee golflengten met verschillende soorten verlichting, d.w.z. coherent en incoherent. Terwijl de resultaten van de eerste twee doelstellingen informatie geven over de potentiële toepassing en optimale configuratie van SPG, moet de relatie tussen SPG-signalen en andere fysiologische variabelen (bijv. bloeddruk) nog worden onderzocht.

Het derde doel is om de morfologie en Pulse Arrival Time (PAT) van continu fiAP-signaal te vergelijken met SPG- en PPG-signalen. Voor dit doel dient het fiAP-signaal als referentie voor continue bloeddrukmeting die informatie geeft over de overeenkomsten en verschillen tussen SPG- en PPG-signalen. Een beperking van de onderzoeken die voor de eerste drie doelstellingen zijn uitgevoerd, is dat de kwaliteit van reflectieve PPG (R-PPG) signalen afgeleid van de camera-videodata niet bruikbaar is voor morfologische analyse doeleinden. Daarom wordt een klinisch referentieapparaat gebruikt om transmissieve PPG (T-PPG) te leveren.

Het vierde doel is om gelijktijdige SPG- en PPG-signalen te vergelijken die in realtime worden verkregen uit dezelfde camera-videodata, terwijl een koude pressor-test (CPT) wordt gebruikt om de perifere circulatie tijdelijk systemisch te beïnvloeden. De effecten van deze test worden onderzocht door de signaal-ruisverhouding (SNR), harmonische verhouding en pulsatiele component (AC) amplitude van PPG-, SPG- en fiAP-signalen te analyseren en onderling te vergelijken.

Materialen en methoden

Om deze doelstellingen te onderzoeken, zijn verschillende systemen ontworpen, gebouwd en geëvalueerd. In tegenstelling tot reeds bestaande SPG-systemen die transmissief en monochroom zijn, zijn dit de eerste ontwerpen die de mogelijkheid bieden voor gelijktijdige opname van reflectieve SPG (R-SPG) op twee golflengten. Het eerste systeem maakt het mogelijk om SPG en PPG op afstand te meten bij 639 nm en 850 nm met twee verschillende optische configuraties, d.w.z. transmissie en reflectie. De op afstand opgenomen camerasignalen van dit systeem worden geanalyseerd met behulp van twee parallelle analyse-algoritmes (“processing pipelines”) om zowel SPG als PPG af te leiden uit dezelfde opgenomen videogegevens. De kwaliteit van het camera-afgeleide R-PPG-signaal is echter veruit inferieur aan het camera-afgeleide R-SPG-signaal. Daarom worden hier PPG-signalen van een klinisch apparaat (voorzien van een vingerclip in transmissiemodus) gebruikt voor de vergelijking. Het tweede systeem maakte contactmeting mogelijk van gelijktijdige R-SPG en reflectieve PPG (R-PPG). Het tweede systeem produceerde tevens realtime SPG- en PPG-signalen uit de cameragegevens, verkregen uit dezelfde videodata bij 639 nm en 850 nm en maakte ook opname van ruwe gegevens mogelijk. Bovendien werden beide systemen gesynchroniseerd met PPG-, ECG- en fiAP-referentiesystemen.

Resultaten

Het onderzoek naar het eerste doel onthult dat de timing van het SPG-signaal op afstand tenminste vergelijkbaar (of mogelijk zelfs nauwkeuriger) is dan contact-PPG voor slag-tot-slag (beat-to-beat) intervalberekening wanneer vergeleken wordt met ECG R-R piekintervallen. Bovendien werd vastgesteld dat SPG, indien berekend zonder deling door de gemiddelde frame-intensiteit, aanzienlijk robuuster is tegen veranderingen in omgevingslicht dan PPG.

Het onderzoek naar het tweede doel onthult dat in tegenstelling tot PPG, dat beter presteert in transmissieve modus, SPG beter presteert in reflectieve modus, althans met laserdiodes met een laag vermogen en een korte coherentielengte. Bovendien onthulde dit onderzoek door middel van de intensiteitsdrempelgebied (ITA) methode dat SPG gemeten in transmissieve modus lijdt aan PPG-vervuiling. De signaalkwaliteitsanalyse toont verder aan dat SPG niet significant profiteert van een toename van de integratietijd, terwijl PPG dat wel doet.

Het onderzoek naar het derde doel onthult dat de golfvormmorfologie van SPG een hogere correlatie heeft met fiAP dan PPG. Bovendien vertoont de PAT van remote R-SPG vergelijkbare resultaten met de PAT van de contactvingerclip transmissieve PPG (T-PPG) referentie.

Het onderzoek naar het vierde doel onthult dat SPG consistent hogere SNR vertoont dan PPG en dat SPG minder SNR-variabiliteit vertoonde, zelfs tijdens CPT. Bij 850 nm vertonen de AC-amplitudes van SPG- en PPG-signalen beide een significante vermindering tijdens CPT, maar dit wordt niet gezien voor 639 nm. Bovendien toont de harmonische ratio-analyse significante verschillen tussen SPG en PPG, waarbij de SPG-harmonische ratio een hogere correlatie met fiAP onthult dan PPG.

Conclusies

Het werk dat in dit proefschrift is ontwikkeld, toont aan dat SPG een nauwkeurigere en robuustere methode is voor real-life situaties, met betrekking tot SNR en onderdrukking van omgevingslicht. Bovendien zijn SPG-metingen op afstand aanzienlijk gemakkelijker te bereiken dan PPG-metingen op afstand, terwijl SPG-hartslagmetingen op afstand een vergelijkbare nauwkeurigheid hebben als contact-PPG. Dit impliceert dat SPG potentieel heeft voor monitoringssituaties waarbij contact moet worden vermeden. Bovendien onthulde de ITA-methode dat huidige transmissieve SPG-systemen in principe vervuild zijn door PPG, wat aandacht verdient.

Dit onderzoek toont aan dat SPG en PPG verschillende informatie bevatten over het vaatstelsel, zelfs wanneer beide zijn afgeleid van dezelfde fotonen. Terwijl de SPG golfvorm meer gerelateerd is aan bloeddruk- en stroompulsaties dan PPG, lijkt deze minder gerelateerd aan bloedvolumepulsaties. Bovendien deelt SPG gemeenschappelijke kenmerken met continue bloeddrukmetingen. Dit is een indicatie dat SPG potentieel zou kunnen hebben voor niet-invasieve bloeddrukmeting.

De twee onderzochte golflengten vertonen verschillen die kunnen worden veroorzaakt door variaties in penetratiediepte, maar er moeten meer golflengten worden onderzocht om verdere conclusies te trekken. Hypothetisch zou golflengte-multiplexing een methode kunnen zijn om SPG-signalen van verschillende weefseldiepten te meten, wat de gelijktijdige analyse van micro- en macrocirculatie mogelijk zou kunnen maken. Naast de toevoeging van meer golflengten zouden ook andere technologieën aan het systeem kunnen worden toegevoegd om informatie te bieden die gelijktijdige multi-golflengte SPG en PPG niet kunnen detecteren.

Het onderzoek in dit proefschrift heeft aangetoond dat een compact R-SPG-systeem in staat is om gelijktijdig ook R-PPG-signalen te leveren, waardoor toekomstig werk zich zou kunnen richten op het combineren van beide parameters en dus het ‘beste van beide werelden’ te bieden.