Entwicklung eines Hybridverfahrens zur nichtinvasiven Bestimmung des Blutdrucks mit UWB-Radar (Ultra wideband) und Ultraschall

Laufzeit: 01.06.2018 - 31.05.2020
Leitung: Prof. Dr.-Ing Horst Hellbrück
Mitarbeiter: Dipl.-Ing. (FH) Gunther Ardelt
   

Hintergrund

Seit der Freigabe der UWB-Technik durch die Federal Communications Commission im Jahr 2002 entstand eine Reihe von Applikationen im medizinischen Bereich. Ultraschall findet bereits Anwendung in der Medizin und hat sich in nahezu allen medizinischen Bereichen, so auch der Gefäßdiagnostik, etabliert.

Die medizinischen Applikationen von UWB-Systemen unterteilen sich in die Bereiche Detektion von Vitalparametern sowie Bildgebung. Es werden reflexionsbasierte Radarsysteme eingesetzt, die die Grenzflächenreflexionen einzelner Gewebeübergänge detektieren. So kann etwa die Durchmesseränderung der Aorta detektiert werden, deren herzschlagbasierte Durchmesseränderung in der Größenordnung von einigen 100 Mikrometern liegt.

Experimentelle Ansätze mit Ultraschall belegen, dass unter definierten Bedingungen auch eine Bestimmung des Blutdrucks in Arterien möglich ist. Mit Ultraschall werden die Dicke und Ausdehnung der Gefäßwände sowie die Flussgeschwindigkeitsprofile im Blut gemessen.

Beide Verfahren besitzen das Potential zur Messung des Blutdrucks. UWB kann hierbei eher für die dynamische Anwendung unter Belastung und Bewegung eingestuft werden, während Ultraschall bei einem ruhig liegenden Messort und niedrigen Blutdruck Vorteile bietet. Die parallele Anwendung kann in der Entwicklungsphase und Anwendung wesentliche synergistische Effekte liefern.

Ziel

Das wesentliche Ziel des Forschungsprojekts ANIPULS besteht darin, ein Verfahren zur kontinuierlichen, nichtinvasiven Detektion des arteriellen Blutdrucks auf der Basis eines kombinierten Transmissions- und Reflexionsansatzes mit elektromagnetischen Ultrabreitband-Signalen zu entwickeln. Insbesondere soll erforscht werden, wie weit über die derzeit verfügbaren Verfahren hinaus die Messgenauigkeit durch den neuartigen Ansatz gesteigert werden kann. Die Kombination als Hybridverfahren mit Ultraschall dient der Referenzierung und der Verbesserung der Messung bei hypotonen Kreislaufsituationen. Zentrale Ziele sind der Entwurf eines geeigneten Messverfahrens sowie der Aufbau eines Modells zur Auswertung der Messergebnisse. Dieser Ansatz, gestützt durch parallel erstellte Simulationsergebnisse, verfolgt das Ziel die Druckzustände im Gefäß über den gesamten klinisch relevanten Bereich zu messen. Hierbei wird im aufgebauten Modell und innerhalb des zu untersuchenden Gefäßabschnitts der Druck mit einem Referenzsystem kontinuierlich aufgezeichnet. Die Flussmessung im System und die Analyse der Änderungen der Gefäßwand durch Ultraschall liefern dabei zusätzliche Parameter zur Integration in die abschließende Validierung des Aufbaus unter Berücksichtigung eines standardisierten, statistisch abgesicherten Verfahrens. Ein weiteres Ziel ist die Erprobung des Systems an gesunden Probanden, bei einer entsprechenden Datenlage der Modelluntersuchungen.

Ansatz

Aufgrund der Anforderung, den arteriellen Blutdruck nichtinvasiv und kontinuierlich präzise messen zu können, sowie aufgrund der bislang noch unzureichenden Genauigkeit bestehender Verfahren, wird hier ein Ansatz verfolgt, der bisherige Transmissions- und Reflexionsansätze der UWB-Technik verbindet und mit Ultraschall kombiniert. Hierbei dient Ultraschall als Referenz zur mittels UWB bestimmten Gefäßwandausdehnung, und bei niedrigem Blutdruck als zusätzliche Information zur Erhöhung der Messgenauigkeit.

Veröffentlichungen


Artikel and Buchkapitel
[2018] Towards Intrinsic Molecular Communication Using Isotopic Isomerism (Gunther Ardelt, Christoph Külls, Horst Hellbrück), In Open Journal of Internet Of Things (OJIOT) RonPub, volume 4, 2018. [bib] [pdf] [abstract]
In this paper we introduce a new approach for molecular communication (MC). The proposed method uses isotopomers as symbols in a communication scenario, and we name this approach isotopic molecular communication (IMC). We propose a modulation scheme based on isotopic isomerism, where symbols are encoded via isotopes in molecules. This can be advantageous in applications where the communication has to be independent from chemical molecular concentration. Application scenarios include nano communications with isotopes in a macroscopic environment, i.e. encoding freshwater flow of rivers or drinking water utilities, or medical applications where blood carries isotopomers used for communication in a human or animal body. We simulate the capacity of communication in the sense of symbols per second and maximum symbol rate for different applications. We provide estimations for the symbol rate per distance and we demonstrate the feasibility to identify isotopes reliably. In summary, this isotopic molecular communication is a new paradigm for data transfer independent from molecular concentrations and chemical reactions, and can provide higher throughput than ordinary molecular communications.
[2016] Reflection and transmission of ultra-wideband pulses for detection of vascular pressure variation and spatial resolution within soft tissues (Martin Mackenberg, Klaas Rackebrandt, Christian Bollmeyer, Philipp Wegerich, Hartmut Gehring, Horst Hellbrück), In Biomedical Physics & Engineering Express, volume 2, 2016. [bib] [pdf] [abstract]
Ultra-wideband signals have a variety of applications. An upcoming medical application is the detection of the heart rate of patients. However, current UWB systems provide poor resolution and are only able to detect vessels with a large diameter, e.g. the aorta. The detection and quantification of vascular dilation of thinner vessels is essential to develop wearable ultra-wideband based devices for real-time detection of cardiovascular conditions of the extremities. The reflection and transmission processes of those signals within inhomogeneous bodies are complex and their prediction is challenging. In this paper, we present an experimental setup (UWB system; phantom) for the detection of vascular dilation within soft tissues. Furthermore, we suggest a theoretical simulation model for the prediction of the reflection of ultra-wideband pulses and compare these simulated predictions to results of measurements within the phantom. The results verify that we are able to identify vascular dilation within the simulation model and the experimental setup, depending on the depth of the vessel (20 mm, 40 mm, 60 mm).
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