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Gefäßsteifigkeitsmessung als Screening-Verfahren zur verbesserten Beurteilung des kardiovaskulären Risikos
Karczewski, Tina
In 2003 the ESH/ESC recommended the arterial stiffness measurement for arterial hypertension management in their guidelines for the first time. In addition to the conventional blood pressure measurement, the clinicians are advised to measure following parameters: pulse wave velocity (PWV), augmentation pressure (AugP) and central blood pressure (zBD). A change in shape of the blood pressure wave can indicate early atherosclerotic changes of the vascular walls of the elastic arteries. The evaluation of noninvasively recorded pulse wave shapes in real-time with a usable, valid, automated and independent of age operating system is at the moment an unsolved problem. In this scientific work, a new process for arterial stiffness measurement was methodically developed in three main parts:
In the first part, the pulse wave recording was realised with a blood pressure cuff at the upper arm. A data capturing system was developed and used for data collection in a heart catheter laboratory. Simultaneous pulse wave recordings noninvasively from the upper arm and invasively from the aorta ascendens were taken from 92 persons undergoing cardiac catheterisation.
This data collection of syncing pulse waves established the basis for the second part of the process development. With a systematic selection of 29 datasets a transfer function (ÜF) was determined. With this ÜF, new noninvasively recorded pulse waves from the upper arm can be converted into the individual pulse wave shapes of the respective central aortic wave (calculation of zBD). Subsequently, the process was advanced by an implementation of a Windkessel model (WKM) for pulse wave separation (WSA). The model is dimensioned for the individual examined patient with every measurement. The WKM evaluates the characteristic shape of the central pulse wave for every new patient und separates it into a forward and a reflected backward travelling wave from the vascular bed. By means of those pulse wave analysis (PWA) algorithms, the other parameters of arterial stiffness are determined.
In the last part, the procedure was examined for reproducibility and repeatability with 20 different test datasets. Besides, the results of the developed algorithms were retrospectively compared with the original results from the heart catheter laboratory. Furthermore, the new measurement technique was compared with gold-standard measurements with SphygmoCor (Co. Atcor Medical).
The retrospective Bland-Altman-analysis showed a good agreement of the new arterial stiffness determining algorithms with the standard procedures. The correlation with the invasively measured blood pressure was r = 0.89 (P = 99 %). The mean difference for PWV-determination in comparison with SphygmoCor was 0.09 m/s (SD 1.6 m/s).
This work presents the results of the development of a new blood pressure device advanced with a function for arterial stiffness measurement. The developed algorithms proceed in real-time and were implemented in a compact measurement system. After successful market approval, the system will be usable for arterial stiffness screening in clinical practice.
Im Jahre 2003 nahm die ESH/ESC in ihre Leitlinien erstmals Empfehlungen zur Messung der Parameter der arteriellen Gefäßsteifigkeit auf. Zusätzlich zum konventionellen Blutdruck erfasst werden sollen: Pulswellengeschwindigkeit (PWV), Augmentationsdruck (AugP) und zentraler Blutdruck (zBD). Eine frühzeitige Veränderung der Pulswellenform lässt Rückschlüsse auf beginnende atherosklerotische Prozesse in den Gefäßen zu. Die benutzerfreundliche, valide, automatisierte und altersunabhängige Bewertung nichtinvasiv aufgezeichneter Pulswellen in Echtzeit stellt ein bisher noch weitgehend ungelöstes technisches Problem dar. In dieser Arbeit wurde in drei Schritten ein neues Verfahren zur Bestimmung der Parameter der arteriellen Gefäßsteifigkeit entwickelt:
Im ersten Teil wurde die Pulswellenaufzeichnung mit einer Druckmanschette am Oberarm realisiert. Mit dem aufgebauten Datenerfassungsgerät fand eine Erhebung im Herz-Katheter-Labor (HKL) an 92 Personen statt, bei der zeitgleich nichtinvasiv Pulswellen am Oberarm und invasiv in der Aorta ascendens aufgezeichnet wurden.
Diese einander zugeordneten Pulswellen waren die Grundlage für den zweiten Teil der Verfahrensentwicklung. Es erfolgte die Berechnung einer Übertragungsfunktion (ÜF) anhand von 29 systematisch ausgewählten Datensätzen. Mithilfe der entwickelten ÜF kann die individuelle zentrale Pulswelle auf Basis neu, mit Blutdruckmanschette aufgezeichneter Oberarmpulswellen berechnet und damit der zBD bestimmt werden. Anschließend wurde das Verfahren um die Anwendung eines Windkesselmodells (WKM) zur Pulswellenseparation (WSA) erweitert, welches patientenspezifisch für jede Messung dimensioniert wird. Das WKM dient zur Bewertung der charakteristischen zentralen Pulswellenform des Patienten, welche in eine hinlaufende Welle und eine im Gefäßbett reflektierte Welle zerlegt werden kann. Aus der entwickelten Pulswellenanalyse (PWA) lassen sich die o. g. Parameter der Gefäßsteifigkeit ableiten.
Im letzten Teil der Arbeit wurde das Verfahren auf Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit an 20 verschiedenen Probandendatensätzen getestet. Zudem erfolgten ein retrospektiver Vergleich der Ergebnisse des Messverfahrens mit den HKL-Testdaten, eine Verifizierung an 30 Probanden mit dem bisherigen Standardverfahren SphygmoCor (Fa. Atcor Medical) sowie eine praktische Überprüfung der gestellten Nutzungsanforderungen.
Die retrospektive Bland-Altman-Analyse zeigte eine gute Übereinstimmung der durch das neue Verfahren bestimmten Parameterberechnungen mit den Standardverfahren. Die Korrelation zum invasiv gemessenen zentralen Blutdruck betrug r = 0,89 (P = 99 %). Die mittlere Abweichung für die Bestimmung der PWV im Vergleich zu SphygmoCor betrug 0,09 m/s (SD 1,6 m/s).
Im Ergebnis der vorliegenden Arbeit entstand ein Messverfahren, welches die Parameter der arteriellen Gefäßsteifigkeit in Echtzeit unmittelbar im Anschluss an die Blutdruckmessung anzeigt. Das Verfahren ist in einem kompakten Messsystem implementiert und kann zukünftig nach erfolgreicher Zulassung als Screening-Gerät in der klinischen Anwendung genutzt werden.
