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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9311 (2023) Citare questo articolo

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Recentemente, diversi studi hanno proposto metodi per misurare la pressione sanguigna (BP) senza cuffia utilizzando i segnali del fotopletismogramma delle dita (PPG). Questo studio presenta un nuovo sistema di stima della pressione arteriosa che misura i segnali PPG sotto pressione progressiva del dito, rendendo il sistema relativamente robusto agli errori causati dalla posizione del dito quando si utilizza il metodo oscillometrico senza cuffia. Per ridurre gli errori causati dalla posizione delle dita, abbiamo sviluppato un sensore in grado di misurare simultaneamente il PPG multicanale e forzare i segnali in un ampio campo visivo (FOV). Proponiamo un algoritmo basato sul deep learning che può imparare a concentrarsi sul canale PPG ottimale dal PPG multicanale utilizzando un meccanismo di attenzione. Gli errori (ME ± STD) del sistema multicanale proposto erano 0,43 ± 9,35 mmHg e 0,21 ± 7,72 mmHg per SBP e DBP, rispettivamente. Attraverso esperimenti approfonditi, abbiamo riscontrato una differenza significativa nelle prestazioni a seconda della posizione della misurazione PPG nel sistema di stima della PA utilizzando la pressione delle dita.

Il metodo di misurazione della pressione sanguigna (PA) più accurato prevede l'uso di un catetere medico1, in cui la pressione viene misurata direttamente inserendo un catetere in un'arteria. Questo metodo è adatto per l'osservazione a lungo termine delle variazioni della pressione arteriosa nei pazienti ricoverati nell'unità di terapia intensiva (ICU). Tuttavia, esiste il rischio di infezione a causa della sua natura invasiva2. I metodi di misurazione della pressione arteriosa non invasiva comprendono metodi con bracciale3 e senza bracciale. I metodi di misurazione della pressione arteriosa basati sul bracciale utilizzano uno sfigmomanometro elettronico e sono ampiamente accettati come il gold standard perché possono raggiungere una precisione relativamente elevata. Inoltre, gli utenti possono facilmente misurare la PA a casa senza l’aiuto del personale medico4. Tuttavia, vi sono degli svantaggi in quanto l'utente si sente a disagio a causa della pressione applicata. Inoltre, uno sfigmomanometro elettronico non è facilmente trasportabile.

Recentemente, diversi studi hanno proposto metodi di misurazione della PA senza cuffia5,6, in cui la PA viene prevista utilizzando vari segnali biomedici, come il fotopletismogramma (PPG) e l'elettrocardiogramma (ECG). Il tempo di transito dell'impulso (PTT) o il tempo di arrivo dell'impulso (PAT) possono essere calcolati utilizzando i segnali PPG ed ECG misurati simultaneamente5. Vengono calcolati utilizzando la differenza temporale tra i picchi dei due segnali misurati dal sensore in due punti diversi dell'arteria. Sebbene diversi studi abbiano utilizzato la correlazione tra PTT o PAT e BP6,7 per la previsione della BP, questi non sono adatti per dispositivi mobili come smartphone o orologi intelligenti perché richiedono due sensori in posizioni diverse per misurare sia i segnali PPG che quelli ECG. Un metodo per superare questo svantaggio è prevedere la pressione arteriosa utilizzando l'analisi dell'onda di polso (PWA) dai segnali PPG. Un segnale PPG è un segnale periodico di onde di polso correlato al sistema cardiovascolare. Pertanto, alcuni ricercatori hanno estratto caratteristiche ingegneristiche come l’altezza e la larghezza all’interno dell’onda del polso e le hanno utilizzate per prevedere la BP8. Tuttavia, l’estrazione di caratteristiche ingegneristiche accurate è impegnativa perché le caratteristiche del sistema cardiovascolare differiscono da persona a persona a causa di fattori quali l’età, la malattia e i farmaci somministrati9.

Recentemente, Mukkamala et al. hanno proposto la misurazione della pressione arteriosa su uno smartphone utilizzando il metodo della pressione delle dita10, che stima la pressione arteriosa utilizzando la variazione dell'involucro PPG durante la costrizione dei vasi sanguigni causata da un aumento graduale della pressione delle dita sul sensore PPG. Tuttavia, poiché il sensore utilizza un PPG a canale singolo, la precisione della previsione della pressione arteriosa può essere influenzata in modo significativo dalla posizione del dito sul sensore PPG.

In questo studio, proponiamo un nuovo approccio alla stima della PA senza cuffia. I contributi di questo studio comprendono due aspetti principali. Innanzitutto, abbiamo sviluppato un sensore in grado di acquisire segnali PPG multicanale con diverse lunghezze d'onda utilizzando un metodo di pressione delle dita simile a quello utilizzato da Mukkamala et al.10. Il sensore PPG proposto misura simultaneamente segnali PPG multicanale e un segnale di pressione del dito, mentre il polpastrello del soggetto pressurizza gradualmente il sensore per 40 s. I segnali PPG multicanale misurati e la pressione del dito rappresentano caratteristiche di pressione progressive e hanno caratteristiche simili a quelle dei segnali delle onde oscillometriche (OMW) e dei segnali di pressione del bracciale utilizzati nei metodi di misurazione della PA basati sul bracciale. Inoltre, si prevede che l'estensione multicanale nella misurazione del segnale PPG allevierà la variazione nella posizione del dito sul sensore PPG. In secondo luogo, abbiamo proposto un sistema di stima della PA basato sul deep learning utilizzando PPG multicanale e segnali di pressione delle dita. Il sistema di previsione della BP proposto basato sul deep learning è composto da due parti. Innanzitutto, è stato progettato un modello basato sulla rete neurale convoluzionale (CNN), che estrae caratteristiche specifiche del canale per la stima della pressione arteriosa dal PPG multicanale e dai segnali di pressione delle dita. In secondo luogo, è stata proposta una rete di attenzione multicanale per una migliore accuratezza della stima della PA, che combinava le caratteristiche latenti ottenute dagli stimatori della PA a canale singolo per produrre una nuova caratteristica ponderata per l’attenzione. La caratteristica combinata è stata successivamente utilizzata per la stima finale della BP.