Intracranial pressure estimation using nonlinear Kalman filtering

The intracranial hypertension is the medical name for high intracranial pressure, a condition that can be dangerous for the patient's health. This increase of intracranial pressure (ICP) may be caused by a congenital or acquired pathology (i.e. the hydrocephalus) as well as by the increasing volume of a cranial mass lesion, among others.\\\\ Considering that some of these pathologies are chronic, it is necessary to develop automatic drainage systems, so the human help is not needed (or at least reduced) in an emergency situation.\\\\ This thesis will deal with the design, implementation and improvement of an algorithm that predicts the intracranial pressure. It could be useful, for example, to able a device drain the cerebrospinal fluid (CSF) automatically when the pressure suddenly increases, common problem in Hydrocephalus patients. The cardiovascular model (R. Mondal et al.) will be used in order to emulate a patient and obtain an intracranial pressure estimation from aortic pressure measurements. Both signals will be processed with a Kalman filter variant (Unscented Kalman Filter), due to the cardiovascular model's non linearities, to obtain a prediction of the ICP.La hipertensión intracraneal (HTIC) es la condición en la que la presión intracraneal crece de manera que puede ser perjudicial para la salud del paciente. Este aumento de PIC (presión intracraneal) puede ser bien dado por una patología congénita o adquirida (como por ejemplo la hidrocefalia) como por una masa creciente fruto de una lesión craneal.\\\\ Teniendo en cuenta que algunas de estas patologías pueden ser crónicas, es necesario diseñar sistemas de drenaje automático de forma que no sea necesaria la intervención humana en caso de emergencia.\\\\ Este trabajo se centrará en diseñar e implementar un algoritmo de predicción de la presión intracraneal. Podría ser útil, por ejemplo, para hacer posible el drenaje de líquido cefalorraquídeo cuando se de un aumento espontáneo de presión, problema habitual en pacientes con Hidrocefalia. Se usará el modelo cardiovascular (R. Mondal et al.) que servirá para emular en modelo, y obtener una estimación de la PIC a partir de medidas de la presión aórtica. Ambas señales serán tratadas con una variante del filtro de Kalman (Unscented Kalman Filter), dada la no linealidad del modelo cardiovascular, para obtener una predicción de la presión intracraneal.La hipertensió intracranial (HTIC) és la condició en què la pressió intracranial creix de manera que pot ser perjudicial per a la salut del pacient. Aquest augment de PIC (pressió intracranial) pot ser tant donat per una patologia congènita o adquirida (per exemple, la hidrocefàlia) com per una massa creixent fruit d'una lesió cranial.\\\\ Tenint en compte que algunes d'aquestes patologies poden ser cròniques, és necessari dissenyar sistemes de drenatge automàtic de manera que no sigui necessària la intervenció humana en cas d'emergència. \\\\ Aquest treball es centrarà a dissenyar i implementar un algoritme de predicció de la pressió intracranial. Podria ser útil, per exemple, per fer possible el drenatge de líquid cefaloraquidi quan es doni un augment sobtat de pressió, problema habitual en pacients amb Hidrocefàlia. S'usarà el model cardiovascular (R. Mondal et al.) que servirà per emular un pacient, i obtenir una estimació de la pressió intracranial a partir de mesures de la pressió aòrtica. Ambdós senyals seran tractats amb una variant del filtre de Kalman (Unscented Kalman Filter), donada la no linearitat del model cardiovascular, per obtenir una predicció de la pressió intracranial

Investigation of the neurovascular coupling in positive and negative BOLD responses in human brain at 7T

Decreases in stimulus-dependent blood oxygenation level dependent (BOLD) signal and their underlying neurovascular origins have recently gained considerable interest. In this study a multi-echo, BOLD-corrected vascular space occupancy (VASO) functional magnetic resonance imaging (fMRI) technique was used to investigate neurovascular responses during stimuli that elicit positive and negative BOLD responses in human brain at 7 T. Stimulus-induced BOLD, cerebral blood volume (CBV), and cerebral blood flow (CBF) changes were measured and analyzed in ‘arterial’ and ‘venous’ blood compartments in macro- and microvasculature. We found that the overall interplay of mean CBV, CBF and BOLD responses is similar for tasks inducing positive and negative BOLD responses. Some aspects of the neurovascular coupling however, such as the temporal response, cortical depth dependence, and the weighting between ‘arterial’ and ‘venous’ contributions, are significantly different for the different task conditions. Namely, while for excitatory tasks the BOLD response peaks at the cortical surface, and the CBV change is similar in cortex and pial vasculature, inhibitory tasks are associated with a maximum negative BOLD response in deeper layers, with CBV showing strong constriction of surface arteries and a faster return to baseline. The different interplays of CBV, CBF and BOLD during excitatory and inhibitory responses suggests different underlying hemodynamic mechanisms

Wearable estimation of central aortic blood pressure.

Arterial hypertension affects a third of the world's population and is a significant risk factor for cardiovascular disease. Blood pressure (BP) is one of the most relevant parameters used for monitoring of possible hypertension states in patients at risk of cardiovascular disease. Hence, there exists a need for new monitoring solutions, which allow to increase the frequency between BP assessments, but also allow to reduce the level of occlusion in the attempts. Moens-Korteweg equation is among the main principles to estimate BP by dispensing of any inflatable cuff. This principle might lead to an indirect estimation of BP by measuring the time it takes the pressure pulse to propagate between two pre-established vascular points, accordingly the pulse transit time (PTT) method. This thesis proposes a wearable PTT-based method to estimate central aortic BP (CABP) and, the main milestones of this work included: proof of concept of the proposed method (pilot work), the development of a wearable device (including two stages of validation), the proposition of a miniaturized version (integrated circuit) of the analog front-end of the wearable hardware, and, the development of a novel PTT-based model (PTTBM, i.e., the mathematical relationship between measured variables and estimated BP) suitable for the proposed wearable methodology to estimate BP. The main contributions found at each milestone are presented. One of the contributions of this thesis is the use of the PTT-principle for estimating CABP instead of the peripheral BP (PBP) (as typically used in the literature). The pilot work showed the feasibility of CABP estimation from the PTT principle by using electrocardiogram (ECG) and ballistocardiogram (BCG) recordings from off-the-shelf equipment. Results showed that CABP was more correlated with the proposed methodology in comparison to all PBP variables assessed; confirming our hypothesis that the CABP is the most suitable parameter to collate through the time elapsed from ECG R-wave to the BCG J-wave. That is, considered featured time (RJ-interval) includes the time of a pulse pressure propagating at an aortic district. Bland-Altman plots showed an almost zero mean error (\u\ < 0.02mmHg) and bounded standard deviation o < 5mmHg for all systolic and mean central BP readings. Pilot work provided a landmark in order to develop a compact device that allows the integration of wireless blood pressure monitoring into a wearable system. Another contribution of this thesis is the proposition of a wearable device for PTT-computing by also including design considerations for the signal conditioning chains for ECG and BCG signals. The proposed design procedure takes care of minimizing the impact of spurious delays between physiological signals, which eventually degrade the PTT computation. Further, such a procedure could be suitable for any PTT-acquisition. Filtering with low and controlled delay is required for this biomedical application, and proposed conditioning chains provide less than 2ms group-delay, showing the effectiveness of the proposed approach. In order to provide the methodology with higher autonomy and integration, a highly miniaturized implementation of the filtering approach was also proposed. It includes the design of proposed architectures in CMOS technology to implement the particular low-delay filtering at reduced bandwidth featuring ultra-low-power characteristics. Results show that less than 2ms delay for the ECG QRS-complex can be achieved with a total current consumption of IDD = 2:1nA at VDD = 1:2V of power supply. Such development meant another significant contribution of this work in the conception of highly autonomous wearable devices for PTT acquisition. The first stage of validations on the wearable CABP estimation showed that, when considering data from one volunteer, results achieved with off-the-shelf equipment could be replicated by using a proposed wearable device, and the method could be further validated by using the wearable version. Additionally, CABP estimation from the proposed wearable device could be feasible by using three feature times (FTs) as CABP surrogates; that is, RI, RJ, and IJ intervals (from ECG and BCG wearable recordings). The first validation of the method also showed that CABP could be accurately predicted by the proposed methodology when in the order of daily calibrations are performed. The second stage of validations involved a study with a group of volunteers, and new alternatives were explored (twentyseven: nine PTTBMs along the three FTs) for the CABP estimation. We found that CABP could be accurately estimated (inside AAMI requirements) through the presented methodology by using four of the explored alternatives, whereas the RI interval, an FT lacking any PTT assessment, emerged as the best surrogate for the CABP estimation. Hence, a principle different from the traditional PTT-based method arises as a more advantageous method for the CABP estimation in the light of evidence reported in this validation, and, to our knowledge, this is the first time that CABP has been successfully estimated from a wearable device. The final significant contribution of this thesis meant the last chain-link in the process to achieve an utterly original method to estimate CABP. A novel PTTBM to estimate CABP is proposed, which uses a ow-driven two-element Windkesel network constructed from FTs extracted from the wearable recordings. When classic PTTBMs are applied, the fitting of parameters often leads to values without a physiological basis. Opposite to that in the proposed PTTBM, the parameters have a clear physiological meaning, and the parameter fitting led to values that are consistent with this meaning and more stable throughout calibrations. In conclusion, this thesis introduces a novel device that exploits an alternative and indirect method for CABP estimation. Variants of the principle used, accordingly, PTT method, have been previously explored to estimate PBP but not for central aortic BP. Additionally, the device was designed to be wearable; that is, it is attached to the clothes, causing low discomfort for the user during the measurement, thus, allowing continuous and ambulatory monitoring of aortic pressure. The developed wearable system, validated in a series of volunteers, showed promising results towards the continuous CABP monitoring.Se estima que casi un tercio de la población adulta mundial sufre de algún grado de hipertensión, siendo esto un factor de riesgo significativo para la enfermedad cardiovascular. La presión arterial (PA) es el parámetro utilizado para evaluar estos posibles estados de hipertensión; actualmente existe una necesidad de generación de nuevas tecnologías que permitan aumentar la frecuencia entre medidas de PA, pero al mismo tiempo de reducir el nivel de oclusión de éstas (técnicas aceptadas están mayoritariamente basadas en la oclusión y son de acceso limitado). El modelo Moens-Korteweg podría proveer los argumentos para la creación de nuevas técnicas para estimar la PA prescindiendo de cualquier brazalete inflable. Más específicamente, podría obtenerse una estimación indirecta de la PA a través de la medición del tiempo que tarda el pulso de presión en propagarse entre dos puntos vasculares predefinidos, método conocido como tiempo de tránsito del pulso (PTT). En la presente tesis se desarrolló un dispositivo vestible que explota este método alternativo e indirecto para la estimación de la PA pero a nivel central, es decir, busca estimar la PA en la aorta (CABP), la principal arteria de la red vascular. Para ello, los principales desarrollos de este trabajo incluyeron : prueba de concepto del método propuesto basado en PTT para estimar CABP, el desarrollo de un dispositivo vestible (incluyendo dos etapas de validaciones para la estimación de la PA), la propuesta de un circuito integrado para el hardware vestible y el desarrollo de un nuevo modelo para la estimación de la PA (PTTBM, es decir, la relación matemática que vincula las variables medidas con el hardware diseñado y la estimación de la PA). A continuación se presentan las principales contribuciones resultantes de cada frente de trabajo. Una de las contribuciones de esta tesis es el uso del principio PTT para estimar CABP en lugar de la BP periférica (PBP) (como se usa típicamente en la literatura). La prueba de concepto mostró la viabilidad de la estimación de CABP a partir del principio PTT mediante la adquisición de señales electrocardiograma (ECG) y balistocardiograma (BCG) utilizando equipos comerciales. Los resultados mostraron que CABP estaba más correlacionado con la metodología propuesta en comparación con todas las variables de PBP evaluadas; confirmando nuestra hipótesis de que la CABP sería la variable más adecuada para estimar a partir del tiempo transcurrido desde la onda R del ECG hasta la onda J del BCG. Es decir, el tiempo considerado (intervalo RJ) incluye un tiempo de propagación del pulso de presión a través de un segmento aórtico. Las gráficas de Bland-Altman mostraron un error medio casi nulo (\u\ < 0.02mmHg) y una precisión o < 5mmHg para las variables de presión sistólica y media centrales. La prueba de concepto proporcionó un hito para desarrollar un dispositivo vestible apuntando a la monitorización inalámbrica de la presión arterial en un sistema imperceptible para el usuario. Otra contribución de esta tesis es la propuesta de este dispositivo vestible para la adquisición de la PTT. El desarrollo incluye consideraciones de instrumentación necesarias para el correcto acondicionamiento de las señales ECG y BCG, de las cuales se obtiene la PTT. En particular, el procedimiento de diseño propuesto busca minimizar el impacto de los retrasos espurios entre las señales fisiológicas, que eventualmente degradan la computación de la PTT. Además, dicho procedimiento podría ser aprovechado por otros desarrolladores del método sin importar las definiciones de PTT que éstos usen. La limitación de banda con bajo retardo es necesario para esta aplicación biomédica, y el hardware de acondicionamiento propuesto proporciona menos de 2 ms de retraso en las se~nales (ECG y BCG) mientras consigue limitar sus bandas a decenas de Hz, lo que muestra la efectividad de la metodología propuesta. Adicionalmente, con el fin de proporcionar a la metodología de una mayor autonomía e integración, se propone una implementación altamente miniaturizada de la sección de filtrado con bajo retraso. Se incluye el diseño de nuevas topologías propuestas en tecnología CMOS para implementar el particular filtro de bajo retraso con reducido ancho de banda, y con características de ultra bajo consumo de potencia. El diseño integrado consigue obtener resultados similares al obtenido anteriormente (con componentes discretos) alcanzando un retraso de menos de 2 ms para el complejo QRS del ECG, pero con un consumo de IDD = 2:1 nA a un VDD = 1:2 V . Tal desarrollo significó otra contribución de este trabajo en el área de circuitos altamente autónomos para instrumentación biomédica. La primera etapa de validaciones en la estimación vestible de la CABP se basó en experimentaciones con un voluntario, mostrando que, la estimación vestible podría alcanzar los mismos resultados que los alcanzados utilizando equipos de investigación, permitiendo así avanzar en la validación del método propuesto utilizando el equipamiento vestible diseñado. Además de esto, se encontró que la estimación de CABP a partir del dispositivo vestible podría ser factible utilizando varios tiempos característicos (FT) extraídos de las señales vestibles ECG y BCG (intervalos RI, RJ e IJ) junto con un popular PTTBM. La primera validación del método también arrojó que la metodología propuesta podría estimar con precisión la CABP cuando el tiempo entre calibraciones es del orden de un día. La segunda etapa de validación implicó un estudio con un grupo de voluntarios, nuevas alternativas se exploraron esta vez (veintisiete: nueve PTTBM con tres FT) para la estimación de CABP. Descubrimos que CABP podría estimarse con precisión (dentro de los requisitos de AAMI) a través de la metodología presentada mediante el uso de cuatro de las alternativas exploradas, mientras que el intervalo RI, siendo un FT que a priori no tiene ninguna vinculación con un PTT, surge como el mejor estimador de la CABP. Se concluye entonces, que un principio diferente del método tradicional basado en PTT podría ser más ventajoso para la estimación de CABP a la luz de la evidencia encontrada en esta validación y, adicionalmente, a nuestro entender, esta es la primera vez que CABP se estima con éxito a partir de un dispositivo vestible. La contribución final de esta tesis significó el último eslabón de la cadena en el proceso de lograr un método completamente original para estimar CABP de punta a punta. Se propone un nuevo PTTBM para estimar CABP, éste es basado en una red Windkesel de dos elementos bajo una excitación de flujo. Estos elementos del PTTBM son construidos a partir de cantidades extraídas a través de procesamiento de las señales vestibles ECG y BCG. Cuando se aplican los PTTBM clásicos, el ajuste de sus parámetros (en calibración) a menudo conducen a valores sin base fisiológica, mostrando a su vez, una dispersión en sus valores a lo largo de distintas calibraciones que podrían ser inaceptables en la práctica. En contraposición, los parámetros del PTTBM propuesto convergen a cantidades con significado fisiologico claro y estable a lo largo de las calibraciones. En conclusión, esta tesis presenta un dispositivo novedoso que explota un método alternativo e indirecto para la estimación de CABP. El método propuesto es basado en la metodología de PTT, que si bien ha sido previamente explotado para estimar PBP, no se ha dirigido éste hacia el monitoreo vestible de la PA aórtica central. En este marco se desarrolla un dispositivo vestible, causando baja molestia en el usuario durante las mediciones, lo que permitiría un monitoreo continuo y ambulatorio real de la presión aórtica central. El sistema vestible desarrollado, validado en una serie de voluntarios, ha mostrado resultados prometedores hacia el monitoreo continuo de CABP

Use of the Kalman Filter for Aortic Pressure Waveform Noise Reduction

Clinical applications that require extraction and interpretation of physiological signals or waveforms are susceptible to corruption by noise or artifacts. Real-time hemodynamic monitoring systems are important for clinicians to assess the hemodynamic stability of surgical or intensive care patients by interpreting hemodynamic parameters generated by an analysis of aortic blood pressure (ABP) waveform measurements. Since hemodynamic parameter estimation algorithms often detect events and features from measured ABP waveforms to generate hemodynamic parameters, noise and artifacts integrated into ABP waveforms can severely distort the interpretation of hemodynamic parameters by hemodynamic algorithms. In this article, we propose the use of the Kalman filter and the 4-element Windkessel model with static parameters, arterial compliance C, peripheral resistance R, aortic impedance r, and the inertia of blood L, to represent aortic circulation for generating accurate estimations of ABP waveforms through noise and artifact reduction. Results show the Kalman filter could very effectively eliminate noise and generate a good estimation from the noisy ABP waveform based on the past state history. The power spectrum of the measured ABP waveform and the synthesized ABP waveform shows two similar harmonic frequencies

Ultrafast Ultrasound Imaging

Among medical imaging modalities, such as computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound imaging stands out due to its temporal resolution. Owing to the nature of medical ultrasound imaging, it has been used for not only observation of the morphology of living organs but also functional imaging, such as blood flow imaging and evaluation of the cardiac function. Ultrafast ultrasound imaging, which has recently become widely available, significantly increases the opportunities for medical functional imaging. Ultrafast ultrasound imaging typically enables imaging frame-rates of up to ten thousand frames per second (fps). Due to the extremely high temporal resolution, this enables visualization of rapid dynamic responses of biological tissues, which cannot be observed and analyzed by conventional ultrasound imaging. This Special Issue includes various studies of improvements to the performance of ultrafast ultrasoun