Optical fibre sensors as a non-invasive technology to the central arterial pressure assessment

Abstract

Com o presente trabalho pretendeu-se explorar soluções de fibra ótica na aquisição da onda de pulso na artéria carótida, para análise da sua morfologia e cálculo da pressão arterial central. Foram desenvolvidos três sistemas, dois baseados em redes de Bragg, gravadas em fibra de sílica, e outro em modulação de intensidade, usando fibra ótica de plástico. O primeiro sensor foi desenvolvido com o objetivo de testar a exequibilidade da utilização de fibra ótica nesta aplicação. Após resultados promissores da sua caracterização e testes em sujeitos, o desenvolvimento dos dois sensores consequentes teve por objetivo o aumento da sensibilidade e facilidade de utilização das sondas, pela melhoria da sua forma, portabilidade e autonomia. A solução baseada em intensidade mostrou-se ainda como um sistema que coligava desempenho a baixo custo, tendo por isso sido submetida a um estudo pré-clínico, comparando o seu desempenho ao de um dispositivo comercial, de natureza eletromecânica, numa pequena coorte de indivíduos saudáveis. Este estudo teve como objetivo investigar a correlação dos resultados obtidos com a sonda de fibra ótica e o dispositivo comercial. Tendo-se obtido uma correlação muito forte entre as duas técnicas, o dispositivo foi proposto para avaliação clínica. O desempenho da sonda foi assim comparado a um dispositivo comercial, numa coorte de indivíduos hipertensos. Foram também levados a cabo testes invasivos, usando como referência ondas de pressão obtidas no lúmen da artéria aorta em contexto de cateterismo cardíaco. Em ambos os estudos clínicos foram obtidos coeficientes de correlação muito fortes e diferenças de pressão média na gama obtida para dispositivos comerciais. Conclui-se assim que o dispositivo baseado em modulação de intensidade surge como uma promissora alternativa de baixo custo aos dispositivos eletromecânicos de avaliação de pressão arterial central disponíveis no mercado.

The present study aimed to explore fibre optic solutions in the acquisition of the pulse wave in the carotid artery, to its morphology analysis and central arterial pressure calculation. Three systems were developed, two based on Bragg gratings, engraved in silica fibre, and another on intensity modulation, using plastic optical fibre. The first sensor was developed in order to test the feasibility of the fibre optics use in this application. After promising results in the characterization and small tests in subjects, the development of the consequent two sensors had as main goals increasing the probes sensitivity and user-friendliness, by improving its shape, portability and autonomy. The intensity-based solution proved to be the system that best combined performance to low cost, and thus was subjected to a pre-clinical study, comparing its performance to a commercial device in a small cohort of healthy individuals. This study aimed to investigate the correlation between the results obtained with the fibre optic probe and the commercial device. Having been obtained a very strong correlation between the two techniques, the device was proposed for clinical evaluation. The probe’s performance was therefore compared to a non-invasive commercial device, in a cohort of hypertensive individuals. Invasive testing was also performed, using as reference pressure waves obtained in the lumen of the aortic artery in cardiac catheterization context. In both trials very strong correlation coefficients were obtained, as well as medium pressure differences in the range verified for commercial devices. It is concluded that the device based on intensity modulation arises as promising low cost alternative to central arterial pressure assessment electromechanical devices available in the market.