Non-invasive technique for endothelial dysfunction assessment using a CBP-RPPG model in healthy and non-healthy subjects
The endothelial layer, which covers the internal surface of the arteries and arterioles, plays a vital role in maintaining adequate perfusion through constantly adjusting arterial diameter to metabolic demand. This explains why endothelial dysfunction is known as an early marker of cardiovascular diseases. Flow mediated dilation (FMD) is a well-known technique to assess non-invasively the endothelial function. During FMD, blood circulation of a large artery, such as the brachial, is blocked for five minutes and then suddenly released leading to reactive hyperemia due to increase in the diameter of the tested artery. Such a change in the artery diameter can be measured using high frequency ultrasound imaging. As the FMD-ultrasound technique is remarkably operator dependent and requires a very expensive setup, it has been limited to clinical research only. The main objective of the present study is to assess the endothelial performance via a forward model between central blood pressure (CBP) and radial Photoplethysmography (RPPG). To this end, CBP, RPPG and ultrasound images of the brachial artery are non-invasively and simultaneously recorded from 93 subjects. Ultrasound images are analyzed by an automatic edge-detection software providing a precise measurement of the arterial diameter. Using a threshold of 10% dilation, subjects are categorized into normal (FMD≥10%) and impaired endothelium groups (FMD<10%). Using system identification techniques, an individual CBP-RPPG model is estimated for each subject. The fitness of the individual model's output is used as a feature for discriminating normal from unhealthy subjects. The difference between the fitness during baseline (before blockage) and after cuff release is found to be a powerful criteria with results showing 86% and 96% of sensitivity and specificity when compared to FMD-ultrasound as reference. These results support the possibility of using this PPG-based technique to assess the endothelial performance non-invasively, hence opening the way towards a practical, low-cost alternative to perform mass-screening.
Die Endothelschicht, die die innere Oberfläche der Arterien und der Arteriolen bedeckt, spielt eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung einer adäquaten Perfusion durch einen konstanten anpassenden arteriellen Durchmesser zur metabolischen Nachfrage. Dies erklärt, warum endotheliale Dysfunktion als frühzeitiger Marker von Herz-Kreislauf-Erkrankungen bekannt ist. Durchfluss-vermittelte Dilatation (FMD) ist in diesem Zusammenhang eine bekannte Technik, um die endotheliale Funktion nicht-invasiv zu bewerten. Bei FMD wird der Blutfluss einer großen Arterie getestet, indem sie zunächst für fünf Minuten blockiert und anschließend wieder geöffnet wird. Die dadurch verursachte reaktive Hyperämie durch die erweiterte Aterie kann mittels Ultraschall vermessen werden. Da die FMD-Ultraschalltechnik bemerkenswert bedienerabhängig ist und eine sehr aufwändige Einrichtung erfordert, wurde sie nur auf die klinische Forschung beschränkt. Das Ziel der vorliegenden Studie ist es, die Endotherialfunktion mittels einer Transferfunktion zwischen CBP und Photoplethysmo-graphie (RPPG) zu bewerten. Zu diesem Zweck sind CBP-, RPPG- und Ultraschallbilder der Arteria brachialis nicht-invasiv von 110 Probanden aufgenommen worden. Die Ultra-schallbilder werden durch die Verwendung einer automatischen Kantenerfassungssoftware analysiert. Bei einer Schwelle von 10% Dilatation werden die Probanden in normale (FMD> 10%) und beeinträchtigte Endothelgruppen eingestuft. Unter Verwendung von System-identifikationstechniken wird ein individuelles CBP-RPPG-Modell für jedes Individuum ermittelt. Die Fitness der einzelnen Modell-Resultate wird für die Unterscheidung von normalen von ungesunden Probanden verwendet. Der Unterschied zwischen der Fitness und der Fiteness in der Baseline (vor der Blockade) und nach der Öffnung ist signifikant verglichen mit dem FMD-Ultraschall als Referenz. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Untersuchung der Endothelfunktion durch das PPG-basierte Verfahrenauch nicht invasiv erfolgen kann und eine praktische und kostengünstigere Alternative darstellen.
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