Design and implementation of novel multiparametric nonclinical cardiovascular assessment devices using only four electrodes

(English) Cardiovascular diseases remain the leading cause of adverse outcomes and healthcare burden worldwide. The development of extra-hospital cardiovascular (CV) monitoring strategies has become increasingly important, especially after the COVID-19 pandemic exposed healthcare system limitations and the need for alternative screening and monitoring approaches to reduce hospital congestion. Organizations such as the World Health Organization (WHO) highlight that nonclinical devices for cardiovascular disease (CVD) assessment improve treatment adherence, rehabilitation outcomes, survival indices, and contribute to more sustainable healthcare systems. These technologies have also attracted interest from the pharmaceutical industry, as home-based clinical trials and remote patient monitoring provide advantages over traditional trials, including improved adherence, supervision, dose control, and cohort management. Currently, most nonclinical devices rely on electrocardiogram (ECG) or photoplethysmogram (PPG). ECG provides waveform information, time intervals, heart rate (HR), and heart rate variability (HRV), but only electrical heart information. PPG provides arterial pulse wave (APW) morphology, pulse rate (PR), oxygen saturation, and sometimes blood pressure from distal measurements, but only mechanical information limited to superficial arteries. Other systems for deep artery diagnosis, such as SphygmoCor, echocardiography, and cardiac catheterization, remain restricted to clinical environments due to complexity, cost, and need for skilled personnel. Similarly, impedance plethysmogram systems such as impedance cardiography are limited to clinical use, while nonclinical impedance applications are usually restricted to single limbs. Recent advances show that impedance plethysmogram (IPG) measured between limbs can provide information about APW propagation times proximal to the aorta. This thesis presents the design and validation of a novel, easy-to-use cardiovascular assessment device based on simultaneous acquisition of ECG, multiple IPG signals (limb-to-limb and local), and ballistocardiogram (BCG) using only four electrodes in contact with hands or feet and a home weighing scale, together with algorithms to extract cardiovascular health indicators. The device provides information from time intervals between ECG and IPG signals, such as pulse arrival time (PAT), including proximal information from limb-to-limb IPG and distal information from local IPG measurements. These measurements are combined to estimate pulse transit time (PTT), related to arterial elasticity. The combination of hand-to-hand and foot-to-foot IPG PAT enables estimation of a surrogate of aortic PTT (aPTT), typically obtained from carotid–femoral PTT (cf-PTT) using tonometry, a marker associated with ageing and cardiovascular health. The device also enables respiration extraction from limb-to-limb IPG signals without additional sensors. The system was validated through measurement campaigns using reference instruments such as impedance cardiography and tonometry. The devices showed adequate signal-to-noise ratio (SNR: 41 dB and 22 dB) and acceptable CMRR (55 dB and 25 dB). Comparative studies showed good agreement with impedance plethysmography (r > 0.90). Tonometric PAT and PTT estimations agreed with IPG-derived parameters. Wrist-to-wrist IPG PAT correlated with carotid PAT (r = 0.85), and foot-to-foot IPG PAT with femoral PAT (r = 0.86). IPG-derived carotid–femoral PTT showed moderate correlation with tonometer-based cf-PTT (r = 0.67). These results validate the proposed instrumentation and methodology, demonstrating reliable extraction of clinically relevant cardiovascular timing parameters. Overall, a compact system combining ECG and limb-to-limb IPG enables acquisition of relevant proximal and distal arterial information for nonclinical cardiovascular assessment. (Català) Les malalties cardiovasculars continuen sent la principal causa de resultats adversos i càrrega sanitària a escala mundial. El desenvolupament d’estratègies de monitorització cardiovascular extrahospitalària ha esdevingut més rellevant, especialment després de la COVID-19, que va evidenciar les limitacions dels sistemes sanitaris i la necessitat d’alternatives per reduir la congestió hospitalària. Organitzacions com l’OMS destaquen que els dispositius no clínics milloren l’adherència al tractament, la rehabilitació i la supervivència, i contribueixen a sistemes més sostenibles. També han despertat interès en la indústria farmacèutica, ja que els assaigs domiciliaris i la monitorització remota ofereixen avantatges com millor adherència, supervisió i control de cohorts. Actualment, la majoria de dispositius no clínics es basen en electrocardiograma (ECG) o fotopletismograma (PPG). L’ECG aporta informació elèctrica cardíaca (forma d’ona, intervals, freqüència i variabilitat), mentre que el PPG proporciona informació mecànica (ona de pols, freqüència, saturació d’oxigen i, de vegades, pressió arterial), limitada a artèries superficials. Altres tècniques per a artèries profundes, com SphygmoCor, ecocardiografia o cateterisme, es restringeixen a l’àmbit clínic per la seva complexitat i cost. De manera similar, la pletismografia per impedància es limita sovint a ús clínic o a una sola extremitat. No obstant això, estudis recents mostren que la IPG entre extremitats pot aportar informació sobre la propagació de l’ona de pols proximal a l’aorta. Aquesta tesi presenta el disseny i validació d’un dispositiu innovador per a l’avaluació cardiovascular, basat en l’adquisició simultània d’ECG, múltiples senyals IPG i balistocardiograma (BCG), utilitzant quatre elèctrodes en mans o peus i una bàscula domèstica. Es desenvolupen algoritmes per extreure indicadors de salut cardiovascular a partir d’intervals ECG–IPG, com el temps d’arribada del pols (PAT), amb informació proximal i distal. Aquestes mesures permeten estimar el temps de trànsit del pols (PTT), relacionat amb l’elasticitat arterial. La combinació de PAT entre mans i peus permet estimar un equivalent del PTT aòrtic (aPTT), associat a l’envelliment. El sistema també permet extreure la respiració a partir de senyals IPG sense sensors addicionals. El sistema es va validar amb cardiografia per impedància i tonometria com a referència. Es van obtenir valors adequats de relació senyal-soroll i rebuig en mode comú. Els estudis comparatius van mostrar bona concordança (r > 0,90). El PAT entre canells correlaciona amb el carotidi (r = 0,85) i entre peus amb el femoral (r = 0,86). El PTT carotidi-femoral derivat d’IPG mostra correlació moderada amb el de tonometria (r = 0,67). Aquests resultats validen la metodologia proposada i demostren l’extracció fiable de paràmetres cardiovasculars rellevants. En conjunt, el sistema permet obtenir informació arterial proximal i distal per a l’avaluació cardiovascular no clínica. (Español) Las enfermedades cardiovasculares continúan siendo la principal causa de morbimortalidad y carga sanitaria a nivel mundial. La monitorización cardiovascular (CV) extrahospitalaria ha cobrado mayor relevancia, especialmente tras la pandemia de COVID-19, que evidenció las limitaciones de los sistemas sanitarios y la necesidad de soluciones alternativas para reducir la congestión hospitalaria. Organizaciones como la OMS destacan que los dispositivos no clínicos mejoran la adherencia al tratamiento, los resultados de rehabilitación y la supervivencia, contribuyendo a sistemas sanitarios más sostenibles. Asimismo, han despertado interés en la industria farmacéutica, ya que los ensayos domiciliarios y la monitorización remota permiten mejorar la adherencia, supervisión y control de cohortes. Actualmente, la mayoría de los dispositivos no clínicos se basan en electrocardiograma (ECG) o fotopletismograma (PPG). El ECG aporta información sobre la actividad eléctrica cardíaca (forma de onda, intervalos, frecuencia y variabilidad), mientras que el PPG proporciona información mecánica (morfología de la onda de pulso, frecuencia, saturación de oxígeno y, en algunos casos, presión arterial), aunque limitada a arterias superficiales. Otros métodos para evaluar arterias profundas, como SphygmoCor, ecocardiografía o cateterismo, se restringen al entorno clínico por su complejidad y coste. De forma similar, la pletismografía por impedancia se limita generalmente al uso clínico o a mediciones en una sola extremidad. Sin embargo, estudios recientes muestran que mediciones IPG entre extremidades pueden aportar información sobre la propagación de la onda de pulso proximal a la aorta. Esta tesis presenta el diseño y validación de un dispositivo sencillo para la evaluación cardiovascular basado en la adquisición simultánea de ECG, múltiples señales IPG (entre extremidades y locales) y balistocardiograma (BCG), utilizando solo cuatro electrodos en manos o pies y una báscula doméstica. Se desarrollaron algoritmos para extraer indicadores de salud cardiovascular a partir de intervalos temporales ECG–IPG, como el tiempo de llegada del pulso (PAT), que incluye información proximal y distal. A partir de estas medidas se estima el tiempo de tránsito del pulso (PTT), relacionado con la elasticidad arterial. La combinación de PAT entre manos y pies permite estimar un equivalente del PTT aórtico (aPTT), asociado al envejecimiento y al estado cardiovascular. Además, el sistema permite extraer la respiración a partir de señales IPG sin sensores adicionales. El sistema se validó mediante campañas experimentales utilizando cardiografía por impedancia y tonometría como referencia. Los dispositivos mostraron adecuada relación señal-ruido y buen rechazo en modo común. Los estudios comparativos evidenciaron alta concordancia con pletismografía por impedancia (r > 0,90). El PAT entre muñecas correlacionó con el carotídeo (r = 0,85) y el PAT entre pies con el femoral (r = 0,86). El PTT carotídeo-femoral derivado de IPG mostró correlación moderada con el obtenido por tonometría (r = 0,67). Estos resultados validan la metodología propuesta y demuestran la extracción fiable de parámetros cardiovasculares clínicamente relevantes. En conjunto, el sistema permite obtener información arterial proximal y distal para evaluación cardiovascular no clínica.