Search

The aim of this thesis is to identify the main factors affecting the accuracy and performance of a pulse oximeter in ambulatory and wireless environment. The analysis was done for four different types of sensor designs which were developed by research and development department of General Electric Healthcare. The study compares the performance and accuracy of the earlier, mains current connected SpO2 sensors and the prototypes of the wireless and ambulatory SpO2 sensors. In addition to existing data measured with legacy sensors, new clinical data was collected from 15 subjects at Clinimark clinical research center in Colorado, USA. Impact of probe design to the SpO2 calibration was investigated. Due to the minor differences between sensor specific calibrations only one calibration curve was implemented for all the sensor designs. The very good accuracy results were achieved following the international standard. The same analysis was done to the legacy system and the prototype models, and the new models performed even better than the existing. Correlation between the accuracy and tissue attenuation ratio, ambient light level, oxygen saturation value, pulse strength and the used power level were investigated. Correlation was found only between the accuracy and oxygen saturation value, and the accuracy and pulse strength. Impact of three different types of patient motion to the plethysmographic signal was characterized. It was found that wrap type, firmly attached probes were less sensitive to patient motion than the loosely fitted, finger clip probes. The interference of ambient LED lighting was investigated. The challenges were acknowledged and the validity of frequency hopping method was experimented. The method was functional and the interfering light frequencies peaks could be transferred outside cardiac pulse related frequency band., Tämän diplomityön tarkoitus on tunnistaa langattoman ja kannettavan pulssioksimetrian tarkkuuteen ja suoritustehoon vaikuttavat tekijät. Analyysi tehtiin neljälle erilaiselle sensorimallille, jotka on kehitetty General Electric Healthcaren tuotekehitysosastolla Helsingissä. Tutkimus vertailee yhtiön edellistä, erkkovirtakäyttöistä pulssioksimetria uuteen langattomaan ja kannettavaan pulssioksimetriprototyyppiin. Vanhalla systeemillä kerätyn, jo olemassa olleen datan lisäksi uusilla sensoriprototyypeillä kerättiin dataa 15 koehenkilöltä. Mittaukset suoritettiin Clinimarkin kliinisessä tutkimuslaboratoriossa Coloradossa, USA:ssa. Työssä tutkittiin anturimallin vaikutusta kalibraatioon. Kalibraatio vaihteli eri mallien välillä vain vähän, joten kaikkiin malleihin päädyttiin asentamaan yksi ja sama kalibraatio. Tarkkuustesteissä ja analyysissä noudatettiin kansainvälisen standardiorganisaation vaatimuksia. Kaikki sensorit läpäisivät 2 %-yksikön tarkkuusvaatimuksen, ja sekä tarkkuus että suorituskyky paranivat vanhoihin sensorimalleihin verrattuna. Mittausdatasta etsittiin korrelaatiota mittaustarkkuuden ja kudoksen vaimennuksen, vallitsevan valon, happisaturaatioarvon, pulssin voimakkuuden ja tehonkulutuksen väliltä. Korrelaatio löytyi vain mittaustarkkuuden ja happisaturaatioarvon ja pulssin voimakkuuden väliltä. Työssä arvioitiin myös kolmen eri liikehäriötyypin vaikutusta. Kaikki liikehäiriötyypit vaikuttivat voimakkaimmin väljästi sormeen kiinnitettäviin sensoreihin. Paras liikkeensietokyky oli sensoreilla, jotka kiinnitettiin sormiin teipillä. Lisäksi tarkasteltiin LED-valaistuksen aiheuttaman häiriön suuruutta optiseen mittaukseen. Tarkastelun tuloksena ymmärrettiin ongelman laajuus, jonka jälkeen testattiin taajuushyppely-metodin toimivuutta ongelmaan. Metodi toimi ja se pystyi siirtämään häiriötaajuudet pois sydämen sykkeen mittauskaistalta.

All life, including human tissues, depends on sufficient oxygenation. Severe, irreversible cell damage can occur if oxygen supply is prohibited due to the fact that the tissues have only minimal oxygen reserves. Therefore it's essential to monitor oxygen delivery during anesthesia, critical care and other high-risk situations. Pulse oximetry is a non-invasive optical method used for continuous measurement of oxygen saturation of arterial blood. Infrared and red monochromatic light are transmitted through tissue and the transmittance measured with a photodetector - due to the fact that hemoglobin's absorption spectrum depends on if it's carrying oxygen or not, the ratio of transmittances can be used to determine the percentage of hemoglobin that is oxygenated. Additionally, the measurement can be focused on arterial blood by examining the pulsatile waveform induced by cardiac activity. The result is a good indicator of oxygen deprivation and it's been used in clinical care for decades, the devices usually having been large and static multi-parameter monitors. G E Healthcare is developing new pulse oximetry solutions for a range of applications with different power and performance requirements. The goal of this thesis was to verify that a new small pulse oximetry measurement solution reaches the strict design specifications set for it, including a very low noise level, a high dynamic range and the ability to function in an extremely low power mode. The means to this goal was to develop the software used by this novel frontend, assess the performance of the system as a whole and use regression analysis to identify possible noise sources and other defects in the signal chain. Additionally, based on the measurements, a relationship connecting various operating limits and minimum power consumption was formed. The outputs of the thesis are the new evaluation process using a black-box approach, a bug found in the receiver signal chain thanks to the aforementioned process an, Riittävä hapensaanti on elämän perusedellytys: jos se häiriintyy voi tuloksena olla vakavia, peruuttamattomia soluvaurioita, koska solujen omat happivarannot eivät ole kovin merkittävät. Siispä anestesian, tehohoidon ja muiden vakavien operaatioiden aikana on syytä tarkkailla potilaan verenkiertoelimistön hapenkuljetuskykyä. Pulssioksimetria on epäinvasiivinen optinen menetelmä valtimoveren happisaturaation jatkuvaan mittaamiseen. Kudoksen läpi lähetetään valoa kahdella eri aallonpituudella ja kunkin aallonpituuden transmittanssi mitataan valodetektorilla; transmittanssien suhteesta saadaan selville hapettuneen hemoglobiinin osuus koko hemoglobiinimaariista, sillä hemoglobiinimolekyylin absorptiospektri riippuu sen hapetustilasta. Mittaus kohdistetaan valtimovereen tarkkailemalla sydämen aikaansaamaa aaltomuotoa signaalissa. Tuloksena on mittaus, josta saadaan hyödyllistä tietoa potilaan hapetustilasta ja jonka käyttö on muodostunut sairaalastandardiksi. Mittauslaitteet ovat yleensä olleet isoja potilasmonitoreja, mutta GE Healthcare kehittää parhaillaan uusia tarkkuuspulssioksimetriaratkaisuja moniin erilaisiin tilanteisiin. Tämän diplomityön tavoite oli varmistaa, että uutta teknologiaa edustava mittausratkaisu täyttää sille asetetut tiukat määrittelyt mm. kohinatason, dynaamisen alueen ja tehonkulutuksen suhteen. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi kyseiselle mittauspiirille kirjoitettiin sulautettu ohjelmisto, mitattiin sen suorituskyky eri käyttötilanteissa sekä kokonaisuutena että tarkasteltiin yksittäisten komponenttien toimintaa regressioanalyysin avulla. Tämän lisäksi kerättyä dataa käytettiin mallintamaan systeemin suorituskyvyn ja tehonkulutuksen suhdetta. Työn tuloksena on verifiointiin käytetty uusi black box -tyyppinen evaluaatioprosessi, evaluaatiossa löydetty virhe vastaanottimen signaaliketjussa sekä päätelmä, että uusi piiri voidaan hyväksyä, kunhan löydetty virhe korjataan tyydyttävästi.

Pulssioksimetria on noninvasiivinen menetelmä valtimoveren happisaturaation jatkuvaan mittaamiseen. Koska riittävän hapetuksen varmistaminen on potilasmonitoroinnin tärkein tehtävä, pulssioksimetristä on tullut yksi sairaalaympäristön yleisimmin käytetyistä monitoreista. Menetelmä perustuu happisaturaation ominaisuuteen muuttaa veren optista absorptiospektriä. Mittauksessa johdetaan punaista ja infrapunaista valoa kudoksen läpi ja mitataan läpäisseen valon intensiteettiä kehon osan, esim. sormenpään, toiselta puolelta. Pulssioksimetrin mittaamien happisaturaatio- (SpO2) ja pulssitaajuusarvojen luotettavuudessa on ollut kuitenkin ongelmia. Pulssioksimetrin suurimpana heikkoutena on ollut mittauksen herkkyys potilaan liikkeille. Liikeartefaktojen eliminointi onkin avainasemassa tämän päivän pulssioksimetriassa. Tässä työssä kehitettiin uusi adaptiiviseen suodatinsysteemiin perustuva menetelmä parantamaan SP0_(2)- ja pulssitaajuuslaskennan luotettavuutta. Menetelmä suunniteltiin suodattamaan mittaussignaalista muut taajuudet kuin sydämen sykkeen määräämä perustaajuus ja sen toinen ja kolmas harmoninen taajuus. Menetelmä perustuu siihen, että pulssioksimetrisignaalin taajuuskaista määräytyy sydämen sykkeen mukaan, ja liikeartefaktat harvoin sotkevat yhtäaikaa kaikkia harmonisia taajuuksia. Rajoitettu laskentakapasiteetti esti kuitenkin korkeampien harmonisten taajuuksien käytön, ja testatussa prototyyppifiltterissä laskenta perustui vain sydämen sykkeen määräämään perustaajuuteen. SP0_(2)-laskennan liikeartefaktaherkkyyden vähentämiseksi sovellettiin myös Motion-D-nimistä algoritmia. Menetelmässä liikeartefaktan voimakkuutta estimoidaan lineaariseen regression ja pääkomponenttianalyysin avulla ja artefaktan vaikutusta Sp0_(2)-laskentaan kompensoidaan. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin pulssioksimetriohjelmisto Datex-Ohmedan potilasmonitorointijärjestelmän PSM-moduliin. Ohjelmistokehitysprosessi oli käyttötapauslähtöinen ja oliokeskeinen. Suunnittelussa hyödynnettiin