Development and performance analysis of a novel pulse oximetry measurement circuit

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Master's thesis
Date
2012
Major/Subject
Automaatiotekniikka
Mcode
AS-84
Degree programme
Language
en
Pages
[8] + 57
Series
Abstract
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 and the notion that the new front-end can be accepted if the issues identified are fixed.

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.
Description
Supervisor
Visala, Arto
Thesis advisor
Lamminmäki, Sakari
Keywords
pulse oximetry, pulssioksimetria, S<sub>P</sub>O<sub>2</sub>, S<sub>P</sub>O<sub>2</sub>, optical measurement, mittauspiiri, measurement circuit, mikrokontrolleri, microcontroller, regressioanalyysi, regression analysis, black box, system testing
Other note
Citation