Software and Algorithm Development for Pulse Oximetry

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Location:
P1 Ark TF80

Authors

Date

2001

Department

Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto

Major/Subject

Lääketieteellinen tekniikka

Mcode

Tfy-99

Degree programme

Language

en

Pages

92

Series

Abstract

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 ratkaisumalleja (design patterns) ja Unified Modeling Language-notaatiota. Ohjelmisto toteutettiin ANSI C-ohjelmointikielellä. Sovelletut menetelmät ja PSM-prototyyppi testattiin, ja niitä verrattiin muihin kliinisessä käytössä oleviin menetelmiin ja monitoreihin. Testitulosten mukaan sekä prototyyppifiltteri että Motion-D paransivat SP0_(2)-mittauksen luotettavuutta vaikeiden liikeartefaktojen aikana. Prototyyppifiltteri antoi hyviä tuloksia myös pulssitaajuuden laskennassa, mutta suuret laskentakapasiteettivaatimukset estivät sen käyttöönoton kaupalliseen tuotteeseen. Motion-D valittiin PSM-prototyypin mittausalgoritmiksi sen luotettavuuden ja pienempien prosessorivaatimusten ansiosta. Toteutetun ohjelmiston lopullinen luotettavuus selviää vasta sairaalatesteissä, kun se toimii todellisessa ympäristössä ja oikeilla potilailla.

Description

Supervisor

Katila, Toivo

Thesis advisor

Rantala, Börje

Keywords

pulse oximetry, pulssioksimetri, oxygen saturation, happisaturaatio, motion artefact, liikeartefakta, object-oriented design, oliokeskeinen suunnittelu, adaptive signal processing, adaptiivinen signaalinkäsittely

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120447854

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK