Software and Algorithm Development for Pulse Oximetry

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.