Development and analysis of a continuous wavelength-dependent calibration model for pulse oximeters

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis

Authors

Date

2025-06-23

Department

Major/Subject

Complex Systems

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

58

Series

Abstract

Pulse oximeter accuracy has received growing attention in recent years due to its critical role in monitoring patient oxygen saturation and ensuring safety. Current calibration methodologies are responsible for avoidable inaccuracies, which can pose risks to all patients. In some cases, these inaccuracies disproportionately affect individuals with darker skin pigmentation, increasing concern about unequal patient safety. While various calibration models have been proposed, many fail to account for the specific wavelengths of individual LEDs—a factor that plays a key role in measurement accuracy. This thesis presents the development, evaluation, and analysis of a novel continuous wavelength-dependent calibration model for dual-wavelength pulse oximeters. The model employs a second-order surface polynomial to represent the traditional two-dimensional calibration curve as a three-dimensional surface, with wavelength introduced as an added dimension. This approach enables generation of a unique calibration curve for any LED pair. The model was developed using clinical hypoxia study data from 30 test subjects, categorized into three skin pigmentation groups with equal representation. Additionally, LED temperature measurements were performed to quantify the expected impact of thermal variations on calibration performance. The model achieved a promising overall mean bias of 0.05% and a root mean square accuracy Arms of 1.21%. Across all saturation ranges, the mean bias remained below 0.7%. The largest observed difference in mean SpO2 bias between skin pigmentation groups was 0.62% (light vs. dark) for SaO2 > 85%. Thermal effects caused by LED self-heating introduced a negative bias that became more pronounced as SaO2 decreased. This heat-induced bias remained below -0.5% for SaO2 > 70%. The calibration approach presented in this thesis shows strong potential, particularly in its adaptability to variations in LED emission wavelengths. Future work should focus on validating and refining the model using new and diverse datasets. Integrating the proposed model with modified sensor hardware could enable precise, real-time calibration adjustments during operation.

Pulssioksimetrien tarkkuus on saanut viime vuosina entistä enemmän huomiota sen keskeisen roolin vuoksi potilaan happisaturaation seurannassa ja potilasturvallisuuden varmistamisessa. Nykyiset kalibrointimenetelmät ovat osasyyllisiä vältettävissä oleviin epätarkkuuksiin, jotka voivat aiheuttaa riskejä kaikille potilaille. Joissakin tapauksissa nämä epätarkkuudet vaikuttavat suhteettoman paljon henkilöihin, joilla on tumma ihonväri, mikä lisää huolenaihetta hoidon tasavertaisuudesta. Vaikka erilaisia kalibrointimalleja on ehdotettu, monet niistä eivät ota huomioon yksittäisten LEDien tarkkoja aallonpituuksia — tekijä, joka on keskeinen mittaustarkkuuden kannalta. Tässä opinnäytetyössä esitellään uusi, jatkuva, aallonpituudesta riippuva kalibrointimalli kaksoisaallonpituuksilla toimiville pulssioksimetreille. Malli käyttää toisen asteen pintasovitusta perinteisen kaksiulotteisen kalibrointikäyrän sijaan aallonpituuden toimiessa kolmantena lisäulottuvuutena. Tämä lähestymistapa mahdollistaa yksilöllisen kalibrointikäyrän tuottamisen mille tahansa LED-parille. Malli kehitettiin kliinisen hypoksiatutkimuksen aineistolla, joka kerättiin 30 koehenkilöltä. Henkilöt jaettiin kolmeen ihon pigmenttiryhmään, ja kustakin ryhmästä oli tasapuolinen edustus aineistossa. Lisäksi suoritettiin LEDien lämpötilamittauksia lämpötilavaihteluiden odotettavissa olevan vaikutuksen arvioimiseksi kalibrointiin. Malli saavutti erittäin lupaavan keskimääräisen virheen, joka oli 0,05%, ja neliöllisen keskiarvon (Arms) 1,21%. Koko saturaatioalueella keskimääräinen virhe pysyi alle 0,7%:n. Suurin havaittu ero SpO2:n keskimääräisessä virheessä pigmenttiryhmien välillä oli 0,62% (vaalea vs. tumma) tilanteessa, jossa SaO2 > 85%. LEDien lämpenemisestä aiheutuvat lämpövaikutukset synnyttivät negatiivisen virheen, joka voimistui SaO2-arvon laskiessa. Tämä virhe pysyi alle -0,5%:n tilanteessa, jossa SaO2 > 70%.

Description

Supervisor

Holme, Petter

Thesis advisor

Lamminmäki, Sakari

Keywords

pulssioksimetria, koneoppiminen, SpO2, kalibraatio, aallonpituus, LED

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508186238

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI