A pulse oximeter for measuring the blood oxygenation level considering the carboxyhemoglobin concentration: principles of development, computer model and accuracy assessment

The main method for estimating the level of arterial blood oxygenation is pulse oximetry, which has the advantages of being fast, simple, reliable, and non-invasive. However, in well-known pulse oximeters, oxygen saturation is determined only by hemoglobin functional fractions, which reduces the device accuracy and is unacceptable in certain clinical cases. The known pulse oximeter improvement that considers the dysfunctional fraction concentration, especially carboxyhemoglobin, when measuring the level of blood oxygenation is an actual scientific and technical task. The research subjects. Mathematical, algorithmic, and technical support of a pulse oximeter that measures blood oxygenation levels considering the carboxyhemoglobin concentration. Objective. To expand the pulse oximeter functionality to consider the concentration of carboxyhemoglobin in arterial blood. Methods. Methods of computer simulation for developing a model and estimating the pulse oximeter accuracy that measures the blood oxygenation level considering the carboxyhemoglobin concentration. Results. The theoretical statements of measuring the level of blood oxygenation considering the carboxyhemoglobin concentration and the simplest pulse oximeter structural diagram for measuring are developed. An additional LED used in the pulse oximeter is proposed, and the wavelength choice is justified on the condition of maximizing the carboxyhemoglobin contribution to the optical density of the biological object. Computer models of a traditional pulse oximeter and a pulse oximeter with an additional LED were developed, simulation research was conducted using the developed models, and the device accuracy for measuring the level of blood oxygenation was estimated considering the carboxyhemoglobin concentration. Conclusions. Simulation studies based on the developed models show that the proposed pulse oximeter, compared with the known one, allows determining and estimating a decrease in blood oxygenation caused by the carboxyhemoglobin concentration increasing in the patient’s blood. Considering that light is also absorbed by the third derivative of hemoglobin, carboxyhemoglobin, increases the accuracy of the proposed pulse oximeter in measuring functional saturation

Towards a novel single-LED pulse oximeter based on a multispectral sensor for IoT applications

International audiencePulse oximetry is one of the most commonly employed monitoring modalities in critical care setting. Conventional pulse oximeters use two leds at different wavelengths and a photodiode to estimate blood oxygen saturation noninvasively, based in the difference of absorption coefficients between hemoglobin and deoxyhemoglobin. Nevertheless, factors such as low oxygen saturations or led wavelength displacement, modify differently the expected light absorbance for both LEDs. To address this issue, we propose a novel approach combining a single led and a Buried Quad Junction photodetector, i.e. a multispectral sensor. With this fundamental modification of the pulse oximetry principle, we reduce the modifying effects introduced by the aforementioned sources of inaccuracy by using a single led. Results from in vivo measurements, show that two of the three tests of the proposed system's precision falls within the commercial tolerance of 34% SpO2

Неінвазивний моніторинг стану людини при інтоксикації монооксидом вуглецю

Велигоцький Д.В. «Неінвазивний моніторинг стану людини при інтоксикації монооксидом вуглецю». – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 «Біологічні та медичні прилади і системи». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2022. Дисертаційна робота присвячена розширенню функціональних можливостей засобів моніторингу стану людини під час інтоксикації монооксидом вуглецю (CO) шляхом неінвазивної реєстрації фізіологічних параметрів організму. У роботі розроблено метод неінвазивного моніторингу стану людини під час інтоксикації CO шляхом комплексного аналізу фізіологічних показників кровоносної та дихальної систем, що дозволило розширити функціональні можливості біомедичних інформаційновимірювальних засобів неінвазивного моніторингу. Удосконалено фотометричний метод неінвазивного визначення вмісту карбоксигемоглобіну (HbCO) та оксигемоглобіну (SaO2) в артеріальній крові шляхом додаткової генерації випромінювання та реєстрації спектрів поглинання світла на довжині хвилі =568 нм, що забезпечило селективність та дозволило підвищити точність оксигемоглобіну та достовірність моніторингу карбоксигемоглобіну. Обґрунтовано принципи аналізу фотоплетизмографічних сигналів шляхом визначення тривалості кардіоінтервалів, що дозволило визначати наявність екстрасистолії, тахікардії та брадикардії у роботі серця. У вступі наводиться обґрунтування актуальності обраної теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та основні завдання дослідження, об’єкт, предмет дослідження, зазначена наукова новизна та визначена практична цінність отриманих результатів, наведено особистий внесок автора та відомості про апробацію результатів дослідження, зазначена кількість публікацій, в яких відображено результати роботи. У першому розділі проведено інформаційні дослідження наявних новітніх методів та засобів моніторингу для стеження за показниками життєвих функцій людини під час інтоксикації шкідливими випарами. Під час аналізу наявних публікацій, виявлено підтвердження актуальної потреби в неінвазивних засобах стеження за змінами концентрації показників транспорту гемоглобінових фракцій потоками крові, в тому числі оксигемоглобіну, дезоксигемоглобіну та карбоксигемоглобіну, як важливих індикаторів і передвісників ускладнень газотранспортної функції організму поєднано з моніторингом інших життєвих функцій для виявлення інтоксикації у пацієнта. Другий розділ присвячено опису методів та засобів, які використовувалися під час виконання дисертаційної роботи. Розроблення та дослідження оптоелектронних блоків виконувались спершу на макетних платах, їх виготовлення та складання проведено власними силами і сторонніми спеціалізованими організаціями, а їх випробовування здійснювалися на власній експериментальній базі на відповідність функціонування. Для роботи використовувались різні специфічні електронні вимірювальні прилади. У третьому розділі роботи узагальнено наведено напрями наслідків можливого негативного впливу вдихуваного повітря з домішками шкідливих випарів та монооксиду вуглецю на життєві функції людини через утворення підвищеної концентрації карбоксигемоглобіну в крові. Визначено показники, які мають використовуватись для діагностування ступеню інтоксикації потерпілих від перебування в середовищах з підвищеним вмістом шкідливих випарів та CO в оточуючому середовищі під час обстеження і визначенні заходів екстреної терапії. На підставі визначених параметрів кровоносної та дихальної систем, розроблено метод та структурно-функціональну схему системи неінвазивного моніторингу стану людини під час інтоксикації CO та обґрунтовано елементну базу для створення експериментального зразка. Для реалізації розробленого методу моніторингу стану людини під час інтоксикації було створено інформаційно-вимірювальну систему (зразок приладу типу «МР-01»), яка містить модулі визначення сукупності показників системи дихання, роботи серця та гемодинаміки, параметрів транспорту газів (відносної концентрації HbCO та SaO2 в крові), артеріального тиску та терморегуляції, а також мікроконтролерний модуль їх комплексної оцінки фізіологічних показників організму під час інтоксикації, дозволила в режимі реального часу здійснювати процеси збору даних, їх передачі та прийняття рішення про наявність інтоксикації. В цьому розділі запропоновано перелік показників системи дихання, які будуть визначатись: тривалість циклу дихання, тривалість одного видиху, тривалість одного вдиху, частота дихання, об’єм видиху, об’єм вдиху та значення легеневої вентиляції за допомогою крильчато-тахометричного витратоміра. Описується розроблений апаратно-програмний модуль визначення та моніторингу сукупності показників роботи системи дихання та результати проведених досліджень на стендах визначення точності об’ємів повітря одного видиху в діапазоні від 1 до 9 л з високою лінійністю (коефіцієнт регресії R 2=0,989). Обґрунтовані принципи аналізу фотоплетизмографічних сигналів, що включають попередню обробку, визначення тривалості кардіоінтервалів за методом першої похідної, їх накопичення та порівняння з еталонними, а також графічне відображення на гістограмі розподілу, які дозволили визначати патологічні стани серця, такі як екстрасистолія, тахікардія та брадикардія. Розроблено апаратно-програмний модуль визначення та моніторингу сукупності показників транспорту газів кров’ю. Насамперед визначення значень відносної концентрації оксигемоглобіну та карбоксигемоглобіну в артеріальній крові, і концентрації СО у видихуваному та оточуючому повітрі. На підставі удосконаленого фотометричного методу розроблено алгоритми та створене програмне забезпечення «СО-Monitor», яке дозволило шляхом порівняння з результатами роботи комерційного пульсоксиметру оцінити точність визначення SaO2, а на основі дослідження двох груп добровольців з відомими значеннями рівня HbCO визначити достовірність його моніторингу. Експериментальні дослідження роботи модулю неінвазивного визначення та моніторингу вмісту HbCO та SaO2 у рухомій крові шляхом використання джерел генерації та реєстрації спектрів поглинання світла на трьох довжинах хвиль – 568 нм, 660 нм та 940 нм продемонстрували відносну похибку визначення SaO2 – 0.98% та достовірність визначення HbCO у двох груп добровольців з відомими значеннями HbCO: від 2 до 4,4% для осіб, які не палять тютюнові вироби та від 5,7 до 7,7% для тих хто палить. Для визначення значення СО було проведено калібрування розробленого модуля і отримана калібрувальна залежність з коефіцієнтом регресії R 2=0,867. Створено функціональні структури, електронні схеми та алгоритми апаратно-програмного мікроконтролерного модуля керування процесами визначення та моніторингу сукупності показників роботи функціональних систем на основі мікроконтролерної плати STM32F746G Discovery. Четвертий розділ дисертаційної роботи містить узагальнені технічні характеристики створеного зразка багатопараметричного монітору «МР-01», зорієнтованого на використання службами екстреної медичної допомоги та підвищення якості заходів зі збереження здоров’я потерпілих осіб. Наводиться його комплектність і операційні можливості для неінвазивного контролю CO у крові людини у поєднанні з синхронною реєстрацією сукупності показників зовнішнього дихання, роботи серця, параметрів транспорту газів кров’ю, температури та деяких інших показників, які важливі для діагностування стану людини з ознаками інтоксикації від дихання CO чи іншими шкідливими випарами.Velyhotskyi D.V. “Non-invasive monitoring of human condition during carbon monoxide intoxication.” – Qualified scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.11.17 "Biological and medical devices and systems". – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2021. The dissertation is devoted to expanding the functionality of means of monitoring a person's condition during carbon monoxide (CO) intoxication by means of non-invasive registration of the body's physiological parameters. The work developed a method of non-invasive monitoring of a person's condition during CO intoxication through a complex analysis of physiological indicators of the circulatory and respiratory systems, which made it possible to expand the functional capabilities of biomedical information and measurement tools for non-invasive monitoring. The photometric method of non-invasive determination of the content of carboxyhemoglobin (HbCO) and oxyhemoglobin (SaO2) in arterial blood was improved by additional generation of radiation and registration of light absorption spectra at a wavelength of =568 nm, which ensured selectivity and made it possible to increase the accuracy of oxyhemoglobin and the reliability of carboxyhemoglobin monitoring. The principles of the analysis of photoplethysmographic signals by determining the duration of cardiointervals were substantiated, which made it possible to determine the presence of extrasystole, tachycardia and bradycardia in the work of the heart. The introduction provides justification for the relevance of the chosen topic of the dissertation, formulates the purpose and main tasks of the research, the object, the subject of the research, indicates the scientific novelty and determined the practical value of the obtained results, gives the personal contribution of the author and information about the approval of the research results, the number of publications is indicated, in which the results of the work are displayed. In the first chapter, information studies of the available latest methods and means of monitoring for monitoring indicators of human vital functions during intoxication with harmful vapors were carried out. During the analysis of available publications, confirmation of the urgent need for non-invasive means of monitoring changes in the concentration of hemoglobin fraction transport indicators by blood streams, including oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin and carboxyhemoglobin, was found as important indicators and precursors of complications of the gas transport function of the body, combined with monitoring of other vital functions to identify intoxication in the patient. Publications on developments, direct analogues of the topic of this dissertation aimed at the development of technologies and means of monitoring vital functions in intoxicated CO, have not been found, although many studies and developments of individual aspects relate to this direction without detailing them, and therefore require their own research into the conditions of their reproduction and clarification of agreed modes of their functioning. The second chapter is devoted to the description of the methods and tools used during the dissertation work. The development and research of optoelectronic units was first carried out on mock-up boards, their production and assembly were carried out inhouse and by third-party specialized organizations, and their tests were carried out on our own experimental base for compliance with functioning. Various specific electronic measuring devices were used for work. The third chapter of the work summarizes the directions of the possible negative impact of inhaled air with impurities of harmful vapors and carbon monoxide on human vital functions due to the formation of an increased concentration of carboxyhemoglobin in the blood. The indicators that should be used to diagnose the degree of intoxication of victims of being in environments with an increased content of harmful vapors and CO in the surrounding environment during the examination and determination of emergency therapy measures have been determined. On the basis of the determined parameters of the circulatory and respiratory systems, a method and structural-functional scheme of the system of non-invasive monitoring of the human condition during CO intoxication was developed, and the elemental base for creating an experimental sample was substantiated. To implement the developed method of monitoring a person's condition during intoxication, an information and measurement system was created (the "MR-01" device), which contains modules for determining a set of indicators of the respiratory system, heart work and hemodynamics, parameters of gas transport (relative concentration of HbCO and SaO2 in the blood), blood pressure and thermoregulation, as well as a microcontroller module for their comprehensive assessment of the physiological indicators of the body during intoxication, allowed to carry out the processes of data collection, their transfer and decision-making about the presence of intoxication in real time. This chapter offers a list of indicators of the respiratory system that will be determined: the duration of the breathing cycle, the duration of one exhalation, the duration of one inhalation, the frequency of breathing, the volume of exhalation, the volume of inspiration and the value of pulmonary ventilation using a vane-tachometric flow meter. The developed hardware and software module for determining and monitoring a set of indicators of the respiratory system and the results of research conducted on the stands for determining the accuracy of air volumes of one exhalation in the range from 1 to 9 L with high linearity (regression coefficient R2=0.989) are described. Reasoned principles of analysis of photoplethysmographic signals, including preliminary processing, determination of the duration of cardio intervals by the method of the first derivative, their accumulation and comparison with reference ones, as well as graphic display on a distribution histogram, which allowed to determine pathological conditions of the heart, such as extrasystole, tachycardia and bradycardia. A hardware and software module for determining and monitoring a set of blood gas transport indicators has been developed. First of all, determining the values of the relative concentration of oxyhemoglobin and carboxyhemoglobin in arterial blood, and the concentration of CO in exhaled and ambient air. On the basis of the improved photometric method, algorithms were developed and the "СО-Monitor" software was created, which made it possible to assess the accuracy of SaO2 determination by comparing it with the results of a commercial pulse oximeter, and on the basis of a study of two groups of volunteers with known values of the HbCO level, to determine the reliability of its monitoring. Experimental studies of the operation of the module for non-invasive determination and monitoring of HbCO and SaO2 content in moving blood by using sources of generation and registration of light absorption spectra at three wavelengths – 568 nm, 660 nm and 940 nm demonstrated the relative error of SaO2 determination – 0.98% and the reliability of HbCO determination in two groups of volunteers with known HbCO values: from 2 to 4.4% for nonsmokers and from 5.7 to 7.7% for smokers. To determine the CO value, the developed module was calibrated and the calibration dependence with the regression coefficient R2=0.867 was obtained. The functional structures, electronic circuits and algorithms of the hardwaresoftware microcontroller module for controlling the processes of determining and monitoring a set of performance indicators of functional systems based on the STM32F746G Discovery microcontroller board have been created. The fourth chapter of the dissertation contains generalized technical characteristics of the created sample of the multi-parameter monitor "MR-01", aimed at the use of emergency medical services and improving the quality of measures to preserve the health of injured persons. It shows its completeness and operational opportunities for non-invasive CO control in human blood in combination with synchronous registration of a set of indicators: external respiration, heart function, blood transport parameters, temperature and some other indicators that are important for diagnosing a person with signs of intoxication from breathing CO or other harmful evaporation

Optically-resonant nanostructure-based systems for spectral selectivity

This thesis presents two different approaches for spectrally-selective nanostructure-based systems with their specific advantages and disadvantages; see Chapter 1 for spectrally-selective Mie-resonant metasurfaces, and Chapter 2 for nanostructure-modulated FP resonators. Furthermore, to bridge the gap between fundamental science and industry, novel fabrication techniques laser-induced tailoring and structuring of metasurfaces are presented; see Chapter 3. All things considered, this work is not intended to revolutionize optics. Still, it is written with a bit of hope to put a small step in the development of nanophotonics and its applicability in real-world applications