Faisst, K.

Huch, A.

Huch, R.

König, V.

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Ein Programm zur Artefakterkennung für die Auswertung der Signale einesReflexions-Pulsoximeters zur Messung der Sauerstoffsättigung sub partuV.König, K.Faisst, R. Huch und A.HuchPerinatalphysiologische Forschungsabteilung, Klinik und Poliklinik für Geburtshilfe,Universitätsspital Zürich, CH-8091 Zürich, SchweizEINLEITUNG:Pulsoximetrie gestattet eine schnelle undnichtinvasive Bestimmung der Sauerstoffsättigung. Eingrosser Vorteil dieser Methode ist die einfacheApplikation der Mess-Sonden und der direkteMessvorgang, der keinerlei vorhergehende Kalibrations-oder Einstell-Prozesse erfordert. Nachteilig ist hingegendie Anfälligkeit der Mess-Signale auf Artefakte [1],insbesondere, wenn der Applikationsort oder der Sensorplötzlichen Bewegungen oder wechselnden Druckenausgesetzt sind. Derartige störende Bewegungsartefaktetreten allerdings weniger während Operationen und in derIntensivstation auf, als vor allem bei der Anwendungbeim ungeborenen Kind unter der Geburt, die ja einendynamischen, bewegungs-intensiven Prozess darstellt.Für Messungen der Sauerstoffsättigung unter derGeburt haben wir ein eigenes Reflexions-Pulsoximeterentwickelt und gebaut mit Sonden, Elektronik undComputerprogrammen [2]. Diese Programme dieneneinerseits zur Steuerung der Signalaumahme undBerechnung und Darstellung der Sauerstoffsättigung undHerzfrequenz während der Messung, andererseits zurnachträglichen Auswertung der Messungen.METHODE:Bei der Pulsoximetrie misst man zur Bestimmung derSauerstoffsättigung für zwei Wellenlängen rot (640 nm)und infrarot (920 nm) die Lichtintensitäten nach derAbsorption im pulsierendem Gewebe [3]: die mit derPulskurve zeitlich veränderlichen Signalen ACROT undACiR und die zeitlichen Mittelwerte DCROT und DCIR.Unsere bisherige Auswertung der Signale geschah nachdem Full-Pulse-Wave-Verfahren. Dieses beruht darauf,dass die Amplituden AACROT und AACiR der zeitlichveränderlichen Signale als Differenz der AC-Signale zurZeit der Systole und der Diastole ermittelt werden. Diezeitlichen Mittelwerte DC dienen zur Normierung derAC-Signale und machen somit die Messung unabhängigvon der primären Lichtintensität und der Absorption imnichtpulsierenden Gewebe. Aus der MessgrösseR=(AAC/DC)R O T / (AAC/DC) I Rkann dann über eine experimentelle oder theoretischeKalibrationskurve die gesuchte SauerstoffsättigungS02=f(R)berechnet werden.Treten Störungen der Mess-Signale ACROT und ACIRinfolge von Bewegungen auf, so stammen die AC-Signale nicht mehr ausschliesslich von den arteriellenPulsationen und ihre Auswertung führt zu falschen SO2-Werten. Das Auftreten derartiger Artefakte lässt sichdurch einfache Methoden schwer delektieren, da- die Frequenz der meisten Bewegungen wie diePulsfrequenz im Sekundenbereich liegt,- 'die Grosse der AC-Signale nur 0.1-1% der DC-Signale beträgt, ebenfalls die Grössenordnung vielerkurzfristig auftretender Artefakte.Zur Erkennung von Bewegungsartefakten mit dembisherigen Programm wurden vom Untersucher dieSignale während der Messung auf dem Computer-bildschirm beobachtet und die Zeiten mit gestörtenSignalen mit der Tastatur markiert, damit dieseMesszeiten von der späteren Auswertung ausgeschlossenwerden konnten. Dieses zeitaufwendige Verfahren ist nundurch die folgende Methode ersetzt worden:Für die gemessenen Grossen (AC/DC)ROT und(AC/DC)JR als unabhängige Variablen wird für allePunkte während einer Sekunde, unabhängig von derPulsfrequenz, eine Regressionsgerade berechnet. DieSteigung dieser Geraden entspricht dann der gesuchtenGrosse R. Die Abweichung der Messpunkte von dieserGeraden ist bei einer stabilen Messung relativ klein.Bewegungen des Sensors oder auf den Sensor ausgeübterDruck können die Dicke des durchstrahlten Gewebes unddie Länge des Lichtweges und somit die Absorption desLichtes ändern. Wegen der verschiedenen Aenderungender Lichtwege für ROT und IR und der verschiedenenelektronischen Zeitkonstanten für die DC- und AC-Signale kann dies zu einer grossen Abweichung von dervorher berechneten Geraden führen. Messpunkte, derenAbstand von dieser Geraden einen bestimmten Wertüberschreiten, werden deshalb von der Auswertungausgeschlossen. Sind dies in einer Sekunde mehr als einbestimmter Bruchteil, so wird diese Sekunde als artefakt-gestört erkannt und es wird kein SO2-Wert berechnet. DieBreite des Bereiches der zugelassenen Punkte wurdeexperimentell ausgewählt und wird zusätzlichproportional zur Amplitude der pro Sekunde gemessenenPunkte gesetzt. Nach 6 ausgeschlossenen Sekunden wirdjeweils für eine Sekunde die Breite des zulässigenBereiches erhöht, um auch mögliche reelle Aenderungender Steigung der Geraden erfassen zu können. In Figur l524 Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996sind als Ausschnitt des Computer-Displays einer subpartu Messung die vier Messgrössen für 5 Sekundendargestellt, Sekunde l bis 3 zeigen gute Signale, währendin Sekunde 4, wahrscheinlich durch Bewegung, dieProportionalität zwischen rot und infrarot gestört ist.Figur 2 zeigt für die Sekunden 3 und 4 die Messpunkte inder oben beschriebenen X-Y-Darstellung mit denGeraden, die den verwertbaren Bereich der Punktebegrenzen. Die grosse Streuung der Messpunkte in derSekunde 4 ist deutlich erkennbar.OC 4. OUIRO.OUOC0.0t-•v·,-·Figur I: Oben: Signale Infrarot DC und AC, Unten:Signale Rot DC und AC. In Sekunde 4 Störung durchArtefakt.oo UoRot AC X DC Rot AC ' OCFigur 2: X-Y-Darstellung der Signale für eine Sekunde.X-Achse: RotAC/DC, Y-Achse: Infrarot AC / DC,Gegeben sind die Messwerte mit den Begrenzungslinien.Links: Artefaktfreie Sekunde 3 aus Figur l,Rechts: Artefakt in Sekunde 4 aus Figur 1.In Untersuchungen an Erwachsenen konnten wirzeigen, dass durch Bewegung eines applizierten Sensorsoder des darunterliegenden Gewebes sich gleicheROT/IR Muster ergeben, wie in Figur 2 dargestellt. Dasgilt auch bei Verwendung eines Sensors aufnichtpulsierendem elastischen Material.ERGEBNISSE:Alle Punkte%100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0Mittel:SO2STD42.834.137.127.928.726.328.628.431.74.38.65.35.45.35.25.73.15.5Man. Ausschluss%56.842.578.543.249.236.044.562.251.6S0243.433.937.129.429.629.229.531.133.5STD2.23.23.22.01.92.31.92.72.5Regress. GeradeT%58.833.970.643.248.234.846.552.248.5S0246.234.637.930.229.929.631.031.234.5STD1.82.81.92.82.52.23.51.82.4JLUUlZllG l· r «£/ gidU/« l<*t/ S*t*a rr&i Ac-r&ryi*·**/ t*r»* x-n^wv*-·*·sind für B 10-minütige sub partu Messungen dieausgewerteten Messzeiten in %, die SauerstoffsättigungSO2 und die Standardabweichung STD.Um das neue Auswerteverfahrens mit der bisherigenMethode des manuellen Ausschlusses von Artefakten zuvergleichen, wurde bei 8 sub partu Messungen derMittelwert und die Standardabweichung über je eineMinute berechnet und hieraus durch gewichteteMittelung der mittlere Messwert mit Standardabweichungüber eine Messdauer von 10 min ermittelt.DISKUSSION:In Tabelle l sind die Mittelwerte und dieStandardabweichungen von 8 Messungen für einenZeitraum von 10 Minuten für alle Messpunkte, für dieMessung mit manuell ausgeschlossenen Zeiten und fürdas neue automatische Verfahren zur Bestimmung von Rals Steigung der ROT/IR-Geraden angegeben, ebenfallsals vorläufige Auswertung die gewichteten Mittelwertefür die Sättigung und die Standardabweichung. Es zeigtsich, dass im Rahmen der Reproduzierbarkeit derPulsoximeter-Messungen von ca. 2% der manuelleAuschluss von Artefakten durch Beobachtung und dasneue Verfahren die gleichen Werte für die Sättigungergeben. Insbesondere weisen beide die gleiche Streuungder Messwerte auf, die ca. um den Faktor 2 geringer istals bei Berücksichtigung aller Messpunkte einschliesslichder Artefaktzeiten.Zusammengefasst bietet das neue Verfahren derArtefakterkennung durch Anwendung der ROT/IR-Regressionsgeraden die folgenden Vorteile:- Für ungestörte Signale: Die Messung wirdunabhängig von der Bestimmung der Pulsfrequenz undder Maximalwerte der Pulskurve. Insbesondere werdenzur Bestimmung der Messgrösse R nicht nur die Signalezur Zeit der Systole und Diastole zur Auswertungverwendet, sondern alle nicht artefakt-gestörten Signalein jeder Sekunde.- Artefakterkennung: Die Erkennung der Artefakte istgleich gross wie bei Beobachtung der Signale, sodasseine ständige Ueberwachung der Signalqualität nichtmehr notwendig ist.- Artefaktentstehung: Mit diesem Verfahren könnennicht nur Artefakte erkannt, sondern auchUntersuchungen über die Natur dieser Störungendurchgeführt werden. Dies kann besonders bei derEntwicklung neuer Sensoren für die Anordnung derPhotoelemente hilfreich sein.LITERATUR:[1] J.Gardosi, Artifacts in fetal pulse oximetry,in: Hypoxische Gefahrdung des Fetus sub partu,(Hrg. R.Knitza) Steinkopff, Darmstadt, 1994, 39-44[2] V.König, GJ.Ullrich, K.Faisst, J.S.Joergensen,R.Huch und A.Huch, Reflexions-Pulsoximetrie-Untersuchungen mit eigenem Mess-System,Biomed. Techn. 1992,37,39-40[3\ K.Forster, Pulsoximetrie,Medizintechnik 1990, 110, 170-174 und 213-217Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996525

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