Optimization of Signal Quality in Low Power Medical Reflectance Pulse Oximetry

Abstract

Nyvinninger innen elektronikk og embedded signal behandling har banet vei for utviklingen av små, energieffektive, bærbare sensorer som har høy nok målenøyaktighet til å kunne bli anvendt til klinisk bruk på sykehus. Hovedfokuset i dette arbeidet har vært å designe og implementere et system for å sammenligne signalkvalitet i lav effekts, reflektans-pulseoxymetri på posterior auricular arterien bak øret.

Et system for å blinke 640 nm og 940 nn lysdioder, mens man samtdig sampler åtte fotodioder som er festet bak øret på ulike posisjoner ved bruk av fleksible kretskort ble utviklet og testet på fem friske frivillige personer. Vurderingen av signalkvalitet skjedde på bakgrunn av signal-til-støyforhold (SNR), AC-til-DC forhold i signalet (AC/DC), hvor mulighet det er å forsterke signalet uten at analog-til-digital konverteren går i metning og ulike egenskaper som kreves for å beregne puls, pustefrekvens og oksygenmetning basert på rådataen fra sensoren.

Videre fant man at den optimale avstanden mellom lyskilden og detektoren i et refleksjonsspektrometer bak øret ved bruk av systemet som ble laget er ca 10 mm. Trenden ser ut til å være at jo større avstanden mellom lyskilden og detektoren er, jo bedre er signalkvaliteten - gitt at støygulvet i systemet er lavt nok til at signalet enda kan plukkes opp. I tillegg fant man også at den optimale plassingen av lys- og fotodioder er så nærme posterior auricular arterien som mulig.

Recent advances in the field of electrical engineering and embedded signal processing have made it possible to develop small, energy-efficient wearable sensors that are accurate enough to be used for clinical use. The focus of the work presented in this thesis has been to design and implement a system for comparison of signal quality in low power reflectance pulse oximetry on the posterior auricular artery behind the ear.

A system for blinking a 640 nm and a 940 nm LED while simultaneously sampling eight photodiodes attached behind the ear at various positions using flexible PCBs was developed and tested on five healthy volunteers. The signal quality was evaluated based on Signal-to-Noise ratio (SNR), AC-to-DC (AC/DC) content of the signal, how easy it is to amplify the signal without saturating the analog-to-digital converter and specific signal features desirable for estimating heart rate (HR), respiratory rate (RR) and oxygen saturation (SpO2) based on the photoplethysmogram (PPG) acquired from the volunteers.

Further it was found that, if the optimal distance between the source and the detector for measurements behind the ear using this system is approximately 10 mm, and that the trend seems to be that the larger the separation distance is, the higher the signal quality is given the noise floor in the system is low enough not to distort the signal. In addition, it was found that it is optimal to place the LEDs and photodiodes as close to the posterior auricular artery as possible.