Real or not real: how, when and why we get inverted PPG signals?

Abstract

Fotopletysmografi (PPG) er en ikke invasiv optisk metode for bruk i evaulering av kardiovaskulær helse. Ved å kombinere en optisk emitter, og en fotodiode detekor kan blodvolum variasjoner i vev måles. Under hjertets hjertesyklusens sammentrekningfase opplever arterier en innstrømming av blod. Fundamentalt sett vil lysmodulasjon gjenspeile denne effekten ved en økt optisk absorpsjon. Dette fører til at mindre lys blir sendt tilbake til fotodetektoren og signalet reduseres. Ved noen spesielle tilfeller blir den motsatte effekten observert, signalet inverteres. Selv med økt blodvolum vil fotodetekoren plutselig måle større lysintensiteter. Denne effekten kan ikke forklarers fra et klassisk arteriel-blodvolumsperspektiv og har derfor satt i gang spørsmål relatert til opprinnelsen av den optiske pletysmografiske metoden. Denne masteroppgaven var konstruert for å evaluere de variablene som trolig skaper inverterte PPG signaler utifra eksiterende litteratur. PPG målinger ble gjennomført på dorsalis pedis arterien i 12 friske frivillige der trykk på hudoverflate, posisjon relativ til arterien og bølgelengdes rolle i signalinvertering ble studert. I tillegg ble en teoretisk Monte Carlo simulering av lysinteraksjon konstruert for å gi innsyn på hvor inverteringseffekten kan stamme fra i vevet. Resultater viser at inverteringseffekten kan oppstå hos de fleste, der 11 av 12 viste inverterte signaler over en 50 minutters måleperiode. Frekvensen av invertering var individuell, der intensiteten på den periferte pulsen og morfologsik hudstruktur virket avgjørende. Monte Carlo simuleringen peker på at inverteringseffekten må stamme fra hudlagene i vevet. Venøst blod var også hypotisert til å forme områder rundt PPG sensoren som tilretteleger for total intern refleksjon. På grunn av størrelsen på datasettet og begrenset tid er det esitmert at flere konklusjoner kan tas fra målinger gjort i denne oppgaven.

Photoplethysmography(PPG) is a non-invasive optical technique for assessing cardiovascular health. By combining an optical emitter and a photodiode detector, tissue blood volume variations during a cardiac cycle can be measured. The rapid increase in blood volume during systole leads to a following modulation of tissue optical properties. The fundamental perspective of PPG is that the increase of blood components forge a greater optical attenuation across perfused tissue layers. However, under certain conditions the opposite effect is observed. This phenomenon, described as PPG signal inversion cannot be explained from a arterial blood volume variations and has such set forth questions surrounding the origin of the signal produced by the optical plethysmograph. This thesis was created to investigate the hypotheses surrounding the inversion anomaly. PPG measurements were performed on 12 healthy individuals on the dorsalis pedis artery located in the foot. Measurement protocol was constructed to verify position of the photodetector, mechanical forces applied to the skin surface from the PPG probe, and wavelength emitted roles in signal inversion. In addition a theoretical Monte Carlo analysis of light tissue interactions was concluded to provide insight on possible regions in tissue where the inversion effect might originate. Results found that all of the mentioned variables (compression, position and wavelength) has a relationship with inversion prevalence. Out of the 12 participants included in this study, 11 showed inverted signals. Three of the participants experienced much more inversion relative to the others, thought to be related to their strong peripheral pulse and individual morphology. Thus the inversion effect is unlikely to be individual, but the frequency of which it occurs is. Monte Carlo outputs shows that the inversion effect has to come from dermal layers since blue and green wavelengths also experience inversion. Venous blood is hypothesized to be a common denominator for theories explaining the inversion effect, where an improved protocol with ultrasound and electrocardiogram could study its role in more depth. Due to size of the dataset it is expected that more clues into signal inversion could be made from these measurements.