De camera-oximeter: een kalibratieonderzoek

Doel:

Wij van de Electrical and Computer Engineering in Medicine Group (ECEM) aan de Universiteit van British Columbia, Vancouver, Canada, zijn van plan om pulsoximetrie beschikbaar te maken voor arme landen door een goedkope pulsoximeter op batterijen te ontwerpen. We hebben de Phone Oximeter ontwikkeld, die een mobiele telefoon gebruikt om de informatie die wordt ontvangen van een pulsoximetersensor te berekenen en te analyseren. Het gebruik van mobiele telefoons als patiëntmonitoren is aantrekkelijk omdat ze in veel ontwikkelingslanden overal verkrijgbaar zijn. Door gebruik te maken van batterijvermogen zijn mobiele telefoons niet afhankelijk van een continue bron van elektriciteit. Dit is essentieel, aangezien de meeste instellingen met weinig middelen een adequate infrastructuur missen en dus niet de ononderbroken stroomvoorziening kunnen bieden die nodig is voor conventionele patiëntbewaking. Bovendien heeft een mobiele telefoon de efficiëntie, het geïntegreerde display en de verwerkingskracht die nodig zijn om de gegevens van de pulsoximetersensoren te analyseren en op te slaan. Gegevens van de pulsoximeter kunnen worden verzonden naar verwijzingscentra voor diagnostische en adviesdoeleinden waar mobiele en netwerkdiensten dit toelaten.

Momenteel draait de ECEM Phone Oximeter-software op smartphones en ontvangt deze input van een externe eigen oximetersensor die relatief duur is ($ 300 US). Om de kosten verder te verlagen en de alomtegenwoordigheid van oximeters te vergroten, ontwikkelen we twee nieuwe pulsoximetersystemen voor mobiele telefoons die meer geïntegreerd zullen worden: de audio-oximeter (AudioOx) en de camera-oximeter. Deze studie heeft tot doel de camera-oximeter te kalibreren.

De Camera Oximeter gebruikt de camera van een mobiele telefoon als fotodetector. Verlichting van de vinger wordt verzorgd door het geïntegreerde flitslicht. Hierdoor kan externe hardware volledig worden geëlimineerd, waardoor de cameratelefoon tegen minimale kosten een op zichzelf staand opnameapparaat voor vitale functies kan worden (geen andere extra kosten dan de telefoon en de software). Dit principe is toegepast in veel softwaretoepassingen voor mobiele telefoons die beschikbaar zijn in verschillende softwarebronnen om de HR van de gebruiker te meten. Uit vooronderzoek is gebleken dat het extraheren van SpO2 uit een met een mobiele telefoon opgenomen video ook mogelijk is. We hebben deze aanpak verder uitgebreid en willen een software-implementatie van deze aanpak kalibreren en valideren.

Hypothese:

We veronderstellen dat deze studie ons in staat zal stellen de camera-oximeter met succes te kalibreren.

Rechtvaardiging:

Voor de veiligheid van de patiënt vereist de ontwikkeling van nieuwe pulsoximeterapparatuur kalibratie en evaluatie op nauwkeurigheid. Dit is vereist om ervoor te zorgen dat het pulsoximeterapparaat functioneel is. Resultaten van nauwkeurigheidsevaluaties moeten worden gerapporteerd, zodat de clinicus op de hoogte is en hij/zij de limieten van het apparaat dat hij/zij gebruikt kan begrijpen. De Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO) en een technische commissie hebben normen opgesteld die de kalibratie- en nauwkeurigheidsevaluatieprocedures van pulsoximeters regelen. Deze normen worden afgedwongen door regelgevende instanties, zoals de Federal Drug Administration (FDA), om het medische hulpmiddel goed te keuren voor gebruik.

Pulsoximetertheorie en kalibratie

Het onderliggende principe van pulsoximeters is de wet van Beer-Lambert, die bepaalt dat de lichtintensiteit exponentieel afneemt bij reizen in een absorberend medium. Zuurstofrijk (O2Hb) en zuurstofarm (Hb) hemoglobine hebben verschillende extinctiecoëfficiënten voor verschillende golflengten en zijn de belangrijkste lichtabsorbeerders in het bloed. In sommige golflengtebereiken is Hb meer absorberend dan O2Hb, en in andere is de absorptie-eigenschap omgekeerd. Deze regio's worden gescheiden door isosbestische punten. Met elke puls neemt het bloedvolume in de vaten en de optische weglengte toe, en daardoor neemt ook de totale absorptie toe. Als gevolg hiervan kan de volumevariatie worden geregistreerd als een variatie van de doorgelaten lichtintensiteit en worden vastgelegd met een fotodetector. Dit produceert de PPG-golfvorm. Het verschil in totale absorptie bij twee verschillende golflengten maakt de berekening van een modulatieverhouding R mogelijk. De theoretische relatie tussen R en SaO2 kan worden beschreven als:

SaO2 = (εHb(λ1) - εHb(λ2) x R) / (εHb(λ1) - εO2Hb(λ1) + (εO2Hb(λ2) - εHb(λ2)) x R)

De wet van Beer-Lambert negeert verstrooiing van licht. Diverse andere ontwerpaspecten van individuele oximeters (bijv. kwantumefficiëntie fotodetector, sondetype) worden niet in aanmerking genomen in de theoretische vergelijking. Om rekening te houden met deze effecten, moet de relatie tussen R en SaO2 empirisch worden bepaald met behulp van kalibratie.

De kalibratie van pulsoximeters voor gebruik bij mensen wordt gereguleerd door ISO 80601-2-61. Dit normdocument definieert minimale vereisten voor apparaten, biedt classificatiemethoden voor systemen, instructies voor het meten van de nauwkeurigheid van SpO2 en HR, en somt mogelijke foutcondities op. Het standaardendocument bevat ook informatieve aanbevelingen voor het meten van nauwkeurigheid (bijlage CC), standaarden voor kalibratie (bijlage DD) en richtlijnen voor het evalueren en documenteren van SpO2-nauwkeurigheid bij mensen.

Er is geen standaard tool voor het kalibreren van pulsoximeters. Volgens het ISO-standaarddocument voor pulsoximetrie "is er momenteel geen geaccepteerde methode om de juiste kalibratie van een combinatie van pulsoximetersonde en pulsoximetermonitor te verifiëren, behalve testen op mensen. Dit komt door de complexiteit van de optische fijne kneepjes van de interactie van licht en menselijk weefsel waarvan pulsoximetrie afhangt". In verschillende onderzoeksprojecten zijn prototypes van in-vitrokalibratieapparaten met volbloed voorgesteld, maar deze systemen zijn tot op heden niet commercieel verkrijgbaar en erg duur om te bouwen en te bedienen. Ze zijn niet geaccepteerd als standaardhulpmiddelen voor kalibratie vanwege hun gebrek aan het simuleren van weefselinteractie met pulsoximeterlicht. Het is daarom noodzakelijk om pulsoximeters op mensen te kalibreren.

Voor kalibratie en nauwkeurigheidsevaluatie van SpO2-metingen accepteert de ISO twee testmethoden:

Invasief testen: De SpO2-waarden van de testpulsoximeter worden vergeleken met waarden van arteriële bloedzuurstofverzadiging (SaO2) gemeten met een "gouden standaard" bloedgasanalyse met behulp van een CO-oximeter.

Niet-invasief testen: De SpO2-metingen van de testpulsoximeter worden vergeleken met waarden van een secundaire standaardpulsoximeter, die kan worden gebruikt als overdrachtsstandaard omdat de kalibratie ervan direct herleidbaar is tot een bloedgasanalyse.

Deze tests kunnen worden uitgevoerd bij gezonde vrijwilligers die instemmen met geïnduceerde hypoxemie of bij patiënten van wie arteriële bloedmonsters/referentiepulsoximeterwaarden beschikbaar zijn.

Doelstellingen:

Ons belangrijkste doel is het kalibreren van de camera-oximeter. We zullen ook de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de kalibratie evalueren om SpO2-, ademhalingsfrequentie- en hartslagmetingen te meten. Metingen van twee secundaire standaardpulsoximeters en een capnometer (CO2-ademanalysator) zullen als referentiemonitors worden gebruikt.

Onderzoeksmethode:

Dit zal een niet-invasieve test zijn op gezonde proefpersonen met behulp van twee secundaire standaard, klinisch goedgekeurde pulsoximeters. De goedgekeurde oximeters leveren de referentiemetingen voor zowel SpO2 als HR. Dit is de minst ingrijpende aanpak die wordt aanbevolen door de ISO-normen.

Proefpersonen zullen in een hypoxische toestand worden gebracht door ze bloot te stellen aan normobare (atmosfeerdruk op zeeniveau) hypoxie (lage zuurstof) door een luchtmengsel toe te dienen dat een verlaagde O2-concentratie bevat. Dit wordt bereikt in een hypoxiekamer waar de O2-concentratie geleidelijk wordt verlaagd om grote hoogte te simuleren (ongeveer 4500 m).

De doelstellingen van de huidige studie lijken sterk op die van een andere studie die werd uitgevoerd in de hypoxiekamer (REB ID#H12-02365, Kalibratie en evaluatie van een audio-pulsoximetersensor (AudioOx) bij het stijgen en dalen vanaf gesimuleerde hoogte). toegepast. Hierdoor kunnen proefpersonen voor beide onderzoeken worden geworven en wordt het totale aantal proefpersonen dat nodig is om ons doel te bereiken, verminderd.

Statistische analyse:

Kalibratie van SpO2-gegevens van de eerste set proefpersonen (minstens 10) in het onderzoek zullen worden gebruikt om de oximetriegegevens van de camera-oximeter te kalibreren. Ten eerste worden de rode en infrarood (IR) lichtsignalen van oximetersensoren gebruikt om de verhouding R te berekenen, waarbij

R = ( ACRED / DCRED ) / ( ACIR / DCIR )

ACRED en ACIR zijn pulserende componenten van het rode en infrarood licht dat wordt gedetecteerd door de oximeter-fotodetector. DCRED en DCIR zijn constante componenten van het rode en infrarood licht dat wordt gedetecteerd door de oximeter fotodetector.

R-waarden worden gekoppeld aan SpO2-metingen van de referentie-oximeter die tegelijkertijd worden genomen. Lineaire regressie op een polynoomvergelijking van de tweede orde wordt vervolgens gebruikt om de kalibratieparameters te schatten.

Evaluatie van SpO2-metingen van latere proefpersonen (minstens 10) zullen worden gebruikt om de nauwkeurigheid en validiteit van de SpO2-metingen van beide nieuwe oximeters te evalueren. Gepaarde metingen van de test-oximeters en de referentie-oximeter zijn gegroepeerd in zes bereiken (70-75%, 76-80%, 81-85%, 86-90%, 91-95% en 96-100%). Gemiddelde afwijking, precisie en nauwkeurigheid worden berekend volgens ISO-definities voor elke groep SpO2-bereiken en het totale bereik (70-100%) [5].

Lokale bias, b, is het verschil tussen de verwachting van de testresultaten (SpO2) en een geaccepteerde referentiewaarde (SR). Voor pulsoximetrie is dit, bij een bepaalde waarde van de referentie-SpO2, het verschil tussen de y-waarde van de regressielijn op die coördinaat en de y-waarde van de identiteitslijn, in een plot van SpO2 versus SR, of gegeven door:

Lokale bias, bi = SpO2-fit,i - SRi

waarbij SpO2 fit,i de waarde is van de curve aangepast aan de testgegevens bij de ie referentie SpO2-waarde, SRi.

Gemiddelde afwijking, B, is het gemiddelde verschil tussen de test- en referentiewaarden, met behoud van teken (gemiddelde van alle lokale afwijkingswaarden):

Gemiddelde afwijking, B = (∑i=1 tot n (bi))/n

Precisie is de mate van overeenstemming tussen onafhankelijke testresultaten verkregen onder bepaalde omstandigheden, gedefinieerd als de standaarddeviatie van de residuen (Sres), gegeven door:

Precisie, Sres = √(∑i=1 tot n (SpO2i - SpO2fit,i)^2 )/(n-2))

waarbij n het aantal gegevensparen in de steekproef is binnen het van belang zijnde bereik; (SpO2,i - SpO2 fit,i) is het verschil tussen het i-de SpO2-gegeven en de waarde van de aangepaste curve die overeenkomt met de i-de SpO2-referentiewaarde, SRi.

De nauwkeurigheid van de pulsoximeter wordt uitgedrukt in termen van het root-mean-square (rms) verschil tussen gemeten waarden (SpO2,i) en referentiewaarden (SRi), zoals gegeven door:

Nauwkeurigheid = √((∑i=1 tot n(SpO2i-SRi)^2 )/n)

Om de NAUWKEURIGHEID ten opzichte van de "gouden standaard" bloedgasanalyse uit te drukken, moet de fout van de secundaire standaardpulsoximeter (errorref) worden meegerekend, daarbij:

Nauwkeurigheid gecorrigeerd = √Arms^2 + fout(ref)^2

Evaluatie van HR-metingen van latere proefpersonen (minstens 10) zullen worden gebruikt om de nauwkeurigheid en validiteit van HR-metingen van de nieuwe oximeter te evalueren. Gepaarde HR-metingen van de test-oximeter en de referentie-oximeters zijn gegroepeerd in vier bereiken (40-65, 66-90, 91-115 en 116-140 slagen per minuut (bpm)). Gemiddelde afwijking, precisie en nauwkeurigheid worden berekend volgens ISO-definities voor elke groep HR-bereiken en het totale bereik (40-140 bpm), zoals eerder beschreven voor SpO2.

Evaluatie van ademhalingsfrequentiemetingen van latere proefpersonen (minstens 10) zullen worden gebruikt om de nauwkeurigheid en validiteit te evalueren van ademhalingsfrequentiemetingen die zijn geëxtraheerd uit het plethysmogram dat is opgenomen met de camera-oximeter. Gepaarde ademhalingsfrequentiemetingen van de testoximeter en de referentiecapnometrie zijn gegroepeerd in drie bereiken (0-8, 9-16 en >17 ademhalingen per minuut). Gemiddelde afwijking, precisie en nauwkeurigheid worden berekend voor elke groep ademhalingsbereik en het totale bereik.