Monitoring Heart Rate and Oxygen Saturation
Over the past two years, I have collaborated with a colleague to develop a pulse oximeter, and I will now provide a detailed explanation of its functioning. The whole article is in French, translate it with google if you need to.
Dans nos poumons, l’oxygène se fixe sur les noyaux fers de la molécule d’hémoglobine (à l’intérieur des globules rouges). Cependant, il arrive que l’oxygène ait des difficultés à s’accrocher, des maladies ou le vieillissement sont à l’origine de molécules de moins bonnes qualités, ou en moins grand nombre [1]. On cherche alors à quantifier ces troubles : on utilise la saturation en oxygène. Exprimé en pourcentage, cet indicateur donne la proportion d’hémoglobine chargée en oxygène par rapport à la quantité d’hémoglobine totale. D’ordinaire, la saturation moyenne en oxygène dans le sang se trouve entre 95% et 100%. En dessous de 90%, le patient a besoin d’une prise en charge
L’hypoxémie, maladie associée à une insuffisance respiratoire, oblige un suivi régulier du taux d’oxygénation du sang [1]. Ce dernier se doit alors d’être simple et rapide pour améliorer le quotidien du malade (éviter des méthodes nécessitant une lésion dites “invasives”). L’oxymètre se présente alors comme indispensable pour ces patients, il permet en effet de détecter une insuffisance respiratoire avant même les premiers symptômes perceptibles [1]. La prise en charge peut donc être accélérée. La mesure repose sur une différence de propriétés d’absorbance entre l’hémoglobine riche et hémoglobine pauvre en oxygène : tous deux absorbent le rayonnement rouge (660nm) mais seule l’hémoglobine porteuse d’oxygène peut absorber le rayonnement infrarouge (990nm). Il est donc possible de déterminer la proportion de molécules chargées à partir de ces mesures.[3]. A cause de de la systole et de la diastole (contraction et relaxation du cœur) le débit sanguin varie au cours du temps, donc l’absorbance aussi. Il est donc facile de tracer un cardiogramme, mais plus difficile de mesurer précisément la saturation à tout instants. Les montres connectées utilisent d’ailleurs cette méthode pour estimer le rythme cardiaque profitant d’un plus important pic d’absorption dans le domaine du vert (540nm). Il est inutilisable pour notre étude car à cette longueur d’onde, les propriétés entre l’hémoglobine riche et l’hémoglobine pauvre sont trop similaires. Les approximations sont donc conséquentes, l’objectif est de déterminer des variations importantes inhabituelles.
De plus, certains paramètres influent sur les résultats obtenus, par exemple : les interférences lumineuses, les mouvements, le type de peau, la température [5], une intoxication au monoxyde de carbone (ce dernier est en compétition avec le dioxygène pour se fixer sur les molécules hémoglobines [2]). La mesure se fait au niveau des doigts le plus généralement, car ils sont très vascularisés, ou de façon plus rare au niveau de l’oreille ou le poignet. Ces deux dernières mesures étant moins précises. La précision des oxymètres est soumise à la norme ISO 80601-2-61 [6]. Celle-ci exige une précision de 5% sur le taux de saturation en oxygène et recommande des écarts de l’ordre de 2%, il en est de même de même pour la fréquence cardiaque. Ainsi, tous les oxymètres certifiés du marché doivent se plier à ces recommandations. En hôpital, d’autres méthodes dites « invasives » sont envisagées pour avoir accès à plus de précisons, même si l’oxymètre reste essentiel pour évaluer rapidement l’état d’un patient.
Étude théorique
Tout d’abord, faisons une approche historique du problème. Historiquement, George Gabriel Stokes découvre en 1864 que les propriétés d’absorptions de l’hémoglobine porteuse en oxygènes sont différentes de celles non porteuses. Voici le spectre d’absorbance d’un litre de sang, on peut remarquer que à 550nm (lumière verte), les propriétés des deux globules sont analogues mais au-dessus de 900nm l’oxyhémoglobine absorbe plus que l’hémoglobine. Historiquement on a d’abord utilisé des rayons rouges et verts, puis rouges et infrarouges.
Chaque organe du corps nécessite un apport suffisant en oxygène, cependant certaines maladies sanguines comme l’hypoxémie peuvent empêcher les atomes respirés de se fixer dans les globules rouges. Le critère SaO2 (pour saturation artérielle en dioxygène) permet de quantifier ce phénomène dans les artères. Il est de aux alentours de 99% pour une personne en bonne santé, et inférieur lors de problèmes. Plusieurs procédés existent pour le mesurer, il se décomposent en deux catégories : méthodes invasives et non invasives. Les procédés invasifs sont typiquement des sondes à dioxygènes placées à l’intérieur des vaisseaux sanguins, et les procédés non invasifs, qui ne requiert aucune incision sont par exemple des mesures respiratoires ou optiques. Nous nous sommes intéressés à cette dernière méthode nommé « photoplétysmographie », réalisé par un saturomètre ou plus communément oxymètre.
Pour y répondre, j’ai en complémentarité avec mon binôme défini mes objectifs :
En choisissant deux rayons lumineux dans chacun de ces domaines, il est possible quantifier la proportion de chaque espèce. En effet la loi de Beer-Lambert donne, qui après passage au logarithme nous donne la loi bien connue des chimistes.
On pose ensuite R le rapport de ces absorbances. On remarque la contribution de chaque constituant. On exprime ensuite la concentration en hémoglobine non chargée en oxygène. En fonction de celle chargé en oxygène, on peut alors exprimer le SaO2, rapport entre la concentration chargée en oxygène sur la concentration totale.
Ce modèle est applicable uniquement pour des valeurs de saturations supérieures à 80%. Nos mesures se faisant à volume variable donc à intensité variable comme le montre ces mesures que nous avons effectués, ce rapport peut varier et amener encore des erreurs de mesures, pour cela, des simplifications sont nécessaires : on définit un nouveau critère le SpO2 la saturation pulsée en dioxygène.
En posant R le rapport des AC/DC et en linéarisant dans le domaine d’étude, K1 et K2 étant déterminé par calibration. On a maintenant une manière simple de calculer la saturation en oxygène, il suffit de l’appliquer.
Étude expérimentale
Premier dispositif :
Il existe expérimentalement deux écoles pour faire la mesure. Il y a la mesure par réflexion et par transmission comme décrit sur ces illustrations.
Dans notre étude nous avons utilisé la méthode par transmission car elle présente de meilleur rendements quand à l’intensité lumineuse disponible en sorti du doigt.
Pour mesure sa saturation, le sujet place son doigt au dessus du capteur et place la led rouge ou infra-rouge au dessus. Le circuit détecte alors les battements cardiaques. En enregistrant les données et en reprenant une mesure avec l’autre led. On peut appliquer la formule du SPO2 en régime continu.
Après les premières mesures, on remarque une très forte composante continu due à la lumière ambiante et beaucoup de bruits, les variations d’intensité ne sont que de l’ordre de la dizaine de micro-Volt. En appliquant une transformée de Laplace, on rend compte des même résultats.
On applique donc un filtre passe bande, de fréquence de coupure de l’ordre de 1,5 Hz, permettant d’isoler la partie du signal qui nous intéresse. Le facteur de qualité Q est choisit de façon à avoir une bande passante suffisante pour mesurer l’ensemble des fréquences cardiaques possibles.
Expérimentalement le filtrage se fait sur deux étages. On peut voir sur la figure suivante trois partie du montage ; la première un pont diviseur de tension qui convertis l’intensité lumineuse reçue en en tension observable. Puis le premier étage est constitué d’un ALI en suiveur et d’un passe haut. On ne peut faire le passe bas d’abord car l’amplification de la composante continue fera saturer les futurs ALI. La troisième partie est juste un amplificateur, le passe bas est appliqué numériquement.
On obtient finalement un signal filtré et exploitable :
Second dispositif :
Des systèmes miniaturisés existent. Par exemple le MAX30102. J’ai aussi fait les mêmes mesures en utilisant la démarches suivantes : Acquisition par méthode réflective les intensités en domaine rouge et infra-rouge simultanément, enregistrement et acquisition par un microcontrôleur type Arduino, application d’un filtre numérique dit “de Butterworth” et affichage des résultats par matplotlib. J’ai aussi imprimé en 3D une boite pour contenir le capteur.
Les résultats :
Par application de la formule du SPO2 on trouve pour ce sujet : 103.7%
On a comparé la lisibilité du signal lorsque le sujet portait du vernis à ongle pour montrer que cela influe sur les résultats. Les hôpitaux demandent toujours à ce que celui-ci soit retiré avant d’effectuer des mesures.
Conclusion
Cet expérience est assez simple théoriquement mais peut parfois prendre beaucoup de temps à être appliquée expérimentalement, la principale difficulté étant de conserver le signal après les différents filtrages. Elle donne des résultats correct mais non utilisables en médecine car trop d’incertitudes subsistent. Les dispositifs du commerces sont soumis à des incertitudes maximales de 5%.
N’hésitez pas à me contacter pour plus d’informations ou pour les codes sources.
Références bibliographiques
[1] Charrière, J.-M : Hypoxémies sévère en cours de CEC : démarches diagnostiques et conduite àtenir : Ingénierie et recherche biomédicale, 2008, Vol.29, p.S20-S25
[2] Coulange, M ; De Haro, L ; Barthélémy, A ; Thierry, A.L ; Hug, F ; Arditti, J ; Sainty, J.M : Mesurenon invasive de carboxyhémoglobine par CO-oxymètre de pouls chez l’intoxiqué au monoxyde decarbone : Journal européen des urgences, 2007, Vol.20 (1), p.103-103
[3] Moraes, Jermana L ; Rocha, Matheus X ; Vasconcelos, Glauber G ; Vasconcelos Filho, José E ;de Albuquerque, Victor Hugo C ; Alexandria, Auzuir R : Advances in photopletysmography signalanalysis for biomedical applications : Sensors (Basel, Switzerland), 2018-06-09, Vol.18 (6), p.1894
[4] Nitzan M, Babchenko A, Khanokh B, Taitelbaum H : Measurement of oxygen saturation invenous blood by dynamic near infrared spectroscopy : Journal of Biomedical Optics 5(2), 155–162(April 2000)
[5] PhD. Khan, Musabbir : Non-invasive monitoring of peripheral oxygen extraction and perfusionusing photoplethysmography : A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy inBioengineering at the University of Canterbury, Christchurch, New Zealand September 2016
[6] ISO Group : ISO 80601-2-61:2017(fr) Appareils électromédicaux — Partie 2-61: Exigencesparticulières pour la sécurité de base et les performances essentielles pour les oxymètres de pouls :2017-12, édition 2 (https://www.iso.org/fr/standard/67963.html) visionné le 13/01/2022