Research New Methods Wholeblood Oximetry

7/30/2019 Research New Methods Wholeblood Oximetry

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Annals of Biomedical Engineering, V o l . 1 4 , p p . 3 5 - 5 2 , 1 9 8 6 0 0 9 0 - 6 9 6 4 / 8 6 $ 3 . 0 0 + . 0 0P r i n t e d i n t h e U S A . A l l r i g h t s r e s e rv e d . 9 1 9 8 6 P e r g a m o n P re s s L t d .

N E W M E T H O D S F O R W H O L E B L O O D O X I M E TR YJ o s e p h M . S c h m i t t t, F r e d G . M i h m * , a n d J a m e s D . M e i nd l'~

*Department of Anesthesia, Stanford University Medical Center, Stanford, California 94305~Center for Integrated Electronics in Medicine, Stanford University,Stanford, California 94305.

N e w t e c h n i q u e s f o r d e t e r m i n i n g t h e h e m a t o c r i t ( H c t ) a n d o x y g e n s a t u r a t i o n ( S o2 )o f w h o l e b l o o d f r o m b a c k s c a t t e r e d li g h t m e a s u r e m e n t s a r e d e s cr ib e d . F i r s t , t h e o r e t-i ca l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l ts a r e p r e s e n t e d w h i c h s h o w t h a t t h e e m p i r i c a l l i n e a r r el a-t i o n s h i p b e t w e e n S o t a n d t h e i n f r a r e d -r e d b a c k s c a t t e r e d l i g h t i n t e n s it y r a t io o n w h i c hp r e v i o u s i n s t r u m e n t s h a v e b ee n b a s e d i s a n i n a d e q u a t e d e s c r i p t i o n p r i m a r i l y b e c a u s ei t d o e s n o t a c c o u n t f o r t h e s t r o n g e f f e c t s o f H c t a n d t r a n s d u c e r g e o m e t r y . T h e n i ti s s h o w n t h a t t h e r a t io o f b a c k s c a t te r e d i n t e n si t ie s f r o m t w o a p p r o p r i a te l y p o s i t i o n e di n f r a r e d s o u r c e s c an b e p l o t t e d a g a i n s t t h e i n f r a r e d - r e d i n t e n s i t y r a t i o t o p r o d u c e af a m i l y o f c a li b ra t io n c u r v e s f r o m w h i c h S o2 a n d H c t c a n b e i n d e p e n d e n t l y d e t er -m i n e d . F i n a l l y, a p r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o n o f a n o x i m e t r y s y s t e m w h i c h e m p l o y s am ic roe l e c t ron ic c a the te r - t ip op t i c a l s e nsor an d a m ic roproc e s sor - ba se d s igna l p ro c e s so ri s p r o p o s e d .K e y w o r d s - - O x i m e t r y , O x y g e n s a tu r a t i o n , B l o o d g a s m e a s u r e m e n t , O p t i c a l s c a tt e ri n g .

I N T RODUCT I O NFiberoptic oximeters have made continuous i n v i v o monito ring of whole blood oxy-

gen sat ura tio n (So2) feasible. Most of these instr ume nts determi ne So2 by illu mina t-ing the blood with red and near infrared l ight , assumi ng a l inear relat ionship betweenthe infrared- red intensi ty rat io and oxygen satura t ion (1,2,3,4):

So2 = A - - n ( [ i r / l r e d )wher e A and B are cons tants determined for a part i cular set of phys io logical con di -t ions and transducer co nf igura t ion; / i r and/red denote backscat tered intens i ti es mea-sured at wavelengths in the near infrared (80 0-10 00 nm ) and red (630-6 70 nm ) regionsof the spectrum, respect ive ly . Several inves t igators (4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9) have demonstrated

This work was supported in part by NIH Grant 5P50GM17940.A c k n o w l e d g m e n t s - W e wish to extend our appreciation to Mr. Lyn Bowman for many helpful sug-gestions concerning the design of the oximetry system and to Ms. Gall Benson for her assistance in per-forming the blood gas analyses. We also thank the Stanford University Blood Bank for providing the bloodused in our experimental studies.Address correspondence to Joseph Schmitt, Center for Integrated Electronics in Medicine, StanfordUniversity, AEL Building, Room 208, Stanford, CA 94305

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36 J.M. Schmitt, F.G. Mihm, and J.D. Meindlp r o b l e m s w h i c h l i m i t t h e c l i n i c a l a n d r e s e a r c h a p p l i c a t i o n s o f f i b e r o p t i c o x i m e t e r sb a s e d o n t h i s s i m p l e e m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p :

1 . O x y g e n s a t u r a t io n r e a d i n g s a r e h e m a t o c r i t ( H c t ) d e p e n d e n t . H e m a t o c r i t v ar i-a t i o n s i n t r o d u c e th e la r g e s t e r r o r s i n b l o o d t h a t is h e m o d i l u t e d ( H c t < 3 0~ a n dp o o r l y o x y g e n a t e d ( S o2 < 4 0O /o ).

2 . C h a r a c te r is t ic s o f t h e fi b e r o p t ic p r o b e - t h e n u m b e r , l o c a t i o n , a n d n u m e r ic a la p e r t u r e o f t h e f i b e r s - a f f e c t t h e c a l ib r a t i o n c o n s t a n t s ( i. e. ' A ' a n d ' B ' ) o f t h eo x i m e t e r ( 9 ). T h e r e f o r e , c a l i b r a t io n o f t h e o x i m e t e r is r e q u i r e d e a c h t i m e a d i f -f e r e n t p r o b e i s i n s t a l l e d o r i t s c h a r a c t e r i s t i c s a r e a l t e r e d .

3 . A c c u r a c y o f o x y g e n s a t u r a t i o n m e a s u r e m e n t s i n t h e r a n g e 0 % < S o 2 < 6 0O /o isc o n s i d e r a b l y d e g r a d e d . B o t h n o n l i n e a r i t y o f t h e i n f r a r e d - r e d i n t e n s i t y r a t i ov e r s u s S o2 r e l a t io n s h i p a n d s i g n a l- t o -n o i s e d e g r a d a t i o n r e s u lt i n g f r o m h i g ha b s o r p t i o n o f r e d l ig h t c o n t r ib u t e t o m e a s u r e m e n t i n a c c u r a c y .

T h e s e p r o b le m s a r i se m o s t o f t e n w h e n m e a s u r e m e n t s o f v e n o u s b l o o d o x y g e n a -t i o n o v e r a w i d e ra n g e a r e a t t e m p t e d . F o r e x a m p l e , r e l i a b il i ty o f b l o o d o x y g e n m o n -i t o r i n g i s q u e s t i o n a b l e i n p a t i e n t s w i t h c e r t a i n p a t h o l o g i c a l c o n d i t i o n s s u c h a sh e m o r r h a g i c s h o c k , i n w h ic h m i x e d v e n o u s o x y g e n s a t u ra t i o n a n d h e m a t o c r i t m a yf a l l t o v a l u e s a s l o w a s 40O7o an d 2 0 % , r e s p ec t i v e l y ( 1 0 ). A n o t h e r ex am p l e o f an ap p l i -c a t i o n i n w h i c h s t a n d a r d f i b e r o p t i c o x i m e t r y is in a d e q u a t e is a n im a l r e s e a r c h c o n -c e r n e d w i t h r e g io n a l o x y g e n t r a n s p o r t a t t h e o r g a n l e v e l . I n t h e se s t u d ie s , i n d e p e n d e n tm e a s u r e m e n t s o f H c t a n d S o2 a r e e s se n ti a l f o r a c c u r a te d e t e r m i n a t i o n o f t o t a l b l o o do x y g e n c o n t e n t , a q u a n t i t y p r o p o r t i o n a l t o t h e p r o d u c t o f H c t a n d S o 2 ( n e g le c t in go x y g e n d is s o lv e d i n t h e p l a s m a w h i c h a c c o u n t s f o r le ss t h a n 2 % o f t o t a l o x y g e n c o n -t e n t u n d e r m o s t c o n d i t io n s ) . A l a rg e a m o u n t o f o x y g e n c a n b e e x t ra c t e d b y a n o r g a nd u r i n g p e r i o d s o f h i g h m e t a b o l i c a c t i v it y , ca u s in g t h e o x y g e n s a t u r a t i o n o f t h e b l o o dl e av i ng t h e o r g a n t o d r o p v e r y l o w . H e m a t o c r i t m a y a l s o f l u c tu a t e d u r i n g a n a n i m a ls t u d y a n d p e r h a p s m o r e i m p o r t a n t l y , t h e n o r m a l b l o o d h e m a t o c r i t a m o n g a n i m a l so f d i f f e r e n t s p e c i e s e n c o m p a s s e s a w i d e r a n g e o f v a l u e s .

T o a c c o m m o d a t e t h e s e a p p l ic a t i o n s a n d o t h e r s , n e w te c h n i q u e s a r e r e q u i r e d t oe x t e n d t h e c a p a b i l i t i e s o f r e f l e c t i o n o x i m e t r y . T h i s p a p e r d e s c r i b e s h o w H c t a n d S o 2m a y b e i n d e p e n d e n t l y d e t e r m i n e d o v e r w i d e r an g e s b y e m p l o y i n g a n o v e l s e n so r c o m -p r i se d o f th r e e p r o p e r l y a r r a n g e d l ig h t s o u r c es a n d a d e t e c t o r t o m e a s u r e l i g h t b a c k -s c a t te r e d b y w h o l e b l o o d . T h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l r e su l ts a r e p r e s e n t e d to s h o wt h e e f f e c t o f s e v e ra l v a ri a b l e s o n o x i m e t e r d e si g n a n d t o s u b s t a n t i a te t h e p r in c i p le su n d e r l y i n g n e w m e t h o d s o f d e r i v i n g S o 2 a n d H c t f r o m o p t i c a l s c a t t e r i n g m e a s u r e -m e n t s . F i n a l l y , a p r a c t ic a l i m p l e m e n t a t i o n o f a c o m p l e t e o x i m e t r y sy s t e m i s d i sc u s se d .

O P T I C A L S E N S O R D E S I G NModel Description

A m o d i f i e d v e r s io n o f a n a n i s o t r o p i c p h o t o n d i f f u s i o n m o d e l f ir s t p r o p o s e d b yR e y n o l d s ( 1 1 ,1 2 ) w a s d e v e l o p e d t o p r e d i c t t h e e f f e c t s o f S o 2 , H c t , a n d s o u r c e / d e t e c -t o r g e o m e t r y o n r e s p o n s e s o f p r o t o t y p e s e n s o rs . T h e o r e t i c a l r e su l ts w e r e u s e d t o e v a l u -a t e v a r io u s m e t h o d s o f d e t e r m i n i n g H c t a n d S o 2 f r o m b a c k s c a t te r i n g m e a s u r e m e n t s .

T h e m o d e l g e o m e t r y is s h o w n i n F i g . 1 . C o l l i m a t e d m o n o c h r o m a t i c l i g h t is a s s u m e dt o e n t e r a n d e x i t t h e b l o o d , r e p r e s e n t e d a s a m e d i u m e x t e n d i n g t o i n f i n i t y i n t h e + zh a l f - p la n e , t h r o u g h c i r c u la r a p e r t u r e s . A t t h e b l o o d - s e n s o r i n t e r fa c e , t h e p a r t ia l l ig h t


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N ew M e t h o d s f o r W h o l e B l o o d O x i m e t ry 3 7

s o u r c ea p e r t u r e - -r a d i u s , R 1 + Z

d e t e c t o ra p e r t u r er a d i u s , R 2

f

FIGURE 1. M o d e l g e o m e t r y . T h e l i g h t s o u r c e a n d d e t e c t o r a p e r t u r e s a r e r e p r e s e n t e d a s c ir c u l a r a r e a so n t h e s e n s o r - b lo o d i n t e r f a c e . B l o o d , m o d e l e d a s a s e m i - i n f in i t e m e d i u m , f il ls t h e + z h a l f - p l a n e a b o v et h e g l a s s re p r e s e n t i n g t h e p l a n a r s u r fa c e o f a s e n s o r w i t h i n f in i t e x a n d y d i m e n s i o n s .

f lu x d i r ec t e d in t h e + z d i r e c ti o n is a s s u m e d t o b e t o t a l l y a b s o r b e d e x c e p t f o r t h e s p e c u -l ar ly r ef le c te d c o m p o n e n t . T h e t r a n s p o r t - c o r r e c t e d s c a t t e ri n g a n d a b s o r p t i o n c r o ss -s e c t i o n s e m p l o y e d i n t h e m o d e l w e r e c a l c u l a t e d b y a p p l y i n g a M i e s c a t t e r i n g a l g o -r i t h m ( 1 3 ) t o a s p h e r i c a l a p p r o x i m a t i o n o f a r e d b l o o d c e l l w i t h v o l u m e e q u a l t o 9 0# m 3. S o l u t i o n s w e r e o b t a i n e d n u m e r i c a l l y o n a h i g h s p e e d c o m p u t e r .

IIa/IaED VS. SQE f f e c t o f S o u r c e W a v e l e n g t h . T h e r a t io n a l e b e h i n d t h e d e t e r m i n a t i o n o f SO2 f r o mt h e r a t io o f b a c k s c a t t e r e d i n t e n si ti e s m e a s u r e d a t tw o w a v e l e n g t h s r a t h e r t h a n f r o ma si ng le w a v e l e n g t h m e a s u r e m e n t i s t h a t t h e r a t i o m e t r i c t e c h n i q u e r e d u c e s e r r o r sc a u s e d b y v a r i a t i o n s i n s o u r c e in t e n s i ty , b l o o d f l o w , h e m a t o c r i t , a n d o t h e r f a c t o r s .T o m a x i m i z e t h e s e n s i ti v it y o f th e i n t e n s i t y r a t i o t o S o 2, t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h ea b s o r p t i o n c o e ff ic ie n ts o f d e o x y h e m o g l o b i n ( H b ) a n d o x y h e m o g l o b i n ( H b O 2 )s h o u l d b e l a r g e a t o n e o f th e s o u r c e w a v e l e n g t h s ; a t t h e w a v e l e n g t h o f t h e o t h e r l ig h ts o u r c e , t h is d i f f e r e n c e s h o u l d b e s m a l l o r e q u a l t o z e r o . I n t h e v i s i b l e - n e a r i n f r a r e db a n d , t h e a b s o r p t i o n c o e f fi c ie n t s o f H b a n d H b O 2 d i f f er m o s t b e t w e e n 6 0 0 n m a n d6 6 0 n m , a n d t h e d i f f e r e n c e i s z e r o o r l es s b e t w e e n 8 0 5 n m a n d 1 / z m ( s e e F i g . 2 ) . A tt h e is o b e s ti c w a v e l e n g t h ( 80 5 n m ) t h e a b s o r p t i v i t ie s o f t h e t w o f o r m s o f h e m o g l o b i na r e e q u a l .

F i g u re 3 sh o w s t h e in t en s i t y o f li gh t b a c k s c a t t e r e d f r o m b l o o d o f n o r m a l h e m a t -o c r it ( H c t = 4 0 % ) v e r s u s o x y g e n s a t u r a t i o n a t f i v e w a v e l e n g t h s i n th e v i s i b l e - n e a ri n f r ar e d s p e c t r u m . T h e c u r v e s w e r e g e n e r a te d b y t h e m o d e l u s i n g t h e s e n s o r p a r a m -e t e rs s h o w n i n t h e s a m e f i g u r e . A s e x p e c t e d , t h e s e n s i t i v i ty o f t h e i n t e n s i t y t o S o z i sg r e a t e s t a t 6 30 n m a n d 6 6 0 n m , a n d l e a st a t 8 20 n m , a w a v e l e n g t h c l o s e t o t h e i s o b e s t icp o i n t . T h e i n f r a r e d - r e d i n t e n s i t y r a t i o s ( I ir / Ired) c o r r e s p o n d i n g t o f o u r p a i r s o fw a v e l e n g t h s - 9 3 0 n m / 6 6 0 n m , 8 8 0 n m / 6 60 n m , 8 20 n m / 6 6 0 n m , a n d 82 0 n m / 6 3 0n m - a r e p l o t t e d a s a f u n c t i o n o f S Q i n F i g . 4 . T h e s e s i m u l a t i o n s i n d i c a t e t h a t ,


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38 J.M. Schmitt, F.G. Mihm, and J.D. Meindl.... 1.2

\E 1.o(J

~d'~" . 80

0

0.Q0

. 2

. 06 0 0

Hb

~ ' ~ ~ HbO2

6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 0 1OOOW a v e l e n g t h ( n m )FIGURE2. A b s o r p t i o n s p e c t r a o f d e o x y h e m o g l o b i n ( H b ) , o x y h e m o g l o b i n ( H b O 2 ) , a n d c a r b o x y -h e m o g lo b in (Hb C O) a t w a v e le n g th s in th e v is ib le - - n e a r in f ra re d re g ion . P lo t te d va lue s o b ta in e d f ro mV a n A s s e n d e l f t (16).a l t h o u g h t h e s l o p e a n d o f f s e t o f th e / ir / // r ed VS. So2 r e l a t i o n s h i p a r e a f f e c t e d , t h e p a r -t i c u l a r e m i s s i o n w a v e l e n g t h s o f t h e i n f r a r e d a n d r e d s o u r c e s a r e n o t c r it ic a l : a n y p a i ro f s o u r c e s w i t h e m i s s io n w a v e l e n g t h s in t h e 8 0 0 n m - 1 # m a n d 6 3 0 - 6 7 0 n m b a n d s c a nb e u s e d . T w o i m p o r t a n t p r a c t i c a l fa c t o r s a s s o c i a t e d w i t h t h e c h o i c e o f t h e li g h t so u r c e se m p l o y e d i n a n o x i m e t e r a r e a v a i l a b i li t y a n d b a n d w i d t h . L i g h t - e m i t ti n g d i o d e s a rea v a i l a b l e w i t h p e a k e m i s s i o n s a t d i s cr e te w a v e l e n g t h s t h r o u g h o u t m o s t o f t h e v i si b l e-n e a r i n f r a r e d s p e c t r u m f r o m a b o u t 6 3 0 n m t o 9 50 n m , i n c l u d in g t h e w a v e l e n g th s a tw h i c h t h e b a c k s c a t t e r e d i n t e n s i t ie s p l o t t e d i n F i g . 3 w e r e e v a l u a t e d . S i n c e t h e y a r es m a l l , r u g g e d , i n e x p e n s i v e , a n d h a v e r e la t iv e l y n a r r o w b a n d w i d t h s ( 3 0 - 5 0 n m , m e a -s u r e d b e t w e e n h a l f - p o w e r p o i n t s ), l i g h t - e m i t ti n g d i o d e s a r e w e l l -s u it e d f o r o x i m e t r ya p p l i c a t i o n s .

O t h e r h e m o g l o b i n s b e sid e H b a n d H b O 2 , s u ch as c a r b o x y h e m o g l o b i n ( H b C O )a n d m e t h e m o g l o b i n , a r e ty p i c a l ly p r e s e n t in sm a l l c o n c e n t r a t i o n s i n b l o o d . L i g h t


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New Methods for Whole Blood Oximetry 39

-~, 1.6

1.4oD

>, 1.2I..,

~ 1.0

~ .B

m .4

. 2

SOURCE DETECTORradius = 0.25 mm Q,, ~ radius= .5 mm

I iH c t = 4 0 % . , , _ 0 . 8 - ,- 4m m

~ . ~ - ' " 4 6 3 0 n mE I ~ P P - ] ~ j ~ ' - ~ ' P 0 1120 n m+ ' ~ - + ' - - [ ] 8 8 0 n mA 930 r . n

9 ( ] I I I I _ J I I I

20 30 40 50 60 70 80 90 1000 2 Sat ura t io n (%)F I G U R E 3 . T h e o r e t i c a l c u r v e s w h i c h s h o w t h e e f f e c t o f S O z o n t h e l ig h t i n t e n s i t y b a c k s c a t t e r e d b yb l o o d a t s e v e r a l d i f f e r e n t w a v e l e n g t h s . V a l u e s a r e n o r m a l i z e d to 1 . 0 a t S 0 2 = 1 0 0 % . T h e c u r v e sw e r e o b t a i n e d u s i n g a p h o t o n d i f fu s i o n m o d e l t o s i m u l a t e t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h t h e c h a r -ac ter is t ics s h o w n in t h e f ig u r e .

a b s o r p t i o n b y t h e s e a b n o r m a l h e m o g l o b i n s i s a p o t e n t i a l s o u r c e o f e r r o r in tw o -w a v e l e n g t h o x i m e t r y . A l t h o u g h i t is n o t p o s s ib l e t o c o m p l e t e l y d i st i n g u is h t h e a b s o r p -t io n o f a b n o r m a l h e m o g l o b i n s f r o m t h a t o f H b O z u s in g m e a s u r e m e n t s a t o n l y t w ow a v e l e n g t h s , t h e e m i s s i o n w a v e l e n g t h o f e a c h s o u r c e e m p l o y e d i n a n o x i m e t e r c a nb e s el e ct e d s u c h t h a t t h e a b s o r p t i o n o f H b O z g r e a t l y e x c e e d s t h e a b s o r p t i o n o f o t h e rh e m o g l o b i n s a t t h i s w a v e l e n g t h u n d e r n o r m a l c o n d i t i o n s . F o r e x a m p l e , t h e s p e c t r a lc u r v e s sh o w n i n F i g . 2 i n d i c a te t h a t t h e a b s o r p t i v i t y o f H b C O d e c r e a s e s w i t h w a v e -l e n g t h , s u g g e st in g t h a t a t w o - w a v e l e n g t h o x i m e t e r w h i c h e m p l o y s a r e d s o u r c e t h a te m i t s a t a w a v e l e n g t h l o n g e r t h a n 6 6 0 n m i s l e s s s u s c e p t i b l e t o H b C O v a r i a t i o n s t h a na n o x i m e t e r w h i c h e m p l o y s a l i g h t s o u r c e w i t h a s h o r t e r w a v e l e n g t h .


6/18

4 0 J . M . S ch m i t t, F . G . M i h m , a n d J . D . M e i n d l

~ 4 . 0

"~ 3 . 5

3.0

2.5

2.0

1. 5

1.0

.5

S O U R C E S D E T E C T O Rr a d i i = 0 . 2 5 m m r a d i u s = 0 . 5 m m|169

| i |' 0 . 8 . ~t-'~- mm

- ~ . Hct =: 40%

~ , , + 820 nrn/630 nm~,_ [3 880 rim/660 nm_ . \ :

. ( ~ | ! I ! ! I ! ! j1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 00 2 S a t u r a t i o n ( % )F I G U R E 4 . T h e o r e t i c a l c u r v e s w h i c h s h o w t h e b a c k s c a t t e r e d l i g h t i n t e n s i t y r at i o s m e a s u r e d u s i n gd i f f er e n t s o u r c e w a v e l e n g t h p a ir s v e rs u s S 0 2 . T h e c u r v e s w e r e o b t a i n e d u s i n g a p h o t o n - d i f f u s io nm o d e l t o s i m u l a t e t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s s h o w n i n t h e f ig u r e .

E f f e c t o f S e n s o r G e o m e t r y . T h e p h y s i c a l c o n f i g u r a t i o n o f t h e o p t i c a l t r a n s d u c e r s isa n i m p o r t a n t d e s ig n p a r a m e t e r b y w h i c h t h e c a li b r a ti o n c o n s t a n t s o f t h e o x i m e t e r m a yb e c o n t r o l l e d . F i g u r e 5 is a se t o f t h e o r e t i c a l c u r v e s g e n e r a t e d b y t h e m o d e l w h i c hs h o w t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n f r a r e d - r e d l i g h t i n t e n s i t y r a t i o (Iir/Ired) a n d S Qa s a f u n c t i o n o f th e d i s t a n c e s e p a r a t i n g t h e s o u r c e s a n d d e t e c t o r . I n th i s c a s e , t h e r e da n d t h e i n f r a r e d l ig h t so u r c e s w e re a s s u m e d t o h a v e m o n o c h r o m a t i c e m i s s i o n w a v e -l e n g t h s ( X ) e q u a l t o 66 0 n m a n d 8 2 0 n m , r e s p e c t iv e l y . T h e tr a n s d u c e r c o n f i g u r a t i o nt o w h i c h t h e c u r v e s c o r r e s p o n d i s il lu s t ra t ed s c h e m a t i c a ll y in t h e u p p e r p o r t i o n o f t h ef ig u r e . A ll re s u lt s ar e f o r h u m a n b l o o d o f n o r m a l h e m a t o c r i t ( H c t = 4 0 % ) .

S e v e r a l i m p o r t a n t e f f e c t s o f s o u r c e / d e t e c t o r s e p a r a t i o n o n t h e i n f r a r e d - r e d i n t e n s i tyv e r s u s S o2 r e l a t i o n s h i p a r e i l l u s t ra t e d b y t h e c u r v e s : t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n 8 0 2 a n d


7/18

N e w M e t h o d s f o r W h o l e B l o o d O x i m e t ry 4 1

~ 7 . 0cdL ..

6 . 0

5.0

4.0

3.0

2.0

1 . O

S O U R C E S D E T E C T O Rr a d i i = 0 . 2 5 m m r a d i u s = 0 . 5

( i r ) % 1 = 8 2 0 n m( r e d ) X 2 = 6 6 0 n m

1|!

! iI - , - - - d

m m

d = 2 . 0 m m

1 . 0

0 . 8 m m

O a J | i L i t2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 00 2 s a t u r a t i o n (% )F IG U R E 5 . P l o t o f th e t h e o r e t i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n f r a r e d - re d b a c k s c a t t e r e d l i g h t i n t e n -s i t y r a t io ( l~ r/Ire o) a n d S 0 2 ( H c t = 4 0 % ) f u r s e v e r a l s o u r c e / d e t e c t o r s e p a r a t i o n d i s t a n c e s ( d ) . T h ec u r v e s w e r e o b t a i n e d u s in g a p h o t o n - d i f f u s i o n m o d e l t o s im u l a t e t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c s s h o w n i n t h e f i g u r e .

t h e i n te n s i ty r a t i o is a p p r o x i m a t e l y l in e a r o n l y w h e n t h e s o u r c e s a n d t h e d e t e c t o r a r ec l o se l y s p a c e d ; s e n s i t iv i ty t o S o2 i n c r ea s e s w i t h s o u r c e / d e t e c t o r s e p a r a t i o n ; a n d t h er a t i o is a l m o s t in d e p e n d e n t o f s o u r c e / d e t e c t o r s e p a r a t i o n i n a n a r r o w r a n g e o f s a tu -r a t io n s a r o u n d S o2 = 80O 7o. T h e s e d a t a s u g g e s t h o w t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e f i b e r o p -t ic p r o b e , w h i c h t y p i c a ll y c o n s i st s o f a n a r b i t r a r y a r r a y o f f ib e r s , m a y i n f l u e n c e t h es e n s it iv i t y a n d l i n e a ri t y o f a n o x i m e t e r . T o m a x i m i z e s e n s i ti v i ty , t h e l ig h t s o u r c e s a n dd e t e c t o r s h o u l d b e f a r a w a y f r o m o n e a n o t h e r , b u t t h i s g a i n in s e n s i ti v i ty is o f f s e tb y p o o r e r l i n e a r i t y a n d r e d u c e d l i g h t in t e n s i t y l e v e ls .


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42 J.M. Schmitt, F.G. Mihm, and J.D. Meindl

o~3 . 0 0

2 . 5 0

2 . 0 0

1 . 5 0

f .O0

.150

S O U R C E S D E T E C T O Rr a d i i = 0 . 2 5 m m i i ~ r a d i u s = 0 . 5 m m( i r ) ~I = 8 2 0 n m

( r e d ) % 2 = 6 6 0 n mI

i !

Hct = 47%

0 . . . . . . . . O010 20 30 40 50 60 70 80 90 10 2 S A T U R A T I O N ( % )F I G U R E 6 . P l o t o f t h e r e l a ti o n s h i p b e t w e e n t h e i n f r a re d - r e d b a c k s c a t t e r e d l i g h t i n t e n s it y r a ti o ( l i r / l r e d )a n d S 0 2 f o r t h r e e h e m a t o c r i t v a l u e s . T h e t h e o r e t i c a l c u r v e s ( s o li d l in e s ) w e r e o b t a i n e d u s i n g a p h o -t o n d i f f u s i o n m o d e l t o s i m u l a t e t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h c h a r a c t e r i s t i c s s h o w n i n t h e fi g u r e ,T h e c o n d i t io n s u n d e r w h i c h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w e r e o b t a i n e d a r e d is c u s s e d in th e t e x t .

Effect of Hematocrit . T h e m a n n e r i n w h i c h t h e h e m a t o c r i t o f th e b l o o d a l t e rs th er e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n f r a r e d - r e d i n t e n s i t y r a t i o a n d o x y g e n s a t u r a t i o n i s s h o w nb y t h e s o l id - li n e c u r v e s i n F i g . 6 . I t is a p p a r e n t t h a t h e m a t o c r i t a n d s o u r c e / d e t e c t o rs e p a r a t i o n h a v e s i m i l a r e f f e c t s o n t h e i n t e n s i t y r a t i o ( s e e F i g . 5 ) . N o t e t h a t s e n s i ti v -i t y t o h e m a t o c r i t v a r i a t i o n s i s h i g h e s t a t l o w S o2 v a l u e s a n d t h a t t h e r a t i o i s n e a r l yi n d e p e n d e n t o f h e m a t o c r i t in a n a r r o w r a n g e o f s a t u r a t i o n s a r o u n d S o2 = 80 ~ f o rt h e c h o s e n t r a n s d u c e r c o n f i g u r a t i o n . T h e s e m o d e l d a t a s u g g e s t t h a t h e m a t o c r i t v a r i-a t i o n s c a n b e s i g n i f ic a n t s o u r c e s o f e r r o r , e s p e c i a l ly i n p o o r l y - o x y g e n a t e d b l o o d .

H C T MEASUREMENT-IIa(NEAR)/ I IR(F AR)T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n b a c k s c a t t e r e d l i g h t i n t e n s i t y a n d h e m a t o c r i t a t a c o n s t a n to x y g e n s a t u r a t i o n d e p e n d s o n t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e s o u r c e a n d d e t e c t o r . F i g -

u r e 7 s h o w s t h a t t h e s h a p e o f t h e c u r v e s r e l a t in g s c a t t e r e d i n t e n s i ty ( w a v e l e n g t h = 8 2 0


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New Methods fo r Whole Blood Oximetry 43S O U R C E D E T E C T O R

r a d i u s = 0 . 2 5 m m r a d i u s = 0 . 5 m mX = 8 2 0 n m

II I! I

~5.0

~ 4 . 0

~ 3 . 0

~2.0

1.0

0

d = 0 . 8 m m= %

2 m

I l I , | I , - - . J1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0H e r n a t o c r i t (% )

F IG U R E 7 . P lo t s h o w i n g t h e e f f e c t o f s o u r c e / d e t e c t o r s e p a r a t i o n d i s ta n c e ( d ) o n t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n i n f r a re d b a c k s c a t t e r e d in t e n s i t y m e a s u r e d a t 8 2 0 n m a n d h e m a t o c r i t. T h e c u r v e s w e r eo b t a i n e d u s i n g a p h o t o n - d i f f u s i o n m o d e l t o s i m u l a te t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h t h e c h a r a c t e r i s -t i c s s h o w n i n t h e f i g u r e .

n m ) t o h e m a t o c r i t i n t h e r a n g e 0 % < I - ic t < 6 0~ c h a n g e s f r o m p a r a b o l i c a t c l o s e d i s -t a n c es t o e x p o n e n t i a l a t g r e a te r d i s ta n c e s . T h i s w a s p r e v i o u s l y o b s e r v e d b y R e y n o l d s( 1 1 ) f o r s c a t t e r e d i n t e n s i t i e s a t a w a v e l e n g t h e q u a l t o 6 3 0 n m .

T h e i n c r e a se in s e n s it i v it y t o h e m a t o c r i t v a r i a t i o n s w i t h d i s t a n c e c a n f o r m t h e b a s i so f a r a t i o m e tr i c m e t h o d f o r m e a s u r e m e n t o f h e m a t o c r i t . T h e r a t i o , / i r ( n e a r )/ I ir ( f a r ),b e t w e e n t h e l ig h t in t e n si ti e s i n c i d e n t o n a d e t e c t o r f r o m t w o s o u r c e s a r r a n g e d a s s h o w n


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44 J.M. Schmitt, F.G. Mihm, and J.D. Meindl

( i r ,( i r ,

4 . 0 0

3 . 5 00~ . 3 . 0 0

2 . 5 0

2 . 0 0

1 . 5 0

1 .00

. 5 0

S O U R C E Sr a d i i = 0 . 2 5 m m

n e a r ) h l = 8 2 0 n mf a r ) ~ 2 = 8 2 0 n m e oI !I I i

'

I -4

E x p e r i m e n t a l S O 2 = 1 0 0 %

D E T E C T O Rr a d i u s = 0 . 5 m m

~ 6I

1 0

S 0 2 = i 0 0 %

0 %

I I I I I

O 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0H E M A T O C R I T ( % )F I G U R E 8 . P l o t o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n f r a r e d n e a r - f a r b a c k s c a t t e r e d l ig h t i n t e n s i t y r a t i o( l~ r( n ea r) /l ir (f ar )) a nd h e m a t o c r i t f o r c o m p l e t e l y o x y g e n a t e d ( S 0 2 = 1 0 0 % ) a n d d e o x y g e n a t e d( S 0 2 = 0 % ) b l o o d . T h e t h e o r e t i c a l c u r v e s ( s o l id li n e s ) w e r e o b t a i n e d u s i n g a p h o t o n d i f f u s i o n m o d e lt o s i m u l a t e t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h t h e c h a r a c t e r i s ti c s s h o w n in t h e f ig u r e . T h e c o n d i t io n su n d e r w h i c h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w e r e o b t a i n e d a r e d e s c ri b e d in t h e t e x t .

i n F i g . 8 is p r o p o r t i o n a l t o H c t . I n th i s c a se , t h e w a v e l e n g t h o f e a c h s o u r c e ( 8 2 0 n m )w a s c h o s e n c l o s e t o a n i s o b e s t i c w a v e l e n g t h ( 8 0 5 n m ) o f o x y h e m o g l o b i n - d e o x y -h e m o g l o b i n t o r e d u c e t h e d e p e n d e n c e o f th e r a t i o o n o x y g e n s a t u r a t io n .

B y p r o p e r c h o i c e o f t h e w a v e l e n g t h s a n d l o c a t i o n s o f t h e s o u r c e s , t h e s li g h t d e p e n -d e n c e o f t h e n e a r - f a r r a t i o o n S o 2 c a n b e e v e n f u r t h e r r e d u c e d . F i g u r e 9 i l l u s t r a t e st h is p o i n t . T h e i n t e n s it y o f b a c k s c a t t e r e d l ig h t f r o m t h e 8 8 0 n m s o u r c e , b e c a u s e i ts


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New M ethods or W holeBloo d Oximetry 45S O U R C E S D E T E C T O Rr a d i i = 0 . 2 5 m m r a d i u s =

( i r , n e a r ) % 1 = 8 8 0 n m( i r , f a r ) % 2 = 8 2 0 n m

4 . 0 0

21]I II I !i I

~ 3 . O m m - ~

0 . 5 m m

\oJ

3 . 5 0

3 . 0 0 O ~S 0 2 = i 02 . 5 0

%2 . 0 0

1 . 5 0

1 . 0 0

. 5 0

I ~ I I i I

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0H E M A T O C R I T ( % )F IG U R E 9, P l o t w h i c h i l lu s t r a t e s t h a t a n i n c r e a s e i n t h e e m i s s i o n w a v e l e n g t h o f th e n e a r s o u r c er e d u c e s t h e e f f e c t o f S 0 2 o n t h e n e a r - f a r i n f ra r e d i n t e n s i t y r a t i o ( s e e F i g. 5 ) . T h e c u r v e s w e r eo b t a i n e d u s i n g a p h o t o n - d i f f u s i o n m o d e l t o s i m u l a te t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h t h e c h a r a c t e r is -t i c s s h o w n i n t h e f i g u r e ,

w a v e l e n g t h i s f a r t h e r f r o m t h e i s o b e s ti c w a v e l e n g t h ( 8 0 5 n m ) t h a n is t h e w a v e l e n g t ho f t h e 8 20 n m s o u r c e , is m o r e s e n s i ti v e t o o x y g e n s a t u r a t i o n t h a n t h a t o f t h e 8 2 0 n ms o u r c e . T h e c h a n g e i n t h e s c a t te r e d - l ig h t i n t en s i t y f r o m t h e 8 2 0 n m s o u r c e i s e n h a n c e d ,h o w e v e r , b e c a u s e i t is f a r th e r f r o m t h e d e t e c t o r ( se e F i g . 7 ). T h e s e t w o e f f e c ts a l m o s tc a n c e l w h e n t h e r a t i o b e t w e e n t h e l i g h t i n t e n s i t ie s i s t a k e n , w i t h t h e r e s u l t t h a t t h ee f f e c t o f 802 on t h e r a t io i s n e a r l y e l i m i n a t e d . M e a s u r e m e n t o f t h is r a t i o c a n b e t h eb a s i s o f a s im p l e m e t h o d f o r in vivo m o n i t o r i n g o f b l o o d h e m a t o c ri t .


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46 J.M. Schmitt, F.G. Mihm, and J.D. MeindlE X P E R I M E N T A L

A s e ri es o f e x p e r i m e n t s w e r e c a r r ie d o u t t o d e t e r m i n e t h e v a l i d i ty o f t h e t h e o r e t i -c a l r e l a t i o n s h i p s u n d e r l y i n g t h e d e s i g n o f t h e o p t i c a l s e n s o r . M e a s u r e m e n t s w e r e p e r-f o r m e d in vitro u s i n g p r o t o t y p e s e n s o r s i n a n a p p a r a t u s i n w h i c h t h e p h y s i o l o g i c a lc o n d i t i o n o f c ir c u l a t in g b l o o d c o u l d b e c o n t r o l l e d . I n t h is s e c t i o n , th e s e n s o r s , e x p e r -i m e n t a l a p p a r a t u s a n d m e t h o d s a r e d e s c ri b e d , a n d p r e l i m i n a r y r e su l ts a r e p r e se n t e d .

MethodsT w o p r o t o t y p e s e n s o rs w e r e c o n s t r u c t e d . E a c h s e n s o r c o n s i s te d o f a n o x i d i z e d s il-

i c o n s u b s tr a te o n w h i c h m e t a l ( a lu m i n u m ) p a d s f o r m o u n t i n g t h e h y b r i d o p t o e l ec -t r o n i c s w e r e d e f i n e d b y p h o t o l i t h o g r a p h y . S e n s o r ' A ' e m p l o y e d tw o l i g h t- e m i t t in gd i o d e c h ip s ( " r e d " : w a v e l e n g t h o f p e a k e m i s s io n ( k l ) = 6 6 0 n m , G a P L i t r o n i x R 51 3a n d " i n f r a r e d " : w a v e l en g t h o f p e a k e m i ss io n ( k 2 ) = 8 2 0 n m , G a A 1 A s H e w l e t t -P a c k a r d S P U P ) a n d a si li co n p h o t o d i o d e c h i p ( T R W O P C 7 9 0 C , a c ti v e a r e a = 0 .8m m 2) a r r a n g e d a s s h o w n i n F i g . 6 . S e n s o r ' B ' e m p l o y e d t w o i n f r a r e d l i g h t - e m i tt i n gd i o d e c hi p s ( H e w l e t t - P a c k a r d S P U P ) a n d a s il ic o n p h o t o d i o d e c h ip ( T R W O P C 7 9 0 C)a r r a n g e d a s s h o w n i n F ig . 8 . T h e s e n s o rs w e r e e n c a p s u l a t e d i n c l e a r e p o x y a d h e s iv ea n d l ig h t b a r r ie r s w e r e c r e a t e d u s in g b l a c k e p o x y t o d e f i n e t h e o p t i c a l a p e r t u r e s . E l e c -t r ic a l c o n n e c t i o n s b e t w e e n t h e s e n s o r s a n d a s e p a r a t e p a c k a g e c o n t a i n i n g t h e s i g na lp r o c e s s i n g e l e c t r o n i c s w e r e m a d e w i t h s h i e l d e d w i r e s .

A p i c to r a l d ia g r a m o f t h e b l o o d - o x y g e n a t i o n s y st e m in w h i c h t h e m e a s u r e m e n t sw e r e p e r f o r m e d i s s h o w n i n F i g . 1 0. A r o l l e r p u m p w a s u s e d t o c i r c u l a te s u s p e n s i o n so f r e d b l o o d c e ll s i n s a li n e t h r o u g h t h e d i sc o x y g e n a t o r c o n n e c t e d i n s e ri es w i t h a

N 2 0 0 2

T EL~T E M P E R A T U R E " I - - I . . . . . . . t . . . . . . IC O N T R O L L E D /B A T H ~ J ~ ~ - ~ H U M I D I F I E R | I" ~ i I ~ I i J I~ S A M P L E9 / ~ ' ~ , . . ~ - / " / I | P O R T

ROLLER i S L O O 0P.MP SLOO0 I ~ 1 / I c : ~ l / / II ' SYR INGE "

2 2 , O X . . . . . . . ~ / ~ ' B L O O D ~ J, _ - & ~ S O B ~ . E R ~ _ _ I N _ _ _ _ _ _ S_A L .IN E I~ ~ I / ~ - ' 1 - - I r / I [ L : '- I . ( n e a r~ ~ ~ " ~ / I / ~ [ S I G N A L i i r~ ~ P R O C E S S I N G i ~ l i t ( f a r )S E N S O R - I E L E C T R O N I C S i > I r e d

] ~ D A R K

F I G U R E 1 0 . E x p e r i m e n t a l b l o o d - o x y g e n a t i o n s y s t e m . T h e s y s t e m w a s u s e d to t e s t t h e r e s p o n s eo f p r o t o t y p e s e n s o r s u n d e r s i m u l a t e d i n v iva c o n d i t i o n s .


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N ew M e t h o d s f o r W h o l e B l o o d O x i m e t ry 4 7c h a m b e r (m a i n t a i n e d a t 3 7 ~ t h a t c o n t a i n e d th e s e n s o r . T h e h e m a t o c r i t o f t h e s us -p e n s i o n w a s a d j u s t e d b y m i x i n g t h e p r o p e r p r o p o r t i o n o f i s o t o n i c s a li n e a n d p a c k e dh u m a n r e d b l o o d c e ll s. T h e b l o o d c e l ls , t o w h i c h a c i d - c i t r a t e - d e x t r o s e w as a d d e d a sa p r e se r v a t i v e a n d a n t i c o a g u l a n t , w e r e o b t a i n e d f r o m a l o c a l b l o o d b a n k . A l l u n i t sw e r e s to r e d l es s t h a n t w o w e e k s p r i o r t o a n e x p e r i m e n t . A s p e c i m e n o f e a c h u n i t o fp a c k e d c e ll s w a s s t a in e d a n d i n s p e c t e d w i t h a li g h t m i c r o s c o p e p r i o r t o a n e x p e r i m e n t ,a n d i f t h e c e ll s a p p e a r e d d i s t e n d e d o r c r e n a t e d , o r i f s i g n if i c a n t h e m o l y s i s w a s e v i-d e n t , t h e u n i t w a s r e j e c t e d . O x y g e n s a t u r a t i o n w a s a d j u s t e d b y e q u i l i b r a t in g t h e b l o o dw i t h d i f f e r e n t m i x t u re s o f n i tr o u s o x i d e ( N 2 0 ) a n d o x y g e n . H e m a t o c r i t w a s v a r ie db y p r o g r e s s iv e d i l u t io n o f th e b l o o d w i t h s a li n e . V o l t a g e s p r o p o r t i o n a l t o t h e b a c k -s c a t te r e d l ig h t i nt e n si ti e s w e re r e c o r d e d f r o m t h e s e n s o r c o n t i n u o u s l y a n d t h e b l o o dw a s s a m p l e d p e r i o d i c a l l y f o r a n al y si s o f o x y g e n s a t u r a t i o n a n d h e m a t o c r i t . T h e o x y -g e n s a t u r a t i o n o f t h e s a m p l e d b l o o d w a s m e a s u r e d w i t h a c li n ic a l fi v e - w a v e l e n g t h s p e c-t r o p h o t o m e t r i c o x i m e t e r ( M o d e l I L - 2 8 2 C O - O x i m e t e r ); h e m a t o c r i t w a s d e t e rm i n e db y m e a s u r i n g t h e p a c k e d c e ll f r a c t i o n i n c a p i l l a ry t u b e s a m p l e s a f t e r c e n t r i f u g a t i o n .I n th e e x p e r i m e n t s i n w h i c h h e m a t o c r i t w a s f i x e d a n d o x y g e n s a t u r a t i o n w a s v a r -i ed , th e h e m a t o c r i t w a s a d ju s t e d t o 3 0 % o r 4 7 % . I n th e e x p e r i m e n t s in w h i c h o x y g e ns a t u r a t i o n w a s f i x e d a n d h e m a t o c r i t w a s v a r i e d , th e o x y g e n s a t u r a t i o n w a s m a i n t a i n e da t 1 0 0 % .

R e s u l t sF i g u r e 6 p re s e n ts d a t a f r o m t w o e x p e r i m e n t s w h i c h s h o w t h e e f f e c t o f o x y g e n s a t u -

r a t i o n o n t h e i n f r a r e d - r e d i n t e n s i t y r a t i o a s m e a s u r e d b y p r o t o t y p e s e n s o r A . T h ee x p e r im e n t a l m e a s u re m e n t s a n d t h e o r y s h o w e d g o o d c o r r e s p o n d e n c e . I n b o t h e x p e r-i m e n t s, t h e r o o t m e a n - s q u a r e d ( R M S ) d i f f e re n c e b e t w e e n th e p r e d i c t e d r a t io s a n d t h em e a s u r e d r a t i o s w a s le ss t h a n 3 . 8 % . A s e x p e c t e d , t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e r a t i oa n d o x y g e n s a t u r a ti o n w a s f o u n d t o b e n o n - li n e a r a n d h e m a t o c r i t - d e p e n d e n t . T h er a t i o w a s m o s t a f f e c t e d b y h e m a t o c r i t a t lo w l ev e ls o f b l o o d o x y g e n a t i o n . F o r e x a m -p l e , a n i n c re a s e i n h e m a t o c r i t f r o m 3 0 % t o 4 7 % r e s u l te d i n a r o u g h l y 2 0 % i n c r e a sei n t h e m a g n i t u d e o f t h e i n f r a r e d - r e d i n t e n s it y ra t i o a t a n o x y g e n s a t u r a t i o n e q u a l t o40o70.

C o m b i n e d d a t a f r o m t h r e e s e p a r a t e e x p e r i m e n t s in w h i c h th e e f f e c t o f h e m a t o c r i to n t h e i n f r a r e d n e a r - f a r i n t e n s i ty r a t i o [I ir (near) / I ir ( far)] w a s i n v e s t i g a t e d u s i n g s e n -s o r B a re s h o w n b y t h e o p e n c i r c le s in F i g . 8 . A l t h o u g h t h e v a r i a b i l it y o f t h e m e a -s u r e m e n t s w a s r a t h e r la r g e (R M S d e v i a t i o n e q u a l t o a b o u t 1 9 % ) , t h e c h a n g e i nm a g n i t u d e o f t h e ra t i o d u e t o h e m a t o c r i t v a r i a t io n s w a s r o u g h l y p r e d i c t e d b y th e o r y :o v e r a 10 %0 t o 4 0 % r a n g e o f h e m a t o c r i t s , I i r ( n e a r )/ I ir ( fa r ) in c r e a s e d m o n o t o n i c a l l yb y a b o u t a n o r d e r o f m a g n i t u d e . T h e a g r e e m e n t b e t w e e n t he t h e o r e ti c a l a n d e x p e r i-m e n t a l re s u l ts w a s p o o r e s t a t l o w v a lu e s o f b l o o d h e m a t o c r i t ( H c t < 2 0 % ) , p e r h a p sb e c a u s e th e p h o t o n - d i f f u s i o n m o d e l i n a d e q u a t e l y d e s cr ib e s li g ht p r o p a g a t i o n i n b l o o dc o n t a i n i n g a l o w d e n s i t y o f r e d c e ll s.

I M P L E M E N T A T I O N O F O X I M E T R Y S Y S T E MI n t h e p r e c e d i n g s e c ti o n s , s e v er a l w a y s o f l o o k i n g a t b a c k s c a t t e r e d - i n t e n s i t y d a t a

w e r e p r e s e n t e d . I t w a s s h o w n t h a t t h e i n f r a r e d - r e d , I ir / Irea, a n d i n f r a r e d n e a r - f a r ,I i r (near ) / I i r ( far ) , i n t e n s i ty r a t io s a r e s i g n i f ic a n t q u a n t i t ie s b e c a u s e e a c h i s p r e d o m i -n a n t l y s e n s it i v e t o S o2 o r H c t . I n t h is s e c t i o n , a p r a c t i c a l s y s t e m w h i c h i n c o r p o r a t e s


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48 J .M. Schmit t, F.G. Mihm , and J .D. Meindl

2mml :I INTEGRATEDELECTRONICS PHOTODIODE| ~ 6 m mbonclingpaas

T / I '~( I~GLASS CAP,

Im i . . . . . . . . . . . ~ PHOTODtODEi SILICON SUBSTRATE

T o p v i e w r I

C r o s s - s e c t i o nFIGURE 11. Construction of catheter-tip optical sensor. See text for details.

a n o v e l o p ti ca l sen so r fo r m easu r in g b ac k sca t t e red in ten s it i e s an d a m ic ro p ro cesso r -b ased s ig n a l p ro cesso r fo r co m p u t in g h em ato c r i t an d o x y g en sa tu ra t io n f ro m th eseintensit ies is outl ined.

Op t i c a l S e n s o rFigure 11 i l lustrates the propos ed str ucture o f a catheter-t ip se nsor which is designed

to m easu re l i g h t b ack sca t t e re d b y b lo o d u s ing th ree l i g h t - em i t t i ng d io d e so u rces an da s i li co n p h o to d io d e . T h e d es ig n o f t h e sen so r h as b een d esc r ib ed p rev io u s ly a s p a r to f an im p lan tab le t e l em et ry sy s tem th a t is u n d er d ev e lo p m en t 0 4 ) . T h e s t ru c tu re canbe batch fabr ica ted us ing s tandard in tegra ted c i rcu i t techno logy , excep t that the hybr ido p to e lec t ro n ic co m p o n e n t s r eq u i r e in div id u a l a t t ach m en t . T h e cav i ti e s , an i so t ro p i -ca l ly e t ch ed in th e s i l i co n su b s t r a t e , a r e co a ted w i th sp u t t e red m e ta l t o c rea t e m i r -ro red su r faces w i th in w h ich th e o p to e lec t ro n ics a re m o u n ted . T h e cav i t i e s i n c reasethe ef f ic iency o f l igh t emiss ion and co l lec t ion , reduce in ternal specu lar ref lec t ion , andes t ab l ish w e l l -d e f in ed ap e r tu res fo r t h e so u rces an d th e d e t ec to r . T h e h y b r id c o m p o -nen ts and in tegated s ignal p rocess ing e lec t ron ics are p ro tected by the e lec t ros ta t ica l lyb o n d e d g la ss cap . T h e p u rp o se o f t he o n -ch ip in t eg ra t ed c i r cu i t ry is t o p e r fo rm th eta sk s ( e .g . m u l t ip l ex in g o f l i g h t - em i t t i n g d io d es , p h o to d io d e cu r ren t am p l i f i ca t io n ,f i l t e r in g ) r eq u i r ed to d ev e lo p s ig n a l s p ro p o r t io n a l t o fo u r in t en s i ty v a lu es -' I i r ( far) ' , ' I i r (near) ' , ' I reo ' , an d 'D A R K . ' E lec t r ica l co n tac t b e tw een th e ex te rn a l l eadw i res an d th e m e ta l p ad s o n th e su r face o f t h e s i l ico n su b s t r a te can b e m ad e th ro u g hCOz laser-d r i l led ho les (15) .

S o m e ad v an tages o f t h i s t y pe o f o p t ica l sen so r co m p a red w i th th e f ib e ro p ti c p ro b eare : (1 ) it s op t ica l character is t ics are wel l -def ined because the ape r tu res o f the sourcesan d d e tec to r a re e s t ab li sh ed b y p h o to l i th o g rap h y , (2) t h e n u m b er o f so u rces , a s we l l


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N e w M e t h o d s f o r W h o l e B l o o d O x i m e t r y 4 9a s th e i r e m i s s io n w a v e l e n g t h s a n d l o c a t i o n s , c a n b e e a s il y c h a n g e d t o o p t i m i z e t h ed e s i g n , ( 3) si g n a l n o i s e is r e d u c e d b y t h e s e n s o r ' s h i g h o p t i c a l e f f i c i e n c y a n d o n - c h i pi n t e g r a t e d e l e c t r o n i c s a n d ( 4 ) m a n y s e n s o r s w i t h s i m i l a r c h a r a c t e r i s t i c s c a n b e c o n -s t r u c t e d u s i n g i n t e g r a t e d c i r c u i t te c h n o l o g y , a l l e v i a ti n g c a l i b r a t i o n d i f f ic u l t i e s c a u s e db y th e u n p r e d i c t a b l e a r r a n g e m e n t o f o p t i c a l f ib e r s w i th i n a p r o b e .

A n i m p o r t a n t d i s a d v a n ta g e o f t h e o p t ic a l s en s o r c o m p a r e d w i th t h e f i b e r o p t icp r o b e is i ts si ze . T h e d i m e n s i o n s o f t h e s e n s o r p a c k a g e ( 1 . 0 m m x 2 . 0 m m 6 . 0 m m ) ,c o n f i g u r e d a s s h o w n i n F i g . 1 1 , a r e la r g e r t h a n t h o s e o f a p r o b e c o m p r i s e d o f s m a l ld i a m e t e r f i b e r s. A l t h o u g h t h e s iz e o f t h e s e n s o r i s n o t a s e v e re c o n s t r a i n t i n m a n yi m p l a n t a b l e a p p l i c a t i o n s , i t l i m i ts c a t h e t e r - t i p m o n i t o r i n g t o v e s s e ls la r g e r t h a n t h o s ei n w h ic h a 6 F c a t h e t e r c a n b e p la c e d , s u c h a s a p u l m o n a r y a r t e r y o r v e i n. S i n c e t h eh y b r i d - c h i p o p t o e l e c t r o n i c s a n d i n t e r c o n n e c t i o n s o c c u p y th e g r e a t e s t a re a o n t h e s e n -s o r s u b s t r a te , i t is p o ss i b le t o r e d u c e t h e l a te r a l d i m e n s i o n s o f t h e s e n s o r p a c k a g e f r o m2 m m t o a b o u t 1 m m b y r e a r r a n g e m e n t o f t h e h y b r i d c h ip s a n d i n t e r c o n n e c t i o n p a d s .

T h u s f a r , o n l y th e i n t e g r a t e d s i g n a l - p r o c e s s i n g e l e c t r o n i c s o f t h e s e n s o r h a v e b e e nf a b r i c a t e d . T h e p r o c e s s n e e d e d t o f a b r i c a t e t h e r e s t o f t h e s e n s o r i s s t i l l u n d e rd e v e l o p m e n t .

D E T E R M I N A T I O N O F H C T A N D S o2T h e b a c k s c a t t e r e d i n te n s i t y s ig n a ls p r o v i d e d b y t h e s e n s o r c a n b e c o m b i n e d t o f o r m

t h e in f r a r e d n e a r - f a r a n d i n f r a r e d - r e d i n t e n s i t y r a t io s f r o m w h i c h H c t a n d S o 2 ,r e s p e c ti v e ly , c a n t h e n b e d e t e r m i n e d . A u s e f u l f a m i l y o f c a l i b r a t i o n c u r v e s is g e n e r-a t e d b y p l o t t i n g t h e r a ti o s a g a in s t o n e a n o t h e r ; t h e c u r v e s a s si g n u n i q u e h e m a t o c r i ta n d o x y g e n s a t u r a t i o n v a l u e s t o e a c h p a i r o f i n t e n s i ty ra t i o s . T h e m a i n a d v a n t a g e o ft h is f o r m a t t i n g s c h e m e i s t h a t i t e n a b l e s c a l i b r a t i o n d a t a ( t h e o r e t ic a l o r e x p e r i m e n -t a l ) f o r a p a r t i c u l a r s e n s o r t o b e s t o r e d i n a t w o - d i m e n s i o n a l a r r a y t h a t s e r v e s a s al o o k - u p t a b l e f r o m w h i c h e s ti m a t e s o f H c t a n d S o 2 c a n b e r e a d i l y o b t a i n e d f r o mm e a s u r e d r a t i o s u s i n g a s u i t a b l e i n t e r p o l a t i o n r o u t i n e . A p r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o no f a s i g n a l p r o c e s s o r f o r a n o x i m e t r y - b a s e d o n t h i s c o n c e p t i s o u t l i n e d i n t h e n e x ts e c t i o n .

F i g u r e 1 2 is a n e x a m p l e o f a f a m i l y o f c a l i b r a t i o n c u r v e s th a t w e r e p r o d u c e d b ys i m u l a t in g t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h t h e t r a n s d u c e r c o n f i g u r a t i o n s h o w n i n t h es a m e f i g u r e . I n th i s c a se , t h e s o u r c e w a v e l e n g t h s a n d g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s w e r ec h o s e n f o r c o m p a t i b i l it y w i t h c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e h y b r i d c h i p l i g h t - e m i t ti n g d i o d e sa n d s i l i c o n p h o t o d i o d e s .

S I G N A L - P R O C E S S I N G A R C H I T E C T U R EA b l o c k d i a g r a m o f a m i c r o p r o c e s s o r -b a s e d s y se m f o r c o m p u t i n g h e m a t o c r i t , o x y -

g e n s a t u r a t i o n , a n d o x y g e n c o n t e n t f r o m i n t e n s i ty si gn a ls p r o v i d e d b y a c a t h e t e r - t i ps e n s o r is s h o w n i n F ig . 1 3. A s u m m a r y o f t h e o p e r a t i o n s ( p e r f o r m e d i n r e a l -t i m e ) isg i v e n b e l o w :

9 A n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r s io n . T h e f o u r a n a l o g v o l t a g e s f r o m t h e o p t i c a ls e n s o r - I i r ( f a r ) , I i r ( n e a r ) , I r e a , a n d a v o l ta g e p r o p o r t i o n a l t o t h e b a c k g r o u n d l i gh ti n te n s it y ( D A R K ) - a r e d i gi ti z ed a t a so f t w a r e - c o n t r o l le d s a m p l in g r a te .9 A m b i e n t l ig h t s u b t r a c to n . T h e b a c k g r o u n d l ig h t i n t e n s it y ( D A R K ) i s s u b t r a c t e df r o m e a c h o f t h e b a c k s c a t t e r e d l ig h t i n te n s i ti e s .


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50 J.M. Schmitt, F.G. Mihm, and J.D. MeindlS O U R C E Sr a d i i = 0 . 2 5 m m

( i r , n e a r ) ~ I = 8 2 0 n m( r e d ) h a = 6 6 0 n m

( i t , f a r ) ~ 3 = 8 2 0 n m 2| ! II I . ^ I

~ -- 2 . 0 m m - - ~

D E T E C T O Rr a d i u s = 0 . 5 m m

1 6 . 0 0

~ 1 4 . 0 0

" ~ 1 2 . 0 0

1o.00

8 . 0 0

6 . 00

4 . 0 0

2 . 0 0

0

1 0 0 % S 0 280%, 6 0 % 4 0 % 5 0 %

~ Hct~ 30%

2 0%

10%

. . . . . . . . . 3 1 o 0 3 /5 0 1 . 0 0 1 . 5 0 2 . 0 0 2 . 5 0 5 0 . 0l i r / I r e d

F IGU R E 1 2 , F a m i l y o f c a l i b r a t i o n c u r v e s f o r e s t i ma t i o n o f o x y g e n s a t u r a t i o n [ S O2) a n d hema t o c r i t( H c t ) f r o m t h e i n f r a r e d n e a r - fa r { l i r (n e a r ) / l~ ( f a r l} a n d i n f r a r e d - r e d | li , l , , d l r a t i o s , T h e c u r v e s w e r eo b t a i n e d u s i n g a p h o t o n - d i f fu s i o n m o d e l t o s imu l a t e t h e r e s p o n s e o f a s e n s o r w i t h t h e charac te r is -t i c s s h o w n i n t h e f i g u r e .

9 Computa tion of infrared near-far and infrared-red intensity ratios.RA TIO 1 = Iir(near)/Ii~(far)and RATIO2 = l~(near)/I~ed are com puted using aprogrammed division routine,9 Interpolation of Hct and Soz values. The digital value s of RA TIO and


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N e w M e t h o d s f o r W h o l e B l o o d O x i m e t r y 51

M I C R O P R O C E S S O R

J r ( F A A )J r NEAR)I re dDARK

A / D) o . ,) o-,,~

S o 2H c tCaO2

/ I \

E P R O M(ST OR ES C AL I ~ II ~ AT I ON

F I G U R E 1 3 . O x i m e t r y s y s t e m s i g n a l p r o c e s s i n g a r c h i t e c t u r e . S e e t e x t f o r d e t a i l s .

RATIO2 are converted to addresses which serve as pointers to locations in theROM look-up table. Hct and So2 are then interpolated from data retrievedfrom the table. Accuracy is determined by the size of the table.

9 E s t i m a t i o n o f o x y g e n co n t e n t . The product So2 Hct is computed to produce avalue proportional to blood oxygen content (Co2), assuming that the oxygendissolved in the blood plasma is negligible.

9 D i g i t a l - t o - a n a l o g c o n v e r s i o n . S o 2 , Hct, and Co2-now accessible in digitalform-are converted to analog voltages for display and recording.

Because the signals produced by the optical sensor are processed digitally, theimplementa tion described here is very flexible: calibration, dete rminat ion of opera-tion errors, computation of derived quantities, etc., can be tailored to the specificapplication of the oximeter.


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5 2 J . M . S c h m i t t , F . G . M i h m , a n d J . D . M e i n d lC O N C L U S I O N

A l t h o u g h c o n s id e r a b le e f f o r t h a s b e en d e v o t e d t o t h e d e v e l o p m e n t o f in vivo o x i m -e t r y , m o s t o x i m e t e r s s t il l l a c k f l e xi b i li t y, a c c u r a c y , a n d r a n g e . T h i s p a p e r h a s p r e -s e n t e d t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w h i c h s h o w t h a t t h e e m p i r i c a l li n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e n S o 2 a n d t h e i n f r a r e d - r e d i n t e n s i ty r a t i o o n w h i c h p r e v i o u si n s t r u m e n t s h a v e b e e n b a s e d i s a n i n a d e q u a t e d e s c r i p t i o n , b e c a u s e i t d o e s n o t a c c o u n tf o r t h e st r o n g e ff e c t s o f g e o m e t r y a n d H c t . R a t i o m e t r i c t e c h n i q u e s h a v e b e e n d e v i s e dw h i c h e n a b l e t h e d e t e r m i n a t i o n o f S o 2 a n d H c t i n d e p e n d e n t l y o v e r w i d e r a n g e s u si n ga c u s t o m o p t i c a l s e n so r b a s e d o n i n t e g ra t e d c r it ic a l t e c h n o l o g y t o m e a s u r e b a c k s c a t -t e r e d li g h t i n t e n s it i e s. F i n a l l y , a p r a c t ic a l i m p l e m e n t a t i o n o f a n o x i m e t r y s y s t e m i nw h i c h m i c r o p r o c e s s o r - c o n t r o l l e d s ig n a l p r o c e s s i n g is e m p l o y e d t o f a c i li t a te c a li b r a -t i o n a n d e n h a n c e f l e x i b i l i t y h a s b e e n d e s c r i b e d .

T h e v a l u e o f in vivo o x i m e t r y a s a cl i n ic a l a n d r e s e a r c h t o o l i n f u t u r e a p p l i c a t i o n sd e p e n d s o n t h e d e v e l o p m e n t o f i n s tr u m e n t s w i t h g re a te r c a p a b il it ie s . T h e w o r kd e s c r i b e d h e r e r e p r e s e n t s p r o g r e s s t o w a r d t h i s g o a l . M o r e r e s e a r c h w i ll b e re q u i r e dt o d e t e r m i n e w h e t h e r c o n d i t i o n s w h i c h w e r e n o t c o n s id e r e d , s u c h a s b l o o d f l o w a n dt h e p re s e n c e o f a b n o r m a l h e m o g l o b i n s , i n t r o d u c e e r ro r s i n b l o o d o x y g e n m e a s u r e -m e n t r e q u ir in g r e f i n e m e n t o f t h e o x im e t e r .

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Research New Methods Wholeblood Oximetry