The influence of light noise on the error in estimating the level of fractional blood saturation using a multi-wave pulse oximeter
- Authors: Koptev D.S.1, Revyakina M.O.2
-
Affiliations:
- Southwest State University
- I. S. Turgenev Orel State University
- Issue: Vol 74, No 5 (2025)
- Pages: 41-48
- Section: OPTOPHYSICAL MEASUREMENTS
- URL: https://journals.rcsi.science/0368-1025/article/view/380309
- ID: 380309
Cite item
Abstract
In connection with the development and implementation of modern optoelectronic technologies in various branches of medicine, it is important to ensure high-quality functioning of devices for non-invasive spectrophotometric diagnostics of physiological parameters under the infl uence of such specific external factors as light noise of natural and artificial light sources. A mathematical model of fixed-frequency light noise is presented and it is shown that such noise is an additive interference in relation to the useful photoplethysmographic signal of the pulse oximeter channel. It is shown that when using photoplethysmographic methods for studying oxygen status parameters, the intensity of optical radiation transmitted through biological tissue depends on the level of arterial blood oxygen saturation. A mathematical model of the photoplethysmographic signal has been developed that allows taking into account the pulse wave parameters – the frequencies of the first and second harmonics of arterial blood pulsation, respiratory contractions. The light noise level is normalized to the photoplethysmographic signal level using the signal-to-noise ratio. It has been found that at a signal-to-noise ratio of 10; 5; 1, the ratios of the constant and variable components of the photoplethysmographic signal change on average by 6.7, 11.4, 15.7 %, respectively, compared to the case of no additive interference. The effect of light noise of various levels on the quality of fractional blood saturation level assessment was investigated and it was found that with a signal/noise ratio of 10; 5; 1, the relative error of this assessment is 3.676; 6.115; 8.077 %, respectively. A physical experiment was conducted with the participation of 30 subjects to determine the effect of illumination on the quality of fractional blood saturation level assessment by a multiwave pulse oximeter. The experimental data confirmed the results of model studies for a signal/noise ratio of 10 and 5. The results obtained can be used in the design and development of noninvasive spectrophotometric diagnostic devices and assessment of their performance under conditions of destabilizing factors.
About the authors
D. S. Koptev
Southwest State University
Email: d.s.koptev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7759-579X
M. O. Revyakina
I. S. Turgenev Orel State University
Email: revyakina_masha@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1593-5290
References
Тучин В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Ай Пи Ар Медиа, Москва (2021). Глазков А. А., Лапитан Д. Г., Макаров В. В., Рогаткин Д. А. Оптический неинвазивный автоматизированный прибор для исследования центральной и периферической гемодинамики. Физические основы приборостроения, 10(4(42)), 28–36 (2021). https://doi.org/10.25210/jfop-2104-028036 Гузенко М. М., Мазинг М. С., Зайцева А. Ю. Применение методов оптического анализа для неинвазивного контроля уровня оксигенации крови. Биофизика, (68(2)), 389–395 (2023). https://doi.org/10.31857/S0006302923020199 Сафонова Л. П., Дмитриев А. Н., Ширяева В. С., Кулешов Д. Ю. Контроль когнитивных функций методами спектрофотометрии и вызванных потенциалов. Биомедицинская радиоэлектроника, (25(6)), 5–17 (2022). https://doi.org/10.18127/j15604136-202206-01 Гаранин А. А., Дьячков В. А., Рубаненко А. О. и др. Методы пульсоксиметрии: возможности и ограничения. Российский кардиологический журнал, (28(S3)), 54–67 (2023). https://doi.org/10.15829/1560-4071-2023-5467 ; https://elibrary.ru/LWXJYA Коптев Д. С., Юдин И. С. Оценка фракционной сатурации крови у пилота воздушного судна в условиях влияния динамических полётных факторов. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение, 12(2), 98–120 (2022). https://doi.org/10.21869/2223-1536-2022-12-2-98-120 ; https://www.elibrary.ru/adlygw Хизбуллин Р. Н. Принципы построения трёхволнового двухканального лазерного пульсоксиметра. Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль, (2), 90–100 (2022). https://doi.org/10.21685/2307-5538-2022-2-11 Aoyagi T., Masayoshi F., Kobayashi N. et al. Multiwavelength Pulse Oximetry: Theory for the Future. Anesthesia and analgesia, 105(6), 53–58 (2008). https://doi.org/10.1213/01.ane.0000268716.07255.2b Roth D., Herkner H., Schreibe r W. et al. Accuracy of noninvasive multiwave pulse oximetry compared with Carboxyhemoglobin from blood gas analysis in unselected Emergency Department Patients. Annals of Emergency Medicine, 58(1), 74–79 (2011). Коптев Д. С. Математическая модель и устройство неинвазивной диагностики уровня фракционной сатурации крови. Измерительная техника, 73(8), 13–21 (2024). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-8-13-21 ; https://elibrary.ru/ahzjiq Коптев Д. С. Сравнение точностных характеристик двухволновой и четырёхволновой моделей при оценке уровня сатурации крови пилота в условиях влияния внешних дестабилизирующих полётных факторов. Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам VI Всероссийской научно-практической конференции, Курск, Юго-Западный государственный университет, с. 260– 275 (2022). https://www.elibrary.ru/dpvupp Федотов А. А. Устройство помехоустойчивой регистрации артериальной пульсации крови. Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии (ФРЭМЭ-2020). Труды XIV Международной научной конференции с научной молодёжной школой им. И. Н. Спиридонова, Владимир – Суздаль, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, кн. 2, с. 115–118 (2020). https://www.elibrary.ru/gfkptl Петренко П. Б. Методические рекомендации по созданию сенсорных измерительных систем мониторинга частоты дыхания на основе обработки фотоплетизмографических сигналов. Сенсорные системы, (38(3)), 82–94 (2024). https:// doi.org/10.31857/S0235009224030057 ; https://elibrary.ru/brxsed Рогаткин Д. А. Физические основы оптической оксиметрии. Медицинская физика, (2), 97–114 (2012). https://elibrary.ru/ozlxtr Федотов А. А. Помехоустойчивость методик контурного анализа пульсовой волны. Измерительная техника, (3), 64–67 (2019). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-3-64-67 ; https://elibrary.ru/vyoucb Лебединский К. М., Мазурок В. А., Матус К. М. Пульсовый оксиметр с логарифмическим фотоприёмником. Медицинская техника, (4(262)), 25–30 (2010). https://elibrary.ru/nycpob Коптев Д. С. Влияние общей вибрации на качество оценки физиологических показателей пилота. Измерительная техника, 73(9), 61–69 (2024). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-9-61-69 ; https://elibrary.ru/forgjo Мухин И. Е., Селезнев С. Л., Коптев Д. С. Цифровое устройство контроля физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна: патент RU 2766756 С1. Изобретения. Полезные модели, № 8 (2022).
Supplementary files
