Determination of oxygen saturation and hematocrit of flowing human blood using two different spectrally resolving sensors / Bestimmung von Sauerstoffsättigung und Hämatokrit an fließendem Blut mit zwei verschiedenen spektralen Sensoren
-
Martina Meinke
Abstract
The blood parameters oxygen saturation and hematocrit were determined by two different spectral sensors using reflectance spectra from 550 to 900 nm and partial transmission spectra centered at 660 nm. The spectra were analyzed by the method of partial least squares. One sensor consists of a miniature integrating sphere, while the other was fiber-guided. The results show that the geometry of the sensors and different blood flows do not influence the spectral analysis significantly. Independent of the sensor geometry, both hematocrit and oxygen saturation could be determined with an absolute predicted root mean square error of less than 3%. Furthermore, the analysis showed that hematocrit prediction requires eight wavelength regions and oxygen saturation prediction requires four wavelength regions using reflectance spectroscopy. This implies that if the measurement is restricted to reflectance, a spectrometer is indispensable for determining both blood parameters. Hematocrit determination could be improved using reflectance measurements in combination with transmission.
Zusammenfassung
Die Blutparameter Sauerstoffsättigung und Hämatokrit wurden über Reflexionsmessungen im Bereich von 550 bis 900 nm und teilweise Transmissionsmessungen bei 660 nm mit Hilfe von zwei verschiedenen spektralen Sensoren bestimmt. Ein Sensor besteht aus einer Miniatur-Ulbricht-Kugel, der andere ist glasfasergeführt. Zur Kalibrierung wurde die Partial Least Squares Methode benutzt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Geometrie der Sensoren und die verschiedenen Blutflüsse keinen Einfluss auf die spektrale Auswertung haben. Unabhängig von der Sensorgeometrie konnten beide Blutparameter mit einem mittleren absoluten Fehler von weniger als 3% bestimmt werden. Die Hinzunahme von Transmissionsspektren verbessert die Hämatokritbestimmung, nicht aber die Sauerstoffmessungen. Die Auswertung hat gezeigt, dass für die Hämatokritbestimmung 8 Wellenlängen notwendig sind, wenn ausschließlich Reflexionsmessungen durchgeführt werden, und für die Sauerstoffmessung sind hierbei 4 Wellenlängen erforderlich. Dies zeigt, dass bei Reflexionsmessungen das gesamte Spektrum im oben genannten Bereich für die Bestimmung beider Blutparameter aufgenommen werden sollte.
References
1 Appelblad M, Svenmarker S, Haggmark S, Jansson E, Lindholm R. Continuous venous oximetry: a comparative study between the CDI 100 and the Bently OxySat II. J Extra Corpor Technol1994; 26: 185–188.Search in Google Scholar
2 Brown ME, Rawlaigh JD, Gallagher JM. In vitro evaluation of continuous mixed venous oxygen saturation and hematocrit monitors. J Extra Corpor Technol1994; 26: 189–193.Search in Google Scholar
3 Denninghoff KR, Chipman RA, Hillman LW. Oxyhemoglobin saturation measurements by green spectral shift. Opt Lett2006; 31: 924–926.10.1364/OL.31.000924Search in Google Scholar
4 Friebel M, Roggan A, Müller G, Meinke M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250–1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions. J Biomed Opt2006; 11: 031021–10.10.1117/1.2203659Search in Google Scholar
5 Kaiwa T, Mori T, Kijima T, Nogawa M, Nojiri C, Takatani S. Measurement of blood hematocrit inside the magnetically suspended centrifugal pump using an optical technique: application to assessment of pump flow. Artif Organs1999; 23: 490–495.10.1046/j.1525-1594.1999.06388.xSearch in Google Scholar
6 Martens H, Naes T. Multivariate calibration. Chichester: John Wiley & Sons 1989.Search in Google Scholar
7 Meinke M, Gersonde I, Friebel M, Helfmann J, Müller G. Chemometric determination of blood parameters using VIS-NIR-spectra. Appl Spectrosc2005; 59: 826–835.10.1366/0003702054280603Search in Google Scholar
8 Meinke M, Müller G, Friebel M. Model functions to calculate the optical properties of human blood in the spectral range 250–1100 nm dependent on hematocrit. Appl Opt (accepted).Search in Google Scholar
9 Meinke M, Müller G, Helfmann J, Friebel M. Optical properties of platelets, leukocytes and blood plasma and their influence on the optical behavior of whole blood in the VIS-NIR wavelength range. J Biomed Opt (accepted with minor changes).Search in Google Scholar
9a Meinke M, Müller G, Friebel M, Gersonde I, Helfmann J, Notter M. Optical evaluation of hemolysis. In: Trends in blood transfusion research. USA: Nova Science Publishers: in press.Search in Google Scholar
10 Neudel F, Takatani S, Reul H, Rau G. Effect of hemolysis on oxygen and hematocrit measurements by near infrared reflectance spectroscopy. Med Eng Phys2002; 24: 301–307.10.1016/S1350-4533(02)00012-7Search in Google Scholar
11 Otto M. Chemometrics. Weinheim: Wiley-VCH 1999: 100–118.Search in Google Scholar
12 Reynolds LO, Johnsons CC, Ishimaru A. Diffuse reflectance from a finite blood medium: applications to the modeling of fiber optic catheters. Appl Opt1976; 15: 2059–2067.10.1364/AO.15.002059Search in Google Scholar PubMed
13 Roggan A, Friebel M, Dörschel K, Hahn A, Müller G. Optical properties of circulating human blood in the wavelength range 400–2500 nm. J Biomed Opt1999; 4: 36–46.10.1117/1.429919Search in Google Scholar PubMed
14 Steinke JM, Shepherd AP. Reflectance measurements of hematocrit and oxyhemoglobin saturation. Am J Physiol1987; 253: 147–153.10.1152/ajpheart.1987.253.1.H147Search in Google Scholar PubMed
15 Southworth R, Sutton R, Mize S, et al. Clinical evaluation of a new in-line continuous blood gas monitor. J Extra Corpor Technol1998; 30: 166–170.Search in Google Scholar
16 Twesky V. Absorption and multiple scattering by biological suspensions. J Opt Soc Am1970; 60: 1084–1093.10.1364/JOSA.60.001084Search in Google Scholar
17 Zang S, Soller BR, Micheels RH. Partial least-squares modeling of near-infrared reflectance data for noninvasive in vivo determination of deep-tissue pH. Appl Spectrosc1998; 52: 400–406.10.1366/0003702981943581Search in Google Scholar
18 Zhang S, Soller BR, Kaur S, Perras K, van der Salm TJ. Investigations of non-invasive in vivo blood hematocrit measurement using NIR reflectance spectroscopy and partial least-squares regression. Appl Spectrosc2000; 54: 294–299.10.1366/0003702001949258Search in Google Scholar
©2006 by Walter de Gruyter Berlin New York
Articles in the same Issue
- Biosignal Processing: various concepts, various applications – but a common drive
- Detection of directed information flow in biosignals
- Data mining in medical time series
- State-space analysis of joint angle kinematics in normal treadmill walking
- From diagnostics to therapy – conceptual basis for real-time movement feedback in rehabilitation medicine
- Investigations of back muscle fatigue by simultaneous 31P MRS and surface EMG measurements
- Application of EMG signals for controlling exoskeleton robots
- Processing of physiological signals in automotive research
- Tracer kinetic analysis of signal time series from dynamic contrast-enhanced MR imaging
- A fiber optic sensor system for control of rate-adaptive cardiac pacemakers and implantable defibrillators / Ein faseroptisches Sensorsystem zur Steuerung von frequenzadaptiven Herzschrittmachern und implantierbaren Defibrillatoren
- Investigation of the influence of blood flow rate on large vessel cooling in hepatic radiofrequency ablation / Untersuchung des Einflusses der Blutflussgeschwindigkeit auf die Gefäßkühlung bei der Radiofrequenzablation von Lebertumoren
- Determination of oxygen saturation and hematocrit of flowing human blood using two different spectrally resolving sensors / Bestimmung von Sauerstoffsättigung und Hämatokrit an fließendem Blut mit zwei verschiedenen spektralen Sensoren
- Karl Fischer titration and coulometry for measurement of water content in small cartilage specimens / Bestimmung des Wassergehalts in kleinen Knorpelproben durch Karl-Fischer-Titration und Coulometrie
- Synergistic effects of mixed TiAlV and polyethylene wear particles on TNFα response in THP-1 macrophages / Synergistische Effekte gemischter TiAlV- und Polyethylen-Abriebpartikel auf die TNFα-Antwort in THP-1 Makrophagen
- FE-Simulation zur Lokalisierung hoch beanspruchter Bereiche in der Hüftpfanne von Endoprothesen / FE-analysis of surface stresses for the tribological system in total hip prostheses
- Partial hemi-resurfacing of the hip joint – a new approach to treat local osteochondral defects? / Gelenkoberflächen-Teilersatz am Hüftgelenk – ein neuer Ansatz zur Behandlung osteochondraler Defekte?
- Stellungnahme zu „Der Einfluss von Laserlichtbestrahlung niedriger Leistungsdichte auf einen experimentellen Knorpelschaden im Kniegelenk des Kaninchens: eine in vivo-Untersuchung unter Berücksichtigung makroskopischer, histologischer und immunhistochemischer Veränderungen”; Biomed Tech 2006; 51: 131–138
- Contents index volume 51 (2006)
- Author index volume 51 (2006)
Articles in the same Issue
- Biosignal Processing: various concepts, various applications – but a common drive
- Detection of directed information flow in biosignals
- Data mining in medical time series
- State-space analysis of joint angle kinematics in normal treadmill walking
- From diagnostics to therapy – conceptual basis for real-time movement feedback in rehabilitation medicine
- Investigations of back muscle fatigue by simultaneous 31P MRS and surface EMG measurements
- Application of EMG signals for controlling exoskeleton robots
- Processing of physiological signals in automotive research
- Tracer kinetic analysis of signal time series from dynamic contrast-enhanced MR imaging
- A fiber optic sensor system for control of rate-adaptive cardiac pacemakers and implantable defibrillators / Ein faseroptisches Sensorsystem zur Steuerung von frequenzadaptiven Herzschrittmachern und implantierbaren Defibrillatoren
- Investigation of the influence of blood flow rate on large vessel cooling in hepatic radiofrequency ablation / Untersuchung des Einflusses der Blutflussgeschwindigkeit auf die Gefäßkühlung bei der Radiofrequenzablation von Lebertumoren
- Determination of oxygen saturation and hematocrit of flowing human blood using two different spectrally resolving sensors / Bestimmung von Sauerstoffsättigung und Hämatokrit an fließendem Blut mit zwei verschiedenen spektralen Sensoren
- Karl Fischer titration and coulometry for measurement of water content in small cartilage specimens / Bestimmung des Wassergehalts in kleinen Knorpelproben durch Karl-Fischer-Titration und Coulometrie
- Synergistic effects of mixed TiAlV and polyethylene wear particles on TNFα response in THP-1 macrophages / Synergistische Effekte gemischter TiAlV- und Polyethylen-Abriebpartikel auf die TNFα-Antwort in THP-1 Makrophagen
- FE-Simulation zur Lokalisierung hoch beanspruchter Bereiche in der Hüftpfanne von Endoprothesen / FE-analysis of surface stresses for the tribological system in total hip prostheses
- Partial hemi-resurfacing of the hip joint – a new approach to treat local osteochondral defects? / Gelenkoberflächen-Teilersatz am Hüftgelenk – ein neuer Ansatz zur Behandlung osteochondraler Defekte?
- Stellungnahme zu „Der Einfluss von Laserlichtbestrahlung niedriger Leistungsdichte auf einen experimentellen Knorpelschaden im Kniegelenk des Kaninchens: eine in vivo-Untersuchung unter Berücksichtigung makroskopischer, histologischer und immunhistochemischer Veränderungen”; Biomed Tech 2006; 51: 131–138
- Contents index volume 51 (2006)
- Author index volume 51 (2006)
