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In-line optical monitoring of oxygen saturation and hematocrit for cardiopulmonary bypass: Adjustment-free and bloodless calibration

  • Uwe J. Netz EMAIL logo , Moritz Friebel und Jürgen Helfmann
Veröffentlicht/Copyright: 14. April 2015
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Abstract

Background and objective:

This article describes a new sensor for monitoring oxygen saturation (sO2) and hematocrit (Hct) of blood during cardiopulmonary bypass. The sensor is calibrated without blood and does not need to be adjusted by laboratory blood parameter analysis when in operation.

Materials and methods:

The optical sensor presented here uses near-infrared spatially resolved reflectance spectroscopy. The primary calibration model for a master sensor is derived from the measurement of circulating human blood from a number of different patients with references taken from standard laboratory analysis of blood parameters. Transfer of the calibration model from the master sensor to new sensors is performed by measurement of an optical standard made of artificial material with defined and controlled optical properties.

Results:

The predicted values of sO2 and Hct exhibit an accuracy of 1.2% for sO2 and 1.1% for Hct compared to the reference values. The optical standard yields optical signals similar to the measurement of blood. After calibration transfer, the mean accuracy of the measurement of 10 sensors is 1.3% for sO2 and 1.2% for Hct.

Conclusion:

A new sensor with high degree of accuracy for sO2 and Hct compared to commercially available sensor systems is presented. The calibration transfer using optical standards gives a comparable degree of accuracy. The method could be adapted for use with existing sensors. No animal blood needs to be used in calibration process anymore.

Zusammenfassung

Hintergrund und Zielsetzung:

Dieser Artikel beschreibt einen neuen Sensor für die Überwachung der Sauerstoffsättigung (sO2) und des Hämatokrits (Hct) von Blut am extrakorporalen Kreislauf. Der Sensor wird ohne Blut kalibriert und erfordert im Einsatz keinen Abgleich mittels Laboranalyse der Blutparameter.

Materialien und Methoden:

Der vorgestellte Sensor verwendet das Verfahren der ortsaufgelösten Rückstreuspektroskopie im Nahinfrarotbereich. Das Kalibriermodell für einen Mastersensor wird zunächst aus der Messung an zirkulierendem menschlichem Blut von mehreren Patienten sowie der Referenzmessung durch Laboranalyse der Blutparameter gewonnen. Die Übertragung des Kalibriermodells vom Mastersensor auf neue Sensoren erfolgt mit Hilfe der Messung an einem optischen Standard aus künstlichen Materialien mit definierten optischen Eigenschaften.

Ergebnisse:

Die Vorhersagewerte für sO2 und Hct erreichen eine Genauigkeit gegenüber den Referenzwerten von 1.2% für sO2 und 1.1% für Hct. Der optische Standard erzeugt ähnliche Sensorsignale wie bei Messungen an Blut. Die Genauigkeit der Messung nach der Kalibrierübertragung liegt im Mittel von 10 Sensoren bei 1.3% für sO2 und 1.2% für Hct.

Fazit:

Es wird ein neuer Sensor zur Messung von sO2 und Hct präsentiert, der eine hohe Genauigkeit im Vergleich zu den am Markt befindlichen Sensoren aufweist. Die Kalibrierübertragung mittels optischer Standards liefert eine vergleichbare Genauigkeit. Die Methode lässt sich auch für bestehende Sensoren anwenden. Für die Kalibrierung ist damit kein Tierblut mehr nötig.


Corresponding author: Uwe J. Netz, Laser- und Medizin-Technologie GmbH, Berlin (LMTB), Fabeckstr. 60-62, 14195 Berlin, Germany, e-mail:

Acknowledgments

Financial support is gratefully acknowledged from the Berlin Senate Department of Commerce, Technology and Research (IBB, ProFIT 10147774), and co-financed by the European Fund for Regional Development (EFRE). Our thanks go to Enno Ott for the operation of the cardiopulmonary bypass and the sensor measurements, to Lesley Hirst for blood management and the blood parameter reference measurements, and to the DRK-Blutspendedienst Nord-Ost for their help in supplying us with blood products.

  1. Conflict of interest statement: There is no conflict of interest to declare.

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Received: 2014-12-12
Revised: 2015-3-9
Accepted: 2015-3-10
Published Online: 2015-4-14
Published in Print: 2015-5-1

©2015 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

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