Article

Medical and Biological Engineering and Computing

, Volume 15, Issue 1, pp 22-31

Reflection photoplethysmography of arterial-blood-volume pulses

  • J. WeinmanAffiliated withRogoff Laboratory for Biomedical Engineering, Hebrew Univesity-Hadassah Medical School
  • , A. HayatAffiliated withRogoff Laboratory for Biomedical Engineering, Hebrew Univesity-Hadassah Medical School
  • , G. RavivAffiliated withRogoff Laboratory for Biomedical Engineering, Hebrew Univesity-Hadassah Medical School

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Abstract

Reflection photoplethysmography allows noninvasive recording of arterial-blood-volume pulses. The method is based on monitoring backscattered infrared light and has promising diagnostic value: volume pulse shapes depend on cardiac performance and arterial elasticity. The poor repooducibility of photoplethysmograms at repeated trials on the same subject impairs their usefulness, however. The actual formation of photoplethysmograms was invastigated using agar blocks with blood-filled vessels embedded in them. Two optical processes were observed: (a) Attenuation by the vessel of backscattered and back-reflected light, here vessel extension leads to ‘less’ light at the sensor;(b) Light reflection by the vessel wall proximal to the sensor, and vessel extension gives rise to ‘more’ light at the sensor, this counteracts the attenuation. The combined effects of (a) and (b) make the recorded pulse shape dependent on the transducer/artery position relationship. Volume-pulse transducers that monitor the displacement of arterial walls mechanically (e.g. piezoelectric crystals) are liable to produce similar artefacts. The prospects of minimising these artefacts, by using improved transducer designs, are promising.

Keywords

Haemodynamics Patient monitoring

Sommaire

La photopléthysmographie permet de faire des enregistrements non-envahissants des impulsions volumétriques du sang artériel. La méthode est basée sur la surveillance d'une lumière infra-rouge diffusée en arrière et a une valeur diagnostique prometteuse: les formes des impulsions volumétriques dépendent de la performance cardiaque et de l'élasticité artérielle. Toutefois la faible reproductibilité des photopléthysmogrammes lors des essais répétés au même sujet réduit leur valuer. La formation des photopléthysmogrammes eux-mêmes a été étudiée à l'aide de blocs d'agar incorporant des vaisseaux remplis de sang. On a observé deux procédés optiques: (a) l'atténuation par le vaisseau de la lumière diffusée en arrière et réfléchie vers l'arrière: dans ce cas l'extension du vaisseau donne ‘moins’ de lumière au niveau du capteur; (b) le réfléchissement de la lumière par la paroi du vaisseau à proximité du capteur, et l'extension du vaisseau donne ‘plus’ de lumiére au capteur, ce qui neutralise l'atténuation. Les effets conjugués de (a) et (b) font que la forme d'impulsion enregistrée dépend de la position du capteur relative à l'artère. Les capteurs des impulsions volumétriques qui surveillent mécaniquement (par exemple, par cristaux piézo-électriques) le déplacement des parois artérielles sont susceptibles de produire des artéfacts similaires. Les possibilités de minimiser ces artéfacts, en utilisant des définitions de capteur améliorées, sont plus prometteuses pour la photopléthysmographie.

Zusammenfassung

Durch Reflektionsphotoplethysmographie ist eine nichtagressive Registrierung der arteriellen Blutvolumenimpulse möglich. Dieses Verfahren basiert auf der Überwachung von rückgestreutem infrarotem Licht und hat einen vielversprechenden diagnostischen Wert: Die Volumenimpulsformen hängen von der Herzleistung und Elastizität der Arterien ab. Die schlechtere Reproduzierbarkeit von Photoplethysmogrammen bei wiederholten Versuchen am gleichen Patienten beeinträchtigt jedoch ihre Nützlichkeit. Die eigentliche Bildung von Photoplethysmogrammen wurde unter Verwendung von Agarblocks mit darin eingebetteten blutgefüllten Gefäßen untersucht. Es wurden zwei optische Vorgänge beobachtet: (a) Dämpfung von rückgestreutem und zurückgeworfenem Licht durch das Gefäß. Hier führt die Gefäßerweiterung zu ‘weniger’ Licht am Fühler. (b) Lichtreflektion durch die Gefäßwand, die dem Fühler am nächsten liegt. Durch Gefäßerweiterung ist ‘mehr’ Licht am Fühler verfügbar, und dies wirkt der Dämpfung entgegen. Die kombinierten Wirkungen von (a) und (b) machen die registrierte Pulsform abhängig vom Meßwandler im Vergleich zur Arterienposition. Volumenpuls-Meßwandler, die die Verlagerung von Arterienwänden mechanisch überwachen (d.h. piezoelektrische Kristalle) erzeugen wahrscheinlich ähnliche Artefakten. Die Aussichten, diese Artefakten auf eine Mindestmaß zu beschränken, indem ein verbesserter Meßwandler eingesetzt wird, sind für die Photoplethysmographie vielversprechender.