Reflection photoplethysmography of arterial-blood-volume pulses

  • J. Weinman
  • A. Hayat
  • G. Raviv
Article

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.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. Anderson, N. M. andSekej, P. (1967) Reflection and transmission of light by thin films of non-haemolysed blood.Phys. Med. Biol. 12, 185–192.CrossRefGoogle Scholar
  2. Brecht, K. andBoucke, K. (1953) Zur Abnahme des Arterienpulses am Menschen mit dem Infraton-Mikrophon.Pflugers Arch. 257, 490–494.CrossRefGoogle Scholar
  3. Barbey, K., Brecht, K. andKutscha, W. (1960) Die Infraton Kapsel, ein neuer mechanoelektrischer Wandler zur Registrierung von arteriellen Volumenpulsen.Ztschr. Kreislauff. 49, 303.Google Scholar
  4. Cartwright, C. M. (1930) Infrared transmission of the flesh.J. Opt. Soc. Amer. 20, 81–84.CrossRefGoogle Scholar
  5. Clairex photoconductive cell application handbook (1971) (10CL971) Mount Vernon, NY 10550.Google Scholar
  6. Eliakim, M., Sapoznikov, D. andWeinman, J. (1971) Pluse wave velocity in healthy subjects and in patients with various disease states.Amer. Heart J. 82, 445–457.CrossRefGoogle Scholar
  7. Fine, S. andWeinman, J. The use of photoconductive cells in photoplethysmography.J. Med. Biol. Eng. (to be published).Google Scholar
  8. Gadermann, E. andJungmann, H. (1964)Klinische Arterienpulsschreibung. Ambrosius Barth, Munchen, W. G.Google Scholar
  9. Hoeven, G. M. A. andBeneken, J. E. W. (1970) A reliable transducer for the recording of the arterial pulse wave. Progress report 2 on medical physics. TNO, Utrecht, Netherlands.Google Scholar
  10. Houssay, B. A. (1955)Human physiology. McGraw-Hill,Google Scholar
  11. Kramer, K., Graf, K. andOverbeck, W. (1956) Photoelektrische Reflektometrie an tierischen Organen.Pflugers Arch. 262, 285–300.CrossRefGoogle Scholar
  12. Pauli, N. E. (1957) Untersuchungen uber das Absorptionsvermogen der Haut im langwelligen Gebiet des Spektrums.Strahlentherapie, 532.Google Scholar
  13. Petersen, L. H. (1963) Properties and behaviour of living arterial wall.Physiol. Rev. 42, Suppl. 5, 304.Google Scholar
  14. Skan-a-Matic (1970) Skaneteles, NY 13152 POB 68.Google Scholar
  15. U.S. Naval Air Development Center Summary (1954) Review of the influence of thermal radiation on human skin. Report MA-27, 11735, Johnsville, Penn.Google Scholar
  16. Volker, R. (1965)Cardiac and vascular disorders. C. C. Thomas.Google Scholar
  17. Volker, R. (1968)Vasogram adapter zur Diagnostik angiologischer and Kardiologischer ErkranKungen. Neuberger, Penzberg, W. Germany.Google Scholar
  18. Wehn, P. S. (1957) Pulsatory activity of peripheral arteries.Scand. J. Clin. Lab. Investig. 9, Suppl 30.Google Scholar
  19. Weinman, J. (1967) Photoplethysmography. In:A manual of psychophysiological methods. North Holland Publ. Co., 187–217.Google Scholar
  20. Weinman, J. andSapoznikov, D. (1971) Equipment for continuous measurements of pulse wave velocities.Med. & Biol. Eng. 9, 125–138.Google Scholar
  21. Weinman, J., Sapoznikov, D. andEliakim, M. (1971) Arterial pulse wave velocity and lieft ventricular tension period in cardiac arrhythmias.Cardiov. Res. 5, 513–523.CrossRefGoogle Scholar
  22. Weinman, J. (1971) An appraisal of some non-invasive cardiovascular techniques. Workshop no. 2, 9th international conference on medical & biological engineering, Melbourne. Canadian Association for BME.Google Scholar
  23. Weinman, J. andFine, S. (1972) Detectivities of photoconductive and siliconp-i-n light sensors in photoplethysmography.T.I.T. J. Life Sci. 2.Google Scholar
  24. Wetterer, E. andKenner, Th. (1968)Dynamik des Arterienpulses. Springer-Verlag,241, Fig. 34.8.Google Scholar

Copyright information

© International Federation for Medical & Biological Engineering 1977

Authors and Affiliations

  • J. Weinman
    • 1
  • A. Hayat
    • 1
  • G. Raviv
    • 1
  1. 1.Rogoff Laboratory for Biomedical EngineeringHebrew Univesity-Hadassah Medical SchoolJerusalemIsrael

Personalised recommendations