Jatkuva-aikainen vitaalielintoimintojen monitorointi pienillä lapsilla käyttäen rinnalle asetettavaa sensoria

Abstract

Tausta: Hengitystaajuus, sydämen syketaajuus ja happisaturaatio (SpO₂) ovat verenpaineen lisäksi kliinisesti tärkeitä indikaattoreita vastasyntyneiden ja kriittisesti sairaiden potilaiden tilan arvioimisessa ja ennustamisessa. Kliinisessä käytössä ei kuitenkaan ole yhdellä sensorilla toteutettavaa jatkuva-aikaista monitorointimenetelmää, joka avulla samanaikainen vitaalielintoimintojen seuranta olisi helposti ja nopeasti aloitettavissa.

Työn tarkoitus: Tutkimuksen tavoitteena oli testata ja validoida mittausmenetelmää, jolla mitataan rintakehältä ei-invasiivisesti hengitys- ja syketaajuutta sekä happisaturaatiota. Tässä työssä rintakehälle asetettiin kiihtyvyysanturin lisäksi optinen happisaturaatioanturi sekä testattiin mittausmenetelmän soveltuvuutta erityisesti pienten lasten monitorointiin. Toisen kaulalle sijoitettavan kolmiaksiaalisen kiihtyvyysanturin avulla voidaan estimoida myöhemmin pulssin kulkuaikasignaalia. Tutkimuksen avulla myös pilotoidaan osa laajemman kliinisen tutkimuksen mittausasetelmasta.

Menetelmät: Tutkimuksen aineisto kerättiin kotioloissa tehdyillä mittauksilla. Tutkimusjoukko koostui seitsemästä perusterveestä pienestä lapsesta (keskiarvo 2,7 v ja keskihajonta 2,1 v). Mittauksissa kerättiin signaalia rintakehältä sekä optisella anturilla että kiihtyvyysanturilla. Lisäksi kiihtyvyyssignaalia mitattiin kaulalle sijoitettavalla kiihtyvyysanturilla. Raakasignaalin laatua ja mittausasetelman käytettävyyttä arvioitiin eri mittaustilanteissa ja signaalinkäsittelyllä mittaussignaaleista estimoitiin hengitys- ja syketaajuus. Pilotoitavaa tutkimusta varten rakennettiin myös käyttöliittymä, johon yhdistettiin videokuvan tallennus synkronoidusti mittaussignaalien kanssa sekä suunniteltiin mittausasetelma.

Tulokset: Mittausmenetelmän todettiin soveltuvan pienten lasten monitorointiin ja mittaukset suoritettiin onnistuneesti eri ikäisiltä lapsilta. Signaalien laatu eri mittaustilanteissa oli hyvää signaalinkäsittelyä varten lähes kaikissa mittauksissa, jolloin niistä voitiin laskea hengitys- ja syketaajuus sekä happisaturaatio. Signaalinkäsittely vaatii kuitenkin lisää kehittämistä, jotta vitaalielintoiminnoista kertovat parametrit ovat tarkkoja ja suodattavat liikehdinnästä aiheutuvat artefaktat riittävän hyvin. Tässä tutkimuksessa saadut happisaturaatioarvot eivät myöskään olleet uskottavia. Mittausasetelma kokonaisuudessaan oli käytännöllisesti toteutettavissa pienten lasten jatkuva-aikaiseen monitorointiin kotioloissa.

Johtopäätökset: Käytettyä menetelmää on aiemmin testattu onnistuneesti mitattaessa vitaalielintoimintoja aikuisilta (Myllylä et al., 2017). Tähän tutkimukseen perustuen hengitystä, sydämen sykettä ja happisaturaatiota on mahdollista mitata helposti myös pieniltä lapsilta, mutta mittausmenetelmän validoinnille on vielä tarvetta. Jatkotutkimuksessa mittausmenetelmää soveltuvuutta tutkitaan keskosten monitoroinnissa sekä tutkitaan vastasyntyneiden kotimonitoroinnin mahdollisuuksia sähköisiin terveydenhuoltopalveluihin yhdistettynä.

Background: Respiratory rate, heart rate, and oxygen saturation (SpO₂) are important parameters for vital functions providing important information to identify a critically ill patient. However, neither in clinical nor in home use, there is a single sensor available that can monitor all these vital signals simultaneously and reliable.

Objective: The aim of the study was to test and validate a measurement method for measuring respiratory rate, heart rate and oxygen saturation non-invasively on the chest. In this work, in addition to the accelerometer, an optical oxygen saturation sensor was placed on the chest and the applicability of the measurement method was tested, especially for monitoring of small children. The second tri-axial accelerometer located on the neck can be used to estimate the pulse transit time signal. The study also piloted part of a broader clinical trial measurement setup.

Methods: The research material was collected by home measurements. The study group consisted of seven healthy small children (mean age 2,7 y and standard deviation 2,1 y). Measurements were taken from the chest using both an optical sensor and an accelerometer. In addition, the accelerometer was placed on the neck. The quality of the raw signal and the usability of the measurement setup were evaluated in different measurement situations, and the respiratory rate, heart rate and oxygen saturation were estimated from the measurement signals by signal processing. The user interface was also designed for a pilot study, which will combine video recording in synchronization with measurement signals.

Results: The measurement method was found to be suitable for monitoring small children and measurements were successfully performed on children of different ages. The raw signal quality in various measurement situations was acceptable in almost all cases so that respiratory and heart rates as well as SpO₂ could be calculated. However, signal processing requires further development in order to ensure sufficiently accurate data also during movements of children which seemed to cause great deal of artefacts. Also, the oxygen saturation values were not credible. The whole measurement setup was practically feasible for continuous monitoring of small children at home.

Conclusion: Based on this study, respiration, heart rate, and SpO₂ can be easily measured, even from small children, but there is still a need for further validation. In the follow-up study, the measurement method will be used also to monitor premature infants in hospital, as well as to explore the potential of home monitoring of small children and newborns in combination with eHealth services.