بررسي همبستگي خطي سيگنال‌هاي فوتوپلتيسموگرافي نوك انگشت و شريان راديال در شرايط تنفسي طبيعي و عميق

Linear correlation of the fingertip and radial artery photoplethysmograms during normal and deep breath

فوتوپلتيسموگرام (PPG) يكي از كم‌هزينه‌ترين سيگنال‌ها است كه همواره مورد توجه محققان به منظور استخراج پارامترهاي سيستم قلبي-عروقي مانند ميزان اتساع شرياني در پي تحريك بوده است. در اكثر موارد PPGاز نوك انگشت ثبت مي‌شود كه تحت تاثير سيستم خودتنظيم عروقي است، به طوري كه موجب مي‌شود نتايج حاصل با نتايج روشهاي استاندارد مانند سونوگرافي همبستگي زيادي نداشته باشد. با توجه به اينكه شريانهاي هدايتي فاقد سيستم خود تنظيمي هستند، در اين تحقيق ميزان همبستگي خطي PPG شريان راديال بانوك انگشت بررسي شد. براي اين منظور، با كمك آرايه‌اي از فوتوديودها و يك LED با طول موج 960 نانومتر، يك پروب ثبت PPGاز شريان راديال در مچ دست طراحي و ساخته شد. اين طراحي بر پايه شبيه‌سازي برخورد نور و بافت به روش مونت‌كارلو انجام شد. سپس PPG مچي از شريان راديال و PPG انگشتي از انگشت اشاره در شرايط تنفس طبيعي و تنفس عميق ثبت شدند. در آزمايش اول (تنفس طبيعي) سيگنالها از 9 نفر اخذ شدند، كه ضريب همبستگي بين PPG مچي و انگشتي براي سيگنال خام (AC+DC) برابر ?1/12 ± ?5/62، قسمت AC برابر ?9/6 ± ?2/91، و قسمت DC برابر ?4/13± ?61 به دست آمد. در آزمايش دوم (تنفس عميق)، سيگنالها از 6 نفر ثبت شدند كه ضريب همبستگي براي سيگنال خام ?9/5 ± ?7/89 ، قسمت AC برابر ?3/3 ± ?7/93، و قسمت DC برابر ?9/5 ± ?9/89 به دست آمد. اين نتايج نشان مي‌دهد كه در شرايط تنفس طبيعي، فقط قسمتهاي AC سيگنالها همبستگي خطي زيادي دارند؛ اما هنگامي كه تنفس عميق غالب مي‌شود، هر دو قسمت AC و DC همبستگي زيادي پيدا مي‌كنند.

The photoplethysmogram (PPG) is a low cost and ubiquitous signal and has always had a great significance in cardiovascular parameter identification such as arterial dilation due to a stimulus. The PPG is generally recorded from the fingertip which is affected by the auto-regulation mechanism (ARM), preventing the results to be well correlated with standard methods based on imaging the brachial or radial artery. Based on the fact that the ARM has no effect on conduit arteries, the correlation between fingertip and radial artery PPG is investigated in this work. A custom made probe is fabricated using an array of photodiodes and a 960 nm LED for recording the wrist photoplethysmogram (PPG). The design is based on Monte-Carlo simulation of light propagation in tissues. Two series of experiments were carried-out: normal breathing and deep breathing. In both experiments, index finger and wrist PPG were simultaneously recorded. In the first series of experiments, signals from 9 subjects were recorded and the correlation coefficient for the raw signals (AC+DC), the AC and DC components of wrist and finger PPG were 62.5% ± 12.1%, 91.2% ± 6.9% and 61% ± 13.4% respectively. In the second series of experiment (deep breathing), signals from 6 subjects were recorded and the correlation coefficient for the raw signals (AC+DC), the AC and DC components were 89.7% ± 5.9%, 93.7% ± 3.3% and 89.9% ± 5.9% respectively. These results show that under normal breathing conditions, only the AC components of the PPG signals are highly correlated. When respiration becomes the dominant effect, both AC and DC parts become highly correlated.