Clinical feasibility tests on a novel optical on-line blood monitoring sensor for cardiopulmonary systems

An on-line determination of the oxygen saturation and hematocrit (Hct) in cardiopulmonary systems is important for control of the oxygen supply to the body and the functionality of the oxygenation systems. A novel on-line spatially resolving sensor was investigated. Diffuse reflectance of circulating blood at 700 and 810 nm wavelength was detected at different distances from the light source. The sensor was connected to the venous side of an extracorporeal circulation unit. Blood samples were taken for reference measurement after every reflectance measurement. The 72 measurements obtained for 9 patients during heart lung surgery were processed by the “partial least squares regression”. These measurements, recorded during surgery, ranged between 15% and 31% for Hct and between 69% and 95% for oxygen saturation (SatO2). Using the “leave-one-out” validation method, values for Hct and SatO2 were determined with a predictive root mean square error (PRMSE) of 0.8% and 2.2%, respectively. No correlations were established between differences in predicted and reference values of the determined blood parameters and the parameters Hct, SatO2, patient, blood flow, temperature or time of measurement. A cross validation with half the measurements has shown that the Hct and SatO2 can be predicted with a PRMSE of 2.2% in both cases. As the accuracy achieved exceeds that of existing systems, this approach could provide a promising method for on-line blood monitoring of cardiopulmonary systems.

ZusammenfassungFür die Kontrolle der Sauerstoffversorgung während des Einsatzes von Herz-Lungen-Maschinen (HLM) ist eine Online-Messung der Sauerstoffsättigung und des Hämatokrits notwendig. Ein neuer, optischer, ortsauflösender Online-Sensor wurde während Herzoperationen getestet. Die Beleuchtung des zirkulierenden Blutes erfolgt bei den Wellenlängen 700 und 810 nm mittels LEDs. Deren rückgestreutes Licht wird in verschiedenen Abständen von den Lichtquellen mittels eines linearen Arrays detektiert. Der Sensor wurde auf der venösen Seite der HLM eingesetzt. Es wurden 72 Messungen an neun Patienten durchgeführt. Deren Spektren wurden mit Hilfe multivariater Regressionsmethoden verarbeitet. Die Referenzbestimmungen erfolgen nach Probennahmen am externen Blutkreislauf mit einem Blutgasanalysator. Der Wertebereich für die Sauerstoffsättigung umfasste 69% bis 95% und der für den Hämatokrit 15% bis 31%. Eine Validierung mit Hilfe der“leave-one-out” Methode ergab absolute Vorhersagefehler von 2.2% für die Sauerstoffsättigung und 0.8% für den Hämatokrit. Für die Unterschiede von gemessenen Werten und Referenzwerten konnten keine Korrelationen mit den Größen Sauerstoffsättigung, Hämatokrit, Patient, Blutfluss, Temperatur oder Messzeit gefunden werden. Sogar die Messung an Patienten, die nicht in der Kalibrierung enthalten waren (Kreuzvalidierung) zeigten Fehler um 2% für beide Blutparameter. Da die hohe Genauigkeit des Sensors die etablierter Systeme übertrifft, ist dies ein vielversprechender Ansatz für Online-Messsysteme zum Blutmonitoring bei HLM.

ResúmenLa determinación online de la saturación de oxígeno y del hematocrito (Hct) en máquinas cardiopulmonares es importante para el control de la correcta distribución de oxígeno en el cuerpo y de la funcionalidad de los sistemas de oxigenación.Un nuevo sensor online con resolución espacial fue investigado. La reflexión difusa de la sangre circulante a una longitud de onda de 700 y 810 nm fue detectada a diversas distancias de la fuente de luz. El sensor fue conectado al lado venoso de una unidad de circulación extracorporal. Muestras de sangre fueron tomadas para medidas de referencia luego de cada medida de reflexión. Se registraron 72 mediciones obtenidas durante las cirugías de 9 pacientes. Sus espectros fueron procesados con la ayuda del método de regresión parcial por mínimos cuadrados. Estas medidas registradas durante la cirugía fueron de entre el 15% y el 31% para el Hct y entre el 69% y el 95% para la saturación de oxígeno (SatO2). Utilizando el método de validación “leave-one-out”, los valores para el Hct y la SatO2 fueron determinados con un valor predictivo como la raíz cuadrada del error cuadrático medio (PRMSE) del 0.8% y 2.2%, respectivamente. No se establecieron correlaciones para las diferencias entre los valores predichos y los valores de referencia de los parámetros sanguíneos determinados y los parámetros Hct, SatO2, paciente, flujo de sangre, temperatura o tiempo de medición. Una validación cruzada con la mitad de las mediciones ha demostrado que el Hct y el SatO2 pueden predecirse con un PRMSE del 2.2% para ambos. Puesto que la alta exactitud del sensor excede la de los sistemas existentes, este enfoque podría proporcionar un método prometedor para la supervisión on line de la sangre en máquinas cardiopulmonares.