Hemodynamic monitoring from SpO2 measurements

Abstract

De acordo com estatísticas recentes, anualmente, cerca de 18% dos pacientes sofrem grandes complicações pós-operativas e 21,1 a 56,5% sofrem de instabilidade hemodinâmica. A hemodinâmica descreve a regulação do fluxo sanguíneo no corpo humano que, em condições normais, assegura uma perfusão e oxigenação adequada. O sensor de fotopletismografia é um dispositivo não invasivo, que fornece informação acerca de dois parâmetros hemodinâmicos chave: oxigenação (SpO2) e perfusão (PI). No entanto, ainda existe um desafio na prática clínica em obter medidas confiáveis de SpO2 para condições de baixas pressões sanguíneas e perfusão. O objetivo principal desta tese é investigar se o estado hemodinâmico de um paciente pode ser antecipado por dois sensores PPG, colocados num local central (lóbulo nasal) e periférico (dedo), com técnicas avançadas de processamento de sinal. Assim sendo, esta tese investiga o impacto de implementar um segundo sensor PPG para monitorizar um paciente num contexto clínico. Para remeter para a análise de diferentes dinâmicas de zona central e periférica do corpo, a relação entre a pressão sanguínea e saturação de oxigénio, assim como a relação entre pressão sanguínea e índice de perfusão são estudadas para diferentes localizações corporais. Foi efetuada uma análise detalhada entre estes dois parâmetros (SpO2 e PI) para etapas diferentes; antes, durante e depois do procedimento cirúrgico. Os resultados indicam que o uso dos dois sensores pode ser vantajoso. O sensor alar (central) pode fornecer medidas de SpO2 menos sensíveis a pressões sanguíneas do paciente, assim como detetar com maior rapidez eventos de dessaturação. O sensor do dedo pode ser usado como uma ferramenta de acesso a mudanças hemodinâmicas no corpo com o PI como medida representativa (e.g. vasoconstrição), e se emparelhado com o sensor alar podemos obter uma indicação de centralização / estado de choque do paciente. O acesso à hemodinâmica a partir destes dois sensores pode permitir uma intervenção mais rápida, reduzindo a probabilidade de complicações operativas/ pós-operativas, morbilidade no paciente, e o tempo de internamento hospitalar.

According to recent statistics, every year, about 18% of patients following surgical operations suffer major postoperative complications and 21.1 to 56.5% from hemodynamic instability. Hemodynamics describes the blood flow regulation mechanisms of the human body, that in normal conditions insure an adequate perfusion and oxygenation. The plethysmography sensor, a non-invasive device, provides information on two key hemodynamic parameters: oxygenation (SpO2) and perfusion (PI). However, there is still a challenge in the clinical practice to obtain reliable SpO2 values for low blood pressure or low perfusion conditions. The main goal of this master thesis is to investigate if a patient's hemodynamic state can be antecipated by two PPG sensors placed in central (nasal wing) and peripheral (finger) site thought advanced signal processing techniques. Thus, this thesis investigates the impact of implementing a second PPG sensor in a different body location for monitoring a patient in a clinical setting. For addressing the analysis of different dynamics from the central and peripheral site of the body the relation between blood pressure and oxygen saturation, as well as the relation between blood pressure and the perfusion index was studied for different body locations. A detailed analysis on these two parameters (PI and SpO2), was done though different stages; before, during and after a surgical procedure. Results indicate that the use of two sensors can be advantageous. The alar sensor (central) might provide SpO2 measurements less sensible to a patient's blood pressure, as well as detect faster desaturation events. The finger sensor can be used as a screening tool for accessing hemodynamic changes in the body with PI as a surrogate measure (e.g. vasoconstriction), and if paired with the alar we can have an indication of a potential centralization or shock state of a patient. The hemodynamic assessment from these two sensors might allow a sooner intervention, which reduces the likelihood of operative/postoperative complications, patient morbidity, and hospital stay.