Separation of a photoplethysmographic signal and a motion artifact signal by frequency translation

การแยกสัญญาณการไหลเวียนโลหิตและสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเคลื่อนไหวโดยการย้ายความถี่

Name: Ananta Sinchai

LCSH: Blood -- Circulation -- Noise

ThaSH: การไหลเวียนเลือด -- สัญญาณรบกวน

Abstract: A percentage of oxygen saturation, known as a Sp02 value, obtained by a pulse oximeter relies on a pair of proper red and infrared (IR) photoplethysmographic (PPG) signals. In practice, both red and IR PPG signals are frequently distorted by a motion artifact (MA) signal. By having the MA influence on the red and IR PPG signals makes the SpO2 value unreliable. To handle the MA issue, the MA frequency distributions of likely regular postures induced by a patient are studied. The study reveals that the MA frequency components of possible usual poses distribute in the identical range of the PPG frequency components. To solve the overlapping frequency components of both PPG and MA signals, a technique of frequency translation based on an amplitude modulation (AM) is thus applied. The proposed technique remodels a traditional LEDs- driving system in the pulse oximeter. The presented solution emits both red and IR LEDs simultaneously. Each LED is driven by a sinusoidal signal having a distinct frequency generated by an alternating current (AC) source. For the conventional LEDs- shining system, red and IR LEDs are driven by a direct current (DC) source alternately. Besides, change of light intensity emitted by each LED is studied. Also, a comparative study regarding the performances of the proposed technique, the conventional scheme, discrete saturation transform (DST), independent component analysis (ICA) and compression of Fourier coefficients (CFC) is performed. The proposed strategy manifests that the PPG frequency components are shifted to the desirable frequency location and all PPG morphologies are well maintained. To verify the correctness, the SpO2 value is calculated. While motions, the computed SpO2 values are found to be intact and emerge that the change of light intensity neither improves nor deteriorates the SpO2 values. Moreover, the calculated SpO2 values show that the performance of the present approach is superior to the performances of the given methods. The mean absolute percentage error (MAPE) of the proposed technique is up to only 1.35%. By contrast, the MAPE values of the methods

Abstract: เปอร์เซ็นต์ความอิ่มตัวของออกซิเจนหรือที่เรียกว่าค่าSPO2 ที่ได้รับจากเครื่องวัดความอิ่มตัว ของออกซิเจนขึ้นอยู่กับคู่สัญญาณการไหลเวียนโลหิต (Photoplethysmographic (PPG) signal) ที่ เหมาะสมที่ได้จากแสงสีแดงและแสงอินฟาเรด ในทางปฏิบัติ สัญญาณ PPG ที่ได้จากแสงสีแดงและ แสงอินฟาเรดมักถูกทำให้เสียรูปร่างโดยสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเคลื่อนไหว (Motion artifact (MA) signal) อยู่เสมอๆ ด้วยการมีอิทธิผลของสัญญาณ MA ในสัญญาณ PPG ที่ได้จากแสงสีแดงและ แสงอินฟาเรด ทำให้ค่า SPO2 ไม่น่าเชื้อถือ เพื่อจัดการกับประเด็นสัญญาณ MA จึงได้ทำการศึกษาการกระจายทางความถี่ของสัญญาณ MA จากท่าทางที่เป็นไปได้ที่คนไข้มักทำ ผลจากการศึกษาเผยให้เห็นว่าองค์ประกอบทางความถี่ของสัญญาณ MA จากท่าทางที่เป็นไปได้กระจายอยู่ในช่วงเดียวกันกับองค์ประกอบทางความถี่ของสัญญาณ PPG เทคนิคการย้ายความถี่อยู่บนพื้นฐานของการมอดูเลต ทางขนาดหรือเอเอ็ม (Amplitude modulation (AM)) ถูกนำมาประยุกต์ใช้เพื่อแก้ปัญหาการเหลื่อม กันทางองค์ประกอบทางความถี่ของทั้งสัญญาณ PPG และสัญญาณ MA ซึ่งเทคนิคที่นำเสนอได้ เปลี่ยนระบบการขับแสงหลอดแอลอีดี (LED) จากแบบเดิมที่ใช้อยู่ในเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจน วิธีการแก้ปัญหาที่นำเสนอจะขับหลอดแอลอีดีแสงสีแดงและแสงอินฟาเรดไปพร้อมๆ กัน แต่ละหลอดถูกขับด้วยสัญญาณคลื่นรูปไซน์ที่ความถี่แตกต่ากัน โดยสัญญาณคลื่นรูปไซน์ถูกสร้างจากแหล่งกำเนิดกระแสสลับ (AC) สำหรับระบบการขับหลอดแอลอีดีแบบเดิมนั้นหลอดแอลอีดีแสงสีแดง และแสงอินฟาเรดถูกขับด้วยแหล่งก าเนิดกระแสตรง (DC) สลับกัน นอกจากนี้แล้วยังได้ทำการศึกษาการเปลี่ยนแปลงความเข้มแสงที่ใช้ขับหลอดแอลอีดีแต่ละหลอด อีกทั้งยังได้ทำการศึกษาเชิงเปรียบเทียบในเชิงประสิทธิภาพของเทคนิคที่นำเสนอกับวิธีการแบบเดิม, วิธีการแปลงความอิ่มตัวแบบแยกกัน (DST), วิธีการวิเคราะห์องค์ประกอบแบบอิสระ (ICA) และวิธีการบีบอัดค่าสัมประสิทธิฟูเรียร์ (CFC) กลยุทธ์ที่นำเสนอแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบทางความถี่ของสัญญาณ PPG ถูกยกไปยังตำแหน่งความถี่ที่ต้องการและยังคงรักษาลักษณะรูปปพรรณของสัญญญาณ PPG ไว้ได้ดี ค่า SPO2 ถูกคำนวณเพื่อยืนยันความถูกต้อง ในขณะที่มีการเคลื่อนไหวพบว่าค่าSPO2 ที่คำนวณมานั้นไม่เสียหาย และปรากฏออกมาว่าการเปลี่ยนแปลงความเข้มแสงไม่ได้ทำให้ค่า SPO2 ดีขึ้นหรือแย่ลง นอกจากนี้ ค่า SPO2 ที่คำนวณมาได้แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของวิธีการที่นำเสนอเหนือกว่าวิธีการอื่นๆ ที่กล่าวไว้ข้างต้น ค่าเฉลี่ยของค่าสัมบูรณ์ของเปอร์เซ็นต์ของค่าความคลาดเคลื่อน (Mean absolute percentage error (MAPE)) ของเทคนิคที่นำเสนอสูงสุด 1.35% เท่านั้น ส าหรับวิธีการแบบเดิม, DST, ICA และ CFC ให้ค่า MAPE สูงสุดถึง 12.77%, 2.27%, 75.85% และ 11.89% ตามลำดับ

King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang. Central Library

Address: BANGKOK

Email: Lifelong@kmitl.ac.th

Name: Jeerasuda Koseeyaporn

Role: Thesis Advisor

Created: 2020

Modified: 2564-07-31

Issued: 2021-07-31

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Engineering

Level: Doctoral Degree

Descipline: Electrical Engineering

Grantor: King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang

©copyrights King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	Fulltext Ananta Sinchai.pdf	11.61 MB	1	2021-07-31 20:08:19

ใช้เวลา

0.026765 วินาที