Development of a Fiber Optic Sensor for Biomedical Engineering Application: A Case Study of Continuous Blood Pressure Measurement

Abstract

In this dissertation, the development of a fiber optic sensor for non-invasive continuous blood pressure measurement has been investigated with the objective of prototyping a biomedical instrument with high accuracy, high sensitivity, and high resolution. Particularly, a fiber optic Fabry-Perot interferometer (FFPI) has been involved in the designing of pulse sensing probes and also development of a continuous blood pressure measuring system over the course of investigations. Principally, the displacement measurement capability of the FFPI is exploited to detect arterial distension on human skins, allowing pulse wave monitoring and ultimately blood pressure demodulation.

In this case, the theory of thin film deflection enabling the displacement conversion into pressure parameter has been applied to preliminarily measure the pulse pressure (PP), heart rate (HR), and arterial pulse wave detected during the examination. Furthermore, the systolic blood pressure (SBP) and diastolic blood pressure (DBP) are measured by using a modified pulse wave velocity (PWV) demodulation technique. To investigate the FFPI in non-invasive continuous blood pressure measurement, this dissertation has initiated three validation phases: 1) preliminary system implementation, 2) resolution improvement for high performance pulse monitoring, and 3) validation of FFPI in a human trial. Specifically, the system implementation phase has interrogated the technical feasibility of the FFPI in displacement and arterial pulse wave detection. In this stage, a mechanical vibrator has been employed as a surrogate pulse wave generator before applying the fiber optic sensor in human examination of three volunteers. Afterwards, the resolution of the FFPI has been improved through integration of an optical phase-shift demodulation technique with the intention of designing a robust pulse wave monitoring system for subsequent blood pressure demodulation. Here, the improved sensitivity and resolution of the FFPI has also been investigated by deploying a piezoelectric actuator as a displacement platform. Ultimately, a total of 85 human volunteers have been recruited and examined to validate the biomedical capabilities of the FFPI in the third dissertation phase. Nonetheless, the energy consumption and developed cost of the fiber optic system have been characterized and estimated, respectively, for establishing preliminary information for future instrumentation.

Following the three investigation phases, it is initially found that the FFPI system can detect arterial distension at the human wrist, thus leading to PP and HR measurement in a non-invasive way. Using the phase-shift demodulation technique, the sensitivity of the FFPI is revealed to be 1.0008 μm/μm while the resolution is 1.3199 nm which is significantly higher than the maximum approximated 700 μm of human arterial distension. Ultimately, the human trial showed high accuracy of the FFPI in all blood pressure and HR measurements of higher than 98%. Statistically, the mean absolute error (MAE) ± standard deviation (SD) in SBP, DBP, and PP measurement of 1.1500 ± 0.9544 mmHg, 0.9182 ± 0.9038 mmHg, and 0.7297 ± 0.6919 mmHg, respectively. This consequently complies with the accuracy grading of the Association for Advancement of Medical Instrumentation/European Society of Hypertension/International Organization for Standardization (AAMI/ESH/ISO) standard of “grade A”. For the HR measurement, the mean absolute error percentage is 1.8518% with SD of 1.2868%. Meanwhile, the daily energy consumption of the FFPI system is estimated of 5,210 W·hr assuming a continuous operation in 8 working hours where the development cost to implement the fiber optic system is 319,117.91 THB. Nevertheless, the estimations concerned laboratory-grade equipment which could be optimized for small size and less expensiveness in future design. Therefore, the developed fiber optic system has been concluded to be highly capable in non-invasive continuous blood pressure measurement and could pave ways for future development of novel biomedical instruments in cardiovascular investigations.

ดุษฎีนิพนธ์นี้เป็นการพัฒนาตัวตรวจจับชนิดใยแก้วนำแสงสำหรับการวัดความดันโลหิตแบบต่อเนื่อง และไม่รุกล้ำร่างกาย โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบต้นแบบเครื่องมือทางชีวการแพทย์ที่มีความแม่นยำสูง ความไวสูง และสามารถวัดค่าได้อย่างละเอียด ซึ่งตัวตรวจจับชนิดใยแก้วนำแสงฟาบรีย์-เปโรต์อินเทอร์ฟีรอมิเตอร์ (Fiber optic Fabry-Perot interferometer: FFPI) ได้ถูกประยุกต์ใช้ในกระบวนการออกแบบหัววัดคลื่นชีพจร รวมถึงระบบวัดความดันโลหิตแบบต่อเนื่องตลอดระยะเวลาจัดทำดุษฎีนิพนธ์ ทั้งนี้หลักการตรวจจับระยะกระจัดของตัวตรวจจับชนิด FFPI ได้ถูกใช้เป็นพื้นฐานในการตรวจจับการเต้นของหัวใจในมนุษย์ ส่งผลให้สามารถตรวจจับคลื่นชีพจร และนำไปสู่การแปลค่าความดันโลหิตในลำดับต่อไป

ในกรณีนี้ ทฤษฎีการโก่งตัวของแผ่นฟิล์มบางได้นำมาประยุกต์สำหรับการแปลค่าระยะกระจัดเป็นความดันชีพจร (Pulse pressure: PP) และอัตราชีพจร (Heart rate: HR) จากการตรวจจับชีพจร นอกจากนี้เทคนิคประยุกต์การวัดความเร็วการไหลของชีพจร (Modified pulse wave velocity: PWV) ได้นำมาเป็นวิธีการแปลค่าความดันโลหิตซิสโทลิค (Systolic blood pressure: SBP) และความดันโลหิตไดอัสโทลิค (Diastolic blood pressure: DBP) จากนั้นตัวตรวจจับชนิด FFPI ได้ถูกทดสอบผ่านการทดลองจำนวน 3 ช่วงระยะ ได้แก่ 1) การทดลองระบบขั้นต้น 2) การเพิ่มความละเอียดในการวัดค่า และ 3) การทดสอบระบบกับกลุ่มอาสาสมัคร โดยในช่วงของการทดสอบขั้นต้นจะเป็นการศึกษาความเป็นไปได้ทางเทคนิคในการประยุกต์ใช้ตัวตรวจจับชนิด FFPI สำหรับการตรวจจับระยะกระจัด และคลื่นชีพจร ซึ่งกระทำผ่านการใช้งานอุปกรณ์จำลองการสั่นสะเทือนแทนคลื่นชีพจรเทียม ก่อนนำไปทดสอบกับอาสาสมัครกลุ่มย่อยจำนวน 3 บุคคล แล้วจึงดำเนินการปรับปรุงความละเอียดของระบบตรวจจับชนิด FFPI ด้วยเทคนิคการแปลค่าเฟสแสง (Optical phase-shift demodulation) เพื่อพัฒนาระบบตรวจจับให้มีประสิทธิภาพสูงก่อนการทดสอบกับกลุ่มตัวอย่างขนาดใหญ่ ทั้งนี้ได้ศึกษาค่าความไว และความละเอียดของระบบตรวจจับที่พัฒนาขึ้นกับอุปกรณ์ขับเคลื่อนชนิดเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric actuator) ในช่วงระยะการจัดทำดุษฎีนิพนธ์ระยะที่ 3 ได้เรียนเชิญอาสาสมัครจำนวนทั้งสิ้น 85 บุคคลเข้าร่วมการทดสอบระบบตรวจจับชนิด FFPI ในการวัดความดันโลหิต อย่างไรก็ตาม ดุษฎีนิพนธ์นี้ได้ประมาณการอัตราการใช้พลังงาน และต้นทุนการพัฒนาระบบตรวจจับเพื่อเป็นข้อมูลขั้นต้นสำหรับการต่อยอดเครื่องมือทางชีวการแพทย์ในอนาคต

จากการทดสอบทั้งหมด 3 ช่วงระยะ ได้ทำให้ทราบถึงความสามารถของระบบตรวจจับชนิด FFPI สำหรับการตรวจจับคลื่นชีพจร ณ บริเวณข้อมือมนุษย์ ซึ่งนำไปสู่การวัดค่า PP และ HR แบบไม่รุกล้ำร่างกาย อีกทั้งการประยุกต์ใช้เทคนิคการแปลค่าเฟสแสงส่งผลให้ค่าความไวในการตรวจจับเท่ากับ 1.0008 ไมโครเมตร/ไมโครเมตร ในขณะที่ค่าความละเอียดวิเคราะห์ได้เท่ากับ 1.3199 นาโนเมตร ซึ่งถือว่ามีค่ามากกว่าระยะกระจัดในการเต้นของหัวใจสูงสุดประมาณ 700 ไมโครเมตร จากการทดสอบระบบตรวจจับในกลุ่มตัวอย่างพบว่า ความแม่นยำในการวัดค่าความดันโลหิต และอัตราชีพจรมีค่ามากกว่า 98% จากการคำนวณค่าความคลาดเคลื่อนสมบูรณ์ (Mean absolute error: MAE) ± ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน (Standard deviation: SD) ในการวัดความดัน SBP, DBP, และ PP ได้ผลลัพธ์เท่ากับ 1.1500 ± 0.9544 มิลลิเมตรปรอท 0.9182 ± 0.9038 มิลลิเมตรปรอท และ 0.7297 ± 0.6919 มิลลิเมตรปรอท ตามลำดับ ซึ่งผลลัพธ์นี้นำไปสู่การตัดสินเกณฑ์ความแม่นยำตามมาตรฐานของสมาคมเพื่อความก้าวหน้าทางเครื่องมือแพทย์/สมาคมโรคความดันโลหิตสูงแห่งยุโรป/องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน (Association for Advancement of Medical Instrumentation/European Society of Hypertension/International Organization for Standardization: AAMI/ESH/ISO) โดยตัดสินเกรดความแม่นยำที่ “เกรด A” ในขณะเดียวกัน ผลลัพธ์จากการวัดค่า HR แสดงอัตราร้อยละความคลาดเคลื่อนสมบูรณ์ (Mean absolute error percentage) เท่ากับ 1.8518% โดยมีค่า SD เท่ากับ 1.2868% สำหรับการใช้พลังงานของระบบตรวจจับได้ประมาณการไว้ที่ 5,210 วัตต์ชั่วโมงต่อวัน โดยสมมติการใช้งานระบบตรวจจับเป็นระยะเวลา 8 ชั่วโมงอย่างต่อเนื่องในวันทำการปกติ นอกจากนั้นต้นทุนการพัฒนาระบบถูกประมาณการไว้ทั้งสิ้น 319,117.91 บาท อย่างไรก็ตาม การประมาณการนี้ถูกวิเคราะห์บนพื้นฐานการพัฒนาอุปกรณ์ทางห้องปฏิบัติการ ซึ่งสามารถถูกปรับลดได้จากการพัฒนาอุปกรณ์ที่เหมาะสมต่อการใช้งานโดยตรงในอนาคต (System optimization) จากการทดสอบข้างต้นจึงสามารถสรุปผลของดุษฎีนิพนธ์ได้ว่า ระบบตรวจจับชนิดใยแก้วนำแสงที่ได้พัฒนาขึ้นสามารถดำเนินการวัดความดันโลหิตได้อย่างต่อเนื่อง โดยไม่รุกล้ำร่างกาย และจะนำไปสู่การพัฒนาเครื่องมือวัดทางชีวการแพทย์รูปแบบใหม่สำหรับการศึกษาด้านระบบไหลเวียนโลหิตได้ในอนาคต