The effect of sensor contacting force on respiratory variation in pulse oximeter plethysmographic amplitude in children

Abstract

Backgrounds: Predicting fluid responsiveness is crucial for adequate fluid management. Respiratory variations in photoplethysmographic waveform amplitude (ΔPPG) enable volume status assessment. However, previous studies have been shown inconsistent results regarding the ability to predict fluid responsiveness of ΔPPG when used for children. The contact force between the measurement site and sensor is one of the factors affecting the amplitude of photoplethysmography (PPG). Changes in the contact force can affect the ΔPPG value, thereby hindering its indicator in children. We aimed to evaluate contact force effects on ΔPPG in children under general anesthesia.

Methods: A two-stage study was conducted. In the first observational study, children aged 3–5 years and scheduled for simple elective surgery were enrolled. After anesthetic induction, mechanical ventilation commenced at a tidal volume of 10 mL/kg. PPG signals were obtained in the supine position from the index finger using a force-sensor–integrated clip-type PPG sensor that increased the contact force from 0–1.4 N for 20 respiratory cycles at each force. The AC amplitude (pulsatile component), DC amplitude (non-pulsatile component), AC/DC ratio, and ΔPPG were calculated. In the second study, the changes in the ability of ΔPPG as indicator for fluid responsiveness according to the contact force changes were evaluated. Children aged 1 month-5 years and scheduled for major surgery including neurosurgery and cardiac surgery were enrolled. After anesthetic induction, mechanical ventilation commenced with a tidal volume of 10 ml/kg. ΔPPG was calculated at five different contacting force level (0–0.3N, 0.3–0.6N, 0.6–0.9N, 0.9–1.2N, and 1.2–1.5N) and individually adjusted contacting force, before volume expansion. Subjects were considered as fluid responders if volume expansion increased the stroke volume index (SVI) by >15%.

Results: In the first study, data from 34 children were analyzed. Seven contact forces at 0.2-N increments were evaluated for each patient. The normalized AC amplitude increased maximally at a contact force of 0.4–0.6 N and decreased with increasing contact force. However, the normalized DC amplitude increased with a contact force exceeding 0.4 N. ΔPPG decreased slightly and increased from the point when the AC amplitude started to decrease as contact force increased. In a 0.2–1.2 N contact force range, significant changes in the normalized AC amplitude, normalized DC amplitude, AC/DC ratio, and respiratory variations in photoplethysmography amplitude were observed (all P < 0.005). In second study, data from 38 children were analyzed. There was significant difference in ΔPPG between fluid responders and non-responders only at contacting force level of 0.9-1.2N (P = 0.002) and individually adjusted contacting force (P < 0.001). Additionally, ΔPPG at those contacting force level could predict fluid responsiveness in mechanically ventilated children.

Conclusions: PPG amplitude and ΔPPG changed according to variable contact forces. When contacting force is controlled to an adequate degree, the ability of ΔPPG to predict fluid responsiveness can be improved.

배경: 적절한 수액 요법을 위해 수액 반응성을 예측하는 것은 매우 중요하다. 호흡에 따른 photoplethysmography (PPG) 파형 높이의 변화(ΔPPG)는 체내 혈류 상태를 반영한다. 그러나 소아에서 수액 반응성 예측을 위한 ΔPPG의 유용성에 대한 과거 연구들은 서로 상충되는 결과를 보여주고 있다. PPG 측정 센서와 측정 부위의 접촉 압력은 PPG 파형 높이와 ΔPPG 값에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구에서는 접촉 압력이 PPG 파형과 ΔPPG의 신뢰성에 미치는 영향을 알아보고자 한다.

방법: 2단계 연구가 수행되었다. 첫 번째 관찰연구에는 3-5세의 간단한 수술을 받는 소아 환자들을 대상으로 연구가 진행되었다. 마취 유도 후 일회 호흡량 10 mL/kg로 기계 환기를 시작하였다. 앙와위 자세에서, 클립식 PPG 센서를 검지 손가락에 부착하고 접촉 압력을 0에서 1.4N까지 0.2N씩 증가시키며 각 압력에서 20번의 호흡 주기 동안 PPG 파형을 얻었다. AC, DC 진폭, AC/DC 비 및 ΔPPG를 계산하였다. 두 번째 연구에서는 접촉 압력 변화에 따른 수액 반응성의 지표로서 ΔPPG의 예측력의 신뢰성을 평가하였다. 신경외과 및 흉부외과 수술 등 대 수술을 받는 1개월-5세 사이의 소아를 대상으로, 다섯 단계의 접촉 압력 (0-0.3N, 0.3-0.6N, 0.6-0.9N, 0.9-1.2N 및 1.2-1.5N) 및 개별 조정된 접촉 압력에서 수액 투여 전 ΔPPG를 측정하였다. 수액 투여 후 일회 박출 지수가 15% 이상 증가한 경우 반응군으로 정의하였다.

결과: 총 34명의 데이터가 첫 번째 연구에서 분석되었다. Normalized AC 진폭은 접촉 압력 0.4-0.6N에서 최대였으며 접촉 압력이 증가함에 따라 감소하였다. 반면 normalized DC 진폭은 접촉 압력 0.4N 이상에서 증가하였다. ΔPPG는 약간 감소하다가 AC 진폭이 감소하기 시작한 지점에서 꾸준히 증가하였다. 전체적으로 0.2-1.2N 사이에서 각 접촉 압력 단계의 AC, DC 진폭, AC/DC 비 및 ΔPPG는 유의하게 변화하였다. 두 번째 연구에서는 총 38명의 데이터가 분석되었다. 접촉 압력 0.9-1.2N과, PPG 파형을 최대화시키는 접촉 압력 (0.9±0.3N)에서 수액 반응군과 비반응군 사이의 ΔPPG에 유의한 차이가 있었다. 또한 이 두 접촉 압력 범위에서의 ΔPPG가 수액 반응성을 예측할 수 있었다.

결론: 기계 환기를 받는 소아에서 PPG 센서와 측정 부위의 접촉 압력에 따라 PPG 파형 진폭 및 ΔPPG가 유의하게 변화하였다. 접촉 압력이 적절하게 조절된다면, 소아에서 ΔPPG의 수액 반응성에 대한 예측력을 개선시킬 수 있을 것이다.