Pulzní oxymetr na konečku prstu vynalezl Millikan ve 40. letech 20. století k monitorování koncentrace kyslíku v arteriální krvi, což je důležitý ukazatel závažnosti onemocnění COVID-19.Yonker Nyní vysvětluje, jak funguje pulzní oxymetr na konečku prstu?
Spektrální absorpční charakteristiky biologické tkáně: Když je biologická tkáň ozářena světlem, lze její vliv na světlo rozdělit do čtyř kategorií: absorpce, rozptyl, odraz a fluorescence. Pokud vyloučíme rozptyl, je vzdálenost, kterou světlo prochází biologickou tkání, určena především absorpcí. Když světlo proniká některými průhlednými látkami (pevnými, kapalnými nebo plynnými), intenzita světla se výrazně snižuje v důsledku cílené absorpce některých specifických frekvenčních složek, což je absorpční jev světla látkami. Množství světla, které látka absorbuje, se nazývá její optická hustota, známá také jako absorbance.
Schéma absorpce světla hmotou. V celém procesu šíření světla je množství světelné energie absorbované hmotou úměrné třem faktorům: intenzitě světla, vzdálenosti světelné dráhy a počtu částic absorbujících světlo v průřezu světelné dráhy. Za předpokladu homogenního materiálu lze počet částic absorbujících světlo v průřezu považovat za počet částic absorbujících světlo na jednotku objemu, konkrétně koncentraci částic absorbujících světlo v materiálu, což lze interpretovat jako Lambert-Beerův zákon: lze interpretovat jako koncentraci materiálu a délku optické dráhy na jednotku objemu, schopnost materiálu absorbovat světlo reagovat na povahu světla absorbovaného materiálem. Jinými slovy, tvar křivky absorpčního spektra stejné látky je stejný a absolutní poloha absorpčního píku se mění pouze v důsledku rozdílné koncentrace, ale relativní poloha zůstává nezměněna. V procesu absorpce probíhá absorpce všech látek v objemu stejného průřezu a absorbující látky spolu nesouvisí, neexistují žádné fluorescenční sloučeniny a nedochází ke změně vlastností média v důsledku světelného záření. Pro roztok s absorpčními složkami N je tedy optická hustota aditivní. Aditivita optické hustoty poskytuje teoretický základ pro kvantitativní měření absorpčních složek ve směsích.
V optice biologických tkání se spektrální oblast 600 ~ 1300 nm obvykle nazývá „oknem biologické spektroskopie“ a světlo v tomto pásmu má zvláštní význam pro mnoho známých i neznámých spektrálních terapií a spektrálních diagnóz. V infračervené oblasti se voda stává dominantní látkou absorbující světlo v biologických tkáních, takže vlnová délka přijatá systémem se musí vyhnout absorpčnímu vrcholu vody, aby se lépe získaly informace o absorpci světla cílovou látkou. Proto v blízkém infračerveném spektrálním rozsahu 600-950 nm patří mezi hlavní složky tkáně lidského prstu s kapacitou absorpce světla voda v krvi, O2Hb (oxygenovaný hemoglobin), RHb (redukovaný hemoglobin) a periferní kožní melanin a další tkáně.
Analýzou dat emisního spektra tedy můžeme získat efektivní informace o koncentraci měřené složky v tkáni. Když tedy máme koncentrace O2Hb a RHb, známe saturaci kyslíkem.Sycení kyslíkem SpO2je procento objemu okysličeného hemoglobinu vázaného na kyslík (HbO2) v krvi jako procento celkového vázaného hemoglobinu (Hb), koncentrace kyslíku v krvi, puls, tak proč se tomu říká pulzní oxymetr? Zde je nový koncept: pulzní vlna objemu průtoku krve. Během každého srdečního cyklu způsobuje kontrakce srdce zvýšení krevního tlaku v cévách kořene aorty, což rozšiřuje stěnu cév. Naopak diastola srdce způsobuje pokles krevního tlaku v cévách kořene aorty, což způsobuje kontrakci stěny cév. S neustálým opakováním srdečního cyklu se neustálá změna krevního tlaku v cévách kořene aorty přenáší do cév s ní spojených po proudu a dokonce i do celého arteriálního systému, čímž se vytváří neustálé rozpínání a smršťování celé arteriální cévní stěny. To znamená, že periodický srdeční tep vytváří pulzní vlny v aortě, které se vlní dopředu podél stěn cév v celém arteriálním systému. Pokaždé, když se srdce rozpíná a smršťuje, změna tlaku v arteriálním systému vytváří periodickou pulzní vlnu. Tomu říkáme pulzní vlna. Pulzní vlna může odrážet mnoho fyziologických informací, jako je srdeční činnost, krevní tlak a průtok krve, což může poskytnout důležité informace pro neinvazivní detekci specifických fyzikálních parametrů lidského těla.
V medicíně se pulzní vlna obvykle dělí na tlakovou pulzní vlnu a objemovou pulzní vlnu. Tlaková pulzní vlna představuje především přenos krevního tlaku, zatímco objemová pulzní vlna představuje periodické změny průtoku krve. Ve srovnání s tlakovou pulzní vlnou obsahuje volumetrická pulzní vlna důležitější kardiovaskulární informace, jako jsou lidské cévy a průtok krve. Neinvazivní detekce typické pulzní vlny objemového průtoku krve lze dosáhnout fotoelektrickým volumetrickým sledováním pulzní vlny. K osvětlení měřené části těla se používá specifická světelná vlna a paprsek dosáhne fotoelektrického senzoru po odrazu nebo přenosu. Přijatý paprsek nese efektivní charakteristické informace volumetrické pulzní vlny. Protože se objem krve periodicky mění s expanzí a kontrakcí srdce, je objem krve nejmenší během diastoly srdce a absorpce světla krví je senzorem detekována maximální intenzita světla; když se srdce stahuje, je objem maximální a intenzita světla detekovaná senzorem je minimální. Při neinvazivní detekci konečků prstů s pulzní vlnou objemového průtoku krve jako přímými měřenými daty by se měl výběr spektrálního místa měření řídit následujícími principy.
1. Cévní žíly by měly být hojnější a měl by se zlepšit podíl účinných informací, jako je hemoglobin a ICG, v celkových materiálových informacích ve spektru.
2. Má zjevné vlastnosti změny objemu průtoku krve pro efektivní sběr signálu objemové pulzní vlny
3. Aby bylo možné získat lidské spektrum s dobrou opakovatelností a stabilitou, jsou vlastnosti tkání méně ovlivněny individuálními rozdíly.
4. Spektrální detekci je snadné provádět a subjekt ji snadno akceptuje, aby se zabránilo rušivým faktorům, jako je zrychlený srdeční tep a pohyb měřené polohy způsobený stresovými emocemi.
Schéma rozložení cév v lidské dlani. Poloha paže umožňuje jen stěží detekovat pulzní vlnu, takže není vhodná pro detekci pulzní vlny objemového průtoku krve. Zápěstí je blízko radiální tepny, signál tlakové pulzní vlny je silný, kůže snadno vytváří mechanické vibrace, což může vést k tomu, že detekční signál kromě objemové pulzní vlny přenáší také informaci o pulzu odraženém od kůže. Je obtížné přesně charakterizovat charakteristiky změny objemu krve, což není vhodná poloha pro měření. Přestože je dlaň jedním z běžných míst pro klinické odběry krve, její kost je silnější než prst a amplituda pulzní vlny objemu dlaně zachycená difuzním odrazem je nižší. Obrázek 2-5 ukazuje rozložení cév v dlani. Z obrázku je patrné, že v přední části prstu je hojná kapilární síť, která může účinně odrážet obsah hemoglobinu v lidském těle. Tato poloha má navíc zřejmé charakteristiky změny objemu průtoku krve a je ideální polohou pro měření objemové pulzní vlny. Svalové a kostní tkáně prstů jsou relativně tenké, takže vliv rušivých informací pozadí je relativně malý. Kromě toho se špička prstu snadno měří a subjekt není psychicky zatížen, což vede k získání stabilního spektrálního signálu s vysokým poměrem signálu k šumu. Lidský prst se skládá z kostí, nehtů, kůže, tkání, žilní krve a arteriální krve. V procesu interakce se světlem se objem krve v periferních tepnách prstu mění se srdeční aktivitou, což má za následek změnu měření optické dráhy. Zatímco ostatní složky jsou v celém procesu měření světla konstantní.
Když je na epidermis konečku prstu aplikováno světlo určité vlnové délky, lze prst považovat za směs, která se skládá ze dvou částí: statické hmoty (optická dráha je konstantní) a dynamické hmoty (optická dráha se mění s objemem materiálu). Když je světlo absorbováno tkání konečku prstu, procházející světlo je přijímáno fotodetektorem. Intenzita procházejícího světla shromažďovaného senzorem je zjevně zeslabena v důsledku absorbovatelnosti různých tkáňových složek lidských prstů. Podle této charakteristiky je stanoven ekvivalentní model absorpce světla prstem.
Vhodná osoba:
Pulzní oxymetr na prstje vhodný pro osoby všech věkových kategorií, včetně dětí, dospělých, starších osob, pacientů s ischemickou chorobou srdeční, hypertenzí, hyperlipidemií, mozkovou trombózou a dalšími cévními onemocněními a pacientů s astmatem, bronchitidou, chronickou bronchitidou, plicním srdečním onemocněním a dalšími respiračními onemocněními.
Čas zveřejnění: 17. června 2022
