Pulzný oxymeter na končekoch prstov vynašiel Millikan v 40. rokoch 20. storočia na monitorovanie koncentrácie kyslíka v arteriálnej krvi, čo je dôležitý ukazovateľ závažnosti ochorenia COVID-19.Yonker teraz vysvetľuje, ako funguje pulzný oxymeter na končekoch prstov?
Spektrálne absorpčné charakteristiky biologického tkaniva: Keď je biologické tkanivo ožiarené svetlom, účinok biologického tkaniva na svetlo možno rozdeliť do štyroch kategórií vrátane absorpcie, rozptylu, odrazu a fluorescencie. Ak sa vylúči rozptyl, vzdialenosť, ktorú svetlo prejde biologickým tkanivom, je určená hlavne absorpciou. Keď svetlo preniká niektorými priehľadnými látkami (pevnými, kvapalnými alebo plynnými), intenzita svetla sa výrazne znižuje v dôsledku cielenej absorpcie niektorých špecifických frekvenčných zložiek, čo je fenomén absorpcie svetla látkami. Množstvo svetla, ktoré látka absorbuje, sa nazýva jej optická hustota, známa aj ako absorbancia.
Schematický diagram absorpcie svetla hmotou. V celom procese šírenia svetla je množstvo svetelnej energie absorbovanej hmotou úmerné trom faktorom: intenzite svetla, vzdialenosti svetelnej dráhy a počtu častíc absorbujúcich svetlo v priereze svetelnej dráhy. Za predpokladu homogénneho materiálu možno počet častíc absorbujúcich svetlo v priereze považovať za častice absorbujúce svetlo na jednotku objemu, teda koncentráciu častíc absorbujúcich svetlo v materiáli, čo môže mať za následok Lambert-Beerov zákon: možno ho interpretovať ako koncentráciu materiálu a dĺžku optickej dráhy na jednotku objemu, schopnosť materiálu absorbovať svetlo reagovať na povahu svetla absorbovaného materiálom. Inými slovami, tvar krivky absorpčného spektra tej istej látky je rovnaký a absolútna poloha absorpčného píku sa mení iba v dôsledku rozdielnej koncentrácie, ale relatívna poloha zostáva nezmenená. V procese absorpcie prebieha absorpcia všetkých látok v objeme tej istej sekcie a absorbujúce látky nie sú navzájom prepojené, neexistujú žiadne fluorescenčné zlúčeniny a nedochádza k žiadnej zmene vlastností média v dôsledku svetelného žiarenia. Preto je optická hustota roztoku s absorpčnými zložkami N aditívna. Aditivita optickej hustoty poskytuje teoretický základ pre kvantitatívne meranie absorpčných zložiek v zmesiach.
V optike biologických tkanív sa spektrálna oblasť 600 ~ 1300 nm zvyčajne nazýva „okno biologickej spektroskopie“ a svetlo v tomto pásme má osobitný význam pre mnohé známe aj neznáme spektrálne terapie a spektrálne diagnózy. V infračervenej oblasti sa voda stáva dominantnou látkou absorbujúcou svetlo v biologických tkanivách, takže vlnová dĺžka prijatá systémom sa musí vyhnúť absorpčnému vrcholu vody, aby sa lepšie získali informácie o absorpcii svetla cieľovej látky. Preto v rozsahu blízkeho infračerveného spektra 600 – 950 nm medzi hlavné zložky tkaniva ľudských prstov s kapacitou absorpcie svetla patrí voda v krvi, O2Hb (oxygenovaný hemoglobín), RHb (redukovaný hemoglobín) a periférny kožný melanín a ďalšie tkanivá.
Preto môžeme získať efektívne informácie o koncentrácii meranej zložky v tkanive analýzou údajov z emisného spektra. Keď teda máme koncentrácie O2Hb a RHb, poznáme saturáciu kyslíkom.Saturácia kyslíkom SpO2je percento objemu okysličeného hemoglobínu viazaného na kyslík (HbO2) v krvi ako percento z celkového viazaného hemoglobínu (Hb), koncentrácia kyslíka v krvi, pulz, tak prečo sa nazýva pulzný oxymeter? Tu je nový koncept: pulzná vlna objemu prietoku krvi. Počas každého srdcového cyklu kontrakcia srdca spôsobuje zvýšenie krvného tlaku v cievach koreňa aorty, čo rozširuje stenu cievy. Naopak, diastola srdca spôsobuje pokles krvného tlaku v cievach koreňa aorty, čo spôsobuje zmršťovanie steny cievy. S neustálym opakovaním srdcového cyklu sa konštantná zmena krvného tlaku v cievach koreňa aorty prenáša do ciev, ktoré sú s ňou spojené, a dokonca aj do celého arteriálneho systému, čím sa vytvára kontinuálna expanzia a kontrakcia celej arteriálnej cievnej steny. To znamená, že periodický úder srdca vytvára pulzné vlny v aorte, ktoré sa šíria dopredu pozdĺž stien ciev v celom arteriálnom systéme. Vždy, keď sa srdce rozpína a sťahuje, zmena tlaku v arteriálnom systéme vytvára periodickú pulznú vlnu. Toto nazývame pulzná vlna. Pulzná vlna môže odrážať mnoho fyziologických informácií, ako je srdce, krvný tlak a prietok krvi, čo môže poskytnúť dôležité informácie pre neinvazívnu detekciu špecifických fyzikálnych parametrov ľudského tela.
V medicíne sa pulzná vlna zvyčajne delí na tlakovú pulznú vlnu a objemovú pulznú vlnu. Tlaková pulzná vlna predstavuje hlavne prenos krvného tlaku, zatiaľ čo objemová pulzná vlna predstavuje periodické zmeny prietoku krvi. V porovnaní s tlakovou pulznou vlnou obsahuje volumetrická pulzná vlna dôležitejšie kardiovaskulárne informácie, ako sú ľudské krvné cievy a prietok krvi. Neinvazívna detekcia typickej pulznej vlny objemového prietoku krvi sa dá dosiahnuť fotoelektrickým volumetrickým sledovaním pulznej vlny. Na osvetlenie meranej časti tela sa používa špecifická svetelná vlna a lúč dosiahne fotoelektrický senzor po odraze alebo prenose. Prijatý lúč bude niesť efektívne charakteristické informácie o volumetrickej pulznej vlne. Pretože objem krvi sa periodicky mení s expanziou a kontrakciou srdca, počas diastoly srdca je objem krvi najmenší a absorpcia svetla krvou senzor detekuje maximálnu intenzitu svetla; keď sa srdce sťahuje, objem je maximálny a intenzita svetla detekovaná senzorom je minimálna. Pri neinvazívnej detekcii končekov prstov s pulznou vlnou objemového prietoku krvi ako priamym meracím údajom by sa mal výber spektrálneho miesta merania riadiť nasledujúcimi zásadami.
1. Žily krvných ciev by mali byť hojnejšie a mal by sa zlepšiť podiel účinných informácií, ako je hemoglobín a ICG, v celkových materiálových informáciách v spektre.
2. Má zjavné charakteristiky zmeny objemu prietoku krvi na efektívny zber signálu objemovej pulznej vlny
3. Aby sa dosiahlo ľudské spektrum s dobrou opakovateľnosťou a stabilitou, charakteristiky tkaniva sú menej ovplyvnené individuálnymi rozdielmi.
4. Spektrálna detekcia sa ľahko vykonáva a subjekt ju ľahko akceptuje, aby sa predišlo rušivým faktorom, ako je rýchly srdcový tep a pohyb meranej polohy spôsobený stresovou emóciou.
Schematický diagram rozloženia krvných ciev v ľudskej dlani. Poloha ramena dokáže len ťažko detekovať pulznú vlnu, takže nie je vhodná na detekciu pulznej vlny objemového prietoku krvi. Zápästie je blízko radiálnej artérie, signál tlakovej pulznej vlny je silný, koža ľahko vytvára mechanické vibrácie, čo môže viesť k tomu, že detekčný signál okrem objemovej pulznej vlny prenáša aj informácie o pulze odrážajúce sa od pokožky. Je ťažké presne charakterizovať charakteristiky zmeny objemu krvi, nie je vhodná na meranie. Hoci dlaň je jedným z bežných miest klinického odberu krvi, jej kosť je hrubšia ako prst a amplitúda pulznej vlny objemu dlane zachyteného difúznym odrazom je nižšia. Obrázok 2-5 znázorňuje rozloženie krvných ciev v dlani. Pri pohľade na obrázok je vidieť, že v prednej časti prsta sa nachádza bohatá kapilárna sieť, ktorá dokáže účinne odrážať obsah hemoglobínu v ľudskom tele. Táto poloha má navyše zjavné charakteristiky zmeny objemu prietoku krvi a je ideálnou polohou na meranie objemovej pulznej vlny. Svalové a kostné tkanivá prstov sú relatívne tenké, takže vplyv informácií o interferencii pozadia je relatívne malý. Okrem toho sa konček prsta ľahko meria a subjekt nie je psychicky zaťažený, čo vedie k získaniu stabilného spektrálneho signálu s vysokým pomerom signálu k šumu. Ľudský prst sa skladá z kostí, nechtov, kože, tkaniva, žilovej krvi a arteriálnej krvi. V procese interakcie so svetlom sa objem krvi v periférnej artérii prsta mení so srdcovým rytmom, čo vedie k zmene merania optickej dráhy. Zatiaľ čo ostatné zložky sú v celom procese merania svetla konštantné.
Keď sa na epidermu končeka prsta aplikuje svetlo určitej vlnovej dĺžky, prst možno považovať za zmes pozostávajúcu z dvoch častí: statickej hmoty (optická dráha je konštantná) a dynamickej hmoty (optická dráha sa mení s objemom materiálu). Keď je svetlo absorbované tkanivom končeka prsta, prechádzajúce svetlo je prijímané fotodetektorom. Intenzita prechádzajúceho svetla zachyteného senzorom je zjavne zoslabená v dôsledku absorbovateľnosti rôznych tkanivových zložiek ľudských prstov. Podľa tejto charakteristiky sa vytvára ekvivalentný model absorpcie svetla prstom.
Vhodná osoba:
Pulzný oxymeter na končeky prstovje vhodný pre ľudí všetkých vekových kategórií vrátane detí, dospelých, starších ľudí, pacientov s ischemickou chorobou srdca, hypertenziou, hyperlipidémiou, mozgovou trombózou a inými cievnymi ochoreniami a pacientov s astmou, bronchitídou, chronickou bronchitídou, pľúcnym ochorením srdca a inými respiračnými ochoreniami.
Čas uverejnenia: 17. júna 2022
