Prstni pulzni oksimeter je v štiridesetih letih prejšnjega stoletja izumil Millikan za spremljanje koncentracije kisika v arterijski krvi, kar je pomemben kazalnik resnosti COVID-19.Yonker Zdaj pa pojasnite, kako deluje pulzni oksimeter na konici prsta?
Spektralne absorpcijske značilnosti biološkega tkiva: Ko je biološko tkivo obsevano s svetlobo, lahko učinek biološkega tkiva na svetlobo razdelimo v štiri kategorije: absorpcijo, sipanje, odboj in fluorescenco. Če izključimo sipanje, je razdalja, ki jo svetloba prepotuje skozi biološko tkivo, v glavnem odvisna od absorpcije. Ko svetloba prodre skozi nekatere prozorne snovi (trdne, tekoče ali plinaste), se intenzivnost svetlobe znatno zmanjša zaradi ciljne absorpcije nekaterih specifičnih frekvenčnih komponent, kar je pojav absorpcije svetlobe s snovmi. Količina svetlobe, ki jo snov absorbira, se imenuje njena optična gostota, znana tudi kot absorbanca.
Shematski diagram absorpcije svetlobe s strani snovi. V celotnem procesu širjenja svetlobe je količina svetlobne energije, ki jo absorbira snov, sorazmerna s tremi dejavniki: intenzivnostjo svetlobe, razdaljo svetlobne poti in številom delcev, ki absorbirajo svetlobo, na prečnem prerezu svetlobne poti. Ob predpostavki homogenega materiala lahko število delcev, ki absorbirajo svetlobo, na prečnem prerezu svetlobne poti štejemo za delce, ki absorbirajo svetlobo, na enoto prostornine, in sicer koncentracijo delcev, ki absorbirajo svetlobo v materialu, lahko dobimo Lambert-Beerov zakon: to lahko razlagamo kot koncentracijo materiala in dolžino optične poti na enoto prostornine optične gostote, sposobnost materiala, ki absorbira svetlobo, se odziva na naravo absorbirane svetlobe v materialu. Z drugimi besedami, oblika krivulje absorpcijskega spektra iste snovi je enaka, absolutni položaj absorpcijskega vrha pa se spreminja le zaradi različne koncentracije, relativni položaj pa ostane nespremenjen. V procesu absorpcije se vse snovi absorbirajo v prostornini istega prereza, absorbirajoče snovi pa niso povezane med seboj, ne obstajajo fluorescentne spojine in ni pojava spreminjanja lastnosti medija zaradi svetlobnega sevanja. Zato je za raztopino z absorpcijskimi komponentami N optična gostota aditivna. Aditivnost optične gostote zagotavlja teoretično osnovo za kvantitativno merjenje absorpcijskih komponent v zmeseh.
V optiki bioloških tkiv se spektralno območje 600–1300 nm običajno imenuje »okno biološke spektroskopije«, svetloba v tem pasu pa ima poseben pomen za številne znane in neznane spektralne terapije in spektralne diagnoze. V infrardečem območju voda postane prevladujoča snov, ki absorbira svetlobo v bioloških tkivih, zato se mora valovna dolžina, ki jo sprejme sistem, izogniti absorpcijskemu vrhu vode, da se bolje dobijo informacije o absorpciji svetlobe ciljne snovi. Zato so v bližnjem infrardečem spektralnem območju 600–950 nm glavne sestavine tkiva konic človeških prstov z zmožnostjo absorpcije svetlobe voda v krvi, O2Hb (oksigenirani hemoglobin), RHb (reducirani hemoglobin) ter periferni kožni melanin in druga tkiva.
Zato lahko z analizo podatkov emisijskega spektra dobimo učinkovite informacije o koncentraciji komponente, ki jo želimo izmeriti, v tkivu. Ko imamo koncentraciji O2Hb in RHb, poznamo nasičenost s kisikom.Nasičenost s kisikom SpO2je odstotek volumna vezanega oksigeniranega hemoglobina (HbO2) v krvi kot odstotek celotnega vezanega hemoglobina (Hb), koncentracija kisika v krvi, pulz, zakaj se torej imenuje pulzni oksimeter? Tukaj je nov koncept: pulzni val volumna pretoka krvi. Med vsakim srčnim ciklom krčenje srca povzroči dvig krvnega tlaka v krvnih žilah aortne korenine, kar razširi steno krvne žile. Nasprotno pa diastola srca povzroči padec krvnega tlaka v krvnih žilah aortne korenine, kar povzroči krčenje stene krvne žile. Z nenehnim ponavljanjem srčnega cikla se stalna sprememba krvnega tlaka v krvnih žilah aortne korenine prenaša na žile, ki so z njo povezane, in celo na celoten arterijski sistem, s čimer se tvori neprekinjeno širjenje in krčenje celotne arterijske žilne stene. To pomeni, da periodično utripanje srca ustvarja pulzne valove v aorti, ki se širijo naprej vzdolž sten krvnih žil po celotnem arterijskem sistemu. Vsakič, ko se srce razširi in skrči, sprememba tlaka v arterijskem sistemu povzroči periodični pulzni val. Temu pravimo pulzni val. Pulzni val lahko odraža številne fiziološke informacije, kot so srce, krvni tlak in pretok krvi, kar lahko zagotovi pomembne informacije za neinvazivno odkrivanje specifičnih fizikalnih parametrov človeškega telesa.
V medicini se pulzni val običajno deli na tlačni pulzni val in volumski pulzni val. Tlačni pulzni val v glavnem predstavlja prenos krvnega tlaka, medtem ko volumski pulzni val predstavlja periodične spremembe v pretoku krvi. V primerjavi s tlačnim pulznim valom volumetrični pulzni val vsebuje pomembnejše kardiovaskularne informacije, kot so človeške krvne žile in pretok krvi. Neinvazivno zaznavanje tipičnega pulznega vala volumskega pretoka krvi je mogoče doseči s fotoelektričnim volumetričnim sledenjem pulznega vala. Za osvetlitev merjenega dela telesa se uporablja specifičen svetlobni val, žarek pa po odboju ali prenosu doseže fotoelektrični senzor. Prejeti žarek bo nosil efektivne karakteristične informacije volumetričnega pulznega vala. Ker se volumen krvi periodično spreminja z raztezanjem in krčenjem srca, je volumen krvi med diastolo srca najmanjši, absorpcija svetlobe s strani krvi pa senzor zazna največjo intenzivnost svetlobe; ko se srce krči, je volumen največji, intenzivnost svetlobe, ki jo zazna senzor, pa najmanjša. Pri neinvazivnem zaznavanju konic prstov s pulznim valom volumskega pretoka krvi kot neposrednim merilnim podatkom mora izbira mesta spektralne meritve upoštevati naslednja načela.
1. Žile krvnih žil bi morale biti bolj obilne, delež učinkovitih informacij, kot sta hemoglobin in ICG, v celotnih materialnih informacijah v spektru pa bi moral biti izboljšan.
2. Ima očitne značilnosti spremembe volumna pretoka krvi za učinkovito zbiranje signala pulznega vala volumna
3. Da bi dobili človeški spekter z dobro ponovljivostjo in stabilnostjo, so značilnosti tkiva manj pod vplivom individualnih razlik.
4. Spektralno zaznavanje je enostavno izvesti in subjekt ga zlahka sprejme, da se izognemo motnjam, kot sta hiter srčni utrip in premikanje merilnega položaja, ki jih povzročajo stresna čustva.
Shematski diagram porazdelitve krvnih žil v človeški dlani: Položaj roke težko zazna pulzni val, zato ni primeren za zaznavanje pulznega vala volumskega pretoka krvi; zapestje je blizu radialne arterije, signal pulznega vala tlaka je močan, koža zlahka proizvaja mehanske vibracije, kar lahko povzroči, da signal zaznavanja poleg pulznega vala volumskega prenaša tudi informacije o pulzu od kože, zato je težko natančno opredeliti značilnosti spremembe volumna krvi, zato položaj za merjenje ni primeren; čeprav je dlan eno od pogostih mest za klinično odvzem krvi, je njena kost debelejša od prsta, amplituda pulznega vala volumna dlani, zajetega z difuznim odbojem, pa je nižja. Slika 2-5 prikazuje porazdelitev krvnih žil v dlani. Na sliki je razvidno, da je na sprednjem delu prsta bogata kapilarna mreža, ki lahko učinkovito odraža vsebnost hemoglobina v človeškem telesu. Poleg tega ima ta položaj očitne značilnosti spremembe volumna pretoka krvi in je idealen položaj za merjenje pulznega vala volumskega pretoka. Mišično in kostno tkivo prstov je relativno tanko, zato je vpliv motenj ozadja relativno majhen. Poleg tega je konico prsta enostavno izmeriti in oseba nima psihološke obremenitve, kar omogoča pridobitev stabilnega spektralnega signala z visokim razmerjem signal/šum. Človeški prst je sestavljen iz kosti, nohta, kože, tkiva, venske krvi in arterijske krvi. Med interakcijo s svetlobo se volumen krvi v periferni arteriji prsta spreminja skupaj s srčnim utripom, kar povzroči spremembo merjenja optične poti. Medtem ko so druge komponente v celotnem procesu svetlobe konstantne.
Ko na povrhnjico konice prsta usmerimo svetlobo določene valovne dolžine, lahko prst obravnavamo kot mešanico, ki vključuje dva dela: statično snov (optična pot je konstantna) in dinamično snov (optična pot se spreminja z volumnom materiala). Ko tkivo konice prsta absorbira svetlobo, fotodetektor sprejme prepuščeno svetlobo. Intenzivnost prepuščene svetlobe, ki jo zajame senzor, je očitno oslabljena zaradi absorpcijske sposobnosti različnih tkivnih komponent človeških prstov. V skladu s to značilnostjo se vzpostavi ekvivalenten model absorpcije svetlobe s strani prsta.
Primerna oseba:
Pulzni oksimeter na konici prstaPrimeren je za ljudi vseh starosti, vključno z otroki, odraslimi, starejšimi, bolniki s koronarno srčno boleznijo, hipertenzijo, hiperlipidemijo, možgansko trombozo in drugimi žilnimi boleznimi ter bolniki z astmo, bronhitisom, kroničnim bronhitisom, pljučno srčno boleznijo in drugimi boleznimi dihal.
Čas objave: 17. junij 2022
