Пальцевий пульсоксиметр був винайдений Міллікеном у 1940-х роках для контролю концентрації кисню в артеріальній крові, що є важливим показником тяжкості COVID-19.Йонкер тепер пояснює, як працює пульсоксиметр на пальці?
Спектральні характеристики поглинання біологічної тканини: Коли світло опромінюється на біологічну тканину, вплив біологічної тканини на світло можна розділити на чотири категорії, включаючи поглинання, розсіювання, відбиття та флуоресценцію. Якщо виключити розсіювання, відстань, яку світло проходить через біологічну тканину, головним чином визначається поглинанням. Коли світло проникає крізь деякі прозорі речовини (тверді, рідкі або газоподібні), інтенсивність світла значно зменшується через цілеспрямоване поглинання деяких специфічних частотних компонентів, що є явищем поглинання світла речовинами. Кількість світла, яку поглинає речовина, називається її оптичною густиною, також відомою як абсорбція.
Схематична діаграма поглинання світла речовиною. У всьому процесі поширення світла кількість світлової енергії, що поглинається речовиною, пропорційна трьом факторам: інтенсивності світла, відстані світлового шляху та кількості світлопоглинаючих частинок у поперечному перерізі світлового шляху. Виходячи з однорідного матеріалу, кількість світлопоглинаючих частинок у поперечному перерізі можна розглядати як світлопоглинаючі частинки на одиницю об'єму, а саме концентрацію світлових частинок, що всмоктуються матеріалом, можна інтерпретувати як концентрацію матеріалу та довжину оптичного шляху на одиницю об'єму оптичної густини, здатність матеріалу всмоктувати світло реагувати на природу світла, що всмоктується матеріалом. Іншими словами, форма кривої спектру поглинання однієї й тієї ж речовини однакова, а абсолютне положення піку поглинання змінюватиметься лише через різну концентрацію, але відносне положення залишатиметься незмінним. У процесі поглинання всі речовини відбуваються в об'ємі одного перерізу, і поглинаючі речовини не пов'язані одна з одною, не існує флуоресцентних сполук, і немає явища зміни властивостей середовища під впливом світлового випромінювання. Отже, для розчину з компонентами поглинання N оптична густина є адитивною. Адитивність оптичної густини забезпечує теоретичну основу для кількісного вимірювання абсорбуючих компонентів у сумішах.
В оптиці біологічних тканин спектральну область 600~1300 нм зазвичай називають «вікном біологічної спектроскопії», і світло в цій смузі має особливе значення для багатьох відомих і невідомих спектральних терапій та спектральної діагностики. В інфрачервоній області вода стає домінуючою світлопоглинаючою речовиною в біологічних тканинах, тому довжина хвилі, що використовується системою, повинна уникати піку поглинання води, щоб краще отримати інформацію про поглинання світла цільовою речовиною. Таким чином, у ближньому інфрачервоному спектральному діапазоні 600-950 нм основними компонентами тканини кінчика пальця людини зі світлопоглинальною здатністю є вода в крові, O2Hb (оксигенований гемоглобін), RHb (відновлений гемоглобін) та периферичний меланін шкіри та інших тканин.
Отже, ми можемо отримати точну інформацію про концентрацію компонента, що вимірювається, у тканині, аналізуючи дані спектру випромінювання. Отже, коли ми маємо концентрації O2Hb та RHb, ми знаємо насичення киснем.Насичення киснем SpO2– це відсоток об’єму зв’язаного з киснем оксигенованого гемоглобіну (HbO2) у крові у відсотках від загального зв’язаного гемоглобіну (Hb), концентрації кисню в крові, пульс, то чому його називають пульсоксиметром? Ось нове поняття: пульсова хвиля об’єму кровотоку. Під час кожного серцевого циклу скорочення серця викликає підвищення кров’яного тиску в кровоносних судинах кореня аорти, що розширює стінку кровоносної судини. І навпаки, діастола серця викликає зниження кров’яного тиску в кровоносних судинах кореня аорти, що призводить до скорочення стінки кровоносної судини. При безперервному повторенні серцевого циклу постійна зміна кров’яного тиску в кровоносних судинах кореня аорти передаватиметься на нижні судини, пов’язані з нею, і навіть на всю артеріальну систему, формуючи таким чином безперервне розширення та скорочення всієї артеріальної судинної стінки. Тобто періодичне скорочення серця створює пульсові хвилі в аорті, які поширюються брижами вздовж стінок кровоносних судин по всій артеріальній системі. Щоразу, коли серце розширюється та скорочується, зміна тиску в артеріальній системі створює періодичну пульсову хвилю. Це те, що ми називаємо пульсовою хвилею. Пульсова хвиля може відображати багато фізіологічної інформації, такої як серцебиття, артеріальний тиск та кровотік, що може надати важливу інформацію для неінвазивного виявлення специфічних фізичних параметрів людського тіла.
У медицині пульсову хвилю зазвичай поділяють на пульсову хвилю тиску та об'ємну пульсову хвилю двох типів. Пульсова хвиля тиску в основному відображає передачу кров'яного тиску, тоді як об'ємна пульсова хвиля відображає періодичні зміни кровотоку. Порівняно з пульсовою хвилею тиску, об'ємна пульсова хвиля містить важливішу серцево-судинну інформацію, таку як кровоносні судини людини та кровотік. Неінвазивне виявлення типової пульсової хвилі об'ємного кровотоку може бути досягнуто за допомогою фотоелектричного об'ємного трасування пульсової хвилі. Специфічна хвиля світла використовується для освітлення вимірюваної частини тіла, і промінь досягає фотоелектричного датчика після відбиття або передачі. Прийнятий промінь нестиме ефективну характеристичну інформацію об'ємної пульсової хвилі. Оскільки об'єм крові періодично змінюється з розширенням і скороченням серця, під час діастоли серця об'єм крові найменший, поглинання світла кров'ю, датчик виявляє максимальну інтенсивність світла; під час скорочення серця об'єм максимальний, а інтенсивність світла, що виявляється датчиком, мінімальна. При неінвазивному виявленні кінчиків пальців з використанням пульсової хвилі об'ємного кровотоку як прямих вимірювальних даних, вибір місця спектрального вимірювання повинен відповідати наступним принципам.
1. Вени кровоносних судин повинні бути більш поширеними, а частка ефективної інформації, такої як гемоглобін та ICG, у загальній матеріальній інформації в спектрі повинна бути покращена
2. Він має очевидні характеристики зміни об'єму кровотоку для ефективного збору сигналу пульсової хвилі об'єму
3. Для отримання людського спектру з хорошою повторюваністю та стабільністю, характеристики тканин менш залежать від індивідуальних відмінностей.
4. Спектральне виявлення легко виконувати, і суб'єкт легко його сприймає, щоб уникнути факторів перешкод, таких як прискорене серцебиття та зміна положення вимірювання, спричинені стресовими емоціями.
Схема розподілу кровоносних судин на долоні людини. Положення руки навряд чи може виявити пульсову хвилю, тому воно не підходить для виявлення пульсової хвилі об'ємного кровотоку; Зап'ястя знаходиться поблизу променевої артерії, сигнал пульсової хвилі тиску сильний, шкіра легко створює механічну вібрацію, що може призвести до того, що сигнал виявлення, окрім об'ємної пульсової хвилі, також несе інформацію про пульс, відбитий шкірою, що ускладнює точну характеристику зміни об'єму крові, це положення не підходить для вимірювання; Хоча долоня є одним з поширених місць клінічного забору крові, її кістка товща за палець, а амплітуда пульсової хвилі об'єму долоні, зібраного шляхом дифузного відбиття, нижча. На рисунку 2-5 показано розподіл кровоносних судин на долоні. Розглядаючи малюнок, можна побачити, що в передній частині пальця є рясні капілярні мережі, які можуть ефективно відображати вміст гемоглобіну в організмі людини. Крім того, це положення має очевидні характеристики зміни об'єму кровотоку та є ідеальним положенням для вимірювання об'ємної пульсової хвилі. М'язова та кісткова тканини пальців відносно тонкі, тому вплив фонової інформації про перешкоди відносно невеликий. Крім того, кінчик пальця легко виміряти, і обстежуваний не має психологічного навантаження, що сприяє отриманню стабільного спектрального сигналу з високим співвідношенням сигнал/шум. Людський палець складається з кісток, нігтів, шкіри, тканин, венозної та артеріальної крові. У процесі взаємодії зі світлом об'єм крові в периферичній артерії пальця змінюється разом із серцебиттям, що призводить до зміни вимірювання оптичного шляху. У той час як інші компоненти залишаються постійними в усьому процесі вимірювання світла.
Коли на епідерміс кінчика пальця подається світло певної довжини хвилі, палець можна розглядати як суміш, що складається з двох частин: статичної речовини (оптичний шлях постійний) та динамічної речовини (оптичний шлях змінюється залежно від об'єму матеріалу). Коли світло поглинається тканиною кінчика пальця, пропущене світло приймається фотодетектором. Інтенсивність пропущеного світла, зібраного датчиком, очевидно, послаблюється через поглинальну здатність різних тканинних компонентів людських пальців. Відповідно до цієї характеристики встановлюється еквівалентна модель поглинання світла пальцем.
Відповідна особа:
Пульсоксиметр на пальціпідходить для людей будь-якого віку, включаючи дітей, дорослих, людей похилого віку, пацієнтів з ішемічною хворобою серця, гіпертонією, гіперліпідемією, церебральним тромбозом та іншими судинними захворюваннями, а також пацієнтів з астмою, бронхітом, хронічним бронхітом, легеневою хворобою серця та іншими захворюваннями дихальних шляхів.
Час публікації: 17 червня 2022 р.
