Пульсоксиметр на кончике пальца был изобретен Милликеном в 1940-х годах для контроля концентрации кислорода в артериальной крови — важного показателя тяжести заболевания COVID-19.Йонкер теперь объясняет, как работает пульсоксиметр на кончике пальца?
Спектральные характеристики поглощения биологической ткани. Когда свет облучается биологической тканью, влияние биологической ткани на свет можно разделить на четыре категории, включая поглощение, рассеяние, отражение и флуоресценцию. Если рассеяние исключено, расстояние, которое свет проходит через биологическую ткань, можно разделить на четыре категории: тканью в основном регулируется всасывание. Когда свет проникает в некоторые прозрачные вещества (твердые, жидкие или газообразные), интенсивность света значительно снижается из-за целенаправленного поглощения некоторых определенных частотных составляющих, что и представляет собой явление поглощения света веществами. Сколько света поглощает вещество, называется его оптической плотностью, также известной как поглощение.
Принципиальная диаграмма поглощения света веществом во всем процессе распространения света: количество световой энергии, поглощаемой веществом, пропорционально трем факторам: интенсивности света, расстоянию пути света и количеству светопоглощающих частиц на поперечное сечение светового пути. Исходя из того, что материал однороден, число световых путей светопоглощающих частиц на поперечном сечении можно рассматривать как светопоглощающие частицы на единицу объема, а именно, концентрацию легких частиц всасывания материала, можно получить по закону Ламберта-Бива: можно интерпретировать как концентрацию материала и длина оптического пути на единицу объема оптической плотности, способность света всасывания материала реагировать на природу света всасывания материала. Другими словами, форма кривой спектра поглощения одного и того же вещества одинакова, а абсолютное положение Пик поглощения изменится только из-за разной концентрации, но относительное положение останется неизменным. В процессе абсорбции поглощение веществ все происходит в объеме одного и того же сечения, причем поглощающие вещества не связаны друг с другом, флюоресцирующие соединения не существуют и не происходит явления изменения свойств среды за счет световое излучение. Следовательно, для раствора с N поглощающими компонентами оптическая плотность аддитивна. Аддитивность оптической плотности обеспечивает теоретическую основу для количественного измерения поглощающих компонентов в смесях.
В оптике биологических тканей спектральную область 600-1300 нм обычно называют «окном биологической спектроскопии», и свет в этом диапазоне имеет особое значение для многих известных и неизвестных спектральной терапии и спектральной диагностики. В инфракрасной области вода становится доминирующим светопоглощающим веществом в биологических тканях, поэтому длина волны, принятая системой, должна избегать пика поглощения воды, чтобы лучше получить информацию о поглощении света целевым веществом. Таким образом, в ближнем инфракрасном диапазоне спектра 600-950 нм основные компоненты ткани кончика пальца человека со способностью поглощать свет включают воду в крови, O2Hb (оксигенированный гемоглобин), RHb (восстановленный гемоглобин) и периферический меланин кожи и другие ткани.
Следовательно, мы можем получить эффективную информацию о концентрации измеряемого компонента в ткани, анализируя данные спектра излучения. Итак, когда у нас есть концентрации O2Hb и RHb, мы знаем насыщение кислородом.Насыщение кислородом SpO2это процент объема связанного с кислородом оксигенированного гемоглобина (HbO2) в крови в процентах от общего количества связанного гемоглобина (Hb), концентрация пульсового кислорода в крови, так почему же его называют пульсоксиметром? Вот новая концепция: объемная пульсовая волна кровотока. Во время каждого сердечного цикла сокращение сердца вызывает повышение кровяного давления в кровеносных сосудах корня аорты, что расширяет стенки кровеносных сосудов. И наоборот, диастола сердца вызывает падение артериального давления в кровеносных сосудах корня аорты, что приводит к сокращению стенки кровеносного сосуда. При непрерывном повторении сердечного цикла постоянное изменение кровяного давления в сосудах корня аорты будет передаваться на связанные с ним нижележащие сосуды и даже на всю артериальную систему, образуя таким образом непрерывное расширение и сокращение всю артериальную сосудистую стенку. То есть периодическое биение сердца создает пульсовые волны в аорте, которые распространяются вперед вдоль стенок кровеносных сосудов по всей артериальной системе. Каждый раз, когда сердце расширяется и сжимается, изменение давления в артериальной системе вызывает периодическую пульсовую волну. Это то, что мы называем пульсовой волной. Пульсовая волна может отражать множество физиологических данных, таких как состояние сердца, артериальное давление и кровоток, что может предоставить важную информацию для неинвазивного определения конкретных физических параметров человеческого тела.
В медицине пульсовую волну обычно делят на пульсовую волну давления и пульсовую волну объема двух типов. Пульсовая волна давления в основном представляет собой передачу артериального давления, тогда как пульсовая волна объема представляет собой периодические изменения кровотока. По сравнению с пульсовой волной давления, объемная пульсовая волна содержит более важную сердечно-сосудистую информацию, такую как кровеносные сосуды человека и кровоток. Неинвазивное обнаружение типичной пульсовой волны объема кровотока может быть достигнуто путем фотоэлектрического отслеживания объемной пульсовой волны. Особая волна света используется для освещения измеряемой части тела, и луч после отражения или передачи достигает фотоэлектрического датчика. Полученный луч будет нести эффективную информацию о характеристиках объемной пульсовой волны. Поскольку объем крови периодически меняется при расширении и сокращении сердца, во время диастолы сердца объем крови наименьший, поглощение света кровью, датчик обнаруживает максимальную интенсивность света; Когда сердце сокращается, объем максимальный, а интенсивность света, регистрируемая датчиком, минимальная. При неинвазивном обнаружении кончиков пальцев с использованием пульсовой волны объема кровотока в качестве данных прямых измерений выбор места спектральных измерений должен соответствовать следующим принципам:
1. Вены кровеносных сосудов должны быть более многочисленными, а доля эффективной информации, такой как гемоглобин и ICG, в общей информации о материале в спектре должна быть улучшена.
2. Он имеет очевидные характеристики изменения объема кровотока для эффективного сбора сигнала объемной пульсовой волны.
3. Чтобы получить человеческий спектр с хорошей повторяемостью и стабильностью, на характеристики тканей меньше влияют индивидуальные различия.
4. Спектральное обнаружение легко проводить, и его легко воспринимать субъектом, чтобы избежать факторов помех, таких как учащенное сердцебиение и перемещение позиции измерения, вызванных эмоциями стресса.
Схематическая диаграмма распределения кровеносных сосудов на ладони человека. Положение руки едва позволяет обнаружить пульсовую волну, поэтому оно не подходит для обнаружения пульсовой волны объема кровотока; Запястье находится рядом с лучевой артерией, сигнал пульсовой волны давления сильный, кожа легко производит механическую вибрацию, что может привести к тому, что сигнал обнаружения в дополнение к объемной пульсовой волне также несет информацию об отражении кожи, ее трудно точно определить. охарактеризовать характеристики изменения объема крови, не подходит для положения измерения; Хотя ладонь является одним из распространенных мест клинического взятия крови, ее кость толще пальца, а амплитуда пульсовой волны объема ладони, собранной путем диффузного отражения, ниже. На рис. 2-5 показано распределение кровеносных сосудов на ладони. Наблюдая за рисунком, можно увидеть, что в передней части пальца имеется обильная капиллярная сеть, которая может эффективно отражать содержание гемоглобина в организме человека. Кроме того, это положение имеет очевидные характеристики изменения объема кровотока и является идеальным положением для измерения объемной пульсовой волны. Мышечная и костная ткани пальцев относительно тонкие, поэтому влияние фоновой интерференционной информации относительно невелико. Кроме того, кончик пальца легко измерить, и испытуемый не испытывает психологической нагрузки, что способствует получению стабильного спектрального сигнала с высоким соотношением сигнал/шум. Палец человека состоит из кости, ногтя, кожи, тканей, венозной и артериальной крови. В процессе взаимодействия со светом объем крови в периферической артерии пальца изменяется вместе с сердцебиением, что приводит к изменению оптического пути измерения. В то время как другие компоненты постоянны в течение всего светового процесса.
Когда на эпидермис кончика пальца воздействует свет определенной длины волны, палец можно рассматривать как смесь, включающую две части: статическую материю (оптический путь постоянен) и динамическую материю (оптический путь меняется в зависимости от объема тела). материал). Когда свет поглощается тканью кончика пальца, прошедший свет принимается фотодетектором. Интенсивность проходящего света, собираемого датчиком, очевидно, ослабляется из-за поглощаемости различных компонентов тканей человеческих пальцев. По этой характеристике установлена эквивалентная модель поглощения света пальцами.
Подходящий человек:
Пульсоксиметр на кончике пальцаподходит для людей всех возрастов, включая детей, взрослых, пожилых людей, пациентов с ишемической болезнью сердца, гипертонией, гиперлипидемией, тромбозом головного мозга и другими сосудистыми заболеваниями, а также пациентов с астмой, бронхитом, хроническим бронхитом, легочно-сердечной недостаточностью и другими респираторными заболеваниями.
Время публикации: 17 июня 2022 г.
