Пульсоксиметр на кончик пальца был изобретен Милликаном в 1940-х годах для мониторинга концентрации кислорода в артериальной крови, что является важным показателем тяжести COVID-19.Йонкер Теперь объясним, как работает пульсоксиметр на кончике пальца?
Спектральные характеристики поглощения биологических тканей: При облучении биологических тканей светом его воздействие можно разделить на четыре категории: поглощение, рассеяние, отражение и флуоресценция. Если исключить рассеяние, то расстояние, которое свет проходит через биологическую ткань, в основном определяется поглощением. Когда свет проникает в некоторые прозрачные вещества (твердые, жидкие или газообразные), интенсивность света значительно уменьшается из-за целенаправленного поглощения определенных частотных компонентов, что представляет собой явление поглощения света веществами. Количество света, поглощаемого веществом, называется его оптической плотностью, также известной как поглощение.
Схематическое изображение поглощения света веществом в процессе распространения света показывает, что количество поглощаемой веществом световой энергии пропорционально трем факторам: интенсивности света, длине светового пути и количеству светопоглощающих частиц на поперечном сечении светового пути. При условии однородности материала, количество светопоглощающих частиц на поперечном сечении можно рассматривать как количество светопоглощающих частиц на единицу объема, то есть концентрацию светопоглощающих частиц в материале, что позволяет получить закон Ламберта-Бира: его можно интерпретировать как оптическую плотность, зависящую от концентрации материала и длины оптического пути на единицу объема, а способность материала поглощать свет зависит от его природы. Другими словами, форма кривой спектра поглощения одного и того же вещества одинакова, и абсолютное положение пика поглощения изменяется только из-за разной концентрации, а относительное положение остается неизменным. В процессе абсорбции все вещества поглощаются в объеме одного и того же участка, при этом поглощающие вещества не связаны друг с другом, отсутствуют флуоресцентные соединения, и не происходит изменения свойств среды под воздействием светового излучения. Поэтому для раствора с N поглощающими компонентами оптическая плотность является аддитивной. Аддитивность оптической плотности обеспечивает теоретическую основу для количественного измерения поглощающих компонентов в смесях.
В оптике биологических тканей спектральный диапазон 600–1300 нм обычно называют «окном биологической спектроскопии», и свет в этом диапазоне имеет особое значение для многих известных и неизвестных методов спектральной терапии и спектральной диагностики. В инфракрасном диапазоне вода становится доминирующим светопоглощающим веществом в биологических тканях, поэтому длина волны, используемая системой, должна избегать пика поглощения воды, чтобы лучше получить информацию о поглощении света целевым веществом. Следовательно, в ближнем инфракрасном диапазоне спектра 600–950 нм основными компонентами тканей кончика пальца человека, обладающими способностью поглощать свет, являются вода в крови, O2Hb (оксигенированный гемоглобин), RHb (восстановленный гемоглобин), меланин периферической кожи и другие ткани.
Таким образом, анализируя данные спектра излучения, мы можем получить достоверную информацию о концентрации измеряемого компонента в ткани. Следовательно, имея концентрации O2Hb и RHb, мы можем определить насыщение кислородом.Насыщение кислородом SpO2Пульсоксиметр — это процентное содержание связанного с кислородом оксигенированного гемоглобина (HbO2) в крови от общего количества связанного гемоглобина (Hb), то есть концентрация кислорода в крови. Почему же он называется пульсоксиметром? Здесь представлена новая концепция: пульсовая волна объема кровотока. Во время каждого сердечного цикла сокращение сердца вызывает повышение кровяного давления в кровеносных сосудах корня аорты, что приводит к расширению стенок сосудов. И наоборот, диастола сердца вызывает падение кровяного давления в кровеносных сосудах корня аорты, что приводит к сокращению стенок сосудов. При непрерывном повторении сердечного цикла постоянное изменение кровяного давления в кровеносных сосудах корня аорты передается на нижележащие сосуды, связанные с ним, и даже на всю артериальную систему, таким образом формируя непрерывное расширение и сокращение всей артериальной сосудистой стенки. То есть, периодическое биение сердца создает пульсовые волны в аорте, которые распространяются вдоль стенок кровеносных сосудов по всей артериальной системе. При каждом расширении и сокращении сердца изменение давления в артериальной системе вызывает периодическую пульсовую волну. Это и есть пульсовая волна. Пульсовая волна может отражать множество физиологических параметров, таких как работа сердца, артериальное давление и кровоток, что может предоставить важную информацию для неинвазивного определения конкретных физиологических параметров человеческого организма.
В медицине пульсовая волна обычно делится на два типа: пульсовая волна давления и объемная пульсовая волна. Пульсовая волна давления в основном отражает передачу артериального давления, тогда как объемная пульсовая волна отражает периодические изменения кровотока. По сравнению с пульсовой волной давления, объемная пульсовая волна содержит более важную информацию о сердечно-сосудистой системе, такую как состояние кровеносных сосудов и кровоток. Неинвазивное определение типичной объемной пульсовой волны кровотока может быть достигнуто с помощью фотоэлектрической регистрации объемной пульсовой волны. Специфическая световая волна используется для освещения измеряемой части тела, и луч после отражения или прохождения достигает фотоэлектрического датчика. Принятый луч будет нести эффективную характеристическую информацию об объемной пульсовой волне. Поскольку объем крови периодически изменяется при расширении и сокращении сердца, во время диастолы объем крови минимален, кровь поглощает свет, и датчик регистрирует максимальную интенсивность света; во время сокращения сердца объем максимален, и интенсивность света, регистрируемая датчиком, минимальна. При неинвазивном измерении объема крови на кончиках пальцев с использованием объемной пульсовой волны кровотока в качестве прямых данных измерения, выбор места спектрального измерения должен соответствовать следующим принципам.
1. Необходимо увеличить количество кровеносных сосудов и повысить долю эффективной информации, такой как гемоглобин и ICG, в общем объеме информации в спектре.
2. Обладает очевидными характеристиками изменения объема кровотока, что позволяет эффективно собирать сигнал объемной пульсовой волны.
3. Для получения спектра человеческого организма с хорошей воспроизводимостью и стабильностью характеристики тканей в меньшей степени зависят от индивидуальных различий.
4. Простая процедура спектрального анализа, легко воспринимаемая испытуемым, позволяет избежать таких помех, как учащенное сердцебиение и смещение положения во время измерения, вызванные стрессовыми эмоциями.
Схематическое изображение распределения кровеносных сосудов на ладони человека. Положение руки практически не позволяет обнаружить пульсовую волну, поэтому оно не подходит для измерения объемной пульсовой волны кровотока; запястье находится рядом с лучевой артерией, сигнал пульсовой волны давления сильный, кожа легко подвергается механическим вибрациям, что может привести к тому, что сигнал обнаружения, помимо объемной пульсовой волны, также будет нести информацию об отражении пульса от кожи, что затрудняет точную характеристику изменений объема крови и делает это положение неподходящим для измерения; хотя ладонь является одним из распространенных мест забора крови в клинической практике, ее кость толще, чем у пальцев, и амплитуда пульсовой волны объема ладони, собранной диффузным отражением, ниже. На рисунках 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. Более того, это положение имеет явные характеристики изменения объема кровотока и является идеальным положением для измерения объемной пульсовой волны. Мышечная и костная ткань пальцев относительно тонкая, поэтому влияние фоновой помехи относительно невелико. Кроме того, измерение кончика пальца не представляет сложности, и у испытуемого отсутствует психологическая нагрузка, что способствует получению стабильного спектрального сигнала с высоким отношением сигнал/шум. Человеческий палец состоит из кости, ногтя, кожи, тканей, венозной и артериальной крови. В процессе взаимодействия со светом объем крови в периферических артериях пальца изменяется в зависимости от частоты сердечных сокращений, что приводит к изменению оптического пути измерения. В то время как другие компоненты остаются постоянными на протяжении всего процесса воздействия света.
Когда на эпидермис кончика пальца воздействует свет определенной длины волны, палец можно рассматривать как смесь, состоящую из двух частей: статического вещества (оптический путь постоянен) и динамического вещества (оптический путь изменяется в зависимости от объема материала). Когда свет поглощается тканью кончика пальца, прошедший свет принимается фотодетектором. Интенсивность прошедшего света, собранного датчиком, заметно ослабляется из-за поглощающей способности различных тканевых компонентов человеческих пальцев. На основе этой характеристики была разработана эквивалентная модель поглощения света пальцем.
Подходящий кандидат:
Пульсоксиметр на кончике пальцаПодходит для людей всех возрастов, включая детей, взрослых, пожилых людей, пациентов с ишемической болезнью сердца, гипертонией, гиперлипидемией, церебральным тромбозом и другими сосудистыми заболеваниями, а также пациентов с астмой, бронхитом, хроническим бронхитом, легочно-сердечными заболеваниями и другими респираторными заболеваниями.
Дата публикации: 17 июня 2022 г.
