Пальцевой пульсоксиметр был изобретен Милликеном в 1940-х годах для контроля концентрации кислорода в артериальной крови — важного показателя тяжести COVID-19.Йонкер теперь объясняет, как работает пульсоксиметр на палец?
Спектральные характеристики поглощения биологической ткани: Когда свет облучает биологическую ткань, воздействие биологической ткани на свет можно разделить на четыре категории, включая поглощение, рассеяние, отражение и флуоресценцию. 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 некоторых определенных частотных компонентов, что является явлением поглощения света веществами. Количество света, поглощаемого веществом, называется его оптической плотностью, также известной как поглощение.
Схематическая диаграмма поглощения света веществом во всем процессе распространения света, количество световой энергии, поглощаемой веществом, пропорционально трем факторам, которые являются интенсивностью света, расстоянием светового пути и числом поглощающих свет частиц на поперечном сечении светового пути. Исходя из предпосылки однородного материала, число поглощающих свет частиц на поперечном сечении светового пути можно рассматривать как поглощающие свет частицы на единицу объема, а именно концентрацию частиц всасываемого света материала, можно получить закон Ламберта-Бера: можно интерпретировать как концентрацию материала и оптическую длину пути на единицу объема оптической плотности, способность материала всасываемого света реагировать на природу всасываемого света материала. Другими словами, форма кривой спектра поглощения одного и того же вещества одинакова, и абсолютное положение пика поглощения будет меняться только из-за различной концентрации, но относительное положение останется неизменным. В процессе абсорбции поглощение всех веществ происходит в объеме одного и того же сечения, а поглощающие вещества не связаны друг с другом, и не существует флуоресцентных соединений, и не наблюдается явления изменения свойств среды под действием светового излучения. Поэтому для раствора с N поглощающими компонентами оптическая плотность аддитивна. Аддитивность оптической плотности дает теоретическую основу для количественного измерения поглощающих компонентов в смесях.
В оптике биологических тканей спектральная область 600 ~ 1300 нм обычно называется «окном биологической спектроскопии», и свет в этой полосе имеет особое значение для многих известных и неизвестных спектральной терапии и спектральной диагностики. В инфракрасной области вода становится доминирующим поглощающим свет 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 диапазоне ближнего инфракрасного 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 меланин периферической кожи и другие ткани.
Таким образом, мы можем получить эффективную информацию о концентрации измеряемого компонента в ткани, анализируя данные спектра излучения. Таким образом, 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 связанного гемоглобина (Hb), концентрация кислорода в крови пульс, так почему это называется пульсоксиметром? Вот новое понятие: объем кровотока пульсовая волна. Во время каждого сердечного цикла сокращение сердца вызывает повышение давления крови в кровеносных сосудах корня аорты, что расширяет стенку кровеносного сосуда. И наоборот, диастола сердца вызывает падение давления крови в кровеносных сосудах корня аорты, что заставляет стенку кровеносного сосуда сокращаться. При непрерывном повторении сердечного цикла постоянное изменение давления крови в кровеносных сосудах корня аорты будет передаваться нижележащим сосудам, связанным с ним, и даже всей артериальной системе, тем самым формируя непрерывное расширение и сокращение всей артериальной сосудистой стенки. То есть, периодическое биение сердца создает пульсовые волны в аорте, которые струятся вперед вдоль стенок кровеносных сосудов по всей артериальной системе. Каждый раз, когда сердце расширяется и сокращается, изменение давления в артериальной системе производит периодическую пульсовую волну. Это то, что мы называем пульсовой волной. Пульсовая волна может отражать множество физиологических данных, таких как сердце, кровяное давление и кровоток, которые могут предоставить важную информацию для неинвазивного определения определенных физических параметров человеческого тела.
В медицине пульсовая волна обычно делится на два типа: пульсовую волну давления и пульсовую волну объема. Пульсовая волна давления в основном представляет собой передачу артериального давления, в то время как пульсовая волна объема представляет собой периодические изменения кровотока. По сравнению с пульсовой волной давления, пульсовая волна объема содержит более важную сердечно-сосудистую информацию, такую как кровеносные сосуды человека и кровоток. Неинвазивное обнаружение типичной пульсовой волны объема кровотока может быть достигнуто с помощью фотоэлектрического отслеживания пульсовой волны объема. Специальная волна света используется для освещения измеряемой части тела, и луч достигает фотоэлектрического датчика после отражения или передачи. Полученный луч будет нести эффективную характерную информацию о пульсовой волне объема. Поскольку объем крови периодически изменяется с расширением и сокращением сердца, когда диастола сердца, объем крови наименьший, поглощение света кровью, датчик обнаруживает максимальную интенсивность света; Когда сердце сокращается, объем максимален, а интенсивность света, обнаруженная датчиком, минимальна. При неинвазивном обнаружении кончиков пальцев с пульсовой волной объема кровотока в качестве данных прямого измерения выбор места спектрального измерения должен соответствовать следующим принципам
1. Вены кровеносных сосудов должны быть более обильными, а доля эффективной информации, такой как гемоглобин и ИЦГ, в общей материальной информации в спектре должна быть улучшена.
2. Он имеет очевидные характеристики изменения объема кровотока для эффективного сбора сигнала объемной пульсовой волны.
3. Для получения спектра человека с хорошей повторяемостью и стабильностью характеристики тканей в меньшей степени зависят от индивидуальных различий.
4. Спектральное обнаружение легко осуществить, и оно легко принимается субъектом, чтобы избежать помех, таких как учащенное сердцебиение и перемещение положения измерения, вызванные стрессовыми эмоциями.
Схематическая диаграмма распределения кровеносных сосудов в человеческой ладони Положение руки с трудом обнаруживает 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, может привести к тому, что сигнал обнаружения в дополнение к пульсовой волне объема также несет информацию об отражении кожи, трудно точно охарактеризовать характеристики изменения объема крови, не подходит для измерения положения; Хотя ладонь является одним из распространенных клинических мест забора крови, ее кость толще пальца, а амплитуда пульсовой волны объема ладони, собранная путем диффузного отражения, ниже. На рисунке 2-5 показано распределение кровеносных сосудов в ладони. Наблюдая за рисунком, можно увидеть, что в передней части пальца имеются обильные капиллярные сети, которые могут эффективно отражать содержание гемоглобина в организме человека. Более того, это положение имеет очевидные характеристики изменения объема кровотока и является идеальным положением измерения пульсовой волны объема. Мышечные и костные ткани пальцев относительно тонкие, поэтому влияние фоновой информации помех относительно невелико. Кроме того, кончик пальца легко измерить, и субъект не испытывает психологической нагрузки, что способствует получению стабильного спектрального сигнала с высоким отношением сигнал/шум. Человеческий палец состоит из кости, ногтя, кожи, ткани, венозной крови и артериальной крови. В процессе взаимодействия со светом объем крови в периферической артерии пальца изменяется с биением сердца, что приводит к изменению измерения оптического пути. В то время как другие компоненты остаются постоянными во всем процессе света.
При воздействии на эпидермис кончика пальца световой волны определенной длины можно рассматривать палец как смесь, состоящую из двух частей: статической материи (оптический путь постоянен) и динамической материи (оптический путь изменяется в зависимости от объема материала). Когда свет поглощается тканью кончика пальца, прошедший свет принимается фотодетектором. Интенсивность прошедшего света, собираемого датчиком, очевидно, ослабляется из-за поглощающей способности различных компонентов тканей пальцев человека. Согласно этой характеристике устанавливается эквивалентная модель поглощения света пальцем.
Подходящий человек:
Пульсоксиметр на палецподходит для людей всех возрастов, включая детей, взрослых, пожилых людей, пациентов с ишемической болезнью сердца, гипертонией, гиперлипидемией, тромбозом сосудов головного мозга и другими сосудистыми заболеваниями, а также пациентов с астмой, бронхитом, хроническим бронхитом, легочно-сердечной недостаточностью и другими заболеваниями органов дыхания.
Время публикации: 17 июня 2022 г.
