Az ujjbegyből mérhető pulzoximétert Millikan találta fel az 1940-es években az artériás vér oxigénkoncentrációjának monitorozására, ami a COVID-19 súlyosságának fontos mutatója.Yonker Most elmagyarázza, hogyan működik az ujjbegyes pulzoximeter?
Biológiai szövet spektrális abszorpciós jellemzői: Amikor fényt sugároznak be biológiai szövetre, a biológiai szövet fényre gyakorolt hatása négy kategóriába sorolható: abszorpció, szórás, visszaverődés és fluoreszcencia. Ha a szórást kizárjuk, a fény biológiai szöveten keresztüli megtett távolságát főként az abszorpció szabályozza. Amikor a fény áthatol bizonyos átlátszó anyagokon (szilárd, folyékony vagy gáznemű), a fény intenzitása jelentősen csökken bizonyos specifikus frekvenciakomponensek célzott abszorpciója miatt, ami a fény anyagok általi abszorpciójának jelensége. Azt, hogy egy anyag mennyi fényt nyel el, optikai sűrűségnek, más néven abszorbanciának nevezzük.
Az anyag fényelnyelésének sematikus ábrája a fény terjedésének teljes folyamatában. Az anyag által elnyelt fényenergia mennyisége három tényezővel arányos: a fényintenzitás, a fényút hossza és a fényelnyelő részecskék száma a fényút keresztmetszetén. Homogén anyag esetén a keresztmetszeten lévő fényelnyelő részecskék száma egységnyi térfogatra vetítve tekinthető fényelnyelő részecskéknek, nevezetesen az anyag beszívott fényrészecske-koncentrációjának. Lambert-Beer törvénye értelmezhető: az anyagkoncentráció és az egységnyi térfogatra vetített optikai úthossz, az anyag optikai sűrűsége, az anyag beszívott fényének képessége az anyag beszívott fényének természetére. Más szóval, ugyanazon anyag abszorpciós spektrumgörbéjének alakja azonos, és az abszorpciós csúcs abszolút helyzete csak a koncentráció változása miatt változik, a relatív helyzet változatlan marad. Az abszorpciós folyamatban az anyagok abszorpciója mind ugyanazon szakasz térfogatában történik, az abszorbeáló anyagok nincsenek kapcsolatban egymással, nincsenek fluoreszcens vegyületek, és nincs olyan jelenség, hogy a közeg tulajdonságai megváltoznának a fénysugárzás miatt. Ezért az N2 abszorpciós komponenseket tartalmazó oldat optikai sűrűsége additív. Az optikai sűrűség additivitása elméleti alapot biztosít az abszorbens komponensek mennyiségi mérésére keverékekben.
A biológiai szövetoptikában a 600–1300 nm-es spektrális tartományt általában a „biológiai spektroszkópia ablakának” nevezik, és az ebben a sávban lévő fény különleges jelentőséggel bír számos ismert és ismeretlen spektrális terápia és spektrális diagnózis szempontjából. Az infravörös tartományban a víz válik a biológiai szövetek domináns fényelnyelő anyagává, ezért a rendszer által alkalmazott hullámhossznak el kell kerülnie a víz abszorpciós csúcsát, hogy jobban megkapja a célanyag fényelnyelési információit. Ezért a 600–950 nm-es közeli infravörös spektrumtartományon belül az emberi ujjbegy szövetének fényelnyelő képességű fő összetevői közé tartozik a vérben lévő víz, az O2Hb (oxigénezett hemoglobin), az RHb (redukált hemoglobin), valamint a perifériás bőr melaninja és más szövetek.
Ezért az emissziós spektrum adatainak elemzésével megkaphatjuk a mérendő komponens szövetben lévő koncentrációjának effektív információját. Tehát, amikor birtokunkban vannak az O2Hb és az RHb koncentrációk, ismerjük az oxigénszaturációt.Oxigénszaturáció SpO2A HbO2 térfogatának százalékos aránya a vérben lévő oxigénhez kötött oxigéndús hemoglobinban (Hb) a teljes kötődő hemoglobinhoz (Hb) viszonyítva, ami a vér oxigénkoncentrációjának impulzusa. Miért nevezik pulzoximéternek? Íme egy új fogalom: a véráramlási térfogat pulzushullámja. Minden szívciklus során a szív összehúzódása vérnyomásemelkedést okoz az aortagyök ereiben, ami kitágítja az érfalat. Ezzel szemben a szív diasztoléja vérnyomáscsökkenést okoz az aortagyök ereiben, ami az érfal összehúzódását okozza. A szívciklus folyamatos ismétlődésével az aortagyök ereiben a vérnyomás állandó változása átterjed a hozzá kapcsolódó erekre, sőt az egész artériás rendszerre is, így létrehozva az egész artériás érfal folyamatos tágulását és összehúzódását. Vagyis a szív periodikus dobbanása pulzushullámokat hoz létre az aortában, amelyek az érfalak mentén hullámzanak előre az artériás rendszerben. Minden alkalommal, amikor a szív kitágul és összehúzódik, az artériás rendszerben a nyomásváltozás periodikus pulzushullámot hoz létre. Ezt nevezzük pulzushullámnak. A pulzushullám számos fiziológiai információt tükrözhet, például a szív állapotát, a vérnyomást és a véráramlást, amelyek fontos információkat szolgáltathatnak az emberi test specifikus fizikai paramétereinek nem invazív kimutatásához.
Az orvostudományban a pulzushullámot általában nyomáspulzushullámra és térfogatpulzushullámra osztják. A nyomáspulzushullám főként a vérnyomásátvitelt képviseli, míg a térfogatpulzushullám a véráramlás periodikus változásait képviseli. A nyomáspulzushullámmal összehasonlítva a volumetrikus pulzushullám fontosabb szív- és érrendszeri információkat tartalmaz, például az emberi ereket és a véráramlást. A tipikus véráramlási térfogatpulzushullám nem invazív detektálása fotoelektromos volumetrikus pulzushullám-követéssel érhető el. Egy speciális fényhullámot használnak a test mért részének megvilágítására, és a nyaláb visszaverődés vagy áteresztés után éri el a fotoelektromos érzékelőt. A vett nyaláb a volumetrikus pulzushullám effektív karakterisztikus információit hordozza. Mivel a vérmennyiség periodikusan változik a szív tágulásával és összehúzódásával, a szív diasztoléjában a vérmennyiség a legkisebb, a vér fényelnyelése pedig a maximális fényintenzitást érzékeli. Amikor a szív összehúzódik, a térfogat maximális, az érzékelő által érzékelt fényintenzitás pedig minimális. Az ujjbegyek nem invazív detektálásakor, ha a véráramlási térfogatpulzushullám közvetlen mérési adat, a spektrális mérési hely kiválasztásának a következő elveket kell követnie:
1. A vérerek vénáinak gazdagabbnak kell lenniük, és a spektrumban lévő teljes anyaginformációhoz képest javítani kell a hatékony információk, például a hemoglobin és az ICG arányát.
2. A véráramlás térfogatváltozásának nyilvánvaló jellemzőivel hatékonyan gyűjti a térfogati pulzushullám jelet
3. Annak érdekében, hogy az emberi spektrumot jó ismételhetőséggel és stabilitással kapjuk meg, a szöveti jellemzőket kevésbé befolyásolják az egyéni különbségek.
4. Könnyen elvégezhető a spektrális detektálás, és a vizsgálati alany könnyen elfogadja, így elkerülhetők az olyan interferencia tényezők, mint a stresszérzelem okozta gyors pulzusszám és a mérési pozíció elmozdulása.
Az emberi tenyér véredény-eloszlásának sematikus ábrája: A kar helyzete nehezen érzékeli a pulzushullámot, így nem alkalmas a véráramlás térfogatának pulzushullám-mérésére; A csukló a radiális artéria közelében van, a nyomáspulzushullám-jel erős, a bőr könnyen mechanikai rezgést kelt, az érzékelési jel a térfogatpulzushullám mellett a bőrről visszavert pulzusinformációt is hordozhat, nehéz pontosan jellemezni a vértérfogat-változás jellemzőit, nem alkalmas mérési pozícióra; Bár a tenyér a klinikai vérvételi helyek egyik gyakori része, csontja vastagabb, mint az ujjé, és a diffúz visszaverődéssel gyűjtött tenyértérfogat pulzushullám-amplitúdója alacsonyabb. A 2-5. ábra a tenyér véredény-eloszlását mutatja. Az ábrát megvizsgálva látható, hogy az ujj elülső részén gazdag kapilláris hálózat található, amely hatékonyan tükrözi az emberi szervezet hemoglobin-tartalmát. Ezenkívül ez a pozíció a véráramlás térfogatának változására utal, és ideális a térfogatpulzushullám-méréshez. Az ujjak izom- és csontszövetei viszonylag vékonyak, így a háttérinterferencia-információk hatása viszonylag kicsi. Ezenkívül az ujjbegy könnyen mérhető, és a vizsgálati alanynak nincs pszichológiai terhe, ami elősegíti a stabil, magas jel-zaj arányú spektrális jel megszerzését. Az emberi ujj csontból, körömből, bőrből, szövetből, vénás vérből és artériás vérből áll. A fénnyel való kölcsönhatás során az ujj perifériás artériájában lévő vér térfogata a szívveréssel együtt változik, ami az optikai úthossz mérésének változását eredményezi. Míg a többi komponens állandó a fény teljes folyamata során.
Amikor egy adott hullámhosszú fényt alkalmazunk az ujjbegy epidermiszére, az ujj keveréknek tekinthető, amely két részből áll: statikus anyagból (az optikai úthossz állandó) és dinamikus anyagból (az optikai úthossz az anyag térfogatával változik). Amikor a fényt az ujjbegy szövete elnyeli, az áteresztett fényt egy fotodetektor érzékeli. Az érzékelő által összegyűjtött áteresztett fény intenzitása nyilvánvalóan csökken az emberi ujjak különböző szövetkomponenseinek abszorpciós képessége miatt. Ezen jellemző alapján az ujjak fényelnyelésének ekvivalens modellje alakul ki.
Alkalmas személy:
Ujjbeggyel ellátott pulzoximéterMinden korosztály számára alkalmas, beleértve a gyermekeket, felnőtteket, időseket, koszorúér-betegségben, magas vérnyomásban, hiperlipidémiában, agyi trombózisban és más érrendszeri betegségekben szenvedőket, valamint az asztmában, hörghurutban, krónikus hörghurutban, pulmonális szívbetegségben és egyéb légzőszervi betegségekben szenvedőket.
Közzététel ideje: 2022. június 17.
