Пульсаксіметр, які выкарыстоўваецца на кончыку пальца, быў вынайдзены Міліканам у 1940-х гадах для кантролю канцэнтрацыі кіслароду ў артэрыяльнай крыві, што з'яўляецца важным паказчыкам цяжкасці COVID-19.Ёнкер цяпер тлумачыць, як працуе пульсаксіметр на кончыку пальца?
Спектральныя характарыстыкі паглынання біялагічнай тканіны: калі святло апраменьваецца на біялагічную тканіну, уплыў біялагічнай тканіны на святло можна падзяліць на чатыры катэгорыі, у тым ліку паглынанне, рассейванне, адлюстраванне і флуарэсцэнцыю. Калі выключыць рассейванне, адлегласць, якую святло праходзіць праз біялагічную тканіну, у асноўным вызначаецца паглынаннем. Калі святло пранікае праз некаторыя празрыстыя рэчывы (цвёрдыя, вадкія або газападобныя), інтэнсіўнасць святла значна зніжаецца з-за мэтанакіраванага паглынання некаторых спецыфічных частотных кампанентаў, што з'яўляецца з'явай паглынання святла рэчывамі. Колькасць святла, якую паглынае рэчыва, называецца яго аптычнай шчыльнасцю, таксама вядомай як паглынанне.
Схематычная дыяграма паглынання святла рэчывам. У працэсе распаўсюджвання святла колькасць светлавой энергіі, паглынутай рэчывам, прапарцыйная тром фактарам: інтэнсіўнасці святла, адлегласці светлавога шляху і колькасці святлопаглынальных часціц у папярочным сячэнні светлавога шляху. Зыходзячы з аднароднага матэрыялу, колькасць святлопаглынальных часціц у папярочным сячэнні светлавога шляху можна разглядаць як колькасць святлопаглынальных часціц на адзінку аб'ёму, а менавіта канцэнтрацыю святлопаглынальных часціц матэрыялу, можна атрымаць закон Ламберта-Бера: можна інтэрпрэтаваць як канцэнтрацыю матэрыялу і даўжыню аптычнага шляху на адзінку аб'ёму аптычнай шчыльнасці, здольнасць матэрыялу ўсмоктваць святло рэагаваць на характар святла, якое ўсмоктваецца матэрыялам. Іншымі словамі, форма крывой спектру паглынання аднаго і таго ж рэчыва аднолькавая, і абсалютнае становішча піка паглынання будзе змяняцца толькі з-за рознай канцэнтрацыі, але адноснае становішча застанецца нязменным. У працэсе паглынання ўсе рэчывы адбываюцца ў аб'ёме аднаго сячэння, і паглынальныя рэчывы не звязаныя адно з адным, не існуе флуарэсцэнтных злучэнняў, і няма з'явы змены ўласцівасцей асяроддзя з-за светлавога выпраменьвання. Такім чынам, для раствора з кампанентамі паглынання N аптычная шчыльнасць з'яўляецца адытыўнай. Адытыўнасць аптычнай шчыльнасці забяспечвае тэарэтычную аснову для колькаснага вымярэння кампанентаў паглынання ў сумесях.
У оптыцы біялагічных тканін спектральны дыяпазон 600~1300 нм звычайна называюць «акном біялагічнай спектраскапіі», і святло ў гэтым дыяпазоне мае асаблівае значэнне для многіх вядомых і невядомых спектральных метадаў тэрапіі і спектральнай дыягностыкі. У інфрачырвоным дыяпазоне вада становіцца дамінуючым рэчывам, якое паглынае святло ў біялагічных тканінах, таму даўжыня хвалі, якую прымае сістэма, павінна пазбягаць піка паглынання вады, каб лепш атрымліваць інфармацыю аб паглынанні святла мэтавым рэчывам. Такім чынам, у дыяпазоне блізкага інфрачырвонага спектру 600-950 нм асноўнымі кампанентамі тканіны кончыка пальца чалавека, якія маюць здольнасць паглынаць святло, з'яўляюцца вада ў крыві, O2Hb (аксігенаваны гемаглабін), RHb (адноўлены гемаглабін) і перыферычны меланін скуры і іншых тканін.
Такім чынам, мы можам атрымаць дакладную інфармацыю аб канцэнтрацыі кампанента, які трэба вымераць, у тканіне, аналізуючы дадзеныя спектру выпраменьвання. Такім чынам, калі ў нас ёсць канцэнтрацыі O2Hb і RHb, мы ведаем насычэнне кіслародам.Насычэнне кіслародам SpO2— гэта працэнт аб'ёму звязанага з кіслародам аксігенаванага гемаглабіну (HbO2) у крыві ў працэнтах ад агульнага звязанага гемаглабіну (Hb), канцэнтрацыі кіслароду ў крыві, пульс, дык чаму гэта называецца пульсаксіметрам? Вось новая канцэпцыя: пульсавая хваля аб'ёму крывацёку. Падчас кожнага сардэчнага цыклу скарачэнне сэрца выклікае павышэнне артэрыяльнага ціску ў крывяносных сасудах кораня аорты, што пашырае сценку крывяносных сасудаў. І наадварот, дыястала сэрца выклікае падзенне артэрыяльнага ціску ў крывяносных сасудах кораня аорты, што прыводзіць да скарачэння сценкі крывяносных сасудаў. Пры бесперапынным паўтарэнні сардэчнага цыклу пастаяннае змяненне артэрыяльнага ціску ў крывяносных сасудах кораня аорты будзе перадавацца на звязаныя з ім ніжэй па плыні сасуды і нават на ўсю артэрыяльную сістэму, тым самым фарміруючы бесперапыннае пашырэнне і скарачэнне ўсёй артэрыяльнай сасудзістай сценкі. Гэта значыць, перыядычнае скарачэнне сэрца стварае пульсавыя хвалі ў аорце, якія распаўсюджваюцца ўздоўж сценак крывяносных сасудаў па ўсёй артэрыяльнай сістэме. Кожны раз, калі сэрца пашыраецца і скарачаецца, змена ціску ў артэрыяльнай сістэме выклікае перыядычную пульсавую хвалю. Гэта тое, што мы называем пульсавай хваляй. Пульсавая хваля можа адлюстроўваць мноства фізіялагічных звестак, такіх як праца сэрца, артэрыяльны ціск і крывацёк, што можа даць важную інфармацыю для неінвазіўнага выяўлення пэўных фізічных параметраў цела чалавека.
У медыцыне пульсавая хваля звычайна падзяляецца на пульсавую хвалю ціску і аб'ёмную пульсавую хвалю двух тыпаў. Пульсавая хваля ціску ў асноўным адлюстроўвае перадачу артэрыяльнага ціску, у той час як аб'ёмная пульсавая хваля адлюстроўвае перыядычныя змены крывацёку. У параўнанні з пульсавай хваляй ціску, аб'ёмная пульсавая хваля змяшчае больш важную інфармацыю аб сардэчна-сасудзістай сістэме, такую як крывяносныя сасуды чалавека і крывацёк. Неінвазіўнае выяўленне тыповай пульсавай хвалі аб'ёмнага крывацёку можа быць дасягнута з дапамогай фотаэлектрычнага аб'ёмнага трасіроўкі пульсавай хвалі. Для асвятлення вымяральнай часткі цела выкарыстоўваецца спецыфічная хваля святла, і прамень дасягае фотаэлектрычнага датчыка пасля адлюстравання або перадачы. Прыняты прамень будзе несці эфектыўную характарыстыку аб'ёмнай пульсавай хвалі. Паколькі аб'ём крыві перыядычна змяняецца з пашырэннем і скарачэннем сэрца, падчас дыясталы сэрца аб'ём крыві найменшы, паглынанне святла крывёй датчык выяўляе максімальную інтэнсіўнасць святла; калі сэрца скарачаецца, аб'ём максімальны, а інтэнсіўнасць святла, якую выяўляе датчык, мінімальная. Пры неінвазіўным выяўленні кончыкаў пальцаў з выкарыстаннем пульсавай хвалі аб'ёмнага крывацёку ў якасці непасрэдных вымяральных дадзеных выбар месца спектральнага вымярэння павінен адпавядаць наступным прынцыпам.
1. Вены крывяносных сасудаў павінны быць больш багатымі, а доля эфектыўнай інфармацыі, такой як гемаглабін і ICG, у агульнай матэрыяльнай інфармацыі ў спектры павінна быць палепшана
2. Ён мае відавочныя характарыстыкі змены аб'ёму крывацёку для эфектыўнага збору сігналу пульсавай хвалі аб'ёму
3. Каб атрымаць чалавечы спектр з добрай паўтаральнасцю і стабільнасцю, характарыстыкі тканін менш падвяргаюцца ўплыву індывідуальных адрозненняў.
4. Спектральнае выяўленне лёгка выконваць і лёгка ўспрымаць суб'ектам, каб пазбегнуць перашкод, такіх як пачашчанае сэрцабіцце і зрушэнне пазіцыі вымярэння, выкліканае стрэсам.
Схема размеркавання крывяносных сасудаў на далоні чалавека: такое становішча рукі ледзь дазваляе выявіць пульсавую хвалю, таму яно не падыходзіць для выяўлення пульсавай хвалі аб'ёмнага крывацёку; калі запясце знаходзіцца побач з прамянёвай артэрыяй, сігнал пульсавай хвалі ціску моцны, скура лёгка ўспрымае механічную вібрацыю, што можа прывесці да таго, што сігнал выяўлення, акрамя аб'ёмнай пульсавай хвалі, таксама пераносіць інфармацыю аб пульсе, адлюстраваным скурай, таму цяжка дакладна ахарактарызаваць характарыстыкі змены аб'ёму крыві, гэта становішча не падыходзіць для вымярэння; хоць далонь з'яўляецца адным з распаўсюджаных месцаў клінічнага забору крыві, яе косці таўсцейшыя за палец, і амплітуда пульсавай хвалі аб'ёму далоні, сабранай шляхам дыфузнага адлюстравання, ніжэйшая. На малюнку 2-5 паказана размеркаванне крывяносных сасудаў на далоні. Разглядаючы малюнак, можна ўбачыць, што ў пярэдняй частцы пальца ёсць багатая капілярная сетка, якая можа эфектыўна адлюстроўваць утрыманне гемаглабіну ў арганізме чалавека. Больш за тое, гэта становішча мае відавочныя характарыстыкі змены аб'ёму крывацёку і з'яўляецца ідэальным становішчам для вымярэння аб'ёмнай пульсавай хвалі. Мышачныя і касцяныя тканіны пальцаў адносна тонкія, таму ўплыў фонавай інфармацыі адносна невялікі. Акрамя таго, кончык пальца лёгка вымераць, і суб'ект не мае псіхалагічнай нагрузкі, што спрыяе атрыманню стабільнага спектральнага сігналу з высокім суадносінамі сігнал/шум. Палец чалавека складаецца з костак, пазногцяў, скуры, тканін, вянознай крыві і артэрыяльнай крыві. У працэсе ўзаемадзеяння са святлом аб'ём крыві ў перыферычных артэрыях пальца змяняецца разам з сэрцабіццем, што прыводзіць да змены вымярэння аптычнага шляху. У той час як іншыя кампаненты застаюцца нязменнымі ва ўсім працэсе святла.
Калі на эпідэрміс кончыка пальца ўздзейнічае святло пэўнай даўжыні хвалі, палец можна разглядаць як сумесь, якая складаецца з двух частак: статычнай матэрыі (аптычны шлях пастаянны) і дынамічнай матэрыі (аптычны шлях змяняецца ў залежнасці ад аб'ёму матэрыялу). Калі святло паглынаецца тканінай кончыка пальца, прапушчанае святло трапляе на фотадэтэктар. Інтэнсіўнасць прапушчанага святла, сабранага датчыкам, відавочна, аслабляецца з-за паглынальнай здольнасці розных кампанентаў тканін пальцаў чалавека. Згодна з гэтай характарыстыкай усталёўваецца эквівалентная мадэль паглынання святла пальцам.
Падыходны чалавек:
Пульсаксіметр на кончыку пальцападыходзіць для людзей усіх узростаў, у тым ліку дзяцей, дарослых, пажылых людзей, пацыентаў з ішэмічнай хваробай сэрца, гіпертаніяй, гіперліпідэміяй, цэрэбральным тромбозам і іншымі сасудзістымі захворваннямі, а таксама пацыентаў з астмай, бранхітам, хранічным бранхітам, лёгачнай хваробай сэрца і іншымі рэспіраторнымі захворваннямі.
Час публікацыі: 17 чэрвеня 2022 г.
