Fingertoppspulsoximetern uppfanns av Millikan på 1940-talet för att övervaka syrekoncentrationen i arteriellt blod, en viktig indikator på svårighetsgraden av COVID-19.Yonker förklarar nu hur en fingertoppspulsoximeter fungerar?
Spektralabsorptionsegenskaper hos biologisk vävnad: När ljus bestrålas på biologisk vävnad kan effekten av biologisk vävnad på ljuset delas in i fyra kategorier, inklusive absorption, spridning, reflektion och fluorescens. Om spridning utesluts styrs ljusets färdsträcka genom biologisk vävnad huvudsakligen av absorption. När ljus penetrerar vissa transparenta ämnen (fasta, flytande eller gasformiga) minskar ljusintensiteten avsevärt på grund av den riktade absorptionen av vissa specifika frekvenskomponenter, vilket är ljusabsorptionsfenomenet hos ämnen. Hur mycket ljus ett ämne absorberar kallas dess optiska densitet, även känd som absorbans.
Schematiskt diagram över ljusabsorption av materia i hela ljusutbredningsprocessen. Mängden ljusenergi som absorberas av materia är proportionell mot tre faktorer: ljusintensiteten, ljusvägens avstånd och antalet ljusabsorberande partiklar i ljusvägens tvärsnitt. Utifrån ett homogent material kan antalet ljusabsorberande partiklar i tvärsnittet betraktas som ljusabsorberande partiklar per volymenhet, nämligen materialets sugljuspartikelkoncentration. Lambert-Beers lag kan tolkas som materialets koncentration och optiska väglängd per volymenhet, och materialets sugljusförmåga att reagera på materialets sugljusegenskaper. Med andra ord är formen på absorptionsspektrumkurvan för samma ämne densamma, och absorptionstoppens absoluta position kommer endast att ändras på grund av olika koncentrationer, men den relativa positionen förblir oförändrad. I absorptionsprocessen sker absorptionen av alla ämnen i samma tvärsnitts volym, och de absorberande ämnena är oberoende av varandra, det finns inga fluorescerande föreningar och det finns inget fenomen som förändrar mediets egenskaper på grund av ljusstrålning. Därför är den optiska densiteten additiv för lösningen med N-absorptionskomponenter. Additiviteten av den optiska densiteten ger en teoretisk grund för kvantitativ mätning av absorberande komponenter i blandningar.
Inom biologisk vävnadsoptik kallas spektralområdet 600 ~ 1300 nm vanligtvis för "fönstret för biologisk spektroskopi", och ljuset i detta band har särskild betydelse för många kända och okända spektralterapier och spektraldiagnoser. I det infraröda området blir vatten det dominerande ljusabsorberande ämnet i biologiska vävnader, så den våglängd som systemet använder måste undvika vattnets absorptionstopp för att bättre få information om ljusabsorptionen från målsubstansen. Därför, inom det nära-infraröda spektrumområdet 600-950 nm, inkluderar huvudkomponenterna i mänsklig fingertoppsvävnad med ljusabsorptionskapacitet vatten i blodet, O2Hb (syresatt hemoglobin), RHb (reducerat hemoglobin) och perifer hudmelanin och andra vävnader.
Därför kan vi få effektiv information om koncentrationen av den komponent som ska mätas i vävnaden genom att analysera data från emissionsspektrumet. Så när vi har O2Hb- och RHb-koncentrationerna känner vi till syremättnaden.Syremättnad SpO2är procentandelen av volymen syrebundet syresatt hemoglobin (HbO2) i blodet som en procentandel av det totala bindande hemoglobinet (Hb), koncentrationen av blodsyrepulsen så varför kallas det pulsoximeter? Här är ett nytt koncept: blodflödesvolympulsvåg. Under varje hjärtcykel orsakar hjärtats sammandragning att blodtrycket stiger i blodkärlen i aortaroten, vilket vidgar blodkärlsväggen. Omvänt orsakar hjärtats diastole att blodtrycket sjunker i blodkärlen i aortaroten, vilket får blodkärlsväggen att dra ihop sig. Med den kontinuerliga upprepningen av hjärtcykeln kommer den konstanta förändringen av blodtrycket i blodkärlen i aortaroten att överföras till de nedströms anslutna kärlen och till och med till hela artärsystemet, vilket bildar en kontinuerlig expansion och sammandragning av hela artärkärlväggen. Det vill säga, hjärtats periodiska slag skapar pulsvågor i aorta som krusar framåt längs blodkärlsväggarna i hela artärsystemet. Varje gång hjärtat expanderar och kontraherar producerar en tryckförändring i artärsystemet en periodisk pulsvåg. Detta är vad vi kallar pulsvågen. Pulsvågen kan återspegla mycket fysiologisk information, såsom hjärtfrekvens, blodtryck och blodflöde, vilket kan ge viktig information för icke-invasiv detektion av specifika fysiska parametrar i människokroppen.
Inom medicinen delas pulsvågor vanligtvis in i två typer av tryckpulsvågor och volympulsvågor. Tryckpulsvågor representerar huvudsakligen blodtrycksöverföring, medan volympulsvågor representerar periodiska förändringar i blodflödet. Jämfört med tryckpulsvågor innehåller volympulsvågor viktigare kardiovaskulär information, såsom mänskliga blodkärl och blodflöde. Icke-invasiv detektion av typiska blodflödesvolympulsvågor kan uppnås genom fotoelektrisk volympulsvågsspårning. En specifik ljusvåg används för att belysa den mätta kroppsdelen, och strålen når den fotoelektriska sensorn efter reflektion eller transmission. Den mottagna strålen kommer att bära den effektiva karakteristiska informationen från den volymetriska pulsvågen. Eftersom blodvolymen förändras periodiskt med hjärtats expansion och kontraktion, när hjärtat är i diastole, är blodvolymen som minst och blodets ljusabsorption detekterar sensorn maximal ljusintensitet; när hjärtat kontraherar är volymen maximal och ljusintensiteten som detekteras av sensorn är minimal. Vid icke-invasiv detektion av fingertoppar med blodflödesvolympulsvågor som direkta mätdata, bör valet av spektral mätplats följa följande principer.
1. Venerna i blodkärlen bör vara mer rikliga, och andelen effektiv information såsom hemoglobin och ICG i den totala materialinformationen i spektrumet bör förbättras.
2. Den har uppenbara egenskaper för förändring av blodflödesvolymen för att effektivt samla in volympulsvågssignalen
3. För att erhålla det mänskliga spektrumet med god repeterbarhet och stabilitet påverkas vävnadsegenskaperna mindre av individuella skillnader.
4. Det är enkelt att utföra spektraldetektering och lätt att acceptera av försökspersonen för att undvika störande faktorer som snabb hjärtfrekvens och mätpositionsförskjutning orsakad av stresskänslor.
Schematiskt diagram över blodkärlsfördelningen i den mänskliga handflatan Armens position kan knappast detektera pulsvågen, så den är inte lämplig för detektion av blodflödesvolympulsvåg; Handleden är nära artären radialis, tryckpulsvågssignalen är stark, huden producerar lätt mekanisk vibration, vilket kan leda till att detektionssignalen utöver volympulsvågen också bär hudreflektionspulsinformation, det är svårt att noggrant karakterisera egenskaperna hos blodvolymförändringen, är inte lämplig för mätpositionen; Även om handflatan är en av de vanligaste kliniska blodprovstagningsplatserna, är dess ben tjockare än fingret, och pulsvågsamplituden för handflatans volym som samlas in genom diffus reflektion är lägre. Figur 2-5 visar fördelningen av blodkärl i handflatan. Om man tittar på figuren kan man se att det finns rikliga kapillärnätverk i den främre delen av fingret, vilket effektivt kan återspegla hemoglobinhalten i människokroppen. Dessutom har denna position tydliga egenskaper för blodflödesvolymförändring och är den ideala mätpositionen för volympulsvågen. Muskel- och benvävnaderna i fingrarna är relativt tunn, så påverkan av bakgrundsstörningsinformation är relativt liten. Dessutom är fingertoppen lätt att mäta, och försökspersonen har ingen psykologisk belastning, vilket bidrar till att erhålla en stabil spektralsignal med högt signal-brusförhållande. Det mänskliga fingret består av ben, nagel, hud, vävnad, venöst blod och arteriellt blod. I processen att interagera med ljus förändras blodvolymen i fingrets perifera artär med hjärtslagen, vilket resulterar i en förändring av den optiska vägmätningen. Medan de andra komponenterna är konstanta i hela ljusprocessen.
När en viss ljusvåglängd appliceras på fingertoppens epidermis kan fingret betraktas som en blandning bestående av två delar: statisk materia (den optiska vägen är konstant) och dynamisk materia (den optiska vägen ändras med materialets volym). När ljuset absorberas av fingertoppsvävnaden tas det transmitterade ljuset emot av en fotodetektor. Intensiteten hos det transmitterade ljuset som samlas in av sensorn dämpas uppenbarligen på grund av absorberingsförmågan hos olika vävnadskomponenter i mänskliga fingrar. Enligt denna egenskap etableras en ekvivalent modell för fingerljusabsorption.
Lämplig person:
Fingertoppspulsoximeterär lämplig för personer i alla åldrar, inklusive barn, vuxna, äldre, patienter med kranskärlssjukdom, högt blodtryck, hyperlipidemi, hjärntrombos och andra kärlsjukdomar samt patienter med astma, bronkit, kronisk bronkit, pulmonell hjärtsjukdom och andra luftvägssjukdomar.
Publiceringstid: 17 juni 2022
