De vingertop-pulsoximeter werd in de jaren 40 door Millikan uitgevonden om de zuurstofconcentratie in het arteriële bloed te controleren, een belangrijke indicator voor de ernst van COVID-19.Yonker legt nu uit hoe een vingertop-pulsoximeter werkt?
Spectrale absorptiekarakteristieken van biologisch weefsel: Wanneer biologisch weefsel met licht wordt bestraald, kan het effect van biologisch weefsel op licht worden onderverdeeld in vier categorieën: absorptie, verstrooiing, reflectie en fluorescentie. Indien verstrooiing wordt uitgesloten, wordt de afstand die licht door biologisch weefsel aflegt voornamelijk bepaald door absorptie. Wanneer licht door transparante stoffen (vast, vloeibaar of gasvormig) heen dringt, neemt de lichtintensiteit aanzienlijk af door de gerichte absorptie van bepaalde frequentiecomponenten. Dit is het absorptieverschijnsel van licht door stoffen. Hoeveel licht een stof absorbeert, wordt de optische dichtheid genoemd, ook wel absorptie genoemd.
Schematisch diagram van lichtabsorptie door materie. Tijdens het gehele proces van lichtvoortplanting is de hoeveelheid lichtenergie die door materie wordt geabsorbeerd evenredig met drie factoren: de lichtintensiteit, de afstand van het lichtpad en het aantal lichtabsorberende deeltjes in de dwarsdoorsnede van het lichtpad. Uitgaande van homogeen materiaal kan het aantal lichtabsorberende deeltjes in de dwarsdoorsnede worden beschouwd als lichtabsorberende deeltjes per volume-eenheid. De wet van Lambert Beer kan worden geïnterpreteerd als de materiaalconcentratie en optische padlengte per volume-eenheid van de optische dichtheid. Het vermogen van het materiaal om te reageren op de aard van het materiaal. Met andere woorden, de vorm van de absorptiespectrumcurve van dezelfde stof is hetzelfde, en de absolute positie van de absorptiepiek zal alleen veranderen door de verschillende concentraties, maar de relatieve positie blijft ongewijzigd. Tijdens het absorptieproces vindt de absorptie van alle stoffen plaats in hetzelfde volume, en de absorberende stoffen zijn niet aan elkaar gerelateerd, er bestaan geen fluorescerende verbindingen, en er is geen fenomeen van verandering van de eigenschappen van het medium door lichtstraling. Daarom is de optische dichtheid voor de oplossing met N-absorptiecomponenten additief. De additiviteit van de optische dichtheid biedt een theoretische basis voor de kwantitatieve meting van absorberende componenten in mengsels.
In de biologische weefseloptica wordt het spectrale gebied van 600 tot 1300 nm gewoonlijk "het venster van biologische spectroscopie" genoemd. Het licht in deze band is van bijzonder belang voor vele bekende en onbekende spectrale therapieën en spectrale diagnoses. In het infraroodgebied is water de dominante lichtabsorberende substantie in biologische weefsels. De golflengte van het systeem moet daarom de absorptiepiek van water vermijden om de lichtabsorptie-informatie van de doelsubstantie beter te verkrijgen. Binnen het nabij-infraroodspectrumbereik van 600-950 nm zijn de belangrijkste componenten van menselijk vingertopweefsel met lichtabsorptievermogen daarom water in bloed, O2Hb (geoxygeneerde hemoglobine), RHb (gereduceerde hemoglobine) en perifere huidmelanine en andere weefsels.
Daarom kunnen we effectieve informatie over de concentratie van de te meten component in het weefsel verkrijgen door de gegevens van het emissiespectrum te analyseren. Wanneer we dus de O₂Hb- en RHb-concentraties hebben, kennen we de zuurstofsaturatie.Zuurstofsaturatie SpO2is het percentage van het volume zuurstofgebonden, geoxygeneerde hemoglobine (HbO2) in het bloed als percentage van de totale gebonden hemoglobine (Hb), de concentratie van bloedzuurstofpuls, dus waarom heet het een pulsoximeter? Hier is een nieuw concept: bloedstroomvolumepulsgolf. Tijdens elke hartcyclus zorgt de samentrekking van het hart ervoor dat de bloeddruk in de bloedvaten van de aortawortel stijgt, waardoor de bloedvatwand verwijdt. Omgekeerd zorgt de diastole van het hart ervoor dat de bloeddruk in de bloedvaten van de aortawortel daalt, waardoor de bloedvatwand samentrekt. Door de voortdurende herhaling van de hartcyclus wordt de constante verandering van de bloeddruk in de bloedvaten van de aortawortel doorgegeven aan de stroomafwaartse vaten die ermee verbonden zijn en zelfs aan het gehele arteriële systeem, waardoor de continue uitzetting en samentrekking van de gehele arteriële vaatwand ontstaat. Dat wil zeggen, de periodieke hartslag creëert pulsgolven in de aorta die zich langs de bloedvatwanden door het gehele arteriële systeem voortplanten. Elke keer dat het hart uitzet en samentrekt, veroorzaakt een drukverandering in het slagaderstelsel een periodieke polsgolf. Dit noemen we de polsgolf. Een polsgolf kan veel fysiologische informatie weergeven, zoals hartritme, bloeddruk en bloedstroom, die belangrijke informatie kan verschaffen voor niet-invasieve detectie van specifieke fysieke parameters van het menselijk lichaam.
In de geneeskunde wordt de pulsgolf gewoonlijk onderverdeeld in twee typen: drukpulsgolf en volumepulsgolf. Drukpulsgolf vertegenwoordigt voornamelijk de transmissie van de bloeddruk, terwijl volumepulsgolf periodieke veranderingen in de bloedstroom vertegenwoordigt. Vergeleken met drukpulsgolf bevat volumetrische pulsgolf belangrijkere cardiovasculaire informatie, zoals menselijke bloedvaten en bloedstroom. De niet-invasieve detectie van een typische bloedstroomvolumepulsgolf kan worden bereikt door middel van foto-elektrische volumetrische pulsgolftracering. Een specifieke lichtgolf wordt gebruikt om het te meten lichaamsdeel te verlichten en de straal bereikt de foto-elektrische sensor na reflectie of transmissie. De ontvangen straal draagt de effectieve karakteristieke informatie van de volumetrische pulsgolf. Omdat het bloedvolume periodiek verandert met de uitzetting en samentrekking van het hart, is het bloedvolume het kleinst tijdens de hartdiastole en absorbeert het bloed licht, waardoor de sensor de maximale lichtintensiteit detecteert; wanneer het hart samentrekt, is het volume maximaal en is de door de sensor gedetecteerde lichtintensiteit minimaal. Bij de niet-invasieve detectie van vingertoppen met bloedstroomvolumepulsgolf als directe meetgegevens, moet de selectie van de spectrale meetlocatie de volgende principes volgen:
1. De aderen van bloedvaten zouden overvloediger moeten zijn en het aandeel effectieve informatie zoals hemoglobine en ICG in de totale materiële informatie in het spectrum zou verbeterd moeten worden.
2. Het heeft duidelijke kenmerken van verandering in het bloedstroomvolume om effectief volumepulsgolfsignalen te verzamelen
3. Om het menselijk spectrum met goede herhaalbaarheid en stabiliteit te verkrijgen, worden de weefselkenmerken minder beïnvloed door individuele verschillen.
4. Het is eenvoudig om spectrale detectie uit te voeren en gemakkelijk te accepteren door het onderwerp, om zo interferentiefactoren zoals een snelle hartslag en meetpositiebeweging veroorzaakt door stressemotie te vermijden.
Schematisch diagram van de bloedvatverdeling in de handpalm van een mens. De positie van de arm kan de pulsgolf nauwelijks detecteren en is daarom niet geschikt voor het meten van de bloedstroomvolumepulsgolf. De pols bevindt zich dicht bij de radiale slagader, het drukpulsgolfsignaal is sterk en de huid is gemakkelijk onderhevig aan mechanische trillingen. Dit kan ertoe leiden dat het detectiesignaal naast de volumepulsgolf ook huidreflectiepulsinformatie overdraagt. Het is moeilijk om de kenmerken van bloedvolumeveranderingen nauwkeurig te karakteriseren en is daarom niet geschikt voor de meetpositie. Hoewel de handpalm een van de meest voorkomende klinische bloedafnamelocaties is, is het bot dikker dan dat van de vinger en is de amplitude van de pulsgolf van het door diffuse reflectie verzamelde volume in de handpalm lager. Figuur 2-5 toont de verdeling van bloedvaten in de handpalm. Uit de afbeelding blijkt dat er in het voorste deel van de vinger overvloedige capillaire netwerken aanwezig zijn, die het hemoglobinegehalte in het menselijk lichaam effectief kunnen weergeven. Bovendien vertoont deze positie duidelijke kenmerken van bloedstroomvolumeveranderingen en is het de ideale meetpositie voor de volumepulsgolf. De spier- en botweefsels van de vingers zijn relatief dun, waardoor de invloed van achtergrondinterferentie-informatie relatief klein is. Bovendien is de vingertop gemakkelijk te meten en ondervindt de proefpersoon geen psychologische belasting, wat bevorderlijk is voor het verkrijgen van een stabiel spectraal signaal met een hoge signaal-ruisverhouding. De menselijke vinger bestaat uit bot, nagel, huid, weefsel, veneus bloed en arterieel bloed. Door interactie met licht verandert het bloedvolume in de perifere slagader van de vinger met de hartslag, wat resulteert in een verandering in de optische padmeting. De andere componenten blijven daarentegen constant gedurende het gehele lichtproces.
Wanneer een bepaalde golflengte van licht op de opperhuid van de vingertop wordt toegepast, kan de vinger worden beschouwd als een mengsel, bestaande uit twee delen: statische materie (de optische weglengte is constant) en dynamische materie (de optische weglengte verandert met het volume van het materiaal). Wanneer het licht door het weefsel van de vingertop wordt geabsorbeerd, wordt het doorgelaten licht opgevangen door een fotodetector. De intensiteit van het doorgelaten licht dat door de sensor wordt opgevangen, wordt uiteraard verzwakt door de absorbeerbaarheid van verschillende weefselcomponenten van menselijke vingers. Op basis van deze eigenschap wordt het equivalente model voor vingerlichtabsorptie vastgesteld.
Geschikte persoon:
Vingertop pulsoximeteris geschikt voor mensen van alle leeftijden, waaronder kinderen, volwassenen, ouderen, patiënten met coronaire hartziekten, hypertensie, hyperlipidemie, cerebrale trombose en andere vaatziekten en patiënten met astma, bronchitis, chronische bronchitis, longhartziekten en andere luchtwegaandoeningen.
Plaatsingstijd: 17 juni 2022
