De pulsoximeter voor de vingertop werd in de jaren 40 uitgevonden door Millikan om de zuurstofconcentratie in het arteriële bloed te meten, een belangrijke indicator voor de ernst van COVID-19.Yonker Legt nu uit hoe een pulsoximeter voor de vingertop werkt?
Spectrale absorptiekarakteristieken van biologisch weefsel: Wanneer licht op biologisch weefsel valt, kan het effect van het weefsel op het licht worden onderverdeeld in vier categorieën: absorptie, verstrooiing, reflectie en fluorescentie. Als verstrooiing buiten beschouwing wordt gelaten, wordt de afstand die licht door biologisch weefsel aflegt voornamelijk bepaald door absorptie. Wanneer licht door transparante stoffen (vast, vloeibaar of gasvormig) dringt, neemt de lichtintensiteit aanzienlijk af door de gerichte absorptie van bepaalde frequentiecomponenten. Dit fenomeen wordt absorptie van licht door stoffen genoemd. De hoeveelheid licht die een stof absorbeert, wordt de optische dichtheid genoemd, ook wel absorptie.
Schematische weergave 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 lengte van het lichtpad en het aantal lichtabsorberende deeltjes in de doorsnede van het lichtpad. Uitgaande van een homogeen materiaal kan het aantal lichtabsorberende deeltjes in de doorsnede worden beschouwd als het aantal lichtabsorberende deeltjes per volume-eenheid, oftewel de concentratie van lichtabsorberende deeltjes in het materiaal. Hieruit kan de wet van Lambert-Beer worden afgeleid: deze wet kan worden geïnterpreteerd als de concentratie van het materiaal en de optische padlengte per volume-eenheid, waarbij het vermogen van het materiaal om licht te absorberen afhankelijk is van de aard van het materiaal. Met andere woorden, de vorm van de absorptiespectrumcurve van dezelfde stof is hetzelfde, en alleen de absolute positie van de absorptiepiek verandert door de verschillende concentratie, maar de relatieve positie blijft onveranderd. Tijdens het absorptieproces vindt de absorptie van stoffen plaats in hetzelfde volume en zijn de absorberende stoffen onafhankelijk van elkaar. Er zijn geen fluorescerende verbindingen aanwezig en er treedt geen verandering van de eigenschappen van het medium op door lichtstraling. Daarom is de optische dichtheid additief voor een oplossing met N absorptiecomponenten. 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 doorgaans "het venster van de biologische spectroscopie" genoemd. Licht in deze band is van bijzonder belang voor vele bekende en onbekende spectrale therapieën en spectrale diagnostiek. In het infraroodgebied is water de dominante lichtabsorberende stof in biologisch weefsel. Daarom moet de golflengte die door het systeem wordt gebruikt, de absorptiepiek van water vermijden om de lichtabsorptie-informatie van de doelstof beter te kunnen verkrijgen. Binnen het nabij-infraroodspectrum van 600-950 nm omvatten de belangrijkste lichtabsorberende componenten van menselijk vingertopweefsel onder andere water in het bloed, O2Hb (geoxygeneerd hemoglobine), RHb (gereduceerd hemoglobine), perifeer huidmelanine en andere weefsels.
Door de gegevens van het emissiespectrum te analyseren, kunnen we dus effectieve informatie verkrijgen over de concentratie van de te meten component in het weefsel. Wanneer we de O2Hb- en RHb-concentraties kennen, weten we dus de zuurstofverzadiging.Zuurstofverzadiging SpO2De zuurstofpuls is het percentage van het volume zuurstofgebonden geoxygeneerde hemoglobine (HbO2) in het bloed ten opzichte van de totale hoeveelheid gebonden hemoglobine (Hb). Waarom heet het dan een pulsoximeter? Hier is een nieuw concept: de bloedstroompulsgolf. Tijdens elke hartcyclus zorgt de samentrekking van het hart ervoor dat de bloeddruk in de bloedvaten van de aortawortel stijgt, waardoor de vaatwand uitzet. Omgekeerd zorgt de diastole van het hart ervoor dat de bloeddruk in de bloedvaten van de aortawortel daalt, waardoor de vaatwand samentrekt. Door de continue herhaling van de hartcyclus wordt de constante verandering van de bloeddruk in de bloedvaten van de aortawortel doorgegeven aan de stroomafwaarts gelegen vaten en zelfs aan het hele arteriële systeem, waardoor de gehele arteriële vaatwand continu uitzet en samentrekt. Met andere woorden, de periodieke hartslag creëert pulsgolven in de aorta die zich voortplanten langs de vaatwanden door het hele arteriële systeem. Telkens wanneer het hart uitzet en samentrekt, veroorzaakt een verandering in de druk in het arteriële systeem een periodieke pulsgolf. Dit noemen we de pulsgolf. De pulsgolf kan veel fysiologische informatie weergeven, zoals hartslag, bloeddruk en bloedstroom, wat belangrijke informatie kan opleveren voor niet-invasieve detectie van specifieke fysieke parameters van het menselijk lichaam.
In de geneeskunde wordt de polsgolf doorgaans onderverdeeld in drukpulsgolven en volumepulsgolven. De drukpulsgolf vertegenwoordigt voornamelijk de overdracht van bloeddruk, terwijl de volumepulsgolf periodieke veranderingen in de bloedstroom weergeeft. In vergelijking met de drukpulsgolf bevat de volumepulsgolf belangrijkere cardiovasculaire informatie, zoals de structuur van de bloedvaten en de bloedstroom. De niet-invasieve detectie van de typische bloedstroomvolumepulsgolf kan worden bereikt door middel van foto-elektrische volumepulsgolfmeting. Een specifieke lichtgolf wordt gebruikt om het te meten lichaamsdeel te verlichten, waarna de lichtbundel na reflectie of transmissie de foto-elektrische sensor bereikt. De ontvangen lichtbundel draagt de effectieve karakteristieke informatie van de volumepulsgolf met zich mee. Omdat het bloedvolume periodiek verandert met de uitzetting en samentrekking van het hart, is het bloedvolume het kleinst tijdens de diastole, waardoor het bloed licht absorbeert en de sensor de maximale lichtintensiteit detecteert; tijdens de samentrekking van het hart is het volume maximaal en de door de sensor gedetecteerde lichtintensiteit minimaal. Bij niet-invasieve detectie van de vingertoppen met behulp van de bloedstroomvolumepulsgolf als directe meetgegevens, moet de selectie van de spectrale meetlocatie de volgende principes volgen.
1. De bloedvaten moeten talrijker zijn en het aandeel van relevante informatie zoals hemoglobine en ICG in de totale materiaalinformatie van het spectrum moet worden verbeterd.
2. Het vertoont duidelijke kenmerken van veranderingen in het bloedstroomvolume, waardoor het effectief volumepulsgolfsignalen kan opvangen.
3. Om een menselijk spectrum met goede herhaalbaarheid en stabiliteit te verkrijgen, worden de weefselkenmerken minder beïnvloed door individuele verschillen.
4. Spectrale detectie is eenvoudig uit te voeren en wordt gemakkelijk geaccepteerd door de proefpersoon, waardoor storende factoren zoals een snelle hartslag en bewegingen van de meetpositie als gevolg van stress worden vermeden.
Schematische weergave van de bloedvatenverdeling in de handpalm. De positie van de arm maakt het moeilijk om de polsgolf te detecteren, waardoor deze ongeschikt is voor het meten van de bloedstroomvolumepulsgolf. De pols bevindt zich dicht bij de radiale arterie, waardoor het drukpulsgolfsignaal sterk is. De huid is bovendien gevoelig voor mechanische trillingen, wat ertoe kan leiden dat het detectiesignaal naast de volumepulsgolf ook informatie over de huidreflectiepuls bevat. Hierdoor is het moeilijk om de kenmerken van bloedvolumeverandering nauwkeurig te karakteriseren, waardoor deze positie ongeschikt is voor metingen. Hoewel de handpalm een veelgebruikte plek is voor bloedafname in de klinische praktijk, is het bot hier dikker dan in de vinger, waardoor de amplitude van de polsgolf die door diffuse reflectie in de handpalm wordt gemeten, lager is. Figuur 2-5 toont de verdeling van de bloedvaten in de handpalm. Uit de figuur blijkt dat er een overvloedig capillair netwerk aanwezig is in het voorste deel van de vinger, wat de hemoglobineconcentratie in het lichaam effectief weerspiegelt. Bovendien vertoont deze positie duidelijke kenmerken van bloedstroomvolumeverandering en is het de ideale meetpositie voor volumepulsgolven. De spier- en botweefsels van de vingers zijn relatief dun, waardoor de invloed van achtergrondinterferentie 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. Een menselijke vinger bestaat uit bot, nagel, huid, weefsel, veneus bloed en arterieel bloed. Tijdens de interactie met licht verandert het bloedvolume in de perifere slagaders van de vinger mee met de hartslag, wat resulteert in een verandering van het optische pad. De andere componenten blijven echter constant gedurende het hele lichtproces.
Wanneer een bepaalde golflengte van licht op de opperhuid van de vingertop wordt gericht, kan de vinger worden beschouwd als een mengsel van 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 vingertopweefsel wordt geabsorbeerd, wordt het doorgelaten licht opgevangen door een fotodetector. De intensiteit van het doorgelaten licht dat door de sensor wordt opgevangen, wordt duidelijk verzwakt door het absorptievermogen van de verschillende weefselcomponenten van de menselijke vingers. Op basis van deze eigenschap is een equivalent model voor de lichtabsorptie door de vinger opgesteld.
Geschikte persoon:
VingertoppulsoximeterHet is 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 aandoeningen van de luchtwegen.
Geplaatst op: 17 juni 2022
