Das Fingerpulsoximeter wurde in den 1940er Jahren von Millikan erfunden, um die Sauerstoffkonzentration im arteriellen Blut zu überwachen, ein wichtiger Indikator für den Schweregrad von COVID-19.Yonker Jetzt wird erklärt, wie ein Fingerpulsoximeter funktioniert.
Spektrale Absorptionseigenschaften von biologischem Gewebe: Wenn biologisches Gewebe mit Licht bestrahlt wird, lässt sich die Wirkung des biologischen Gewebes auf das Licht in vier Kategorien einteilen: Absorption, Streuung, Reflexion und Fluoreszenz. Lässt man die Streuung außer Acht, wird die Distanz, die das Licht durch biologisches Gewebe zurücklegt, hauptsächlich durch die Absorption bestimmt. Beim Durchdringen transparenter Substanzen (fest, flüssig oder gasförmig) nimmt die Lichtintensität aufgrund der gezielten Absorption bestimmter Frequenzkomponenten deutlich ab. Dies ist das Absorptionsphänomen von Licht durch Substanzen. Die von einer Substanz absorbierte Lichtmenge wird als optische Dichte oder Absorptionsgrad bezeichnet.
Schematische Darstellung der Lichtabsorption durch Materie. Im gesamten Prozess der Lichtausbreitung ist die absorbierte Lichtenergiemenge proportional zu drei Faktoren: Lichtintensität, Lichtweglänge und Anzahl der lichtabsorbierenden Partikel im Querschnitt. Bei homogenem Material entspricht die Anzahl der lichtabsorbierenden Partikel im Querschnitt der Anzahl der lichtabsorbierenden Partikel pro Volumeneinheit, also der Konzentration der lichtabsorbierenden Partikel. Daraus ergibt sich das Lambert-Beersche Gesetz: Es lässt sich als Materialkonzentration und optische Weglänge pro Volumeneinheit interpretieren, die die Lichtabsorptionsfähigkeit des Materials beeinflusst. Anders ausgedrückt: Die Form der Absorptionsspektralkurve derselben Substanz ist gleich, und die absolute Position des Absorptionspeaks ändert sich nur aufgrund unterschiedlicher Konzentrationen, die relative Position bleibt jedoch unverändert. Im Absorptionsprozess findet die Absorption aller Substanzen im gleichen Volumenabschnitt statt. Die absorbierenden Substanzen stehen in keiner Beziehung zueinander, es gibt keine fluoreszierenden Verbindungen, und die Eigenschaften des Mediums werden durch Lichteinstrahlung nicht verändert. Daher ist die optische Dichte für die Lösung mit N Absorptionskomponenten additiv. Die Additivität der optischen Dichte bietet eine theoretische Grundlage für die quantitative Messung absorbierender Komponenten in Mischungen.
In der Optik biologischer Gewebe wird der Spektralbereich von 600 bis 1300 nm üblicherweise als „Fenster der biologischen Spektroskopie“ bezeichnet, und das Licht in diesem Band ist für viele bekannte und unbekannte Spektraltherapien und Spektraldiagnosen von besonderer Bedeutung. Im Infrarotbereich ist Wasser die dominierende lichtabsorbierende Substanz in biologischem Gewebe. Daher muss die vom System verwendete Wellenlänge den Absorptionspeak von Wasser vermeiden, um die Lichtabsorptionsinformationen der Zielsubstanz besser zu erhalten. Daher umfassen die Hauptbestandteile des menschlichen Fingerkuppengewebes mit Lichtabsorptionskapazität im Nahinfrarotspektrumbereich von 600 bis 950 nm Wasser im Blut, O2Hb (sauerstoffreiches Hämoglobin), RHb (reduziertes Hämoglobin) und peripheres Hautmelanin und andere Gewebe.
Daher können wir durch die Analyse der Daten des Emissionsspektrums effektive Informationen über die Konzentration der zu messenden Komponente im Gewebe erhalten. Wenn wir also die O2Hb- und RHb-Konzentrationen haben, kennen wir die Sauerstoffsättigung.Sauerstoffsättigung SpO2ist der Volumenprozentsatz des sauerstoffgebundenen oxygenierten Hämoglobins (HbO2) im Blut als Prozentsatz des gesamten bindenden Hämoglobins (Hb), der Konzentration des Sauerstoffpulses im Blut. Warum also heißt es Pulsoximeter? Hier ist ein neues Konzept: Blutflussvolumen-Pulswelle. Während jedes Herzzyklus verursacht die Kontraktion des Herzens einen Blutdruckanstieg in den Blutgefäßen der Aortenwurzel, wodurch sich die Blutgefäßwände erweitern. Umgekehrt verursacht die Diastole des Herzens einen Blutdruckabfall in den Blutgefäßen der Aortenwurzel, was eine Kontraktion der Blutgefäßwände verursacht. Durch die kontinuierliche Wiederholung des Herzzyklus wird die ständige Blutdruckänderung in den Blutgefäßen der Aortenwurzel auf die damit verbundenen nachgeschalteten Gefäße und sogar auf das gesamte Arteriensystem übertragen und bewirkt so eine kontinuierliche Ausdehnung und Kontraktion der gesamten Arteriengefäßwand. Das heißt, der periodische Herzschlag erzeugt Pulswellen in der Aorta, die sich wellenförmig entlang der Blutgefäßwände im gesamten Arteriensystem ausbreiten. Jedes Mal, wenn sich das Herz ausdehnt und zusammenzieht, erzeugt eine Druckänderung im arteriellen System eine periodische Pulswelle. Diese wird als Pulswelle bezeichnet. Die Pulswelle kann viele physiologische Informationen wie Herz, Blutdruck und Blutfluss widerspiegeln und liefert wichtige Informationen für die nicht-invasive Erfassung bestimmter physikalischer Parameter des menschlichen Körpers.
In der Medizin werden Pulswellen üblicherweise in Druckpulswellen und Volumenpulswellen unterteilt. Druckpulswellen repräsentieren hauptsächlich die Blutdruckübertragung, Volumenpulswellen periodische Veränderungen des Blutflusses. Im Vergleich zu Druckpulswellen enthalten Volumenpulswellen wichtige kardiovaskuläre Informationen wie Blutgefäße und Blutfluss. Die nichtinvasive Erfassung typischer Blutflussvolumenpulswellen erfolgt durch photoelektrische volumetrische Pulswellenverfolgung. Ein bestimmter Lichtstrahl beleuchtet den Messbereich des Körpers und erreicht nach Reflexion oder Transmission den photoelektrischen Sensor. Der empfangene Strahl enthält die effektiven charakteristischen Informationen der Volumenpulswelle. Da sich das Blutvolumen periodisch mit der Expansion und Kontraktion des Herzens ändert, ist das Blutvolumen während der Herzdiastole am geringsten und absorbiert Licht. Der Sensor erfasst die maximale Lichtintensität. Kontraktionen des Herzens führen zu einem maximalen Volumen und einer minimalen Lichtintensität. Bei der nichtinvasiven Erfassung von Fingerspitzen mit Blutflussvolumenpulswellen als direkte Messdaten sollte die Auswahl des spektralen Messorts nach folgenden Grundsätzen erfolgen:
1. Die Venen der Blutgefäße sollten häufiger vorkommen und der Anteil wirksamer Informationen wie Hämoglobin und ICG an den gesamten Materialinformationen im Spektrum sollte verbessert werden
2. Es verfügt über offensichtliche Merkmale der Blutflussvolumenänderung, um das Volumenpulswellensignal effektiv zu erfassen
3. Um das menschliche Spektrum mit guter Wiederholbarkeit und Stabilität zu erhalten, werden die Gewebeeigenschaften weniger durch individuelle Unterschiede beeinflusst.
4. Die Spektralerkennung ist einfach durchzuführen und wird vom Probanden problemlos akzeptiert, sodass Störfaktoren wie schneller Herzschlag und durch Stressemotionen verursachte Bewegungen der Messposition vermieden werden.
Schematische Darstellung der Blutgefäßverteilung in der Handfläche. Die Position des Arms ermöglicht die Erfassung von Pulswellen kaum und ist daher für die Erfassung von Blutvolumenpulswellen ungeeignet. Das Handgelenk befindet sich in der Nähe der Arteria radialis. Das Druckpulswellensignal ist stark, und die Haut erzeugt leicht mechanische Vibrationen. Das Erfassungssignal kann neben den Volumenpulswellen auch Informationen über die Hautreflexion enthalten. Die Charakteristika von Blutvolumenänderungen lassen sich daher nur schwer genau beschreiben und sind daher nicht für die Messung geeignet. Obwohl die Handfläche eine häufige Stelle für klinische Blutentnahmen ist, ist der Knochen dort dicker als der Finger, und die durch diffuse Reflexion erfasste Pulswellenamplitude des Handflächenvolumens ist geringer. Abbildung 2-5 zeigt die Verteilung der Blutgefäße in der Handfläche. Die Abbildung zeigt ein reiches Kapillarnetz im vorderen Teil des Fingers, das den Hämoglobingehalt des menschlichen Körpers effektiv widerspiegeln kann. Darüber hinaus weist diese Position deutliche Charakteristika von Blutvolumenänderungen auf und ist die ideale Messposition für Volumenpulswellen. Da das Muskel- und Knochengewebe der Finger relativ dünn ist, ist der Einfluss von Hintergrundinterferenzen relativ gering. Darüber hinaus ist die Messung an der Fingerspitze einfach und ohne psychische Belastung für den Probanden möglich, was zu einem stabilen Spektralsignal mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis beiträgt. Der menschliche Finger besteht aus Knochen, Nägeln, Haut, Gewebe sowie venösem und arteriellem Blut. Durch die Wechselwirkung mit Licht verändert sich das Blutvolumen in den peripheren Arterien des Fingers mit dem Herzschlag, was zu einer Änderung der optischen Wegmessung führt. Die anderen Komponenten bleiben während des gesamten Lichtprozesses konstant.
Wenn Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Epidermis der Fingerspitze trifft, kann der Finger als ein Gemisch aus zwei Bestandteilen betrachtet werden: statischer Materie (der optische Weg ist konstant) und dynamischer Materie (der optische Weg ändert sich mit dem Volumen des Materials). Wenn das Licht vom Gewebe der Fingerspitze absorbiert wird, wird das übertragene Licht von einem Fotodetektor empfangen. Die Intensität des vom Sensor erfassten übertragenen Lichts wird aufgrund der Absorptionsfähigkeit verschiedener Gewebekomponenten menschlicher Finger deutlich gedämpft. Basierend auf dieser Eigenschaft wird das äquivalente Modell der Lichtabsorption durch Finger erstellt.
Geeignete Person:
Fingerpulsoximeterist für Menschen jeden Alters geeignet, einschließlich Kinder, Erwachsene, ältere Menschen, Patienten mit koronarer Herzkrankheit, Bluthochdruck, Hyperlipidämie, Hirnthrombose und anderen Gefäßerkrankungen sowie Patienten mit Asthma, Bronchitis, chronischer Bronchitis, pulmonaler Herzkrankheit und anderen Atemwegserkrankungen.
Veröffentlichungszeit: 17. Juni 2022
