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Welche Funktion und Funktionsweise hat das Fingerspitzen-Pulsoximeter?

Das Fingerspitzen-Pulsoximeter 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 Erklärt nun, wie das Fingerspitzen-Pulsoximeter funktioniert?

Spektrale Absorptionseigenschaften von biologischem Gewebe: Wenn Licht auf biologisches Gewebe gestrahlt wird, kann die Wirkung von biologischem Gewebe auf das Licht in vier Kategorien unterteilt werden, darunter Absorption, Streuung, Reflexion und Fluoreszenz. Wenn die Streuung ausgeschlossen ist, ist dies die Entfernung, die das Licht durch biologisches Gewebe zurücklegt Gewebe wird hauptsächlich durch Absorption gesteuert.Wenn Licht in einige transparente Substanzen (fest, flüssig oder gasförmig) eindringt, nimmt die Intensität des Lichts aufgrund der gezielten Absorption bestimmter Frequenzkomponenten, dem Absorptionsphänomen von Licht durch Substanzen, erheblich ab.Wie viel Licht eine Substanz absorbiert, wird als optische Dichte oder Absorption bezeichnet.

Schematische Darstellung der Lichtabsorption durch Materie im gesamten Prozess der Lichtausbreitung. Die Menge der von Materie absorbierten Lichtenergie ist proportional zu drei Faktoren: der Lichtintensität, der Entfernung des Lichtwegs und der Anzahl der lichtabsorbierenden Partikel der Querschnitt des Lichtweges.Unter der Voraussetzung, dass das Material homogen ist, kann die Lichtweganzahl der lichtabsorbierenden Partikel im Querschnitt als lichtabsorbierende Partikel pro Volumeneinheit betrachtet werden, d Optische Weglänge pro Volumeneinheit optischer Dichte, Materialsauglichtfähigkeit, auf die Art des Materialsauglichts zu reagieren. Mit anderen Worten, die Form der Absorptionsspektrumkurve derselben Substanz ist dieselbe und die absolute Position der Der Absorptionspeak ändert sich nur aufgrund der unterschiedlichen Konzentration, die relative Position bleibt jedoch unverändert.Beim Absorptionsprozess findet die Absorption aller Substanzen im Volumen desselben Abschnitts statt, und die absorbierenden Substanzen stehen in keinem Zusammenhang zueinander, und es sind keine fluoreszierenden Verbindungen vorhanden, und es kommt zu keinem Phänomen, dass sich die Eigenschaften des Mediums dadurch ändern Lichtstrahlung.Daher ist die optische Dichte für die Lösung mit N-Absorptionskomponenten additiv.Die Additivität der optischen Dichte liefert eine theoretische Grundlage für die quantitative Messung absorbierender Komponenten in Mischungen.

In der biologischen Gewebeoptik 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 wird Wasser zur dominierenden lichtabsorbierenden Substanz in biologischen Geweben. 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 Fingerspitzengewebes mit Lichtabsorptionskapazität im Nahinfrarot-Spektrumbereich von 600–950 nm Wasser im Blut, O2Hb (oxygeniertes Hämoglobin), RHb (reduziertes Hämoglobin) sowie 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 prozentuale Anteil des Volumens des sauerstoffgebundenen sauerstoffhaltigen Hämoglobins (HbO2) im Blut als Prozentsatz des gesamten bindenden Hämoglobins (Hb), die Konzentration des Blutsauerstoffpulses. Warum wird es also Pulsoximeter genannt?Hier ist ein neues Konzept: Blutflussvolumen-Pulswelle.Während jedes Herzzyklus führt die Kontraktion des Herzens zu einem Anstieg des Blutdrucks in den Blutgefäßen der Aortenwurzel, wodurch sich die Blutgefäßwand erweitert.Umgekehrt führt die Diastole des Herzens zu einem Blutdruckabfall in den Blutgefäßen der Aortenwurzel, wodurch sich die Blutgefäßwand zusammenzieht.Durch die kontinuierliche Wiederholung des Herzzyklus wird die ständige Änderung des Blutdrucks in den Blutgefäßen der Aortenwurzel auf die damit verbundenen stromabwärts gelegenen Gefäße und sogar auf das gesamte Arteriensystem übertragen, wodurch eine kontinuierliche Expansion und Kontraktion entsteht gesamte arterielle Gefäßwand.Das heißt, der periodische Herzschlag erzeugt Pulswellen in der Aorta, die sich entlang der Blutgefäßwände im gesamten Arteriensystem fortbewegen.Jedes Mal, wenn sich das Herz ausdehnt und zusammenzieht, erzeugt eine Druckänderung im Arteriensystem eine periodische Pulswelle.Dies nennen wir die Pulswelle.Pulswellen können viele physiologische Informationen wie Herz, Blutdruck und Blutfluss widerspiegeln, die wichtige Informationen für die nicht-invasive Erkennung spezifischer physikalischer Parameter des menschlichen Körpers liefern können.

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Pulsoximeter

In der Medizin wird die Pulswelle üblicherweise in zwei Arten von Druckpulswellen und Volumenpulswellen unterteilt.Die Druckpulswelle stellt hauptsächlich die Blutdruckübertragung dar, während die Volumenpulswelle periodische Änderungen des Blutflusses darstellt.Im Vergleich zur Druckpulswelle enthält die volumetrische Pulswelle wichtigere kardiovaskuläre Informationen wie menschliche Blutgefäße und Blutfluss.Die nichtinvasive Erkennung der typischen Pulswelle des Blutflussvolumens kann durch photoelektrische volumetrische Pulswellenverfolgung erreicht werden.Mit einer bestimmten Lichtwelle wird der Messteil des Körpers beleuchtet und der Strahl erreicht nach Reflexion oder Transmission den fotoelektrischen Sensor.Der empfangene Strahl trägt die effektiven charakteristischen Informationen der volumetrischen Pulswelle.Da sich das Blutvolumen periodisch mit der Ausdehnung und Kontraktion des Herzens ändert, ist das Blutvolumen in der Herzdiastole am kleinsten und das Blut absorbiert Licht. Der Sensor erkennt die maximale Lichtintensität.Wenn sich das Herz zusammenzieht, ist das Volumen maximal und die vom Sensor erfasste Lichtintensität minimal.Bei der nicht-invasiven Erkennung von Fingerspitzen mit der Blutflussvolumen-Pulswelle als direkten Messdaten sollte die Auswahl der Spektralmessstelle den folgenden Grundsätzen folgen

1. Die Venen der Blutgefäße sollten häufiger vorhanden sein und der Anteil wirksamer Informationen wie Hämoglobin und ICG an den gesamten Materialinformationen im Spektrum sollte verbessert werden

2. Es weist offensichtliche Merkmale der Blutflussvolumenänderung auf, 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 spektrale Erkennung ist einfach durchzuführen und kann vom Probanden leicht akzeptiert werden, um Störfaktoren wie schnelle Herzfrequenz und Messpositionsbewegungen, die durch Stressemotionen verursacht werden, zu vermeiden.

Schematische Darstellung der Blutgefäßverteilung in der menschlichen Handfläche. Die Position des Arms kann die Pulswelle kaum erkennen und ist daher nicht für die Erkennung der Pulswelle des Blutflussvolumens geeignet.Befindet sich das Handgelenk in der Nähe der Arteria radialis, ist das Druckpulswellensignal stark, die Haut kann leicht mechanische Vibrationen erzeugen, was dazu führen kann, dass das Erkennungssignal zusätzlich zur Volumenpulswelle auch Hautreflexionspulsinformationen überträgt, es ist schwierig, genau zu sein Charakterisieren Sie die Merkmale der Blutvolumenänderung und eignen Sie sich nicht für die Messposition.Obwohl die Handfläche eine der häufigsten Stellen für die klinische Blutentnahme ist, ist ihr Knochen dicker als der Finger und die Pulswellenamplitude des durch diffuse Reflexion erfassten Handflächenvolumens ist geringer.Abbildung 2-5 zeigt die Verteilung der Blutgefäße in der Handfläche.Wenn man die Abbildung betrachtet, erkennt man, dass es im vorderen Teil des Fingers reichlich Kapillarnetzwerke gibt, die den Hämoglobingehalt im menschlichen Körper effektiv widerspiegeln können.Darüber hinaus weist diese Position offensichtliche Merkmale der Blutflussvolumenänderung auf und ist die ideale Messposition der Volumenpulswelle.Das Muskel- und Knochengewebe der Finger ist relativ dünn, sodass der Einfluss von Hintergrundinterferenzinformationen relativ gering ist.Darüber hinaus ist die Fingerspitze leicht zu messen und das Subjekt hat keine psychische Belastung, was dazu beiträgt, ein stabiles Spektralsignal mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten.Der menschliche Finger besteht aus Knochen, Nagel, Haut, Gewebe, venösem Blut und arteriellem Blut.Durch die Wechselwirkung mit Licht ändert sich das Blutvolumen in der peripheren Fingerarterie mit dem Herzschlag, was zu einer Änderung der optischen Wegmessung führt.Während die anderen Komponenten im gesamten Lichtprozess konstant sind.

Wenn Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Epidermis der Fingerspitze einwirkt, kann der Finger als eine Mischung betrachtet werden, die aus zwei Teilen besteht: statischer Materie (der optische Weg ist konstant) und dynamischer Materie (der optische Weg ändert sich mit dem Volumen des Fingers). Material).Wenn das Licht vom Fingerspitzengewebe absorbiert wird, wird das durchgelassene Licht von einem Fotodetektor empfangen.Die Intensität des vom Sensor erfassten übertragenen Lichts wird aufgrund der Absorptionsfähigkeit verschiedener Gewebebestandteile menschlicher Finger offensichtlich gedämpft.Gemäß dieser Charakteristik wird das äquivalente Modell der Fingerlichtabsorption erstellt.

Geeignete Person:
Fingerspitzen-Pulsoximeterist für Menschen jeden Alters geeignet, darunter Kinder, Erwachsene, ältere Menschen, Patienten mit koronarer Herzkrankheit, Bluthochdruck, Hyperlipidämie, Hirnthrombose und anderen Gefäßerkrankungen sowie Patienten mit Asthma, Bronchitis, chronischer Bronchitis, Lungenherzerkrankung und anderen Atemwegserkrankungen.


Zeitpunkt der Veröffentlichung: 17. Juni 2022