Pulso oksimetro šviesos absorbcija

Kaip maža į spaustuką panaši dėžutė žino, kiek deguonies tavo kraujyje?

Turbūt daugelis esate matę tą mažą plastikinį prietaisą, kurį gydytojai užsegą ant piršto ir po kelių sekundžių paskelbia, koks jūsų deguonies kiekis kraujyje. Atrodo kaip magija, tiesa? Bet čia ne jokia magija – tai labai protingas fizikos ir biologijos derinys. Pulso oksimetras veikia remdamasis vienu pagrindiniu principu: skirtingos medžiagos sugeria šviesą skirtingai. O kadangi kraujas su deguonimi ir be jo yra chemiškai skirtingas, jis ir šviesą sugeria ne vienodai.

Pats prietaisas atsirado ne vakar – pirmieji bandymai matuoti deguonį kraujyje prasidėjo dar XX amžiaus viduryje, bet tikrai patogūs ir tikslūs pulso oksimetrai atsirado tik devintajame dešimtmetyje. Japonų inžinierius Takuo Aoyagi 1974 metais sukūrė pirmąjį veikiantį prototipą, o komercinis naudojimas prasidėjo maždaug 1980-aisiais. Dabar šie prietaisai yra visur – ligoninėse, greitosios pagalbos automobiliuose, net sportuojančių žmonių laikrodžiuose.

Šviesos ir kraujo chemija

Kad suprastume, kaip veikia pulso oksimetras, reikia truputį pasigilinti į tai, kas vyksta mūsų kraujyje. Raudonieji kraujo kūneliai (eritrocitai) nešioja hemoglobiną – baltymą, kuris prisijungia prie deguonies molekulių ir transportuoja jas po visą kūną. Hemoglobinas su deguonimi vadinamas oksihemoglobinu, o be deguonies – tiesiog deoksihemoglobinu arba redukuotu hemoglobinu.

Štai čia ir prasideda įdomybės. Oksihemoglobinas yra ryškiai raudonas (todėl arterinis kraujas toks raudonas), o deoksihemoglobinas – tamsesnis, mėlsvai raudonas (kaip veninis kraujas). Bet svarbiausia ne spalva, kurią matome akimis, o tai, kaip šie du hemoglobino tipai elgiasi su šviesa.

Kai pro kraują praleidžiame šviesą, skirtingos bangos ilgio šviesos spinduliai absorbuojami skirtingai. Oksihemoglobinas labiau sugeria infraraudonąją šviesą (apie 940 nanometrų bangos ilgio), o deoksihemoglobinas – raudonąją šviesą (apie 660 nanometrų). Šis skirtumas ir yra visas pulso oksimetro veikimo pagrindas.

Kaip prietaisas „mato” pro pirštą

Pulso oksimetras turi dvi pagrindines dalis: šviesos šaltinius ir šviesos detektorių. Paprastai jie išdėstyti priešingose prietaiso pusėse – viena pusė spaudžia pirštą iš viršaus, kita iš apačios. Viršutinėje dalyje yra du maži LED šviesos diodai: vienas skleidžia raudoną šviesą (660 nm), kitas – infraraudonąją (940 nm). Apatinėje dalyje yra fotodetektorius – jautrus elementas, kuris „gaudo” šviesą, prasiskverbusią pro jūsų pirštą.

Kai užsidedate prietaisą ant piršto, LED diodai pradeda mirksėti (nors to dažniausiai nematote, nes vyksta labai greitai). Šviesa keliauja pro odą, raumenis, kaulus, venas ir, svarbiausia, pro arterijas. Dalis šviesos absorbuojama, o dalis prasiskverbia iki kitos pusės ir patenka į detektorių.

Dabar įsivaizduokite: jūsų širdis plaka, ir su kiekvienu dūžiu į pirštą atplūsta šviežio, deguonimi prisotinto kraujo banga. Tai reiškia, kad arterijose esančio kraujo kiekis nuolat keičiasi – tai daugiau, tai mažiau. Kai arterija išsiplečia nuo kraujo bangos, pro pirštą praeina mažiau šviesos. Kai arterija susitraukia, šviesos praeina daugiau. Šis pulsacinis komponentas yra raktas į matavimą.

Matematika už kulisų

Pulso oksimetras nenagrinėja visos šviesos, kuri absorbuojama jūsų pirste. Kodėl? Nes dauguma tos šviesos absorbuojama audinių, kurie nesikinta – odos, riebalų, kaulų, veninio kraujo. Tai vadinama pastoviu komponentu arba DC signalu. Prietaisą domina tik kintantis komponentas – AC signalas, kuris atsiranda dėl širdies plakimo ir arterinio kraujo pulso.

Štai kaip tai veikia: prietaisas išmatuoja, kiek raudonos šviesos absorbuojama pulso metu (AC) palyginti su visu absorbuotu kiekiu (DC), ir tą patį padaro su infraraudonąja šviesa. Tada apskaičiuoja santykį:

R = (AC_raudona / DC_raudona) / (AC_infraraudona / DC_infraraudona)

Šis santykis R yra tiesiogiai susijęs su deguonies prisotinimu kraujyje. Gamintojų sukurti algoritmai, pagrįsti empiriniais tyrimais su žmonėmis, šį santykį paverčia konkrečiu procentu – SpO₂ (arterinio kraujo deguonies prisotinimas).

Pavyzdžiui, jei R lygus maždaug 0.5, tai reiškia apie 100% deguonies prisotinimą. Jei R artėja link 1.0, prisotinimas gali būti apie 85% ar mažiau. Normalus sveiko žmogaus SpO₂ yra 95-100%.

Kodėl kartais prietaisas „klysta”

Nors pulso oksimetrai yra gana tikslūs, jie nėra tobuli. Yra keletas dalykų, kurie gali suklaidinti matavimą. Pirma, jei jūsų rankos šaltos arba kraujo apytaka prasta, arterinis pulsas gali būti per silpnas, kad prietaisas jį užfiksuotų. Todėl gydytojai kartais trina jūsų pirštą prieš matavimą – kad pagerėtų kraujotaka.

Antra, judesys. Jei judinate pirštu, keičiasi šviesos kelias per audinius, ir prietaisas gauna klaidinančius duomenis. Todėl matavimo metu reikia sėdėti ramiai. Trečia, stipri aplinkos šviesa gali trukdyti – nors modernūs prietaisai turi filtrus, labai ryški šviesa vis tiek gali įnešti paklaidų.

Dar viena įdomi problema – nagu lakas. Ypač tamsūs ar mėlyni atspalviai gali absorbuoti šviesą ir iškraipyti rezultatus. Jei turite lakuotus nagus ir reikia tikslaus matavimo, geriau užsidėkite prietaisą ant kito piršto arba ant ausies spenelės (kai kurie modeliai tai leidžia).

Taip pat verta žinoti, kad kai kurių žmonių odos pigmentacija gali turėti įtakos matavimams. Tyrimai rodo, kad labai tamsios odos žmonėms pulso oksimetrai kartais gali parodyti šiek tiek aukštesnius rezultatus nei tikroji reikšmė, nors šiuolaikiniai prietaisai šią problemą sprendžia vis geriau.

Nuo ligoninės iki sportinių laikrodžių

Pulso oksimetrija revoliucionizavo mediciną. Prieš šiuos prietaisus, norint sužinoti deguonies kiekį kraujyje, reikėjo imti kraujo mėginį iš arterijos – skausmingas ir komplikuotas procesas. Dabar per kelias sekundes galima gauti rezultatą be jokio įkišimosi į kūną.

Ligoninėse pulso oksimetrai naudojami visur – operacinėse, intensyviosios terapijos skyriuose, gimdymo namuose. Jie padeda stebėti pacientus su kvėpavimo problemomis, širdies ligomis, miego apnėja. COVID-19 pandemijos metu šie prietaisai tapo dar svarbesni, nes padėjo anksti aptikti „tylųjį hipoksiją” – būklę, kai deguonies lygis krinta, bet žmogus to dar nejaučia.

Bet pulso oksimetrija išėjo ir už medicinos ribų. Dabar šią technologiją rasite išmaniuosiuose laikrodžiuose ir fitneso sekikliuose. Kalnų kopėjai naudoja juos stebėti, kaip jų organizmas prisitaiko prie aukščio. Sportininkai tikrina atsigavimą po treniruotės. Žmonės su lėtinėmis plaučių ligomis gali stebėti savo būklę namuose.

Tiesa, reikia suprasti, kad vartotojų klasės prietaisai paprastai nėra tokie tikslūs kaip medicininiai. Jie tinka bendram stebėjimui, bet rimtais atvejais reikia pasikliauti profesionalia įranga.

Ateities perspektyvos ir nauji panaudojimai

Technologija nestovi vietoje. Mokslininkai dirba prie naujų pulso oksimetrijos taikymų. Pavyzdžiui, bandoma naudoti daugiau šviesos bangų ilgių, kad būtų galima matuoti ne tik deguonies prisotinimą, bet ir kitus parametrus – pavyzdžiui, methemoglobino ar karboksihemoglobino kiekį (tai hemoglobino formos, kurios atsiranda apsinuodijus anglies monoksidu ar tam tikrais chemikalais).

Kitas įdomus kryptis – neinvazinis gliukozės matavimas. Nors tai daug sudėtingiau nei deguonies matavimas, principas panašus: skirtingos medžiagos kraujyje skirtingai absorbuoja šviesą. Jei pavyktų sukurti patikimą prietaisą, diabetu sergantys žmonės galėtų pamiršti nuolatinį pirštų durstymą.

Taip pat kuriami mažesni, lankstesni jutikliai, kuriuos būtų galima integruoti į drabužius ar net laikinai priklijuoti prie odos kaip pleistrus. Tai būtų ypač naudinga stebint kūdikius ar kritinės būklės pacientus, kuriems reikia nuolatinio monitoringo, bet nepraktiška laikyti prietaiso ant piršto.

Kai šviesa pasako viską, ko reikia žinoti

Pulso oksimetras yra puikus pavyzdys, kaip paprasta fizikos idėja – šviesos absorbcija – gali tapti gyvybes gelbstinčia technologija. Nereikia jokių adatų, jokio kraujo ėmimo, jokio laukimo laboratorijos rezultatų. Tiesiog užsidedate prietaisėlį ant piršto, ir po kelių sekundžių žinote, kaip jūsų organizmas susidoroja su deguonies tiekimu.

Žinoma, kaip ir bet kuri technologija, pulso oksimetrija turi savo apribojimų. Ji neatskleidžia visos kraujo dujų analizės, nepasakys, kodėl deguonies lygis žemas, jei jis žemas. Bet kaip greitas, paprastas ir neinvazinis būdas stebėti vieną iš svarbiausių gyvybinių rodiklių – tai neįkainojamas įrankis.

Kai kitą kartą pamatysite tą mažą raudoną švytėjimą pro savo pirštą, prisiminkite – tai ne šiaip šviesa. Tai kruopščiai parinktos bangos ilgio spinduliai, keliaujantys pro jūsų audinius, sąveikaujantys su hemoglobino molekulėmis ir grįžtantys su informacija apie tai, kaip dirba jūsų kvėpavimo ir kraujotakos sistemos. Mokslas ir technologijos kartais tikrai atrodo kaip magija, tik geriau.