เครื่องวัดออกซิเจนปลายนิ้วมีหน้าที่และการทำงานอะไร?

มิลลิแกนคิดค้นเครื่องวัดออกซิเจนปลายนิ้วในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1940 เพื่อตรวจสอบความเข้มข้นของออกซิเจนในเลือดแดง ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของความรุนแรงของโรคโควิด-19ยองเกอร์ ตอนนี้อธิบายการทำงานของเครื่องวัดออกซิเจนปลายนิ้วได้อย่างไร?

ลักษณะการดูดกลืนสเปกตรัมของเนื้อเยื่อชีวภาพ: เมื่อแสงถูกฉายไปที่เนื้อเยื่อชีวภาพ ผลกระทบของเนื้อเยื่อชีวภาพต่อแสงสามารถแบ่งได้เป็นสี่ประเภท ได้แก่ การดูดกลืน การกระเจิง การสะท้อน และการเรืองแสง หากไม่นับการกระเจิง ระยะทางที่แสงเดินทางผ่านเนื้อเยื่อชีวภาพจะถูกควบคุมโดยการดูดกลืนเป็นหลัก เมื่อแสงทะลุผ่านสารโปร่งใสบางชนิด (ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ) ความเข้มของแสงจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการดูดกลืนองค์ประกอบความถี่เฉพาะบางอย่าง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์การดูดกลืนแสงโดยสาร ปริมาณแสงที่สารดูดกลืนเรียกว่าความหนาแน่นของแสง หรือเรียกอีกอย่างว่าการดูดกลืน

แผนภาพวงจรของการดูดกลืนแสงโดยสสารในกระบวนการทั้งหมดของการแพร่กระจายแสง ปริมาณพลังงานแสงที่สสารดูดซับเป็นสัดส่วนกับสามปัจจัย ได้แก่ ความเข้มของแสง ระยะทางของเส้นทางแสง และจำนวนอนุภาคที่ดูดกลืนแสงบนหน้าตัดของเส้นทางแสง ตามสมมติฐานของวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกัน จำนวนเส้นทางแสงของอนุภาคที่ดูดกลืนแสงบนหน้าตัดสามารถถือเป็นอนุภาคที่ดูดกลืนแสงต่อหน่วยปริมาตร กล่าวคือ ความเข้มข้นของอนุภาคแสงที่ดูดกลืนของวัสดุ สามารถได้กฎของเบียร์แลมเบิร์ต: สามารถตีความได้ว่าเป็นความเข้มข้นของวัสดุและความยาวเส้นทางแสงต่อหน่วยปริมาตรของความหนาแน่นแสง ความสามารถในการดูดกลืนของวัสดุตอบสนองต่อลักษณะของแสงที่ดูดกลืนของวัสดุ กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูปร่างของเส้นโค้งสเปกตรัมการดูดกลืนของสสารเดียวกันจะเหมือนกัน และตำแหน่งสัมบูรณ์ของจุดสูงสุดของการดูดกลืนจะเปลี่ยนแปลงเนื่องจากความเข้มข้นที่แตกต่างกันเท่านั้น แต่ตำแหน่งสัมพันธ์จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ในกระบวนการดูดซับ การดูดซับของสารทั้งหมดจะเกิดขึ้นในปริมาตรของส่วนเดียวกัน และสารดูดซับไม่เกี่ยวข้องกัน และไม่มีสารประกอบเรืองแสง และไม่มีปรากฏการณ์ของการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของตัวกลางเนื่องจากรังสีแสง ดังนั้น สำหรับสารละลายที่มีองค์ประกอบการดูดซับ N ความหนาแน่นแสงจะเป็นแบบบวก การบวกของความหนาแน่นแสงให้พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการวัดเชิงปริมาณขององค์ประกอบการดูดซับในส่วนผสม

ในออปติกเนื้อเยื่อชีวภาพ ช่วงสเปกตรัม 600 ~ 1300 นาโนเมตรมักเรียกว่า "หน้าต่างของสเปกโตรสโคปีชีวภาพ" และแสงในแถบนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการบำบัดด้วยสเปกตรัมและการวินิจฉัยสเปกตรัมที่รู้จักและไม่รู้จักมากมาย ในบริเวณอินฟราเรด น้ำกลายเป็นสารดูดซับแสงหลักในเนื้อเยื่อชีวภาพ ดังนั้นความยาวคลื่นที่ระบบใช้ต้องหลีกเลี่ยงจุดสูงสุดของการดูดซับน้ำเพื่อให้ได้ข้อมูลการดูดซับแสงของสารเป้าหมายได้ดีขึ้น ดังนั้น ภายในช่วงสเปกตรัมใกล้อินฟราเรด 600-950 นาโนเมตร ส่วนประกอบหลักของเนื้อเยื่อปลายนิ้วของมนุษย์ที่มีความสามารถในการดูดซับแสง ได้แก่ น้ำในเลือด O2Hb (ฮีโมโกลบินที่มีออกซิเจน) RHb (ฮีโมโกลบินที่ลดลง) และเมลานินของผิวหนังส่วนปลายและเนื้อเยื่ออื่นๆ

ดังนั้น เราจึงสามารถรับข้อมูลที่มีประสิทธิภาพของความเข้มข้นขององค์ประกอบที่ต้องการวัดในเนื้อเยื่อได้โดยการวิเคราะห์ข้อมูลของสเปกตรัมการปล่อย ดังนั้นเมื่อเรามีความเข้มข้นของ O2Hb และ RHb เราก็จะทราบค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนความอิ่มตัวของออกซิเจน SpO2คือเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรของฮีโมโกลบินที่จับกับออกซิเจน (HbO2) ในเลือดเป็นเปอร์เซ็นต์ของฮีโมโกลบินที่จับกับออกซิเจนทั้งหมด (Hb) ความเข้มข้นของชีพจรออกซิเจนในเลือด แล้วทำไมจึงเรียกว่าเครื่องวัดออกซิเจนในเลือด? นี่คือแนวคิดใหม่: คลื่นชีพจรปริมาณการไหลเวียนของเลือด ในแต่ละรอบการเต้นของหัวใจ การหดตัวของหัวใจทำให้ความดันโลหิตในหลอดเลือดของรากเอออร์ตาสูงขึ้น ซึ่งทำให้ผนังหลอดเลือดขยายตัว ในทางกลับกัน การคลายตัวของหัวใจทำให้ความดันโลหิตในหลอดเลือดของรากเอออร์ตาลดลง ซึ่งทำให้ผนังหลอดเลือดหดตัว เมื่อรอบการเต้นของหัวใจเกิดขึ้นซ้ำๆ ความดันโลหิตที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องในหลอดเลือดของรากเอออร์ตาจะส่งต่อไปยังหลอดเลือดที่อยู่ปลายน้ำที่เชื่อมต่อกับหลอดเลือดและแม้กระทั่งระบบหลอดเลือดแดงทั้งหมด จึงก่อให้เกิดการขยายตัวและหดตัวอย่างต่อเนื่องของผนังหลอดเลือดแดงทั้งหมด นั่นคือการเต้นเป็นระยะของหัวใจทำให้เกิดคลื่นพัลส์ในหลอดเลือดแดงใหญ่ที่กระเพื่อมไปตามผนังหลอดเลือดทั่วทั้งระบบหลอดเลือดแดง ทุกครั้งที่หัวใจขยายตัวและหดตัว การเปลี่ยนแปลงความดันในระบบหลอดเลือดแดงจะสร้างคลื่นพัลส์เป็นระยะๆ เราเรียกคลื่นพัลส์นี้ว่า คลื่นพัลส์สามารถสะท้อนข้อมูลทางสรีรวิทยาต่างๆ ได้มากมาย เช่น หัวใจ ความดันโลหิต และการไหลเวียนของเลือด ซึ่งสามารถให้ข้อมูลสำคัญสำหรับการตรวจจับพารามิเตอร์ทางกายภาพเฉพาะของร่างกายมนุษย์แบบไม่รุกราน