تم اختراع جهاز قياس التأكسج النبضي في أطراف الأصابع بواسطة ميليكان في الأربعينيات من القرن الماضي لمراقبة تركيز الأكسجين في الدم الشرياني، وهو مؤشر مهم على شدة مرض كوفيد-19.يونكر والآن، كيف يعمل جهاز قياس تشبع الأكسجين في الدم عن طريق طرف الإصبع؟
خصائص الامتصاص الطيفي للأنسجة البيولوجية: عند تسليط الضوء على الأنسجة البيولوجية، يمكن تقسيم تأثيرها على الضوء إلى أربع فئات: الامتصاص، والتشتت، والانعكاس، والتألق. وباستثناء التشتت، فإن المسافة التي يقطعها الضوء عبر الأنسجة البيولوجية تعتمد بشكل أساسي على الامتصاص. عندما يخترق الضوء بعض المواد الشفافة (الصلبة أو السائلة أو الغازية)، تنخفض شدته بشكل ملحوظ نتيجة امتصاص مكونات ترددية محددة، وهي ظاهرة امتصاص الضوء بواسطة المواد. تُسمى كمية الضوء التي تمتصها المادة بكثافتها الضوئية، أو ما يُعرف بالامتصاصية.
يوضح الرسم التخطيطي امتصاص الضوء بواسطة المادة خلال عملية انتشاره، حيث تتناسب كمية طاقة الضوء الممتصة طرديًا مع ثلاثة عوامل: شدة الضوء، وطول مسار الضوء، وعدد الجسيمات الماصة للضوء في مقطع مسار الضوء. بافتراض تجانس المادة، يمكن اعتبار عدد الجسيمات الماصة للضوء في مقطع مسار الضوء بمثابة عدد الجسيمات الماصة للضوء لكل وحدة حجم، أي تركيز جسيمات امتصاص الضوء في المادة. ويمكن استنتاج قانون لامبرت-بير: حيث يمكن تفسيره على أنه تركيز المادة وطول المسار الضوئي لكل وحدة حجم من الكثافة الضوئية، وتستجيب قدرة امتصاص الضوء في المادة لطبيعة امتصاصها للضوء. بمعنى آخر، يكون شكل منحنى طيف الامتصاص للمادة نفسها متماثلًا، ويتغير الموضع المطلق لذروة الامتصاص فقط باختلاف التركيز، بينما يبقى الموضع النسبي ثابتًا. في عملية الامتصاص، يحدث امتصاص جميع المواد في نفس الحجم، وتكون المواد الماصة غير مرتبطة ببعضها البعض، ولا توجد مركبات فلورية، ولا يحدث أي تغيير في خصائص الوسط نتيجة الإشعاع الضوئي. لذلك، بالنسبة للمحلول الذي يحتوي على N من مكونات الامتصاص، تكون الكثافة الضوئية جمعية. توفر خاصية الجمعية للكثافة الضوئية أساسًا نظريًا للقياس الكمي للمكونات الماصة في المخاليط.
في مجال البصريات النسيجية البيولوجية، يُطلق على النطاق الطيفي من 600 إلى 1300 نانومتر اسم "نافذة التحليل الطيفي البيولوجي"، ويحظى الضوء في هذا النطاق بأهمية خاصة في العديد من العلاجات الطيفية والتشخيصات الطيفية المعروفة وغير المعروفة. في منطقة الأشعة تحت الحمراء، يُصبح الماء المادة الرئيسية الماصة للضوء في الأنسجة البيولوجية، لذا يجب أن يتجنب الطول الموجي المُستخدم في النظام ذروة امتصاص الماء للحصول على معلومات امتصاص الضوء للمادة المستهدفة بشكل أفضل. وعليه، ضمن نطاق طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة من 600 إلى 950 نانومتر، تشمل المكونات الرئيسية لأنسجة أطراف أصابع الإنسان ذات القدرة على امتصاص الضوء: الماء في الدم، والهيموجلوبين المؤكسج (O2Hb)، والهيموجلوبين المختزل (RHb)، والميلانين في الجلد المحيطي، بالإضافة إلى أنسجة أخرى.
لذا، يمكننا الحصول على معلومات دقيقة حول تركيز المكون المراد قياسه في النسيج من خلال تحليل بيانات طيف الانبعاث. وبالتالي، عندما نعرف تركيزي O2Hb وRHb، نستطيع معرفة نسبة تشبع الأكسجين.تشبع الأكسجين SpO2نسبة حجم الهيموجلوبين المؤكسج المرتبط بالأكسجين (HbO2) في الدم إلى إجمالي الهيموجلوبين المرتبط (Hb) هي تركيز الأكسجين في الدم، فلماذا يُطلق عليه مقياس التأكسج النبضي؟ يكمن السبب في مفهوم جديد: موجة نبض حجم تدفق الدم. خلال كل دورة قلبية، يؤدي انقباض القلب إلى ارتفاع ضغط الدم في الأوعية الدموية لجذر الأبهر، مما يُسبب تمدد جدار الوعاء الدموي. وعلى العكس، يؤدي انبساط القلب إلى انخفاض ضغط الدم في الأوعية الدموية لجذر الأبهر، مما يُسبب انقباض جدار الوعاء الدموي. مع التكرار المستمر للدورة القلبية، ينتقل التغير المستمر في ضغط الدم في الأوعية الدموية لجذر الأبهر إلى الأوعية الدموية المتصلة به، بل وإلى الجهاز الشرياني بأكمله، مُشكلاً بذلك التمدد والانقباض المستمر لجدار الأوعية الدموية الشريانية. أي أن نبضات القلب الدورية تُولد موجات نبضية في الأبهر تنتشر على طول جدران الأوعية الدموية في جميع أنحاء الجهاز الشرياني. في كل مرة يتمدد فيها القلب وينقبض، يُحدث تغير في الضغط داخل الجهاز الشرياني موجة نبضية دورية. هذه هي ما نسميها الموجة النبضية. تعكس الموجة النبضية العديد من المعلومات الفيزيولوجية، مثل نبضات القلب وضغط الدم وتدفق الدم، مما يوفر معلومات مهمة للكشف غير الجراحي عن معايير فيزيائية محددة في جسم الإنسان.
في الطب، تُقسم موجة النبض عادةً إلى نوعين: موجة نبض الضغط وموجة نبض الحجم. تمثل موجة نبض الضغط بشكل أساسي انتقال ضغط الدم، بينما تمثل موجة نبض الحجم التغيرات الدورية في تدفق الدم. بالمقارنة مع موجة نبض الضغط، تحتوي موجة نبض الحجم على معلومات قلبية وعائية أكثر أهمية، مثل الأوعية الدموية وتدفق الدم. يمكن الكشف غير الجراحي عن موجة نبض حجم تدفق الدم النموذجية باستخدام تقنية تتبع موجة نبض الحجم الكهروضوئية. تُستخدم موجة ضوئية محددة لإضاءة منطقة القياس في الجسم، ويصل الشعاع إلى المستشعر الكهروضوئي بعد انعكاسه أو نفاذه. يحمل الشعاع المُستقبل معلومات الخصائص الفعالة لموجة نبض الحجم. نظرًا لأن حجم الدم يتغير دوريًا مع تمدد وانقباض القلب، فعندما يكون القلب في حالة انبساط، يكون حجم الدم في أدنى مستوياته، وبالتالي يمتص الدم الضوء، ويكشف المستشعر عن أقصى شدة ضوئية. وعندما ينقبض القلب، يكون الحجم في أقصى حالاته، وتكون شدة الضوء التي يكشفها المستشعر في أدنى مستوياتها. في الكشف غير الجراحي لأطراف الأصابع باستخدام موجة نبض حجم تدفق الدم كبيانات قياس مباشرة، يجب أن يتبع اختيار موقع القياس الطيفي المبادئ التالية
1. ينبغي أن تكون أوردة الأوعية الدموية أكثر وفرة، وينبغي تحسين نسبة المعلومات الفعالة مثل الهيموجلوبين وICG في إجمالي المعلومات المادية في الطيف.
2. يتميز بخصائص واضحة لتغير حجم تدفق الدم لجمع إشارة موجة النبض الحجمي بشكل فعال
3. من أجل الحصول على الطيف البشري مع قابلية تكرار واستقرار جيدين، فإن خصائص الأنسجة تتأثر بشكل أقل بالاختلافات الفردية.
4. من السهل إجراء الكشف الطيفي، ومن السهل قبوله من قبل الشخص الخاضع للفحص، وذلك لتجنب عوامل التداخل مثل سرعة ضربات القلب وحركة موضع القياس الناتجة عن التوتر العاطفي.
مخطط توضيحي لتوزيع الأوعية الدموية في راحة اليد. يصعب رصد موجة النبض في موضع الذراع، لذا فهو غير مناسب لقياس موجة نبض حجم تدفق الدم. أما الرسغ، لقربه من الشريان الكعبري، فتكون إشارة موجة نبض الضغط فيه قوية، كما أن الجلد عرضة للاهتزاز الميكانيكي، مما قد يؤدي إلى احتواء إشارة القياس، بالإضافة إلى موجة نبض الحجم، على معلومات نبض انعكاس الجلد، ما يصعب معه تحديد خصائص تغير حجم الدم بدقة، وبالتالي فهو غير مناسب للقياس. على الرغم من أن راحة اليد من المواقع الشائعة لسحب الدم في العيادات، إلا أن عظامها أكثر سمكًا من عظام الأصابع، وبالتالي يكون سعة موجة نبض حجم راحة اليد التي يتم جمعها عن طريق الانعكاس المنتشر أقل. يوضح الشكل 2-5 توزيع الأوعية الدموية في راحة اليد. بملاحظة الشكل، يتضح وجود شبكات شعرية وفيرة في الجزء الأمامي من الأصابع، والتي تعكس بفعالية محتوى الهيموجلوبين في جسم الإنسان. علاوة على ذلك، يتميز هذا الموضع بخصائص واضحة لتغير حجم تدفق الدم، وهو الموضع الأمثل لقياس موجة نبض الحجم. تتميز أنسجة العضلات والعظام في الأصابع برقة نسبية، مما يقلل من تأثير معلومات التداخل الخلفية. إضافةً إلى ذلك، يسهل قياس طرف الإصبع، ولا يُسبب ذلك أي ضغط نفسي على الشخص الخاضع للقياس، مما يُسهم في الحصول على إشارة طيفية مستقرة ذات نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية. يتكون إصبع الإنسان من العظام والأظافر والجلد والأنسجة والدم الوريدي والدم الشرياني. أثناء تفاعل الإصبع مع الضوء، يتغير حجم الدم في الشريان المحيطي مع نبضات القلب، مما يؤدي إلى تغير مسار القياس البصري. بينما تبقى المكونات الأخرى ثابتة طوال عملية القياس.
عند تسليط طول موجي محدد من الضوء على بشرة طرف الإصبع، يمكن اعتبار الإصبع مزيجًا يتكون من جزأين: مادة ثابتة (مسارها الضوئي ثابت) ومادة متحركة (يتغير مسارها الضوئي بتغير حجمها). عندما يمتص نسيج طرف الإصبع الضوء، يستقبل كاشف ضوئي الضوء النافذ. ومن الواضح أن شدة الضوء النافذ الذي يجمعه الكاشف تضعف نتيجةً لامتصاص مكونات أنسجة أصابع الإنسان المختلفة. وبناءً على هذه الخاصية، تم وضع نموذج مكافئ لامتصاص الضوء في الإصبع.
الشخص المناسب:
مقياس تشبع الأكسجين في الدم عن طريق طرف الإصبعوهو مناسب للأشخاص من جميع الأعمار، بما في ذلك الأطفال والبالغين وكبار السن والمرضى الذين يعانون من أمراض القلب التاجية وارتفاع ضغط الدم وفرط شحميات الدم والجلطات الدماغية وغيرها من أمراض الأوعية الدموية والمرضى الذين يعانون من الربو والتهاب الشعب الهوائية والتهاب الشعب الهوائية المزمن وأمراض القلب الرئوية وغيرها من أمراض الجهاز التنفسي.
تاريخ النشر: 17 يونيو 2022
