تم اختراع مقياس تأكسج الدم النبضي من قبل ميليكان في أربعينيات القرن العشرين لمراقبة تركيز الأكسجين في الدم الشرياني، وهو مؤشر مهم لشدة مرض كوفيد-19.يونكر الآن يشرح كيف يعمل جهاز قياس الأكسجين النبضي بأطراف الأصابع؟
خصائص الامتصاص الطيفي للأنسجة البيولوجية: عند تعريض الأنسجة البيولوجية للضوء، يمكن تقسيم تأثيرها عليه إلى أربع فئات: الامتصاص، والتشتت، والانعكاس، والفلورسنت. باستثناء التشتت، تعتمد المسافة التي يقطعها الضوء عبر الأنسجة البيولوجية بشكل أساسي على الامتصاص. عندما يخترق الضوء بعض المواد الشفافة (صلبة، سائلة، أو غازية)، تنخفض شدته بشكل ملحوظ نتيجة الامتصاص المستهدف لبعض مكونات التردد المحددة، وهي ظاهرة امتصاص الضوء بواسطة المواد. تُسمى كمية الضوء التي تمتصها المادة كثافتها الضوئية، والمعروفة أيضًا باسم الامتصاصية.
رسم تخطيطي لامتصاص الضوء بواسطة المادة خلال عملية انتشار الضوء. تتناسب كمية الطاقة الضوئية الممتصة بواسطة المادة طرديًا مع ثلاثة عوامل، وهي شدة الضوء، ومسافة مسار الضوء، وعدد الجسيمات الممتصة للضوء في المقطع العرضي لمسار الضوء. بناءً على تجانس المادة، يُمكن اعتبار عدد الجسيمات الممتصة للضوء في المقطع العرضي كجسيمات ممتصة للضوء لكل وحدة حجم، أي تركيز جسيمات امتصاص الضوء. يمكن استخلاص قانون لامبرت بير: يُمكن تفسيره على أنه تركيز المادة وطول المسار الضوئي لكل وحدة حجم من الكثافة الضوئية، وقدرة امتصاص الضوء على الاستجابة لطبيعة امتصاص المادة للضوء. بمعنى آخر، يبقى شكل منحنى طيف الامتصاص لنفس المادة ثابتًا، ويتغير الموضع المطلق لذروة الامتصاص فقط بسبب اختلاف التركيز، بينما يبقى الموضع النسبي دون تغيير. في عملية الامتصاص، يحدث امتصاص جميع المواد في حجم المقطع نفسه، وتكون المواد الماصة غير مرتبطة ببعضها البعض، ولا توجد مركبات فلورية، ولا تحدث ظاهرة تغير خصائص الوسط نتيجةً للإشعاع الضوئي. لذلك، بالنسبة للمحلول الذي يحتوي على مكونات امتصاص النيتروجين، تكون الكثافة الضوئية مضافة. وتوفر إضافة الكثافة الضوئية أساسًا نظريًا للقياس الكمي للمكونات الماصة في المخاليط.
في مجال بصريات الأنسجة البيولوجية، يُطلق عادةً على المنطقة الطيفية من 600 إلى 1300 نانومتر اسم "نافذة التحليل الطيفي البيولوجي"، وللضوء في هذه المنطقة أهمية خاصة في العديد من العلاجات الطيفية المعروفة وغير المعروفة والتشخيصات الطيفية. في منطقة الأشعة تحت الحمراء، يصبح الماء المادة الممتصة للضوء السائدة في الأنسجة البيولوجية، لذا يجب أن يتجنب الطول الموجي المُستخدم في النظام ذروة امتصاص الماء للحصول على معلومات امتصاص الضوء للمادة المستهدفة بشكل أفضل. لذلك، ضمن نطاق طيف الأشعة تحت الحمراء القريب من 600 إلى 950 نانومتر، تشمل المكونات الرئيسية لأنسجة أطراف الأصابع البشرية ذات القدرة على امتصاص الضوء الماء في الدم، وO2Hb (الهيموغلوبين المؤكسج)، وRHb (الهيموغلوبين المُنخفض)، وميلانين الجلد المحيطي، وأنسجة أخرى.
لذلك، يُمكننا الحصول على معلومات فعّالة عن تركيز المُكوّن المُراد قياسه في الأنسجة من خلال تحليل بيانات طيف الانبعاث. فعندما نحصل على تركيزي O2Hb وRHb، يُمكننا معرفة تشبع الأكسجين.تشبع الأكسجين SpO2هي النسبة المئوية لحجم الهيموغلوبين المؤكسج المرتبط بالأكسجين (HbO2) في الدم كنسبة مئوية من إجمالي الهيموغلوبين المرتبط (Hb)، وتركيز الأكسجين في الدم. فلماذا يُطلق عليه مقياس التأكسج النبضي؟ إليك مفهوم جديد: حجم تدفق الدم موجة النبض. خلال كل دورة قلبية، يؤدي انقباض القلب إلى ارتفاع ضغط الدم في الأوعية الدموية لجذر الأبهر، مما يؤدي إلى تمدد جدار الأوعية الدموية. وعلى العكس، يؤدي انبساط القلب إلى انخفاض ضغط الدم في الأوعية الدموية لجذر الأبهر، مما يؤدي إلى تقلص جدار الأوعية الدموية. مع التكرار المستمر للدورة القلبية، ينتقل التغير المستمر في ضغط الدم في الأوعية الدموية لجذر الأبهر إلى الأوعية الدموية السفلية المتصلة به وحتى إلى الجهاز الشرياني بأكمله، مما يشكل تمددًا وتقلصًا مستمرًا لجدار الأوعية الدموية الشرياني بأكمله. أي أن النبض الدوري للقلب يخلق موجات نبضية في الأبهر تموج للأمام على طول جدران الأوعية الدموية في جميع أنحاء الجهاز الشرياني. في كل مرة يتمدد فيها القلب وينقبض، يُنتج تغير الضغط في الجهاز الشرياني موجة نبضية دورية. وهذا ما نسميه موجة النبض. تعكس هذه الموجة العديد من المعلومات الفسيولوجية، مثل حالة القلب وضغط الدم وتدفقه، مما يوفر معلومات مهمة للكشف غير الجراحي عن بعض المؤشرات الفيزيائية لجسم الإنسان.
في الطب، تُقسّم موجة النبض عادةً إلى نوعين: موجة نبضية ضغطية وموجة نبضية حجمية. تُمثّل موجة النبضة الضغطية بشكل رئيسي نقل ضغط الدم، بينما تُمثّل موجة النبضة الحجمية التغيرات الدورية في تدفق الدم. بالمقارنة مع موجة النبضة الضغطية، تحتوي موجة النبضة الحجمية على معلومات قلبية وعائية أكثر أهمية، مثل الأوعية الدموية البشرية وتدفق الدم. يمكن الكشف غير الباضع عن موجة النبضة الحجمية النموذجية لتدفق الدم من خلال تتبع موجة النبضة الحجمية الكهروضوئية. تُستخدم موجة ضوئية محددة لإضاءة الجزء المُقاس من الجسم، ويصل الشعاع إلى المستشعر الكهروضوئي بعد الانعكاس أو النقل. يحمل الشعاع المُستقبَل المعلومات المميزة الفعالة لموجة النبضة الحجمية. ولأن حجم الدم يتغير دوريًا مع تمدد القلب وتقلصه، يكون حجم الدم عند انبساط القلب في أدنى مستوياته، ما يؤدي إلى امتصاص الدم للضوء، حيث يكتشف المستشعر أقصى شدة للضوء؛ أما عند انقباض القلب، فيبلغ الحجم أقصى حدّه، وتكون شدة الضوء التي يكتشفها المستشعر في أدنى حدّ. في الكشف غير الباضع لأطراف الأصابع باستخدام موجة النبضة الحجمية كبيانات قياس مباشرة، يجب أن يتبع اختيار موقع القياس الطيفي المبادئ التالية.
1. يجب أن تكون أوردة الأوعية الدموية أكثر وفرة، ويجب تحسين نسبة المعلومات الفعالة مثل الهيموجلوبين وICG في إجمالي معلومات المواد في الطيف.
2. يتميز بخصائص واضحة لتغيير حجم تدفق الدم لجمع إشارة موجة النبض الحجمي بشكل فعال
3. من أجل الحصول على الطيف البشري مع إمكانية التكرار والاستقرار الجيدين، فإن خصائص الأنسجة تتأثر بشكل أقل بالاختلافات الفردية.
4. من السهل إجراء الكشف الطيفي، وسهل قبوله من قبل الموضوع، وذلك لتجنب عوامل التداخل مثل معدل ضربات القلب السريع وحركة موضع القياس الناجمة عن العاطفة والتوتر.
رسم تخطيطي لتوزيع الأوعية الدموية في راحة اليد البشرية يصعب على موضع الذراع اكتشاف موجة النبض، لذا فهو غير مناسب للكشف عن موجة نبض حجم تدفق الدم؛ يقع المعصم بالقرب من الشريان الكعبري، وإشارة موجة النبض للضغط قوية، والجلد سهل إحداث اهتزاز ميكانيكي، مما قد يؤدي إلى إشارة الكشف بالإضافة إلى موجة نبض الحجم التي تحمل أيضًا معلومات نبض انعكاس الجلد، ومن الصعب وصف خصائص تغير حجم الدم بدقة، وهو غير مناسب لموضع القياس؛ على الرغم من أن راحة اليد هي أحد مواقع سحب الدم السريرية الشائعة، إلا أن عظمها أكثر سمكًا من الإصبع، وسعة موجة النبض لحجم راحة اليد التي تم جمعها عن طريق الانعكاس المنتشر أقل. يوضح الشكل 2-5 توزيع الأوعية الدموية في راحة اليد. من خلال ملاحظة الشكل، يمكن ملاحظة وجود شبكات شعرية وفيرة في الجزء الأمامي من الإصبع، والتي يمكن أن تعكس بشكل فعال محتوى الهيموجلوبين في جسم الإنسان. علاوة على ذلك، يتميز هذا الموضع بخصائص واضحة لتغير حجم تدفق الدم، وهو موضع القياس المثالي لموجة نبض الحجم. أنسجة العضلات والعظام في الأصابع رقيقة نسبيًا، لذا فإن تأثير معلومات التداخل الخلفية ضئيل نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، يسهل قياس طرف الإصبع، ولا يعاني الشخص من أي عبء نفسي، مما يُسهّل الحصول على إشارة طيفية مستقرة ذات نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية. يتكون إصبع الإنسان من العظام والأظافر والجلد والأنسجة والدم الوريدي والشرياني. أثناء تفاعله مع الضوء، يتغير حجم الدم في الشريان المحيطي للإصبع مع ضربات القلب، مما يؤدي إلى تغيير قياس المسار البصري. بينما تبقى المكونات الأخرى ثابتة طوال عملية الضوء.
عند تسليط طول موجي محدد من الضوء على بشرة طرف الإصبع، يُمكن اعتبار الإصبع مزيجًا من جزأين: مادة ساكنة (المسار الضوئي ثابت) ومادة متحركة (المسار الضوئي يتغير بتغير حجم المادة). عندما يمتص نسيج طرف الإصبع الضوء، يستقبله كاشف ضوئي. ومن الواضح أن شدة الضوء المنقول الذي يجمعه المستشعر تتضاءل بسبب قابلية امتصاص مكونات أنسجة مختلفة من أصابع الإنسان. وبناءً على هذه الخاصية، يُنشأ نموذج مكافئ لامتصاص ضوء الإصبع.
الشخص المناسب:
مقياس التأكسج النبضي بأطراف الأصابعمناسب 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 وأمراض الأوعية الدموية الأخرى والمرضى الذين يعانون من الربو والتهاب الشعب الهوائية والتهاب الشعب الهوائية المزمن وأمراض القلب الرئوية وأمراض الجهاز التنفسي الأخرى.
وقت النشر: ١٧ يونيو ٢٠٢٢
