Pulsoksymetria: Kierunek: Automatyka i Robotyka nieinwazyjny pomiar saturacji tlenowej krwi tętniczej Kurs: Sensory i systemy pomiarowe Prowadzący: dr inż. Robert Czabanowski Katarzyna Pawlak nr indeksu 185755, semestr IV
Biopomiary [na podstawie: 1] pomiary temperatury i wielkości mechanicznych metody ultradźwiękowe i akustyczne pomiary wielkości bioelektrycznych pomiary wielkości chemicznych i biochemicznych metody optyczne i optoelektryczne pomiar temperatury generacja fal uderzeniowych EKG chromatografia gazowa i cieczowa spektroskopia NIR diagnostyczne metody płynowe diagnostyka ścian tętnic szyjnych EEG glukozomierze OCT ciśnienie krwi USG Doppler w diagnostyce płodu reoencefalografia oksymetria badania oksygenacji mózgu ciśnienie wewnątrzczaszkowe badania słuchu kardiografia impedancyjna pomiar zawartości CO 2 pomiary endoskopowe diagnostyka niepłynności mowy półprzewodnikowe czujniki wielkości biochemicznych
Oksymetria krwi tętniczej Pomiar dwóch wskaźników utlenowania: wysycenie hemoglobiny tlenem, ciśnienie, jakie wywiera tlen rozpuszczony w osoczu [1] Rys. 1. Przykładowy pulsoksymetr [2]
Saturacja tlenowa SaO 2% [1] Wysycenie tlenem hemoglobiny krwi tętniczej: HbO 2% - zawartość procentowa oksyhemoglobiny, c m stężenie molowe warunki prawidłowe >95% zagrożenie hipoksemią* <95% uszkodzenie mózgu, śmierć <70% *Hipoksemia stan niedotlenienia krwi tętniczej [3]
Podstawa pomiaru [na podstawie: 1] selektywna absorpcja promieniowania przez obie postacie hemoglobiny wykorzystanie zasad i praw spektrofotometrii *pomiar inwazyjny in vitro, *pomiar inwazyjny in vivo, *nieinwazyjny pomiar in vivo PULSOOKSYMETRIA
Pulsooksymetria PULSOOKSYMETRIA spektrofotometria pletyzmografia 1980 budowa pierwszego oksymetru wykorzystującego dwie długości fali (Scott Wilber, USA), 1983 budowa pierwszego oksymetru z czujnikiem napalcowym (William New Nellcor Incorporated, USA) [4]
Pulsooksymetr Rys. 2. Schemat ideowy pulsoksymetru [6] Działanie pulsooksymetru opiera się na pomiarze pochłaniania przez hemoglobinę zawartą w czerwonych krwinkach promieniowania o dwóch różnych długościach fali: czerwonego i podczerwonego. [6]
Ilustracja zasady pomiaru Rys. 3. Ilustracja zasady pomiaru SaO 2 pulsooksymetrem [7] SpO 2% - wskazanie pulsooksymetru
Fotoemiter Rys. 4. Zależność molowych współczynników absorbcji HbO2 i Hb oraz dyshemoglobin COHb i MetHb od długości fali [8] W fotoemiterze znajdują się co najmniej dwie, wysoko wydajne diody LED, sterowane prądowo i emitujące promieniowanie wejściowe. [7]
Krzywa fotopletyzmograficzna (PPG) Rys. 5. Fala tętna główna składowa sygnału PPG [7] U Rs, U IRs, U R0, U IR0 wartości napięć reprezentujące charakterystyczne punkty przebiegów PPG uzyskanych dla dwóch pomiarowych długości fali: 660 nm i 940 nm
Krzywa fotopletyzmograficzna Cykliczne zmiany sygnałów na skutek pulsacji umożliwiają pomiar częstości tętna, natomiast ich amplitudy są ściśle związane ze stężeniami poszczególnych rodzajów hemoglobiny. [6] Rys. 6. Wpływ natlenienia na amplitudy sygnałów PPG [6]
Fotodetektor Zbudowany na bazie pojedynczej krzemowej fotodiody p-i-n, która z równą czułością odbiera promieniowanie o obu długościach fali, generując prąd fotoelektryczny o wartości proporcjonalnej do natężenia przepuszczonego promieniowania. [1] Rys. 7. Budowa fotodiody typu p-i-n [9]
Analogowy tor kondycjonowania [na podstawie: 6] sygnały PPG bezpośrednio z czujnika niewielka amplituda sygnału zmiennego znaczna składowa stała duże zakłócenia demultiplexer rozdział sygnału na dwa oddzielne sygnały PPG diody czerwonej i podczerwonej sygnały PPG (IR i R) określenie składowej stałej obu sygnałów Zadaniem układu kondycjonowania jest eliminacja niepożądanych składowych częstotliwościowych zawartych w widmie sygnału PPG oraz wzmocnienie tylko tych składowych, które przenoszą pożądane informacje diagnostyczne o badanym obiekcie.
Filtr dolnoprzepustowy Filtr Bessela do filtracji sygnałów zmodulowanych fazowo przekształca sygnał praktycznie bez zniekształceń fazowych. [11] Działa jako filtr antyaliasingowy. [10] Ogranicza do 30Hz przenoszone pasmo częstotliwości. Rys. 8. Aliasing, czyli nakładanie się widm [12] Rys. 9. Niejednoznaczność w procesie próbkowania [12]
Przykładowy schemat pulsooksymetru [6]
Przykładowy algorytm przetwarzania sygnałów algorytm zaimplementowany na mikrokontrolerze firmy Atmel, proces pomiarowy przebiega w sposób ciągły, wyniki pomiaru uzyskiwane są z częstotliwością pracy serca Rys. 10. Schemat ideowy oprogramowania [6]
Zalety pulsooksymetrii [13] Metoda nieinwazyjna Metoda łatwa w użyciu, nie wymaga przygotowywania pacjenta ani specjalnego przygotowywania sprzętu (przede wszystkim nie wymaga kalibracji) Szybkim zmianom stanu pacjenta odpowiada bardzo szybka zmiana wyświetlanych na monitorze parametrów Możliwość ciągłego monitorowania Możliwość obserwacji trendów w czasie
Wady pulsooksymetrii [13] Występowanie innych postaci hemoglobin, takich jak: methemoglobina (HbMet), hemoglobina tlenkowęglowa (HbCO), hemoglobina płodowa (HbF). HbMet i HbCO mają zbliżoną absorbancję do Hb utlenowanej, stąd też standardowe pulsoksymetry odczytują te wartości łącznie i nie dają informacji o faktycznym niedotlenieniu Niedokrwistość (błąd pomiaru przy stężeniu hemoglobiny we krwi wynoszącym 80 g/l może wynosić 10-15%). Duża aktywność dziecka, częste i energiczne ruchy kończyn, na których najczęściej umieszcza się czujniki pulsoksymetrów, mogą zaburzać pomiar absorpcji. Barwniki podane dożylnie mogą być przyczyną fałszywie małych wskazań pulsoksymetru.
Wady pulsooksymetrii [13] Niedokładność oceny z zespołem brązowego dziecka po fototerapii lub przy ciemnej pigmentacji skóry. Jeśli czujniki umieszczone są na opuszkach palców, zafałszowanie pomiaru może także powodować ciemny lakier na paznokciach (czarny, niebieski, zielony). Lakier koloru czerwonego lub purpurowego oraz sztuczne paznokcie akrylowe nie wpływają na wynik pomiaru SpO 2. Pomiar utrudniają intensywne źródła światła (np. lampy do fototerapii, oświetlenie sali zabiegowej) na czujniki pulsoksymetru należy nakładać nieprzejrzyste opaski. Czujniki umieszczone na palcu dają odpowiedź w ciągu 20-30 sekund, stąd zarówno zmniejszenie utlenowania, jak i jego zwiększenie, zostają zauważone z opóźnieniem.
Zastosowanie [5] anestezjologia, intensywna opieka medyczna, neonatologia, położnictwo. Rys. 11. Przykłady współczesnych rozwiązań pulsooksymetrów [14-18]
Regionalna oksymetria mózgowa [1] wykorzystuje zjawisko wstecznego odbicia dwóch lub więcej długości fal z zakresu 700-900 nm, wielkością mierzoną jest saturacja miejscowa rso 2%, detektory: płytki oraz głęboki, oddalone od diody LED o 3 i 4 cm Rys. 12. Umiejscowienie czujników pulsooksymetrycznych na powierzchni czaszki [19]
Dziękuję za uwagę http://www.bicklerlab.com/images/michelangelo_pulse_oximetry.jpg
Literatura [1] Biopomiary, red. M. Nałęcz, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2001 [2] http://www.emsjunkie.com/ [3] http://portalwiedzy.onet.pl/ [4] A. Cysewska Sobusiak: Nieinwazyjne spektrofotometryczne monitorowanie utlenowania krwi, PAK 2/2000 [5] A. Cysewska Sobusiak: Stan obecny i perspektywy rozwoju w dziedzinie biopomiarów, PAK10/1999 [6] K. Papierz, Ł. Skubis: Pulsooksymetr system pomiarowy z mikrokontrolerem ARM7, Elektrotechnika i elektronika, tom 28, zeszyt 1-2, 2009 [7] A. Cysewska Sobusiak, G. Wiczyński, Z. Krawiecki, A. Odon: Wykorzystanie w biopomiarach transmisyjnego wariantu światło tkanki, Pomiary Automatyka Kontrola 9/2007 [8] E. J. van Kampen, W. G. Zijlstra: Spectrophotometry of hemoglobin and hemoglobin derivatives, Adv. Clin. Chem., 1983, vol. 23, s. 199-257 [9] http://freshlab.org/detektor/ [10] D. Prokop: Wieloczujnikowy system do badania sygnału fotopletyzmograficznego, Elektronika, 5/2009 [11] R. Czabanowski: Sensory i systemy pomiarowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2010 [12] J. Erhard: Technika cyfrowa przetwarzanie analogowo cyfrowe. Próbkowanie, 2011 (http://livesound.pl/tutoriale/kursy/3979-technika-cyfrowa-przetwarzanie-analogowo-cyfrowe-probkowanie) [13] E. Cichocka Jarosz, P. Kwinta, J. Lankosz Lauterbach, H. Mazurek: Podstawy monitorowania utlenowania organizmu i pulsoksymetria u dzieci, Medycyna Praktyczna Pediatria, 05/2005 [14] http://www.favoriteplus.com/ [15] http://image.ec21.com/ [16] http://boundtree.co.uk/ [17] http://img.medicalexpo.com/ [18] http://upload.wikimedia.org/ [19] M. Owczarek: Regionalna oksymetria mózgowa (http://www.resmedica.pl/regionalna-oksymetria-mozgowa)