Pomiar wysycenia krwi tlenem

Co to jest pulsoksymetria?

Rys. 1. Dwie metody oksymetryczne

Jest to miernictwo wysycenia krwi tlenem, wyrażane w mierze procentowej. Pulsoksymetr jest urządzeniem dokonującym u człowieka nieinwazyjnego pomiaru wysycenia krwi tlenem, a także tętna. Pulsoksymetry wyposażone są w klipsowe czujniki, zakładane zwykle na palec pacjenta.

Pulsoksymetr może mieć postać samodzielnego urządzenia, części większego systemu monitorującego albo noszonego czujnika fitnessowego. Pulsoksymetry są w zależności od potrzeby używane przez pielęgniarki w szpitalu, pacjentów w domu, entuzjastów fitnessu, a nawet pilotów pozbawionych kabin ciśnieniowych samolotów.

Wysycenie tlenem krwi mierzy się, badając hemoglobinę, pigment komórek krwi, czyli erytrocytów, które w organizmie przenoszą tlen z płuc do tkanek. Pigment ten nadaje krwi kolor czerwony. Hemoglobina występuje w dwóch postaciach, hemoglobiny utlenowanej, oznaczanej HbO₂ oraz hemoglobiny odtlenowanej, oznaczanej Hb.

Saturacja krwi, SpO₂, czyli udział hemoglobiny utlenowanej w hemoglobinie, wyraża się równaniem:

SpO₂ = HbO₂/(HbO₂ + Hb)

i jest wyrażana procentowo. Saturacja normalnie wynosi 97% lub więcej.

Jak wysycenie krwi tlenem jest mierzone przez oksymetr?

Rys. 2. Oscyloskopowy obraz impulsowych sygnałów czerwieni i podczerwieni

Ważną właściwością metrologiczną hemoglobiny jest stopień, w jaki odbija i pochłania światło. Hb silnie pochłania i słabo odbija widzialne światło czerwone. Natomiast HbO₂ silnie pochłania i słabo odbija podczerwień. Dzięki tym własnościom hemoglobiny równoczesne naświetlanie tkanki (np. palca lub przegubu ręki) światłem czerwonym i światłem podczerwonym i porównywanie natężenia odbieranych wiązek umożliwia wyznaczenie wysycenia tlenem krwi.

Są dwa sposoby dokonywania tych pomiarów, przez pomiar światła przechodzącego przez tkankę (oksymetria transmisyjna) lub przez pomiar światła odbijanego od tkanki (oksymetria reflektancyjna) - rysunek 1. W praktyce oksymetria transmisyjna jest stosowana głównie w szpitalnych systemach monitorowania pacjentów. Natomiast najnowsze wysokiej jakości noszone monitory fitnessowe korzystają z oksymetrii reflektancyjnej.

Jak pulsoksymetr mierzy tętno?

Rys. 3. Przykładowa krzywa kalibracyjna

Bicie serca zapewnia przepływ krwi w organizmie. Każdy skurcz serca, przeciskając krew przez kapilary układu krwionośnego, minimalnie powiększa ich objętość, która każdorazowo potem maleje. Zmiany te wpływają na mierzone natężenie światła.

Powstające fluktuacje są bardzo małe, ale wystarczają do rejestracji ich częstotliwości, czyli tętna. Analizowana jest jedynie ta część sygnału, która występuje podczas fazy skurczowej tętna. Dzięki temu mierzona jest saturacja krwi tętniczej, a pomijana w naczyniach żylnych i włosowatych.

Typowe pulsoksymetry monitorują wysycenie tlenem krwi ludzkiej SpO₂, mierząc absorbcję światła czerwonego o długości fali 600-750 nm w hemoglobinie odtlenowanej Hb i absorbcję światła podczerwonego o długości fali 850-1000 nm w hemoglobinie utlenowanej HbO₂. W pulsoksymetrze dwie LED naprzemiennie emitują błyski światła czerwonego i podczerwonego skierowane na tkankę, na przykład palca.

Rys. 4. Schemat blokowy pulsoksymetru

Natężenie obu wiązek światła, padającego i absorbowanego w tkance, jest mierzone przez fotodiodę czujnikową. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy przebieg sygnałów pulsoksymetru. Układ pomiarowy mierzy, dla światła czerwonego i podczerwonego, amplitudę U_pp absorbowanych impulsów świetlnych i natężenie światła padającego, które w postaci napięciowych wartości skutecznych U_sk służą do wyznaczenia ich stosunku zgodnie z równaniem:

U_ACSK/ U_DC (czerwień):
U_ACSK/ U_DC (podczerwień)

Stosunek ten, za pośrednictwem wycechowanej empirycznymi danymi tabeli porównawczej, pozwala wyznaczać SpO₂. Do obliczania tętna służą liczba próbek i częstotliwość próbkowania w analogowo-cyfrowym przetworniku oksymetru tętniczego.

Tabela porównawcza pełni w pulsoksymetrze istotną funkcję. Tabele takie są powiązane z poszczególnymi rozwiązaniami pulsoksymetrów. Powstają na podstawie dużej liczby pomiarów w szerokim zakresie poziomów SpO₂. Rysunek 3 pokazuje przykład krzywej kalibracyjnej.

Opis układu i czujnika

Rys. 5. Rozmieszczenie błysków i impulsów w czasie

Na rysunku 4 przedstawiono przykładowy schemat blokowy pulsoksymetru transmisyjnego. Ilustruje on sposób pomiarów poziomu wysycenia krwi tlenem i tętna przy użyciu typowego czujnika klipsowego, zawierającego LED światła czerwonego, LED światła podczerwonego i fotodiodę. Obie LED są naprzemiennie wzbudzane przez wspólny sterownik.

Przenikające przez palec badanego sygnały światła czerwonego i podczerwonego podlegają detekcji przez fotodiodę z układem przetwarzania i kierowane do zawartego w cyfrowym sterowniku sygnału (DSC) 12-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), w którym jest obliczany procentowy SpO₂.

Jednobiegunowy podwójny przełącznik dwupołożeniowy, sterowany dwoma sygnałami z modulacją szerokości impulsów (PWM) z DSC, przemiennie włącza i wyłącza czerwoną i podczerwoną LED w rytmie około 700 Hz i powiązaniu czasowym zilustrowanym na rysunku 5. System taki zapewnia odpowiednią liczbę próbek dla ADC i odpowiedni czas na przetworzenie danych przed następną sekwencją impulsów LED. Natężenia prądu LED są kontrolowane przez DSC za pośrednictwem 12-bitowego przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC).

Rys. 6. Dane wejściowe i po odfiltrowaniu: wykres 1, w kolorze czerwonym, przedstawia sygnał wejściowy filtru FIR, wykres 2, w kolorze zielonym, przedstawia sygnał wyjściowy filtru FIR. Oś X wyznacza liczbę próbek ADC. Oś Y wyznacza wartości kodu ADC

Analogowy układ kondycjonowania sygnału składa się z dwóch stopni, wzmacniacza transimpedancyjnego i drugiego stopnia wzmacniającego, przedzielonych filtrem górnoprzepustowym. Pierwszy z nich przetwarza kilkumikroamperowy sygnał prądowy fotodiody na kilkumiliwoltowy sygnał napięciowy. Filtr redukuje wpływ zakłócającego tła świetlnego. Sygnał z drugiego stopnia o wzmocnieniu 22, wraz z napięciem polaryzującym 220 mV, jest przesyłany do ADC mikrokontrolera.

Analogowy sygnał z układu kondycjonowania jest przekazywany do 12-bitowego ADC. W przykładowym pulsoksymetrze jest to dsPIC firmy Microchip. Przez czas przewodzenia i świecenia każdej LED, a także przez czas ich nieprzewodzenia są pobierane próbki dla ADC. Do filtracji danych ADC jest wykorzystywany cyfrowy środkowo-przepustowy cyfrowy filtr 513. rzędu, o skończonym czasie trwania, (bandpass 513th-order digital-FIR). Odfiltrowane w nim dane służą następnie do obliczania amplitudy impulsów (rys. 6).

Parametry użytego środkowo-przepustowego filtru FIR były następujące:

• częstotliwość próbkowania: 500 Hz
• częstotliwości pasma przepustowego: 1 do 5 Hz
• tętnienia w paśmie: -0,1 dB
• częstotliwości pasma zaporowego: do 0,05 Hz i od 25 Hz
• tętnienia w paśmie: -50 dB
• okno FIR: Kaiser
• długość filtru: 513

Zakończenie

Rynki medycyny domowej i fitnessu wzrastają bardzo szybko. Zapotrzebowanie na urządzenia do pomiarów wysycenia krwi tlenem i tętna niewątpliwie będzie wzrastało w najbliższych latach. Opis przykładowego pulsoksymetru może być bardzo pomocny projektantom medycznych i fitnessowych urządzeń przy wprowadzania swoich projektów do produkcji i na rynek.

Zhang Feng
Microchip Technology
www.microchip.com