В связи с пандемией нового коронавируса актуальной стала оценка оксигенации - содержания кислорода в крови. При заболевании коронавирусом с сопутствующим поражением легких уменьшается содержание кислорода в крови. Для быстрой оценки этого содержания служат приборы пульсоксиметры. На титульной картинке статьи изображен процесс измерения оксигенации посредством пульоксиметра, коих моделей на рынке большое количество, но все они действуют на одном принципе и устроены одинаково.
Как работают пульсоксиметры - простое объяснение
Введение
Пульсоксиметры служат для измерения уровня насыщения кислородом капиллярной крови.
Пульсоксиметры широко используются, поскольку они:
- неинвазивны;
- дешевы и просты в использовании;
- компактны;
- обнаруживает гипоксемию раньше, чем можно зрительно обнаружить цианоз (синюха, последствие гипоксемии).
Насыщение кислородом
Прежде чем ознакомиться с принципом работы пульсоксиметров, необходимо понять, что такое насыщение кислородом.
Все мы знаем, что кислород необходим для жизни. Кислород поступает в легкие, а затем попадает в кровь, которая переносит кислород к различным органам нашего тела. Основным переносчиком кислорода в крови является гемоглобин. Молекулы гемоглобина (Hb) можно представить как "автомобили", а кровеносные сосуды - как "дороги". . Молекулы кислорода садятся в эти автомобили и путешествуют по организму, пока не достигнут цели.
Гемоглобин без кислорода - это деоксигенированный гемоглобин дезоксигемоглобин. Гемоглобин с кислородом мы будем называть оксигемоглобином. Насыщение кислородом говорит о том, какой процент от общего количества гемоглобина переносит кислород.
Физические принципы, используемые в пульсоксиметрии
В пульсоксиметрии для определения степени насыщения кислородом крови используется свет. Свет, излучаемый источниками света, проходит через зонд пульсоксиметра и попадает на световой детектор.
Если между источником света и световым детектором поместить палец, свет должен пройти через палец, чтобы достичь детектора. Часть света поглощается пальцем, а та часть, которая не поглощается, достигает светового детектора.
Количество света, поглощенного пальцем, зависит от многих физических свойств, которые используются пульсоксиметром для расчета насыщения кислородом.
Количество поглощенного света зависит от следующих факторов:
- концентрация поглощающего свет вещества;
- длина светового пути в поглощающем веществе;
- оксигемоглобин и дезоксигемоглобин по-разному поглощают красный и инфракрасный свет.
Физические свойства, которыми обладает пульсоксиметр, поясняются посредством показанного ниже зонда. На рисунке показан палец, вставленный в зонд. Над пальцем находятся источники света, излучающие свет. В пальце находится артерия, по которой течет кровь, и вена, по которой кровь покидает палец. Под пальцем находится световой детектор.
Физический принцип № 1: При прохождении света через вещество количество поглощенного света пропорционально концентрации поглощающего свет вещества.
Гемоглобин поглощает свет. Количество поглощенного света пропорционально концентрации гемоглобина в кровеносном сосуде. На рисунке ниже кровеносные сосуды в обоих пальцах имеют одинаковый диаметр, однако в одном кровеносном сосуде концентрация гемоглобина низкая, а в другом - высокая. Каждая отдельная молекула гемоглобина поглощает часть света, поэтому чем выше концентрация гемоглобина, тем больше света поглощается.
Путем измерения количества дошедшего до светового детектора света, пульсоксиметр определяет, сколько света было поглощено. Чем больше гемоглобина в пальце, тем больше поглощается света.
Физический принцип № 2: Чем длиннее световой путь, тем большее количество света поглощается.
Посмотрите на два пальца, показанных ниже. В обеих артериях концентрация гемоглобина одинакова, однако диаметр просвета у артерии справа больше, чем у артерии слева.
Свет, излучаемый источником, должен пройти через артерию. Свет проходит более короткий путь в узкой артерии и более длинный путь в широкой артерии. Хотя концентрация гемоглобина одинакова в обеих артериях, свет встречает больше молекул гемоглобина в более широкой артерии, поскольку его путь длиннее. Поэтому, чем длиннее путь, который проходит свет, тем больше он поглощается.
Физический принцип №3: Оксигемоглобин поглощает больше инфракрасного света, чем красного, а дезоксигемоглобин поглощает больше красного света, чем инфракрасного.
Мы рассмотрели, как концентрация поглощающего вещества и длина пути света влияют на поглощение света. В дополнение к ним, в пульсоксиметре используется еще одно важное свойство для расчета насыщения крови кислородом - поглощение света разной длины волны (световых лучей разного света) в оксигемоглобине и дезоксигемоглобине различное.
Различные "цвета" светового излучения имеют свою длину волны.
Рассмотрим графики поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина для сравнения совместно. Обратите внимание, что каждая из форм гемоглобина поглощает свет определенной длины волны совершенно по-разному.
Пульсоксиметр использует для анализа гемоглобина свет двух длин волн. Один из них - красный свет, длина волны которого составляет примерно 650 нм. Другой - инфракрасный свет, длина волны которого составляет 950 нм. (В дальнейшем описании инфракрасный свет отображается синим цветом. В действительности инфракрасный свет невидим для человеческого глаза).
Теперь снова посмотрите на график поглощения оксигемоглобина, но на этот раз обратите внимание на длины волн света, используемые в пульсоксиметрах. Вы увидите, что оксигемоглобин поглощает больше инфракрасного света, чем красного.
Пульсоксиметр определяет насыщение кислородом, сравнивая, какая доля красного и инфракрасного света поглощается кровью. В зависимости от количества оксигемоглобина и дезоксигемоглобина меняется соотношение количества поглощенного красного света к количеству поглощенного инфракрасного света.
Например, при 100 % насыщении (это предельное значение на индикаторе пульсоксиметра) соотношение поглощения будет, как на рисунке ниже.
При 0 % насыщения присутствует только дезоксигемоглобин. На рисунке ниже отображено соотношение поглощения для этого случая.
Теперь посмотрим картину, когда насыщение кислородом у пациента составляет 50%. В крови есть как оксигемоглобин, так и дезоксигемоглобин. Теперь картина поглощения находится где-то между кривой поглощения оксигемоглобина и кривой поглощения дезоксигемоглобина (обе кривые показаны серым цветом). Соотношение поглощенного красного и инфракрасного света различно, и, используя эту информацию, пульсоксиметр может рассчитать насыщение кислородом на 50 %.
Ниже для сравнения соотношение поглощенного красного и инфракрасного света при разных уровнях насыщения.
Итак, картина совершенно ясна. Палец просвечивается источником красного и инфракрасного света, и компьютер пульсоксиметра по отношению поглощенного излучения вычисляет уровень оксигенации, насыщения крови кислородом. Значения ниже 94 % признаются проблемными, действующие рекомендации советуют в подобном случае обратиться к врачу.
Но считаться следует с тем, что одно значение может по какой-то причине оказаться случайным, оттого необходимо повторить измерение несколько раз в спокойной обстановке.
