در بدن انسان به طور مداوم فعالیت‌های متابولیک برای ادامه حیات صورت میگیرد. فعالیت متابولیک با مصرف اکسیژن و تولید دی‌اکسیدکربن و انرژی همراه است. بدون وجود اکسیژن تولید انرژی ناچیز است (متابولیسم بی‌هوازی)، به علاوه در متابولیسم بی‌هوازی اسید لاکتیک تولید میشود، که میتواند در تعادل اسید و باز بدن اختلال ایجاد کند. برای انجام اعمال متابولیک و برای حفظ حیات، باید اکسیژن از هوا به ریه‌ها و سپس به داخل خون وارد شود و توسط جریان خون به بافت‌ها برسد. در نتیجه اطلاع از میزان اکسیژن خون یکی از پارامترهای حیاتی در تشخیص و درمان بسیاری از بیماری‌ها و آسیب‌های بافتی است.

مکانیسم انتقال اکسیژن در بدن

سیستم انتقال اکسیژن در بدن از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است:

• ریه‌ها
• قلب
• رگ‌های خونی
• بافت‌های مصرف کننده

وظیفه اصلی ریه‌ها، انتقال اکسیژن موجود در هوای دمی به خون است. این عمل در حبابچه‌ها انجام میشود. اکسیژن در دیواره حبابچه به داخل خون شریانی نفوذ میکند. خون غنی شده از اکسیژن از طریق رگ‌های ششی وارد قلب می‌شود و قلب به عنوان یک پمپ، آن را به سمت بافت‌ها میراند. برداشت اکسیژن توسط بافت‌ها سبب می‌شود که میزان اکسیژن خون کاهش یافته و مجدداً جهت اکسیژن‌دار شدن از طریق سیاهرگ‌ها به قلب و سپس به ریه‌ها هدایت شود. اکسیژن به دو طریق در خون منتقل میشود:

1. از طریق پیوند شیمیایی با هموگلوبین و تشکیل اکسی هموگلوبین (که 98% سهم انتقال اکسیژن در خون را به عهده دارد).
2. به صورت محلول در پلاسما (که 2% سهم انتقال اکسیژن در خون را به عهده دارد).

اکسیژن به هموگلوبین به صورت سُست متصل میشود و قابلیت بازگشت دارد؛ یعنی واکنش آن تعادلی بوده و بازگشت‌پذیر است. زمانی که فشار جزئی اکسیژن بالا است، مثلاً در مویرگ‌های ریوی، اکسیژن به هموگلوبین وصل شده و وقتی فشار کم است، مثلاً در مویرگ‌های اطراف بافت، اکسیژن از هموگلوبین آزاد میشود.

سیستم های اندازه گیری میزان اکسیژن خون

عبارتند از:

• آنالیزور گازهای خون
• CO اکسی‌متر
• پالس اکسی‌متر

آنالیزور گازهای خون به صورت مستقیم میزان PO2 (فشار جزئی اکسیژن) را اندازه‌گیری میکند. CO اکسی‌متر نیز به صورت تهاجمی میزان SaO2 (درصد اشباع اکسیژن خون) را اندازه‌گیری میکند. مزیت این دو روش دقت بالای آن‌ها است و معایب آن‌ها در تهاجمی بودن و اندازه‌گیری غیر همزمان (offline) است. در صورتی که سیستم پالس اکسی‌متر به صورت online و غیرتهاجمی تخمین مناسبی از درصد اشباع اکسیژن خون مستقیم (SpO2) را محاسبه میکند. از همین رو این سیستم کاربرد کلینیکی وسیعی در مانیتورینگ میزان اکسیژن خون بیمار پیدا کرده است.

نمونه ای از پالس اکسیمتر انگشتی

اصول پالس اکسیمتری

رایج‌ترین شیوه اندازه‌گیری درصد اشباع اکسیژن خون تکنیک نوری است، که از خواص نوری خون جهت محاسبه درصد اشباع اکسیژن خون استفاده میکند. زمانی که خون اکسیژن‌دار میشود، به رنگ قرمز درآمده و زمانی که اکسیژن آن مصرف میشود، به رنگ آبی تیره درمیآید. این ویژگی نشانگر تغییر میزان جذب نور در اثر تغییر میزان اکسیژن است.

گلبول‌های قرمز دارای ترکیبات مختلف هموگلوبین است و 99% هموگلوبین خون شامل هموگلوبین بدون اکسیژن (Hb) و اکسی هموگلوبین (HbO2) میباشد. بخش عمده خون را آب، هموگلوبین بدون اکسیژن (Hb) و اکسی هموگلوبین (HbO2) تشکیل میدهد. در طول موج‌های کمتر از 1000 نانومتر ضریب جذب آب ناچیز است. در نتیجه با تاباندن طول موج‌های زیر nm1000 و ثبت آن توسط فتودتکتور می‌توان اطلاعاتی از میزان HbO2 و Hb به دست آورد. هموگلوبین اکسیژن‌دار یا اکسی هموگلوبین (HbO2) بیشتر نور مادون قرمز را جذب کرده و نور قرمز را از خود عبور میدهد. ولی هموگلوبین بدون اکسیژن (Hb) بیشتر نور قرمز را جذب کرده و نور مادون قرمز را از خود عبور میدهد. پالس اکسی‌متری بر اساس همین اصل بنا شده است.

طول موج‌های به کار رفته در دستگاه پالس اکسی متر

اجزای دستگاه پالس اکسیمتر

دستگاه پالس اکسی‌متر شامل بخش‌های زیر است:

الف) پروب

ب) مدارات کنترلی

ج) نمایشگر LCD

الف) پروب

 نمایی از پروب دستگاه پالس اکسی متر

پروب معمولاً در مناطقی مثل نوک انگشت دست، شست پا، لاله گوش و یا روی بینی قرار داده میشود. پروب شامل دو دیود نوری (LED) است که از خود نور قرمز با طول موج nm660 و نور مادون قرمز با طول موج nm940 ساتع میکند. با وجود جذب نور ساتع شده توسط خون سیاهرگی، بافت و استخوان مقدار نور عبور یافته توسط یک آشکارساز نوری (photodetector) دریافت و تبدیل به سیگنال الکتریکی میشود. با مقایسه مقدار نور قرمز و مادون قرمز جذب شده توسط Hb و HbO2 و به دست آوردن نسبت مولکول‌های اکسی هموگلوبین به کل مولکول‌های هموگلوبین خون، مقدار اشباع اکسیژن خون محاسبه میشود. جذب نور ساتع شده توسط خون سرخرگی به صورت ac است و با پریود زمانی ضربان هر فرد تغییر میکند و لذا از سایر اجزای جذب‌کننده نور از جمله خون سیاهرگی، بافت و استخوان قابل تشخیص است.

 نور جذبی توسط بافت که دارای یک قسمت جذبی ثابت (DC) و متغییر (AC) میباشد.

همان‌گونه که در شکل بالا مشاهده میشود این سیگنال دارای یک مقدار dc ثابت است که ناشی از جذب پوست، بافت، خون مویرگی و خون سیاهرگی است. قسمت ac این سیگنال به دلیل تغییرات حجم خون در شریانچه‌ها در هنگام سیستول و دیاستول است. از این رو شکل موج را PPG (Photo plethysmograph) مینامند. به هنگام سیستول حجم خون در شریانچه‌ها افزایش یافته و مسیر عبور نور در داخل انگشت طولانی‌تر میشود. بنابراین نور بیشتری در این مسیر جذب شده و مقدار کمینه در شکل موج PPG شکل میگیرد و در هنگام دیاستول عکس این عمل اتفاق میافتد.

ب) مدارات کنترلی

این بخش وظیفه محاسبه درصد اشباع اکسیژن خون با استفاده از نور دریافت شده توسط فتودتکتور و نیز کنترل ارسال نور توسط دیودهای نوری (LED) را به عهده دارد. دستگاه‌های پالس اکسی‌متر علاوه بر استخراج درصد اشباع اکسیژن خون، با استفاده از سیگنال PPG نرخ ضربان قلب را نیز به دست میآورند. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده میشود، نور دریافت شده توسط فتودتکتور تبدیل به سیگنال الکتریکی شده و پس از تقویت و فیلتر، دیجیتال شده و از طریق میکروکنترلر درصد اشباع اکسیژن خون محاسبه و نمایش داده میشود.

علاوه بر این میکروکنترلر وظیفه کنترل ارسال نور از طریق ارسال سیگنال الکتریکی به دیودهای نوری در زمان‌های مشخص را به عهده دارد. دیودهای نوری تقریباً 30 بار در ثانیه چشمک می‌زنند و با یک ترتیب خاصی روشن و خاموش میشوند و مدتی هر دو با هم خاموش هستند. در این مدت نور توسط فتودتکتور سنجیده میشود.

ج) نمایشگر LCD

نمایشگر LCD جهت نمایش میزان اشباع اکسیژن خون (SPO2) و نیز میزان نرخ ضربان قلب (PR) استفاده میشود. در برخی از سیستم‌های مانیتورینگ امکان نمایش سیگنال PPG توسط نمایشگر نیز وجود دارد.

 پارامترهای نمایشی در دستگاه پالس اکسی متر

انواع پالس اکسیمتر

1- پالس اکسیمتر انگشتی(سیار)

2- پاس لکسیمتر مرکزی(ثابت)

کاربرد های پالس اکسیمتر

از دستگاه پالس اکسی‌متر معمولاً در بخش‌های زیر استفاده میشود:

• اتاق‌های عمل
• بخش‌های مراقبت ویژه (CCU ,ICU)
• اتاق CPR
• در هنگان استفاده از دستگاه ونتیلاتور
• در بخش مراقبت ویژه نوزادان (NICU)