Introducere
De obicei, saturația periferică a oxigenului (SpO2) este o măsurătoare efectuată la periferia corpului, pe deget sau pe ureche, cel mai adesea cu un dispozitiv cu clemă pentru a determina raportul dintre hemoglobina saturată în oxigen și hemoglobina totală. Această măsurătoare este utilizată pentru a afla cât de bine transportă celulele roșii din sânge oxigenul de la plămâni către alte părți ale corpului. La un adult sănătos, nivelurile normale de SpO2 variază între 95% și 100%. Nivelurile sub acest interval indică o afecțiune cunoscută sub numele de hipoxemie. Aceasta înseamnă că organismul nu transportă suficient oxigen pentru a menține organele sănătoase și funcția cognitivă.
O persoană care suferă de hipoxemie poate prezenta amețeli, confuzie, dificultăți de respirație și dureri de cap. Mai multe afecțiuni medicale pot cauza o oxigenare slabă a sângelui și pot necesita o monitorizare continuă sau intermitentă la domiciliu sau într-un cadru clinic.
SpO2 este unul dintre cele mai frecvente semne vitale care se înregistrează în mediul clinic. Unele afecțiuni, care necesită monitorizarea continuă a SpO2, includ astmul, bolile cardiace, BPOC, afecțiunile respiratorii, pneumonia și hipoxia indusă de COVID-19.
(N. red.: BPOC este o boală respiratorie cronică ce afectează atât bronhiile (bronșita cronică) cât și plămânii (emfizem))
Una dintre modalitățile prin care se poate determina dacă pacienții simptomatici cu COVID-19 au nevoie de spitalizare este monitorizarea nivelului de SpO2. Dacă aceste niveluri scad sub numărul de bază (de obicei, sub 92%), aceștia trebuie să fie internați la o cameră de urgență.
Legătura recentă dintre COVID-19 și hipoxie
Foarte recent, pacienții cu COVID-19 au fost diagnosticați cu o afecțiune deosebit de insidioasă, cunoscută sub numele de hipoxie silențioasă. Aceasta poate provoca afecțiuni grave ale organismului înainte de apariția simptomelor respiratorii tipice COVID-19, cum ar fi lipsa de aer. Un articol de pe site-ul web al “National Center for Biotechnology Information”1 afirmă că “abilitatea de a detecta această formă silențioasă de hipoxie la pacienții cu COVID-19 înainte ca aceștia să înceapă să aibă dificultăți de respirație este esențială pentru a preveni ca pneumonia să progreseze la un nivel periculos”.
Monitorizarea SpO2 este, totodată, un indicator esențial în diagnosticarea apneei de somn. Apneea obstructivă de somn determină blocarea parțială sau totală a căilor respiratorii în timpul somnului. Acest lucru poate fi observat sub forma unor pauze lungi în respirație sau a unor perioade de respirație superficială care provoacă hipoxie temporară. Dacă nu este tratată în timp, apneea de somn poate crește riscul de atac de cord, accident vascular cerebral și obezitate. Se estimează că apneea în somn afectează între 1 și 6% din totalul populației adulte.
Este nevoie urgentă de un pulsoximetru mai bun acum și pentru viitor
Pe măsură ce îngrijirea pacienților tinde către monitorizarea ambulatorie și la domiciliu, este necesar să se dezvolte dispozitive de monitorizare a semnelor vitale care să nu împiedice utilizatorii să își îndeplinească sarcinile zilnice. În cazul SpO2, monitorizarea altor zone decât degetul sau lobul urechii pacientului va prezenta o serie de provocări de proiectare. Apariția recentă a hipoxiei silențioase face ca argumentele pentru dezvoltarea unor pulsoximetre mai portabile și de nivel clinic să fie cu atât mai convingătoare.
Acest articol va explica unele dintre principiile fundamentale ale măsurării SpO2 și va prezenta cea mai recentă generație de dispozitive AFE optice de la ADI, ADPD4100 și ADPD4101, care reduc complexitatea proiectării dispozitivelor SpO2 de calitate medicală. Funcția încorporată de rejecție automată și de înaltă performanță a luminii ambientale reduce povara asupra proiectării mecanice și electronice. Gama dinamică ridicată din ADPD4100, la un consum de putere mai mic, reduce numărul de fotodiode sau de LED-uri utilizate într-un proiect pentru determinarea eficientă a micilor variații ale nivelului SpO2 al pacientului. Nu în ultimul rând, opțiunile integratorului digital permit utilizatorilor să intre într-un mod de consum de putere extrem de eficient pentru a permite timpi de funcționare mai lungi pentru soluțiile PPG (fotopletismografie) portabile prin dezactivarea blocurilor analogice din calea semnalului optic.
Ce este saturația de oxigen?
Saturația oxigenului este procentul de hemoglobină saturată în oxigen în raport cu hemoglobina totală disponibilă. Standardul de aur pentru măsurarea saturației de oxigen este măsurarea saturației în oxigen a sângelui arterial, SaO2. Cu toate acestea, metoda necesită o analiză de laborator a gazelor sanguine dintr-o probă de sânge. Capitolul privind calibrarea tratează acest aspect mai în profunzime.
SpO2 este o estimare a nivelurilor de saturație a oxigenului măsurate la periferiile corpului, cu ajutorul unui pulsoximetru. Până de curând, cea mai comună modalitate de măsurare a saturației de oxigen a fost utilizarea unui pulsoximetru aplicat pe deget.
Cum funcționează un pulsoximetru?
Un pulsoximetru se bazează pe principiul conform căruia absorbția luminii în hemoglobina oxigenată (HbO2) și în hemoglobina dezoxigenată (RHb) diferă semnificativ la anumite lungimi de undă ale luminii. Figura 1 prezintă coeficientul de extincție al HbO2, Hb și al methemoglobinei (MetHb) în spectrul de lumină vizibilă și în infraroșu. Coeficientul de extincție este o măsură a intensității cu care o substanță chimică absoarbe lumina la o anumită lungime de undă. Din figura 1, se poate observa că HbO2 absoarbe mai multă lumină roșie (600 nm) și lasă să treacă mai multă lumină infraroșie (940 nm). RHb absoarbe mai multă lumină la lungimi de undă în infraroșu, ceea ce permite trecerea mai multor lumini roșii decât în cazul HbO2.
Cel mai simplu pulsoximetru constă din două LED-uri (un LED roșu de 660 nm și un LED infraroșu (IR) de 940 nm) și o fotodiodă (PD) într-o configurație reflectorizantă sau transmisivă (vedeți figura 4). Pulsioximetrul va pulsa LED-ul roșu și va măsura semnalul rezultat pe PD.
Repetați acest lucru pentru LED-ul IR și, în final, cu ambele LED-uri stinse pentru a obține o linie de referință pentru orice sursă de lumină externă ambientală. Aceasta generează un semnal de fotopletismografie (PPG) pentru ambele lungimi de undă.
Semnalul conține componente de curent continuu (CC) și de curent alternativ (AC). Componenta de curent continuu se datorează materiei reflectante constante, cum ar fi pielea, mușchii și oasele, precum și sângele venos. Atunci când un corp este în repaus și mișcarea nu reprezintă un factor foarte important, componenta de curent alternativ cuprinde în principal lumina reflectată de la pulsațiile sângelui arterial. Componenta AC depinde de frecvența cardiacă și de grosimea arterelor, cu mai multă lumină reflectată sau transmisă în timpul pompării sângelui (faza sistolică) decât în timpul relaxării (faza distopică). În timpul fazei sistolice, sângele este pompat din inimă, ceea ce crește presiunea atrială a sângelui. Creșterea presiunii sanguine dilată arterele și duce la o creștere a volumului sanguin atrial. Această creștere a volumului de sânge determină o creștere a absorbției luminii. Presiunea sanguină scade în timpul fazei diastolice și, prin urmare, scade și absorbția de lumină. Figura 3 prezintă minimul diastolic și vârfurile sistolice cauzate de bătăile inimii.
Legea Beer-Lambert explică faptul că lumina scade exponențial atunci când se deplasează printr-un material absorbant. Aceasta poate fi utilizată pentru a determina nivelul de hemoglobină oxigenată în raport cu hemoglobina totală.
Intensitatea luminii absorbite în timpul diastolei și sistolei sunt legate între ele prin următoarele relații:
Unde α măsoară rata de absorbție a luminii în sângele atrial și d2 este amplitudinea AC a semnalului PPG (vedeți figura 3). Idiastolă este egal cu componenta DC etichetată d1.
Prin calcularea valorilor AC și DC dintr-un semnal PPG, putem determina modificarea absorbției luminii în sângele atrial -α.d2 cauzată de pomparea sângelui din inimă, fără nicio contribuție din partea altor țesuturi.
Raportul dintre componenta AC și componenta DC este cunoscut sub numele de indice de perfuzie, care este raportul dintre fluxul sanguin pulsatoriu și fluxul sanguin static, nepulsatil, din țesutul periferic. Obiectivul unui sistem de măsurare a ritmului cardiac sau a SpO2 bazat pe PPG este de a crește raportul dintre semnalele AC și DC.
PI = AC/DC
Indicele de perfuzie pentru lungimile de undă în infraroșu și roșu poate fi utilizat pentru a calcula raportul ratelor (RoR), care este raportul dintre PIred și PLir. Deoarece absorbția luminii la o anumită lungime de undă este proporțională cu:
În teorie, RoR poate fi înlocuit în următoarea formulă pentru a calcula SpO2:
Unde: EHbO2,red = coeficientul de extincție al HbO2 la 600 nm, EHbO2,ired = coeficientul de extincție al HbO2 la 940 nm
ERHb,ired = coeficientul de extincție al RHb la 940 nm, ERHb,red = coeficientul de extincție al RHb la 600 nm
Cu toate acestea, legea Beer-Lambert nu poate fi utilizată în mod direct, deoarece există o serie de factori variabili în fiecare proiect optic, care determină variații ale relației dintre RoR și SpO2. Aceștia includ designul deflectorului mecanic, distanța dintre LED și PD, respingerea electronică și mecanică a luminii ambientale, erori de câștig PD și multe altele.
Pentru a obține o acuratețe de nivel clinic de la un pulsoximetru SpO2 bazat pe o soluție PPG, trebuie dezvoltată o tabelă de căutare sau un algoritm pentru corelarea între RoR și SpO2.
Calibrare
Calibrarea sistemului de măsurare este necesară pentru a dezvolta un algoritm de înaltă precizie pentru SpO2. Pentru a calibra un sistem SpO2, trebuie finalizat un studiu (experiment) în care nivelurile de oxigen din sângele unui participant sunt reduse din punct de vedere medical, monitorizate și supravegheate de un profesionist din domeniul medical. Acest lucru este cunoscut sub numele de studiul efectelor hipoxiei.
Sistemul de măsurare a SpO2 poate fi la fel de precis ca și referința. Opțiunile de referință includ pulsoximetre de nivel medical cu clemă pentru deget sau co-oximetrele standard, de laborator. Co-oximetria este o metodă invazivă de măsurare a saturației de oxigen a sângelui care oferă o precizie ridicată, dar în majoritatea cazurilor nu este convenabil de administrat.
În procesul de calibrare se generează o curbă de potrivire optimă a valorii RoR calculată de dispozitivul optic SpO2 cu valoarea SaO2 măsurată de co-oximetru. Această curbă este utilizată pentru a genera o tabelă de căutare sau o ecuație pentru calcularea SpO2.
Calibrarea va fi necesară pentru toate modelele de SpO2, deoarece RoR depinde de o serie de variabile, cum ar fi lungimea de undă și intensitatea LED-ului, răspunsul PD, plasarea corpului și respingerea luminii ambientale, care vor fi diferite pentru fiecare model.
Un indice de perfuzie crescut și, pe de altă parte, o gamă dinamică AC ridicată pe lungimile de unde roșii și IR vor crește sensibilitatea calculului RoR și, totodată, vor produce o măsurare mai precisă a SpO2.
În timpul unui studiu de hipoxie, trebuie înregistrate 200 de măsurători la intervale egale între 100% și 70% din saturația oxigenului în sânge. Subiecții sunt aleși cu o varietate de tonuri de culoare a pielii și cu o răspândire egală a vârstei și sexului. Variațiile în ceea ce privește tenul, vârsta și sexul explică diferențele dintre nivelurile indicelui de perfuzie obținute de la un număr mare de participanți.
Eroarea globală pentru pulsoximetrele transmisive trebuie să fie ≤3,0% și ≤3,5% pentru configurația reflexivă.
Considerații de proiectare
Transmisiv vs. Reflectiv
Un semnal PPG poate fi obținut utilizând o configurație LED și PD transmisivă sau reflectivă. O configurație transmisivă măsoară lumina neabsorbită care trece printr-o parte a corpului. Această configurație este cea mai potrivită pentru zone precum degetul și lobul urechii, unde măsurarea beneficiază de densitatea capilară din aceste părți ale corpului, ceea ce face ca măsurătorile să fie mai stabile, mai repetitive și mai puțin sensibile la variațiile de amplasare. Configurațiile transmisive obțin o creștere a indicelui de perfuzie cu 40dB până la 60dB.
Configurațiile PPG reflectorizante sunt alese atunci când PD-ul și LED-ul trebuie să fie plasate unul lângă celălalt din motive practice, cum ar fi în cazul dispozitivelor purtate la încheietura mâinii sau la piept.
Poziționarea senzorului și indicele de perfuzie
Poziționarea pe încheietura mâinii și pe piept necesită o gamă dinamică mai mare în AFE PPG, deoarece semnalul DC este mult crescut datorită adâncimii arterelor aflate sub componentele statice reflectante, cum ar fi pielea, grăsimea și osul.
O rezoluție mai mare în măsurătorile PPG va reduce incertitudinea în algoritmul SpO2. Cu un PI tipic de 1până la 2% pentru senzorii SpO2 purtați la încheietura mâinii, scopul proiectării pulsoximetrului este de a crește PI prin proiectare mecanică sau de a crește domeniul dinamic.
Spațierea dintre LED și PD va avea un efect major asupra PI. O spațiere prea mică va crește interferența dintre LED și PD sau retrodispersia. Aceasta va apărea ca un semnal de curent continuu și va satura AFE-ul.
Mărirea acestei distanțe reduce efectul atât al retrodifuziunii, cât și al interferenței, dar reduce, de asemenea, raportul transformatorului de curent (CTR), care reprezintă curentul de întoarcere de la ieșirea LED-ului la PD. Acest lucru va afecta eficiența sistemului PPG și va necesita o putere mai mare a LED-ului pentru a maximiza domeniul dinamic al AFE-ului.
Pulsațiile rapide ale unuia sau mai multor LED-uri prezintă avantajul de a reduce contribuția zgomotului 1/f la semnalul global. De asemenea, pulsațiile LED-urilor fac posibilă utilizarea modulației sincronizate în partea de recepție pentru a anula interferențele de lumină ambientală. Integrarea mai multor impulsuri crește amplitudinea semnalului PD și reduce consumul mediu de curent. Creșterea suprafeței totale a PD-ului crește, de asemenea, CTR-ul, deoarece este captată o cantitate mai mare de lumină reflectată.
Pentru măsurarea PPG a ritmului cardiac, mulți producători de dispozitive de stimulare a ritmului cardiac au adoptat o combinație între un singur PD mare și mai multe LED-uri verzi eficiente din punct de vedere energetic, pentru a fi utilizate în locuri în care fluxul sanguin este limitat. LED-urile verzi sunt alese datorită rejecției ridicate a artefactelor de mișcare.2) Totuși, acest lucru se face cu prețul puterii. LED-urile verzi au o tensiune directă mai mare decât cea a LED-urilor roșii și infraroșii și o absorbție ridicată în țesutul uman, ceea ce înseamnă că este necesară o putere mai mare a LED-ului pentru a returna informații cardiace semnificative.
Deoarece SpO2 necesită mai multe lungimi de undă, iar majoritatea sistemelor încorporează încă LED-uri verzi de înaltă eficiență pentru PPG HR, cea mai comună configurație pentru sistemele PPG HR și SpO2 este o singură matrice de LED-uri verzi, roșii și IR înconjurată de mai multe PD-uri, așa cum se vede pe ceasul ADI VSM din figura 5. Distanța dintre PD și LED a fost optimizată pentru a reduce retrodispersia, iar designul deflectorului reduce interferențele dintre LED-uri și PD.
Mai multe prototipuri ale ceasului ADI VSM au fost testate pentru a verifica cea mai eficientă spațiere între PD și LED-uri pentru măsurarea PPG HR și SpO2.
Artefacte de mișcare
Artefactele de mișcare reprezintă una dintre cele mai mari provocări de proiectare pentru un sistem de măsurare PPG. Atunci când este prezentă mișcarea, lățimea arterelor și a venelor se modifică din cauza presiunii. Cantitatea de lumină absorbită de fotodiodă se modifică, iar acest lucru este prezent pe semnalul PPG, deoarece fotonii sunt absorbiți sau reflectați în mod diferit față de momentul în care un corp este în repaus.
Pentru o zonă a fotodiodei infinit de largă, care acoperă o mostră de țesut infinit de lungă și adâncă, până la urmă toți fotonii vor fi reflectați către fotodiodă. În acest caz, nu va fi detectat niciun artefact datorat mișcării. Totuși, acest lucru nu poate fi realizat; soluția este de a mări suprafața fotodiodei, ținând cont în același timp de capacitate – scăzând AFE-ul și asigurând filtrarea pentru artefactele de mișcare.
Frecvența normală pentru un semnal PPG este cuprinsă între 0,5Hz și 5Hz, în timp ce artefactele de mișcare sunt de obicei cuprinse între 0,01Hz și 10Hz. Tehnicile simple de filtrare trece-bandă nu pot fi utilizate pentru a elimina artefactele de mișcare din semnalul PPG. Pentru a obține o anulare a mișcării de mare precizie, un filtru adaptiv trebuie să primească date de mișcare foarte precise. În acest scop, Analog Devices a dezvoltat accelerometrul cu 3 axe ADXL362. Acest accelerometru oferă o rezoluție de 1 mg cu o gamă de până la 8 g, consumând în același timp doar 3,6μW la 100Hz și este disponibil într-o capsulă de 3 mm × 3 mm.
Soluția ADI: ADPD4100
Poziționarea pulsoximetrului generează mai multe provocări. Dispozitivele SpO2 purtate la încheietura mâinii oferă provocări suplimentare de proiectare, deoarece semnalul AC de interes reprezintă doar 1 până la 2% din lumina totală primită pe PD. Pentru a obține certificarea de nivel medical și pentru a distinge între ușoarele variații ale nivelului de oxihemoglobină, este necesară o gamă dinamică mai mare pe semnalul AC. Acest lucru poate fi realizat prin reducerea interferențelor luminii ambientale și prin diminuarea zgomotului driverului de LED și al AFE-ului. ADI a abordat această problemă cu dispozitivul ADPD4100.
ADPD4100 și ADPD41001 ating o valoare SNR de până la 100 dB. Această gamă dinamică crescută este esențială pentru măsurarea SpO2 în scenarii cu perfuzie scăzută. Acest AFE optic integrat dispune de opt surse de curent cu zgomot redus și opt intrări PD separate. Controlerul digital de sincronizare are 12 sloturi de sincronizare programabile, care permit utilizatorului să definească o arie de secvențe PD și LED cu un curent specific pentru LED, filtrare analogică și digitală, opțiuni de integrare și constrângeri de sincronizare.
Un beneficiu esențial al dispozitivului ADPD4100 este creșterea SNR/μW, care este un parametru important pentru monitorizarea continuă alimentată de la baterie. Acest parametru cheie a fost abordat prin creșterea domeniului dinamic al AFE-ului, reducând în același timp consumul de curent al acestuia. ADPD4100 oferă acum un consum total de putere de numai 30 μW pentru o măsurătoare continuă PPG de 75dB, 25Hz, inclusiv alimentarea LED-ului. Creșterea numărului de pulsuri pe eșantion (n) va duce la o creștere (√n) a SNR, în timp ce creșterea curentului prin driverul de LED va avea o creștere proporțională a SNR. Consumul total al sistemului de 1μW va produce un SNR de 93 dB pentru o măsurătoare PPG continuă utilizând o alimentare de 4V pentru LED.
Rejecția automată a luminii ambientale reduce sarcina microprocesorului gazdă, atingând în același timp o rejecție a luminii de 60 dB. Acest lucru se realizează folosind pulsuri LED cu o viteză de până la 1 μs, împreună cu un filtru trece-bandă pentru a rejecta interferențele. În anumite moduri de operare, ADPD4100 calculează automat curentul de întuneric al fotodiodei sau starea de stingere a LED-ului. Acest rezultat este sustras din starea LED-ului aprins (“on”) înainte de conversia în ADC pentru a elimina lumina ambientală, precum și erorile de câștig și deriva din fotodiodă.
ADPD4100 este compatibil cu kitul de evaluare pentru dispozitive purtabile EVAL-ADPD4100-4101 împreună cu ceasul ADI Vital Signs Monitoring Study Watch. Acest hardware se conectează fără probleme la aplicația ADI Wavetool pentru a permite măsurători de bioimpedanță, ECG, PPG ritm cardiac și PPG cu mai multe lungimi de undă pentru dezvoltarea SpO2.
În ceasul de studiu este încorporat un algoritm de control automat al câștigului (AGC – Automatic Gain Control) pentru ADPD4100, care reglează câștigul TIA și curentul prin LED pentru a oferi o gamă dinamică optimă a semnalului AC pentru toate lungimile de undă ale LED-ului selectat.
Soluții ADI alternative
Citirile SpO2 bazate pe deget- și lobul urechii- sunt cele mai ușor de proiectat, deoarece raportul semnal/zgomot este mai mare decât poziționarea bazată pe încheietura mâinii sau pe piept, datorită reducerii structurii osoase și a țesutului, ceea ce reduce, implicit, contribuția componentei de curent continuu.
Pentru astfel de aplicații, modulele ADPD144RI și ADPD1080 sunt cele mai potrivite.
ADPD144RI este un modul complet în care sunt integrate un LED roșu de 660 nm și un LED infraroșu de 880 nm, precum și patru PD-uri într-o capsulă de 2,8 mm × 5 mm. Distanța dintre LED-uri și PD a fost optimizată pentru a oferi cel mai bun raport semnal-zgomot pentru măsurători SpO2 PPG de înaltă precizie. Acest modul permite utilizatorilor să treacă rapid peste provocările de proiectare asociate cu amplasarea și spațierea LED – PD pentru a obține un raport optim între putere și zgomot. Din punct de vedere mecanic, ADPD144RI a fost optimizat pentru a reduce cât mai mult posibil diafonia optică. Acest lucru oferă o soluție solidă, chiar și atunci când senzorul este plasat sub o singură fereastră de sticlă.
ADPD1080 este un AFE optic integrat cu trei canale LED drive și două canale de intrare de curent PD într-o capsulă WLLCSP cu 17 bile, de 2,5 mm × 1,4 mm. Acest AFE este ideal pentru produsele PPG cu număr redus de canale, personalizate, unde spațiul pe placă este critic.
Referințe
1) Toshiyo Tamura. “Current Progress of Photoplethysmography and SpO2 for Health Monitoring.” Biomedical Engineering Letters, February 2019.
2) Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, and Takehiro Yamakoshi. “Comparison Between Red Green and Blue Light Reflection Photoplethysmography for Heart Rate Monitoring During Motion.” 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), July 2013.
Despre autor: Robert Finnerty este inginer de aplicații de sistem și lucrează la Digital Healthcare Group, cu sediul în Limerick, Irlanda. El colaborează îndeaproape cu Vital Signs Monitoring Group, concentrându-se pe soluții de măsurare optică și de impedanță. Rob s-a alăturat grupului de convertoare de precizie din cadrul ADI în 2012 și s-a axat pe măsurători de precizie cu lățime de bandă redusă. Este licențiat în inginerie electronică și electrică (B.E.E.E.E.) la Universitatea Națională din Irlanda Galway (NUIG). Poate fi contactat la adresa de e-mail rob.finnerty@analog.com.
Vizitați https://ez.analog.com
Contact România:
Email: inforomania@arroweurope.com
Mobil: +40 731 016 104
Arrow Electronics | https://www.arrow.com