تغییرحجم‌سنجی نوری

تغییرحجم‌سنجی نوری یا فوتوپلتیسموگرام (Photoplethysmogram یا PPG) یک حجم‌­سنجی نوری است که می­‌تواند برای تشخیص تغییرات حجم خون در بستر رگ عروقی بافت به کار گرفته شود. PPG معمولا با استفاده از اکسیژ‌‌‌‌‌ن‌­سنج خون(پالس اکسی‌متر) بدست می‌آید که پوست را تحت تاثیر قرار داده و تغییرات جذب نور را اندازه‌­گیری می‌­کند.[1] اکسیژن‌­سنج خون معمولی بر اساس خونی که در بافت غشاء میانی پوست و بخش زیرپوستی قرار دارد عمل پایش (مانیتورینگ) را انجام می‌­دهد.

تغییرحجم‌سنجی نوری
تشخیص پزشکی
سرعنوان‌های موضوعی پزشکیD017156
نمایشگر PPG گرفته شده از پالس اکسی‌متر گوش.تنوع و تغییرات در دامنه ناشی از تنوع ناشی از تنفس می‌باشد.MeSH

با هر چرخه قلبی، قلب خون را به تمام نقاط بدن پمپ می­‌کند. درست است که این فشار نبض تا زمانی که به پوست می­‌رسد تا حدودی میرا می­‌شود، اما همین کافی است که منجر به متورم کردن شریان و سرخرگها در بافت زیرپوستی شود. اگر اکسیژن‌­سنج خون بدون فشار به پوست متصل شود، یک فشار نبض از شبکه سیاهرگی به عنوان یک قله کوچک ثانویه شناسایی می­‌شود.

پالس اکسی‌متر(اکسیژن‌سنج خون) انگشت

تغییرات در حجم که به وسیله فشار نبض (پالس) ایجاد می‌­شود، با تاباندن نور به کمک یک دیود نوری (LED) و سپس میزان نوری که بازتاب یا منتقل می‌­شود به کمک یک فوتو­­­­­­دیود قابل اندازه‌­گیری است[2]. هر چرخه قلبی همان طور که در شکل دیده می­‌شود، به صورت یک قله ظاهر می­‌شود. از آن‌جایی که جریان خون بر روی پوست می­‌تواند با سیستم­‌های فیزیولوژیکی دیگر بدن کمی دچار تغییر شود، PPGمی­‌تواند برای نظارت بر تنفس، کم­‌حجمی­‌خون و سایر شرایط گردش خون استفاده شود[3]. علاوه بر این، شکل موج PPG بین اشخاص مختلف متفاوت است، و این تفاوت به چگونگی قرار­گیری و موقعیت مکانی که اکسیژن­‌سنج خون نصب شده است بستگی دارد.




مکان‌هایی برای اندازه‌گیری PPG

در حالی که اکسیژن­‌سنج‌­های خون یک دستگاه پزشکی متداول هستند،PPG حاصل از آن­‌ها به ندرت نمایش داده ‌می‌­شود و فقط برای تعیین ضربان قلب پردازش می­شود. PPG­ها را می­‌توان از طریق جذب انتقالی (مانند نوک انگشت) یا انعکاس (مانند پیشانی) ­بدست آورد.

در تنظیمات سرپایی، ­اکسیژن­‌سنج‌­های خون معمولا روی انگشت قرار داده و پوشیده می‌­شوند. با این‌­حال، در موارد شوک، سرما­­­­­‌‌زدگی و غیره، می‌­توان جریان خون را در محیط پیرامونی کاهش داد، در نتیجه یک PPG بدون ضربان قلب قابل تشخیص است.[4]در این حالت می‌­توان PPG را توسط یک اکسیژن‌­سنج نبضی روی سر بدست آورد، با شایع‌­ترین مکان­‌ها که درگوش، تیغه­‌بینی و پیشانی قرار دارد. PPG همچنین می‌­تواند به عنوان تغییر حجم سنجی نوری چند مکانه(MPPG) پیکر­بندی شود، به عنوان مثال اندازه­‌گیری همزمان از آویز گوش راست و چپ، انگشتان اشاره و انگشتان شصت پا، و ارائه فرصت­‌های بیشتر برای ارزیابی بیماران مشکوک به بیماری شریانی پیرامونی، اختلال عملکرد خودکار، اختلال عملکرد اندوتلیال و سفتی شریانی. MPPGهمچنین پتانسیل قابل توجهی برای داده­‌کاوی ارائه می­‌دهد، به عنوان مثال با استفاده از یادگیری عمیق، و همچنین طیف وسیعی از تکنیک‌­های ابتکاری دیگر برای تجزیه و تحلیل موج نبض.[5][6][7][8]

مشخص شده است که آرتیفکت­‌های حرکتی یک عامل محدود­کننده است که مانع از قرائت دقیق در هنگام ورزش و شرایط زندگی آزاد می­‌شود.

کاربردها
انقباض بطنی زودرس (PVC) همانند EKG و فشار خون (BP) در PPG نیز دیده می‌شود.

نظارت بر ضربان قلب و چرخه قلبی
نبض‌های وریدی را می توان به وضوح در این PPG مشاهده کرد.

از آن­‌جا که پوست به طور بسیار غنی تزریق شده است، تشخیص جزء ضربان­­دار چرخه قلب نسبتا آسان است. مؤلفه DC سیگنال به میزان عمده قابل انتساب به جذب بافت پوست می­‌باشد، در حالی­که مؤلفه AC مستقیماً به تغییر حجم خون در پوست ناشی از فشار نبض چرخه قلب نسبت داده می­‌شود.

ارتفاع مؤلفه AC تغییر حجم­‌سنجی نوری متناسب با فشار نبض، اختلاف فشار انقباضی و انبساطی در رگ­‌ها است. همان­طور که در شکل انقباضات بطنی زودرس (PVCs) نشان داده شده است، ضربان PPG برای چرخه قلب با PVC منجر به فشار خون و PPG با دامنه کمتری می­‌شود. تپش قلب بطنی و انقباض نا­منظم رشته­‌های عضلانی(فیبریلاسیون) بطنی نیز قابل تشخیص است.[9]


نظارت بر تنفس
اثرات سدیم نیتروپروساید (Nipride)، یک گشادکننده عروق پیرامونی،بر PPG انگشت یک ماده آرام بخش. همان‌طور که انتظار می‌رفت ، دامنه PPG پس از تزریق افزایش می‌یابد ، و علاوه بر این ، تنوع ناشی از تنفس (RIV) افزایش می‌یابد.[10]

تنفس با تغییر فشار داخل پرده جنبی، فشار بین دیواره قفسه سینه و ریه‌­ها بر چرخه قلب تاثیر می­‌گذارد. از آن­جا که قلب در حفره قفسه سینه بین ریه­‌ها قرار دارد، فشار جزئی استنشاق و بازدم فشار زیادی بر روی سیاهرگ و پر­­­­‌‌‌شدن دهلیز راست دارد. این اثر اغلب به عنوان آریتمی سینوسی طبیعی شناخته می­‌شود.

در طول دم، فشار داخل پرده جنبی تا 4 میلی­‌متر جیوه کاهش می‌­یابد،‌که دهلیز راست را متورم می­‌کند، اجازه می‌­دهد سیاهرگ سریع­‌تر پر شود، بار­گذاری بطن افزایش و سکته قلبی کاهش یابد. بر عکس در طول باز­دم، قلب فشرده می‌­شود،‌کارایی چرخه قلب کاهش می‌­یابد و حجم سکته افزایش می­‌یابد. وقتی فرکانس و عمق تنفس افزایش می­‌یابد، بازگشت سیاهرگی افزایش می­‌یابد و منجر به افزایش برون­ده قلب می­‌شود.[11]

نظارت بر عمق بیهوشی

متخصصان بیهوشی اغلب باید به طور ذهنی قضاوت کنند که آیا بیمار به اندازه کافی برای عمل جراحی بیهوش شده است. همان­طور که در شکل دیده می‌شود، اگر بیمار به اندازه کافی بیهوش نشود، پاسخ سیستم عصبی خود­کار به یک برش می‌­تواند یک واکنش و پاسخ فوری در دامنه PPG ایجاد کند.[10]

اثرات برش بر روی سوژه‌ای تحت بیهوشی کلی بر روی فوتوپلتیزموگرافی (PPG) و فشار خون (BP).

نظارت بر کم‌حجمی خونی و سوزن تزریق

شامیر(Shamir)، ایدلمن(Eidelman)  و همکاران اثر متقابل بین تنفس و حذف 10 درصد از حجم خون بیمار برای ذخیره خون قبل از جراحی را مطالعه کردند.[12] آن­‌ها دریافتند که از دست دادن خون در دستگاه تغییر حجم‌­سنجی نوری هم از طریق اکسیژن‌­سنج خون و هم از طریق کاتتر شریانی قابل تشخیص است. بیماران در هنگام فشرده شدن قلب، در دامنه ضربان قلب ناشی از بار اولیه قلب در هنگام بازدم، کاهش نشان دادند.

نظارت بر فشار خون

گزارش­ شده است که FDA در ماه آگوست سال 2019 برای تغییر حجم­‌سنج نوری مبتنی بر نظارت بدون دست‌­بند فشار خون ترخیص کالا از گمرک را ارائه می‌­دهد.[13]


تغییر حجم‌سنج نوری از راه دور

تصویر‌برداری مرسوم

در حالی‌­که تغییر حجم­‌سنجی نوری معمولا به نوعی تماس با پوست انسان (مثلاً گوش، انگشت) نیاز دارد، تغییر حجم­‌سنجی نوری از راه دور امکان تعیین فرآیند­های فیزیولوژیکی مانند جریان خون بدون تماس با پوست را فراهم می­‌کند. این امر با استفاده از فیلم ویدئویی برای تجزیه و تحلیل تغییرات ناچیز لحظه‌­ای در رنگ پوست سوژه که برای چشم انسان قابل تشخیص نیست، حاصل می‌­شود.[14][15] چنین اندازه‌­گیری مبتنی بر دور­بین از میزان اکسیژن خون، جایگزینی بدون تماس برای تغییر حجم­‌سنجی نوری معمولی را فراهم می­‌کند. به عنوان مثال، می­‌تواند برای نظارت بر ضربان قلب نوزادان تازه متولد­شده، [16] یا تجزیه و تحلیل با شبکه‌­های عصبی عمیق برای تعیین میزان استرس مورد استفاده قرار بگیرد.[17]

تغییر‌حجم‌سنجی نوری انگشت شست توسط تمام‌نگار تصویر‌برداری لیزر داپلر

تمام‌‌نگاری دیجیتال

تغییر حجم‌­سنجی نوری هم­چنین می‌­تواند توسط تمام­‌نگاری دیجیتال انجام شود، که به فاز امواج نور حساس است و از این رو می­‌تواند حرکات خارج از صفحه زیر میکرون را نشان دهد. به طور خاص، تصویر­برداری میدان وسیع از حرکت ضربانی ناشی از جریان خون را می­‌توان بر روی انگشت شست توسط تمام­‌نگاری دیجیتال اندازه‌­گیری کرد. نتایج قابل مقایسه با نبض خون است که توسط تغییر حجم­‌سنجی نوری در طی یک آزمایش انسداد-خون­‌رسانی مجدد کنترل و نظارت می‌­شود.[18]مزیت اصلی این سیستم این است که نیازی به تماس فیزیکی با سطح بافت مورد مطالعه ندارد.

امواج ضربان‌دار در پشت قورباغه توسط تمام‌نگار تغییر‌حجم‌سنجی نوری (فوتوپلتیزموگرافی) اندازه‌گیری می‌شود.

اصلاح این روش، تمام‌­نگار تصویر­برداری لیزر داپلر، نظارت غیر تهاجمی بر موج نبض جریان خون شبکیه و مشیمیه را ممکن می­‌سازد [19]. در تمام‌­نگاری لیزر داپلر قسمت انتهایی چشم، مشیمیه سهم عمده را در سیگنال فرکانس بالای لیزر داپلر تشکیل می‌­دهد. با این حال می‌­توان با کم کردن متوسط سیگنال پایه فضایی، تاثیر آن را کاهش داد و به وضوح تصویر بالا و قابلیت تصویر­برداری کامل از جریان خون ضربان‌­دار دست یافت.



همچنین ببینید

منابع
  1. K. Shelley and S. Shelley, Pulse Oximeter Waveform: Photoelectric Plethysmography,in Clinical Monitoring, Carol Lake, R. Hines, and C. Blitt, Eds. : W.B. Saunders Company, 2001, pp. 420-428.
  2. E. Aguilar Pelaez et al., "LED power reduction trade-offs for ambulatory pulse oximetry," 2007 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Lyon, 2007, pp. 2296-2299. doi: 10.1109/IEMBS.2007.4352784, URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4352784&isnumber=4352185
  3. Reisner A, Shaltis PA, McCombie D, Asada HH (May 2008). "Utility of the photoplethysmogram in circulatory monitoring". Anesthesiology. 108 (5): 950–8. doi:10.1097/ALN.0b013e31816c89e1. PMID 18431132.
  4. Budidha, K; Kyriacou, PA (August 2015). "Investigation of photoplethysmography and arterial blood oxygen saturation from the ear-canal and the finger under conditions of artificially induced hypothermia" (PDF). Conference Proceedings : ... Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference. 2015: 7954–7. doi:10.1109/EMBC.2015.7320237. ISBN 978-1-4244-9271-8. PMID 26738137. S2CID 4574235.
  5. Allen, John; Overbeck, Klaus; Nath, Alexander F.; Murray, Alan; Stansby, Gerard (Apr 2008). "A prospective comparison of bilateral photoplethysmography versus the ankle-brachial pressure index for detecting and quantifying lower limb peripheral arterial disease". J Vasc Surg. 47 (4): 794–802. doi:10.1016/j.jvs.2007.11.057. PMID 18381141.
  6. McKay, N. D.; Griffiths, B.; Di Maria, C.; Hedley, S.; Murray, A.; Allen, J. (Oct 2014). "Novel photoplethysmography cardiovascular assessments in patients with Raynaud's phenomenon and systemic sclerosis: a pilot study". Rheumatology (Oxford). 53 (10): 1855–63. doi:10.1093/rheumatology/keu196. PMID 24850874.
  7. Mizeva, Irina; Di Maria, Costanzo; Frick, Peter; Podtaev, Sergey; Allen, John (Mar 2015). "Quantifying the correlation between photoplethysmography and laser Doppler flowmetry microvascular low-frequency oscillations". J Biomed Optics. 20 (3): 037007. Bibcode:2015JBO....20c7007M. doi:10.1117/1.JBO.20.3.037007. PMID 25764202. S2CID 206437523.
  8. Al-Jebrni, Abdulrhman H.; Chwyl, Brendan; Wang, Xiao Yu; Wong, Alexander; Saab, Bechara J. (2020-05-01). "AI-enabled remote and objective quantification of stress at scale". Biomedical Signal Processing and Control. 59: 101929. doi:10.1016/j.bspc.2020.101929. ISSN 1746-8094.
  9. Alian, AA; Shelley, KH (December 2014). "Photoplethysmography". Best Practice & Research. Clinical Anaesthesiology. 28 (4): 395–406. doi:10.1016/j.bpa.2014.08.006. PMID 25480769.
  10. Shelley, KH (December 2007). "Photoplethysmography: beyond the calculation of arterial oxygen saturation and heart rate". Anesthesia and Analgesia. 105 (6 Suppl): S31–6, tables of contents. doi:10.1213/01.ane.0000269512.82836.c9. PMID 18048895. S2CID 21556782.
  11. Shelley, KH; Jablonka, DH; Awad, AA; Stout, RG; Rezkanna, H; Silverman, DG (August 2006). "What is the best site for measuring the effect of ventilation on the pulse oximeter waveform?". Anesthesia and Analgesia. 103 (2): 372–7, table of contents. doi:10.1213/01.ane.0000222477.67637.17. PMID 16861419. S2CID 6926327.
  12. M. Shamir, L. A. Eidelman, Y. Floman, L. Kaplan, and R. Pi-zov, Pulse Oximetry Plethysmographic Waveform During Changes in Blood Volume, Br. J. Anaesth., vol. 82, pp. 178-181, 1999.
  13. Wendling, Patrice (28 August 2019). "FDA Okays Biobeat's Cuffless Blood Pressure Monitor". Medscape. Retrieved 5 September 2019.
  14. Verkruysse, W.; Svaasand, L.O.; Nelson, J.S. (2008). "Remote plethysmographic imaging using ambient light". Optics Express. 16 (26): 21434–21445. Bibcode:2008OExpr..1621434V. doi:10.1364/OE.16.021434. PMC 2717852. PMID 19104573.
  15. Rouast, P.V.; Adam, M.T.P.; Chiong, R.; Cornforth, D.; Lux, E. (2018). "Remote heart rate measurement using low-cost RGB face video: A technical literature review". Frontiers of Computer Science. 12 (5): 858–872. doi:10.1007/s11704-016-6243-6. S2CID 1483621.
  16. https://www.youtube.com/watch?v=7Nq73-jYbpY
  17. Al-Jebrni, Abdulrhman H.; Chwyl, Brendan; Wang, Xiao Yu; Wong, Alexander; Saab, Bechara J. (2020-05-01). "AI-enabled remote and objective quantification of stress at scale". Biomedical Signal Processing and Control. 59: 101929. doi:10.1016/j.bspc.2020.101929. ISSN 1746-8094.
  18. Bencteux, Jeffrey (2015). "Holographic laser Doppler imaging of pulsatile blood flow". Journal of Biomedical Optics. 20 (6): 066006. arXiv:1501.05776. Bibcode:2015JBO....20f6006B. doi:10.1117/1.JBO.20.6.066006. PMID 26085180. S2CID 20234484.
  19. Puyo, L., M. Paques, M. Fink, J-A. Sahel, and M. Atlan. "In vivo laser Doppler holography of the human retina." Biomedical optics express 9, no. 9 (2018): 4113-4129.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.