Na jakiej zasadzie działa urządzenie (taka klamerką) zakładane na palec do badania saturacji
Podstawy fizyczne
• Prawo Lamberta-Beera:
\[ A = ε \cdot c \cdot l \]
gdzie A – absorbancja, ε – molowy współczynnik absorpcji, c – stężenie, l – droga optyczna.
• Charakterystyki absorpcji hemoglobiny:
– HbO₂ silniej pochłania IR (∼940 nm), słabiej czerwone (∼660 nm).
– Hb pochłania odwrotnie.
Fotopletyzmografia (PPG) transmisyjna
• Dwie diody LED włączane naprzemiennie (typowo 500-1000 Hz).
• Fotodioda rejestruje strumień światła przechodzący przez palec.
• Sygnał dzieli się na:
– DC – stała absorpcja tkanek, kości, krwi żylnej.
– AC – zmienna absorpcja krwi tętniczej (puls).
Obliczenie współczynnika R
\[ R=\frac{(AC{660}/DC{660})}{(AC{940}/DC{940})} \]
• R odwzorowuje stosunek Hb/HbO₂.
• Mikroprocesor korzysta z fabrycznej tablicy kalibracyjnej (empirycznie z gazometrii krwi).
Sprzętowa ścieżka sygnałowa
• LED driver z modulacją prądu → optyczne kanały LED.
• Fotodioda → wzmacniacz transimpedancyjny → filtry antyaliasingowe.
• ADC 16-24 bit, oversampling, prawidłowa synchronizacja z przełączaniem LED.
• DSP/MCU: filtracja adaptacyjna, wykrywanie tętna (algorytm Pan-Tompkins lub własny), kompensacja ruchu.
• Wyświetlacz OLED/LC, BLE/Wi-Fi w wersjach „wearable”.
Teoretyczne granice dokładności
• Norma ISO 80601-2-61:2017: ±2 przyp. % dla 70–100 % SpO₂, przy artefaktach ±3–4 %.
• Przy saturacjach <70 % błąd gwałtownie rośnie z powodu spadku SNR sygnału AC.
• Pulsoksymetry refleksyjne (smart-watch, smart-ring) – diody i detektor po tej samej stronie palca lub nadgarstka.
• Technologie wielofalowe (Masimo Rainbow, SET®) – dodatkowe λ (~520–905 nm) pozwalają wykrywać karboksy- i methemoglobinę, SpMet, SpCO.
• Algorytmy z uczeniem maszynowym do kompensacji ruchu i niskiej perfuzji.
• Zdalna fotopletyzmografia (rPPG) – kamera RGB analizuje mikrowahania barwy skóry (telemedycyna, automotive).
• Po COVID-19 rynek notuje >15 % CAGR; miniaturowe czujniki Maxim Integrated / TI AFE-440x trafiają do telefonów i IoT.
Dlaczego palec? Dobre ukrwienie, cienka tkanka miękka, wygodna pozycja wewnątrz klipsa – wysoki współczynnik sygnał/szum.
Analogia: pulsoksymetr to „dwubarwny miernik poziomu atramentu”, gdzie kolor druku (absorpcja) zdradza, ile „tlenu” jest w „atramentowej mieszance” hemoglobiny.
• Konieczność zgodności z MDR (UE) i FDA 510(k) – klasa IIb.
• Ryzyko zawyżania SpO₂ u osób o ciemniejszej karnacji – dyskutowane w literaturze (NEJM 2022). Producenci wprowadzają algorytmy kompensacji pigmentacji.
• Dane osobowe – transmisja BLE powinna być szyfrowana (HIPAA/GDPR).
• Nie rozróżnia HbO₂ od HbCO – pacjent zatruty CO może mieć „prawidłową” SpO₂.
• Methemoglobinemia (~85 %) zafałszowuje wskazania.
• Silne artefakty ruchowe, drżenie Parkinsonowskie, niska perfuzja (wstrząs, hipotermia) → utrata sygnału AC.
• Sensory wielowavelength (>8 λ) do pełnej oksymetrii frakcyjnej (FO).
• Integracja PPG z fotonicznymi układami CMOS-on-chip (Si-photonics).
• Algorytmy ML uwzględniające różnorodność skóry oraz dynamiczną adaptację prądu LED dla optymalnego SNR.
• Standaryzacja oceny dokładności w populacjach pediatrycznych i neonatologii.
Pulsoksymetr klipsowy wykorzystuje spektrofotometrię dwuwiązkową i fotopletyzmografię, aby – po odseparowaniu pulsacyjnego sygnału tętniczego – przeliczyć absorbancję na saturację krwi tlenem. Oparty na prawie Lamberta-Beera pomiar jest szybki, bezbolesny i szeroko stosowany klinicznie, choć podlega ograniczeniom (niska perfuzja, pigmentacja skóry, HbCO). Rosnąca miniaturyzacja, wielowavelength i uczenie maszynowe rozszerzają możliwości tej technologii, czyniąc ją kluczowym narzędziem współczesnej telemedycyny.
