چه چیزی تضمین می‌کند که سنسورهای SpO2 خوانش‌های قابل اعتمادی از اکسیژن خون ارائه دهند؟

سنسورهای SpO2 چگونه اشباع اکسیژن خون را اندازه‌گیری می‌کنند؟

علم پشت اکسیمتری پالس و جذب نور

سنسورهای SpO2 با بررسی میزان اکسیژن در خون بر اساس نحوه عبور انواع مختلف نور از بدن ما کار می‌کنند. دستگاه دو نوع موج نوری را ارسال می‌کند، یکی نور قرمز با طول موج ۶۶۰ نانومتر و دیگری نور مادون قرمز با طول موج ۹۴۰ نانومتر، که از قسمت‌هایی از بدن با پوست نسبتاً نازک مانند انگشتان عبور می‌کنند. هنگامی که به آنچه اتفاق می‌افتد نگاه می‌کنیم، مشاهده می‌شود که وقتی هموگلوبین اشباع از اکسیژن است، تمایل دارد تا نور مادون قرمز را بیشتر جذب کند. اما اگر اکسیژن کافی موجود نباشد، این مولکول‌ها در عوض نور قرمز را بیشتر جذب می‌کنند. سنسورها با مقایسه میزان جذب هر یک از این دو نوع نور، مقدار SpO2 را محاسبه می‌کنند و عددی را ارائه می‌دهند که معمولاً برای فردی که تنفس مناسبی دارد بالاتر از ۹۵ درصد است. چه چیزی باعث امکان‌پذیر شدن این فرآیند می‌شود؟ پزشکان سال‌هاست که واکنش سلول‌های خون به نورهای مختلف را مطالعه کرده‌اند و یافته‌های آن‌ها این روش را در بسیاری از مجلات پزشکی تأیید کرده‌اند.

نقش نور قرمز و نور مادون قرمز در تعیین سطح SpO2

سیستم‌های دو طول موجی به یکی از مشکلات بزرگ در نظارت پزشکی، یعنی تشخیص اینکه آیا خون اکسیژن حمل می‌کند یا نه، می‌پردازند. علم پشت این روش به این صورت است: نور مادون قرمز به خونی که از اکسیژن غنی است عمق بیشتری می‌رسد، در حالی که خون فقیر از اکسیژن تمایل دارد نور قرمز را بیشتر جذب کند. دستگاه‌های جدیدتر اکسیمتر پالس در این زمینه بسیار هوشمندانه عمل کرده‌اند و می‌توانند شدت نورها را بسته به ضخامت انگشت فرد تنظیم کنند، که باعث می‌شود این دستگاه‌ها برای افراد با اندازه‌های مختلف دست و سایر رنگ‌های پوستی عملکرد بهتری داشته باشند. پس از آزمایش‌های فراوان در کلینیک‌ها و بیمارستان‌ها، این روش‌های نوری نیز نتایج خوبی نشان داده‌اند و معمولاً در شرایط آزمایشگاهی و با تنظیمات مناسب، خطایی در حدود ۲٪ دارند.

پردازش سیگنال و الگوریتم‌ها در دستگاه‌های اکسیمتر دیجیتال پالس

داده‌های نوری خام از طریق یک فرآیند سه مرحله‌ای پردازش می‌شوند:

1. فیلترینگ نویز حذف ناخالصی‌های ناشی از حرکت یا نور محیط
2. تشخیص ضربان الگوهای جریان خون شریانی را از سیگنال‌های وریدی/زمینه‌ای جدا می‌کند
3. تبدیل نسبت به SpO2 از منحنی‌های کالیبراسیون تجربی استخراج‌شده استفاده می‌کند

دستگاه‌های پیشرفته از یادگیری ماشین برای تشخیص امواج غیرطبیعی ناشی از پرفیوژن ضعیف یا آریتمی‌ها استفاده می‌کنند. سنسورهای بالینی داده‌ها را با فرکانس 120 هرتز نمونه‌برداری می‌کنند و امکان تنظیمات لحظه‌ای در طول تغییرات سریع اشباع اکسیژن را فراهم می‌آورند.

عوامل فیزیولوژیکی و مرتبط با کاربر که دقت سنسور SpO2 را تحت تأثیر قرار می‌دهند

تأثیر رنگ پوست و نابرابری‌های نژادی در خواندن‌های SpO2

مقدار رنگدانه در پوست فرد می‌تواند به طور واقعی بر دقت سنسورهای کوچک قلاب‌مانند انگشت که برای اندازه‌گیری سطح اکسیژن خون استفاده می‌شوند، تأثیر بگذارد. این امر به این دلیل رخ می‌دهد که ملانین به شکل متفاوتی با نورهای قرمز و مادون قرمز مورد استفاده در این دستگاه‌ها واکنش نشان می‌دهد. تحقیقات اخیر منتشر شده در مجله JAMA در سال ۲۰۲۳ چیز نگران‌کننده‌ای را نشان داد - زمانی که افراد دارای تن پوست تیره‌تر هستند، این دستگاه‌های پالس اکسیمتر تمایل دارند در مواقعی که سطح اکسیژن کاهش یافته است، مقادیری بالاتر از مقدار واقعی نشان دهند. سازمان غذا و دارو (FDA) نیز در همان زمان این موضوع را بررسی کرد و به نتایج مشابهی دست یافت. در نتیجه، شرکت‌های سازنده این تجهیزات پزشکی اکنون با قوانین جدیدی در مورد کالیبراسیون مناسب تجهیزات خود مواجه هستند. این موضوع از اهمیت بالایی برخوردار است، چرا که دقت در خواندن مقادیر در محیط‌های مراقبت‌های بهداشتی که تصمیمات سریع باید بر اساس داده‌های قابل اعتماد گرفته شوند، بسیار مهم است.

اثرات گردش ضعیف خون، اندام‌های سرد و نویزهای ناشی از حرکت

کاهش پرفیوژن محیطی — که در هیپوترومی یا شرایط قلبی عروقی رایج است — باعث کاهش کیفیت سیگنال می‌شود هنگامی که شاخص پرفیوژن به زیر 0.2% برسد. هنگام حرکت بیمار، آرتیفکت‌های حرکتی می‌توانند خطاهای قابل توجهی ایجاد کنند، همان‌طور که در آزمایش‌های بالینی نشان داده شده است. برای دقت بهینه:

• افزایش دمای اندام‌ها به حداقل 32°C قبل از اندازه‌گیری
• استفاده از سنسورهای مقاوم در برابر حرکت در بیماران فعال
• قرار دادن پروب‌ها دور از نقاط خم شدن مفاصل

تداخل ناشی از لاک ناخن، ناخن‌های مصنوعی و لرزش

مطالعه انجام‌شده در سال ۲۰۲۲ توسط دانشگاه میشیگان نشان داد که خطاهای اکسیمتربوسیله در بیش از ۱۲٪ از بیمارانی که لاک زیر ناخن تیره داشتند، بیش از ۴٪ بود. برای بیماران مبتلا به بیماری پارکینسون یا لرزش ضروری، واحدهای اندازه‌گیری اینرسی جدید (IMUs) در سنسورها، هنگام مقایسه با مدل‌های معمولی، خطاهای ناشی از حرکت را تا ۶۲٪ کاهش می‌دهند.

روش‌های بهینه قرارگیری و استفاده از سنسور SpO2

تکنیک‌های قرارگیری بهینه روی انگشتان و محل‌های جایگزین

قرار دادن سنسورها به‌صورت صحیح، با انتخاب انگشت مناسب آغاز می‌شود؛ معمولاً انگشت شست یا انگشت وسطی، به شرطی که جریان خون مناسبی داشته باشد و مشکل خاصی در ناخن وجود نداشته باشد. دستگاه باید به‌درستی قرار بگیرد تا آن چراغ‌های کوچک دقیقاً در ناحیه بستر ناخن قرار گیرند، نه آنقدر محکم که فشار بیاورد و نه آنقدر شل که جابجا شود. هنگام کار با افرادی که دست‌های سرد یا مشکلات گردش خون دارند، گاهی انتقال سنسور به لاله گوش یا پیشانی نتیجه بهتری دارد، زیرا این نقاط معمولاً دارای جریان خون پایدارتری هستند. از قرار دادن آن روی نواحی استخوانی که ممکن است فشار ایجاد کند خودداری کنید و به یاد داشته باشید که هر چند ساعت یک‌بار محل قرارگیری را عوض کنید تا از تحریک پوستی جلوگیری شود. تحقیقات نشان می‌دهد که قرارگیری نادرست در برخی موارد می‌تواند خواندن مقادیر را تا حدود ۳٫۵٪ مخدوش کند، به‌ویژه اگر فرد لاک تیره روی ناخن داشته باشد یا پوست بسیار ضخیمی داشته باشد که از عبور صحیح نور سنسور جلوگیری کند.

پیروی از دستورالعمل‌های سازنده برای اندازه‌گیری‌های قابل اعتماد

رعایت دستورالعمل‌های سازنده به حفظ نتایج قابل اعتماد کمک می‌کند، صرف‌نظر از رنگ پوست یا شرایط بالینی خاص. جابه‌جایی سنسورها در هر حدود چهار ساعت یک‌بار باعث جلوگیری از فشردگی بافت‌ها می‌شود که ممکن است منجر به اخلال در خواندن‌ها شود. محدود کردن نظارت مداوم نیز مشکلات تحریک پوستی را کاهش می‌دهد. اطمینان حاصل کنید که کابل‌ها به‌درستی در طول پشت دست قرار گرفته‌اند تا مشکلات ناشی از حرکت در حین خواندن کاهش یابد، و بررسی کنید آیا سنسورها در محل‌های دیگری مانند مچ دست نوزادان یا انگشت‌های پا در بزرگسالان به‌خوبی کار می‌کنند یا خیر. کادر پزشکی که به این قوانین ثابت قرارگیری پایبند باشند، در مقایسه با کسانی که فقط سنسورها را در هر جایی که لحظه‌ای مناسب تشخیص می‌دهند قرار می‌دهند، حدود ۲۳ درصد کمتر با هشدارهای کاذب مواجه می‌شوند، به‌ویژه در بیمارانی که جریان خون ضعیفی دارند. فراموش نکنید تنظیمات دستگاه را بر اساس ویژگی‌های منحصربه‌فرد هر فرد تطبیق دهید و چیزهایی مانند میزان جریان خون در اندام‌های محیطی و مقدار نور پس‌زمینه که ممکن است بر اندازه‌گیری‌ها تأثیر بگذارد را در نظر بگیرید.

تأیید بالینی و استانداردهای نظارتی برای سنسورهای SpO2

الزامات دقت FDA و مقررات بین‌المللی برای دستگاه‌های اکسیمتری پالس

سازمان FDA و سایر آژانس‌های نظارتی الزامات سخت‌گیرانه‌ای را برای سنسورهای SpO2 تعیین کرده‌اند و از تولیدکنندگان خواسته‌اند که خطای مطلق میانگین بیش از ۳٪ در اندازه‌گیری سطح اکسیژن در محدوده اشباع ۷۰٪ تا ۱۰۰٪ نداشته باشند. در سال ۲۰۲۳، FDA هشدار ایمنی صادر کرد و خواستار آزمون‌های سخت‌گیرانه‌تر شد، پس از تحقیقاتی که نشان داد خطاهای اندازه‌گیری در افراد با پوست تیره تقریباً سه برابر بیشتر است. در سطح جهانی، استانداردهای بین‌المللی مانند ISO 80601-2-61 وجود دارند که از تولیدکنندگان می‌خواهند دستگاه‌های خود را حداقل روی ده نفر از افرادی که تمام دسته‌های نوع پوست فیتزپاتریک را پوشش می‌دهند، آزمایش کنند. این آزمون‌ها باید ثابت کنند که عملکرد تجهیزات در شرایط واقعی استفاده، نه فقط در شرایط آزمایشگاهی، در محدوده دقت ±۲٪ باقی می‌ماند.

داده‌های آزمایش بالینی: خطای مطلق میانگین در جمعیت‌های متنوع

تحلیل سال ۲۰۲۲ مجلهٔ نیوانگلند درمان (NEJM) از ۷۰۰۰ بیمار نشان داد که در هنگام وقوع رویدادهای هیپوکسیک (SpO2 <85%)، دستگاه‌های پالس اکسیمتری سطح اکسیژن خون را در بیماران سفیدپوست به میزان ۱٫۸٪ و در بیماران سیاه‌پوست به میزان ۴٫۲٪ بیش‌ازحد تخمین زده‌اند. حسگرهای به‌روزرسانی‌شده که از آرایه‌های LED چندطول‌موجی استفاده می‌کنند، این نابرابری را در آزمایش‌های ۲۰۲۴ منتشرشده در JAMA به ۱٫۲٪ در میان اقوام مختلف کاهش داده‌اند. سازندگان اکنون باید معیارهای MAE را برای موارد زیر منتشر کنند:

• شرایط با جریان خون پایین (<0.2% PI)
• artefact‌های حرکتی (لرزش‌های تا ۳ هرتز)
• رنگ‌های مختلف پوست (فیتزپاتریک IV-VI)

رفع سوگیری نژادی در الگوریتم‌های حسگر SpO2

قانون EQUATE سال ۲۰۲۳ الزام می‌کند که تمام حسگرهای جدید SpO2 باید با مجموعه‌داده‌هایی که شامل ≥35% شرکت‌کنندگان رنگی است آموزش دیده باشند تا نمایندگی تاریخی ناکافی در آزمایش‌های دستگاه‌های پزشکی اصلاح شود. سازندگان پیشرو اکنون از موارد زیر استفاده می‌کنند:

1. کالیبراسیون طیف‌سنجی در سطوح مختلف غلظت ملانین (۰–۲۰۰ میکروگرم/میلی‌لیتر)
2. الگوریتم‌های تطبیقی که بر اساس پروفایل جذب نور فردی تنظیم می‌شوند
3. تراشه‌های اعتبارسنجی درون حسگر که دقت را در مقایسه با الکترودهای کلارک تأیید می‌کنند

مطالعه اعتبارسنجی سال 2024 از حسگرهای به‌روزرسانی‌شده، توافق 98.6 درصدی با اندازه‌گیری‌های گاز خون شریانی را در تمامی نوع پوست‌ها نشان داد و خطاهای خواندن غیرعادی در طول رویدادهای حیاتی کم‌اکسی را تا 41 درصد کاهش داد. اکنون سازمان غذا و دارو (FDA) نظارت مستمر پس از عرضه در بازار را الزامی کرده تا عملکرد در دنیای واقعی در محیط‌های بالینی متنوع پایش شود.

نوآوری‌های افزایش‌دهنده قابلیت اطمینان حسگرهای SpO2 و پایش از راه دور

حسگرهای نسل بعد با الگوریتم‌های تطبیقی برای تمامی تن‌های پوستی

جدیدترین سنسورهای SpO2 در حال رفع مشکلات طولانی‌مدت مربوط به خواندن نادرست در پوست‌های تیره هستند. دستگاه‌های جدیدتر واقعاً به بررسی نحوه تأثیر ملانین بر الگوهای جذب نور از طریق آنچه کالیبراسیون دو طول‌موجی نامیده می‌شود، می‌پردازند. این رویکرد بر اساس تحقیقات سال گذشته کاباناس و همکاران، اختلاف ناشی از عوامل نژادی در اندازه‌گیری اشباع اکسیژن را در مقایسه با مدل‌های قدیمی حدود دو سوم کاهش می‌دهد. آزمایش‌های بالینی در سال 2024 نشان داد که این سنسورهای به‌روزرسانی شده دقتی حدود 98.2٪ برای افراد با انواع پوست فیتزپاتریک IV تا VI دارند، حتی زمانی که جریان خون پایین است. بیشتر تولیدکنندگان از این رو شروع به افزودن نشانگرهای لحظه‌ای کرده‌اند که به کاربران اطلاع می‌دهند آیا خواندن‌های آنها قابل اعتماد هستند یا نه، که این امر تفاوت بزرگی در محیط‌های عملی واقعی ایجاد می‌کند که تصمیم‌گیری سریع اهمیت دارد.

جبران حرکت و ادغام شاخص پرفیوژن

پردازش پیشرفته سیگنال از طریق سه نوآوری کلیدی با اثرات حرکتی مبارزه می‌کند:

1. شتاب‌سنج‌های سه محوره که نویز ناشی از حرکت را در سیگنال‌های PPG تشخیص داده و حذف می‌کنند
2. آستانه‌های شاخص پرفیوژن اطمینان از انجام اندازه‌گیری تنها زمانی که جریان خون از 0.5٪ فراتر رود
3. فیلترهای یادگیری ماشین آموزش دیده بر روی بیش از 100,000 سیگنال بالینی برای تشخیص الگوهای معتبر ضربان

این به‌روزرسانی‌ها دقت اندازه‌گیری را در حین فعالیت بدنی متوسط به 94٪ افزایش می‌دهند، در مقایسه با 72٪ در دستگاه‌های قدیمی. پیشرفت‌های اخیر در یکپارچه‌سازی تله‌مدیسین امکان پایش مستمر از راه دور با تأخیر کمتر از 2 ثانیه را فراهم کرده است که برای بیماران پس از جراحی و بیماران مزمن تنفسی حیاتی است.

‫سوالات متداول‬

SpO2 چیست؟

SpO2 مخفف اشباع اکسیژن مویرگی محیطی است. این مقدار درصد هموگلوبین اکسیژنه شده در خون را تخمین می‌زند.

دستگاه قرص اکسیمتر چگونه کار می‌کند؟

این دستگاه از نور قرمز و مادون قرمز برای اندازه‌گیری جذب نور استفاده می‌کند و اشباع اکسیژن در خون را تعیین می‌کند.

آیا رنگ پوست می‌تواند بر خواندن‌های SpO2 تأثیر بگذارد؟

بله، رنگدانه پوست می‌تواند بر دقت خواندن‌های SpO2 تأثیر بگذارد.

استانداردهای FDA برای سنسورهای SpO2 چیست؟

FDA خطاى مطلق میانگین حداکثر ۳٪ را برای سطوح اشباع اکسیژن بین ۷۰٪ تا ۱۰۰٪ الزامی کرده است.