ویژگی‌هایی که سنسور SpO2 را برای نظارت مداوم مناسب می‌کند چیست؟

چگونه فناوری سنسور SpO2 امکان پایش مداوم و غیرتهاجمی را فراهم می‌کند

اکسی‌متـری پالس و اصول طیف‌سنجی نوری در سنسورهای SpO2

حسگرهای SpO2 با این کار می‌کنند که نورهایی با رنگ‌های مختلف را از طریق انگشتان ما می‌تابانند تا میزان اکسیژن خون را بررسی کنند. ایده اصلی واقعاً باهوشانه است. وقتی نور قرمز و مادون قرمز از رگ‌های خونی عبور می‌کنند، به شکل متفاوتی با هموگلوبین تعامل دارند، بسته به اینکه آیا اکسیژن حمل می‌کنند یا نه. خون غنی از اکسیژن تمایل دارد نور مادون قرمز بیشتری را جذب کند، در حالی که خونی که فقیر از اکسیژن است، نور قرمز بیشتری را جذب می‌کند. دستگاه‌های هوشمند سپس تمام این اطلاعات را تحلیل کرده و از طریق محاسبات ریاضی پیچیده به اعداد SpO2 که ما روی مانیتورها می‌بینیم دست پیدا می‌کنند. بر اساس تحقیقات منتشر شده در سال گذشته توسط کاباناس و همکارانش، بیشتر دستگاه‌های اسپو2 امروزی دقتی در حدود ۲ درصد نسبت به آزمایش‌های سنتی خون دارند. نتیجه قابل قبولی برای چیزی که همچین راحت و بدون درد است!

فناوری پلتیسموگرافی نوری (PPG) در دستگاه‌های پوشیدنی سلامت

تکنولوژی PPG با تشخیص تغییرات در حجم خون از طریق آن چراغ‌های کوچک LED و سنسورهایی که امروزه در ساعت‌های هوشمند می‌بینیم کار می‌کند. جدیدترین دستگاه‌های پوشیدنی در واقع از چندین طول موج نور در سیستم‌های PPG خود استفاده می‌کنند که به تشخیص سیگنال‌های ضربان قلب عادی از سر و صدای پس‌زمینه جریان خون وریدی کمک می‌کند. این امر باعث می‌شود آن‌ها بسیار بهتر بتوانند در حین حرکت دستگاه از دست ندهند. شرکت‌های بزرگ هم در این زمینه خیلی باهوش شده‌اند. آن‌ها این سنسورهای نوری را با الگوریتم‌های یادگیری ماشینی ترکیب می‌کنند تا داده‌ها را در زمان حرکت کاربر پاک‌سازی کنند. آزمایش‌های بالینی انجام شده سال گذشته نتایج قابل توجهی نشان داده‌اند. بیشتر دستگاه‌ها در حین راه رفتن معمولی دقتی حدود 85٪ حفظ می‌کنند و حتی در فعالیت‌هایی مانند دویدن آرام یا دوچرخه‌سواری نیز تقریباً دقتی در حدود 72٪ دارند. این در حالی است که اندازه‌گیری دقیق ضربان قلب در حین حرکت چقدر پیچیده است.

ردیابی غیرتهاجمی اکسیژن خون در زمان واقعی

پایش مستمر SpO2 مشکلات زیادی را که در بررسی‌های مقطعی معمولی اکسیمتری پالس وجود دارد، حل می‌کند. این سیستم می‌تواند لحظات کوتاهی را که سطح اکسیژن در خواب کاهش می‌یابد را که در واقع اتفاق زیادی افتادنی دارد، تشخیص دهد. سیستم نوسانات اکسیژن را در تمام طول روز و شب ردیابی می‌کند و به پزشکان داده‌های بهتری برای مدیریت مشکلات سلامتی بلندمدت ارائه می‌دهد. و اگر اکسیژن به زیر 90٪ برسد، دستگاه در عرض 15 ثانیه به کاربر هشدار می‌دهد. برخی از تحقیقات اخیر در مورد هیپوکسی نشان می‌دهند که این دستگاه‌های قابل پوشیدن در این کار به خوبی عمل می‌کنند. این دستگاه‌ها اکنون تقریباً عملکردی مشابه با تجهیزات بیمارستانی را در تشخیص کاهش‌های شب‌ها در سطح اکسیژن با ضریب همبستگی حدود 0.94 از خود نشان داده‌اند. چیزی که باعث عملکرد خوب این فناوری می‌شود، نحوه پردازش سیگنال‌های بدن است. سیستم به صورت خودکار به تغییرات گردش خون در طول روز تطبیق پیدا می‌کند، بنابراین افراد می‌توانند آن را در حالی که کارهای روزمره خود را انجام می‌دهند، بدون هیچ مزاحمتی به همراه داشته باشند.

دقت و قابلیت اطمینان بالینی سنسورهای SpO2 در استفاده واقعی

دقت اندازه‌گیری SpO2 در دستگاه‌های بالینی و مصرف‌کننده

در محیط‌های بالینی، اکسی‌مترهای پالسی معمولاً خطای مطلق میانگین (MAE) کمتر از ۲٪ را نشان می‌دهند، هنگامی که به درستی آزمایش شوند. اما دستگاه‌های قابل پوشیدن مصرف‌کننده داستان متفاوتی دارند، چرا که دقت آن‌ها بسیار متفاوت است. برخی از مدل‌های برتر مطابق تحقیقات اخیر Cabanas و همکارانش در سال ۲۰۲۴ توانسته‌اند MAEای در حدود ۱.۲ تا ۱.۸٪ داشته باشند. با این حال چیزها سریع در حال تغییر هستند. فناوری جدیدی که اندازه‌گیری‌های سنتی PPG را با الگوریتم‌های هوشمند ترکیب می‌کند، تفاوت واقعی ایجاد کرده است. این سیستم‌های ترکیبی اکنون به حدود ۰.۶۹٪ RMSE دست یافته‌اند و بسته به اینکه در خانه یا مراکز پزشکی استفاده شوند، به خوبی کار می‌کنند.

تضمین خواندن‌های قابل اعتماد در حین حرکت و فعالیت بدنی

بر اساس تحلیل پروتکل هیپوکسی 2023، آرتیفکت‌های حرکتی 23٪ از اندازه‌گیری‌های SpO2 را در سنسورهای اولیه دست‌بندی و 8٪ را در سنسورهای سینه‌ای مختل می‌کنند. سنسورهای پیشرفته از راهکارهای سخت‌افزاری مانند فیلتر کردن حرکت با کمک ژیروسکوپ و نوآوری‌های نرم‌افزاری مانند میانگین‌گیری سیگنال تطبیقی استفاده می‌کنند و دقت را حتی در طول تمرینات با شدت بالا در محدوده ±3٪ حفظ می‌کنند.

مقابله با تغییرپذیری در عملکرد سنسور SpO2 در بین رنگ‌های مختلف پوستی

دستورالعمل‌های اخیر FDA پس از انتشار مطالعاتی که تفاوت 2.7٪ در خطای مطلق بین رنگ‌های روشن و تیره پوستی در دستگاه‌های قدیمی را نشان دادند (Ponemon، 2023)، آزمایش تبعیض‌پذیری را در تمام دسته‌های رنگدانه‌ای پوستی الزامی کرده‌اند. سنسورهای چند طیفی که از گسیل‌کننده‌های نور سفید و تنظیم پویای شدت استفاده می‌کنند، اکنون تغییرپذیری مرتبط با رنگ پوست کمتر از 1.5٪ را تضمین می‌کنند و عملکردی منصفانه را با رعایت استاندارد ISO 80601-2-61 فراهم می‌کنند.

تصویب FDA و اعتبارسنجی بالینی سنسورهای قابل پوشیدن SpO2

در سال ۲۰۲۱، ساعت هوشمند Withings ScanWatch به اولین دستگاه پوشیدنی با مجوز FDA برای نظارت بر SpO2 تبدیل شد، پس از اثبات همخوانی ۹۸٪ با آنالیز گاز خون شریانی در میان ۵۰۰ شرکت‌کننده. در حال حاضر، دستگاه‌های قابل پوشیدن با اعتبارسنجی بالینی شده، تحت پروتکل‌های دقیق آزمایش هیپوکسی قرار می‌گیرند، از جمله اندازه‌گیری‌های مداوم در سطوح اشباع ۷۰ تا ۸۰٪ برای تضمین توانایی تشخیص اضطراری.

ثبات سیگنال و تحمل حرکت در نظارت مداوم

تکنیک‌های کاهش نویز برای کیفیت پایدار سیگنال SpO2

حسگرهای SpO2 امروزی با استفاده از چندین لایه فیلتر برای جداسازی سیگنال‌های فیزیولوژیک واقعی از انواع نویزهای پس‌زمینه، در برابر تداخل سیگنال مبارزه می‌کنند. پردازش سیگنال نیز بسیار پیشرفته است و در واقع الگوهای اشباع اکسیژن را استخراج می‌کند و هم‌زمان با این کار، آرتیفکت‌های ناخواسته با فرکانس بالا که از منابعی مانند نور محیطی یا تداخل الکترومغناطیسی ناشی می‌شوند را کاهش می‌دهد. بر اساس تحقیقات منتشر شده در مجله پردازش سیگنال‌های بیومدیکال در سال 2023، این رویکرد باعث بهبود قابل توجه در وضوح سیگنال‌های SpO2 می‌شود و در محیط‌های پر نویز مانند کارخانه‌ها و دیگر محیط‌های صنعتی که روش‌های سنتی در آن‌ها با مشکل مواجه می‌شوند، حدوداً 34 درصد بهبود حاصل می‌کند.

راه‌حل‌های سخت‌افزاری و الگوریتمی برای سرکوب آرتیفکت حرکتی

امروزه بهترین دستگاه‌های قابل پوشیدن از ترکیبی از شتاب‌سنج‌های MEMS با تکنیک‌های فیلتر هوشمند استفاده می‌کنند که می‌توانند تفاوت بین حرکت واقعی و تغییرات ظریف ناشی از جریان خون را تشخیص دهند. تولیدکنندگان شروع به استفاده از تنظیمات دیود نوری با دو طول موج همراه با آشکارسازهای نوری بسیار حساس کرده‌اند تا سیگنال‌ها حتی در زمانی که فرد در حال دویدن یا شرکت در کلاس اسپینینگ است، پایدار بمانند. مدل‌های جدید دارای نرم‌افزار جبران حرکت هستند که به‌صورت خودکار نحوه نمونه‌برداری داده‌ها را بر اساس اتفاقات در حال وقوع تنظیم می‌کند. آزمایش‌های بالینی نشان می‌دهند که این بهبودها میزان خطا را در جلسات سخت تمرینی تا حدوداً دو درصد مثبت یا منفی کاهش می‌دهند که برای ورزشکاران حرفه‌ای که در حال پیگیری معیارهای عملکردی خود روز به روز هستند، تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند.

مقایسه عملکرد طراحی‌های مختلف سنسورهای قابل پوشیدن

مطالعاتی که به بررسی تولیدکنندگان بزرگ نگاه کرده‌اند نشان می‌دهند که تطابق بین سنسورهای کوچک SpO2 روی مچ دست و دستگاه‌های پالس اکسی‌متر پزشکی استفاده شده در آزمایشگاه‌های خواب تقریباً ۹۳ درصد است. در مورد مقابله با حرکت، کمربندهای قفسه سینه واقعاً برجسته هستند و دقتی حدود ۹۸ درصد حتی در زمانی که فردی با سرعت تقریباً ۱۸۰ گام در دقیقه راه می‌رود دارند. اماکنی‌های هوشمند روش متفاوتی دارند و بیشتر روی راحتی کاربر برای مدت زمان طولانی‌تر تمرکز می‌کنند. برخی مدل‌ها می‌توانند بدون نیاز به استراحت، به مدت ۲۲ ساعت متوالی واقعاً به صورت پیوسته نظارت کنند. با توجه به معیارهای عملکرد تمام روزه، بیشتر دستگاه‌های پرچم‌دار ۲۰۲۳ در آزمایش‌ها به استانداردهای ISO 80601 برای ثبات در طول روز رسیده‌اند و در مجموع تقریباً ۸۹ درصد تطابق دارند.

ادغام در دستگاه‌های قابل پوشیدن برای ردیابی اکسیژن در تمام روز و مراحل خواب

طراحی و جایگاه سنسورهای SpO2 در امکنی‌های هوشمند، انگشترها و پچ‌ها

در فناوری‌های پوشیدنی امروزی، پایش مداوم SpO2 به شدت به محل قرارگیری این سنسورها بستگی دارد. بیشتر ساعت‌های هوشمند سنسورهای خود را در پایین دست و در تماس با مچ دست قرار می‌دهند. این دستگاه‌ها از چراغ‌های LED رنگی استفاده می‌کنند که نور آن‌ها از پوست عبور کرده و به رگ‌های خونی کوچک زیر پوست می‌رسد. در دستگاه‌های حلقه‌ای شکل، طراحان این سنسورها را روی انگشتان قرار می‌دهند، چون جریان خون در انگشتان پایدارتر است. سنسورهای نوری در این محل بهتر کار می‌کنند. دستگاه‌های چسبندنی پزشکی راهکاری کاملاً متفاوت دارند. این دستگاه‌ها با استفاده از مواد خاص برای استفاده بلندمدت روی قفسه سینه یا بازوی بالایی چسبانده می‌شوند. تمام این راهکارهای مختلف به کاهش مشکلات ناشی از حرکت در حین فعالیت‌های روزمره کمک می‌کنند. این موضوع زمانی اهمیت پیدا می‌کند که افراد می‌خواهند بدون اینکه مدام دستگاه‌هایشان را تنظیم کنند، به طور مداوم وضعیت سلامت خود را دنبال کنند. بر اساس تحقیقات انجمن خواب از سال گذشته، همین نوع راهکارهای قابل اطمینان است که پایش مداوم سلامت را در زندگی روزمره واقعاً عملی می‌کند.

پایش روزانه SpO2: تعادل بین بهره‌وری قدرت، راحتی و دقت

پایش مداوم سطح اکسیژن نیازمند سخت‌افزاری است که مصرف انرژی بسیار کمی داشته باشد همراه با استراتژی‌های نمونه‌برداری هوشمندانه. بسیاری از دستگاه‌های جدید مدرن در مقایسه با نسخه‌های قدیمی‌تر، مصرف باتری را حدود 30 تا 40 درصد کاهش داده‌اند که این امر از طریق گرفتن نمونه‌ها به‌صورت دوره‌ای به جای کارکرد مداوم انجام می‌شود. به عنوان مثال، برخی از مدل‌ها اشباع اکسیژن خون را هر پنج دقیقه یک‌بار اندازه‌گیری می‌کنند به جای پایش مداوم. سازندگان همچنین روی عوامل راحتی تمرکز کرده‌اند و از مواد مرکب سبک‌وزن برای ماژول‌های سنسور با وزنی کمتر از 15 گرم استفاده کرده‌اند و همچنین از سطوح شیشه‌ای منحنی استفاده شده است که در طول مدت بلند استفاده، با راحتی روی پوست قرار می‌گیرند. آزمایش‌های بالینی که در سال گذشته در مجله اپتیک بیومدیکال منتشر شدند نشان دادند که این بهبودها دقتی در حد مثبت یا منفی 2 درصد برای اندازه‌گیری SpO2 حفظ کرده‌اند که با توجه به بهبود قابل توجه در تعادل عملکرد و راحتی بیمار قابل تحسین است.

نظارت مستمر بر خواب: تشخیص آپنه و رویدادهای هیپوکسی شبانه

دستگاه‌های قابل پوشیدن مدرن در تشخیص کاهش سطح اکسیژن خون که ممکن است نشانه‌ای از مشکلات خواب باشد، دقت خوبی پیدا کرده‌اند. تحقیقات اخیر نشان داده است که هنگامی که اشباع اکسیژن زیر 90% برای مدت ده ثانیه یا بیشتر اتفاق می‌افتد، دستگاه‌های قابل پوشیدن حدود 89% از زمان با نتایج مطالعات خواب سنتی مطابقت دارند، مطابق با داده‌های انجمن توراکس آمریکا از سال 2023. این دستگاه‌های هوشمند در واقع کاهش اکسیژن را به تغییرات در سرعت تنفس و نوسانات ضربان قلب ارتباط می‌دهند. این موضوع به این معنی است که پزشکان می‌توانند شروع به جستجوی مشکلاتی مانند آپنه خواب کنند بدون اینکه مجبور باشند بیماران را از طریق آزمایشگاه‌های گران‌قیمت شبیه‌سازی کنند. واقعاً چیزی باورنکردنی است اگر به جایی که چند سال پیش بودیم فکر کنیم!

بینش‌های بلندمدت از سلامت از طریق داده‌های SpO2 مبتنی بر دستگاه‌های قابل پوشیدن در زمان واقعی

بررسی سطح SpO2 در چند ماه گذشته ارزش واقعی برای افرادی که سلامت خود را دنبال می‌کنند و همچنین برای پزشکان فراهم می‌کند. مطالعات نشان می‌دهند که زمانی که میزان پایه‌ای یک فرد در طول شش هفته ۴ درصد یا بیشتر کاهش یابد، احتمالاً عملکرد ریه‌های او نیز در حال کاهش است؛ این موضوع در میان افراد مبتلا به آسم در حدود ۷۸ مورد از هر ۱۰۰ مورد تأیید شده است، مطابق با تحقیقات منتشر شده در نشریه رسانه‌ای اروپایی تنفسی در سال گذشته. آخرین فناوری‌های رفاهی تمام این اعداد را با میزان حرکت و الگوهای خواب فرد ترکیب می‌کنند. این ترکیب به ایجاد برنامه‌های سفارشی برای مدیریت بهتر اکسیژن کمک می‌کند، این امر برای افرادی که در ارتفاعات کار می‌کنند، افراد مبتلا به برونشیت مزمن و ورزشکاران حرفه‌ای که به دنبال بهره‌برداری از هر نفس ممکن هستند، مفید است.

‫سوالات متداول‬

اصول اساسی فناوری سنسور SpO2 چیست؟

سنسورهای SpO2 با استفاده از اصول پالس اکسی متری و طیف‌سنجی نوری کار می‌کنند، که شامل تاباندن رنگ‌های مختلف نور از طریق پوست است تا با اندازه‌گیری نحوه تعامل نور با هموگلوبین‌های غنی از اکسیژن و فقیر از اکسیژن در خون، سطح اکسیژن خون را محاسبه کنند.

نگه‌داری مداوم از SpO2 چرا مهم است؟

پایش مداوم SpO2 داده‌های لحظه‌ای از سطح اکسیژن را فراهم می‌کند که می‌تواند به شناسایی مشکلات سلامتی مانند آپنه خواب و مدیریت مسائل سلامتی بلندمدت کمک کند، زیرا داده‌های دقیق‌تری را برای ارائه‌دهندگان خدمات بهداشتی فراهم می‌کند.

دقت سنسورهای قابل پوشیدن SpO2 چقدر است؟

دستگاه‌های با کیفیت بالینی معمولاً دقت بالایی دارند و خطای مطلق میانگین آن‌ها کمتر از ۲٪ است. دقت دستگاه‌های مصرفی متفاوت است، اما پیشرفت‌های اخیر باعث بهبود قابل توجه دقت آن‌ها شده است و برخی از آن‌ها به دقتی نزدیک به دستگاه‌های بالینی دست یافته‌اند.

آیا سنسورهای SpO2 روی تمام رنگ‌های پوست کار می‌کنند؟

پیشرفتهای اخیر و رهنمودهای FDA تست عملکرد سنسور را در تمامی سطوح پوستی ضروری می‌کنند و این امر با استفاده از سنسورهای چند طیفی و تنظیم پویای شدت نور، باعث کاهش تغییرپذیری در اندازه‌گیری‌ها می‌شود.

آیا سنسورهای SpO2 می‌توانند بینش‌هایی در مورد سلامت در طولانی مدت فراهم کنند؟

بله، نظارت بر سطوح SpO2 در طول زمان امکان ردیابی تغییراتی که می‌توانند نشانه‌ای از بدتر شدن وضعیت ریه یا سایر مشکلات سلامتی باشند را فراهم می‌کند. این داده‌ها می‌توانند در ایجاد برنامه‌های مدیریت سلامت شخصی‌سازی شده مورد استفاده قرار گیرند.