อะไรที่ทำให้เซนเซอร์ SpO2 สามารถให้ค่าการอ่านระดับออกซิเจนในเลือดที่เชื่อถือได้

เซนเซอร์ SpO2 วัดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดได้อย่างไร

หลักการทางวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการวัดออกซิเจนในเลือดด้วยแสงและการดูดกลืนแสง

เซนเซอร์วัดค่า SpO2 ทำงานโดยการตรวจสอบปริมาณออกซิเจนในเลือดจากการวิเคราะห์ว่าแสงชนิดต่างๆ ผ่านร่างกายเราไปอย่างไร อุปกรณ์จะปล่อยคลื่นแสงสองชนิด ได้แก่ แสงสีแดงที่ความยาวคลื่น 660 นาโนเมตร และแสงอินฟราเรดที่ความยาวคลื่น 940 นาโนเมตร ผ่านบริเวณที่ผิวหนังบางพอ เช่น ปลายนิ้ว เมื่อพิจารณาปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นต่อมา จะพบว่าเมื่อฮีโมโกลบินมีออกซิเจนจับอยู่มาก มันจะดูดซับแสงอินฟราเรดได้มากกว่า แต่ถ้าหากมีออกซิเจนไม่เพียงพอ โมเลกุลเหล่านี้จะดูดซับแสงสีแดงมากกว่าแทน เซนเซอร์จะคำนวณค่า SpO2 โดยการเปรียบเทียบปริมาณการดูดซับแสงทั้งสองชนิด ทำให้ได้ค่าออกมาโดยทั่วไปเกิน 95 เปอร์เซ็นต์สำหรับคนที่หายใจได้ปกติ สิ่งใดที่ทำให้สิ่งนี้เกิดขึ้นได้? แพทย์ได้ศึกษาพฤติกรรมของเซลล์เม็ดเลือดที่ตอบสนองต่อแสงต่างๆ มาหลายปีแล้ว และผลการวิจัยเหล่านี้ได้รับการยืนยันและเผยแพร่ในวารสารทางการแพทย์จำนวนมาก

บทบาทของแสงสีแดงและแสงอินฟราเรดในการวัดระดับ SpO2

ระบบคลื่นความยาวคู่สามารถจัดการกับหนึ่งในปัญหาใหญ่ของการตรวจติดตามทางการแพทย์ นั่นคือ การตรวจสอบว่าเลือดกำลังลำเลียงออกซิเจนหรือไม่ หลักการทางวิทยาศาสตร์เบื้องหลังนั้นเป็นดังนี้ แสงอินฟราเรดจะแทรกซึมเข้าสู่เลือดที่อุดมไปด้วยออกซิเจนได้ลึกกว่า ในขณะที่เลือดที่มีออกซิเจนน้อยมักดูดซับแสงสีแดงมากกว่า อุปกรณ์วัดปริมาณออกซิเจนในเลือดแบบใหม่ๆ มีความชาญฉลาดขึ้นในด้านนี้ โดยสามารถปรับความสว่างของแสงได้ตามความหนาของนิ้วมือของแต่ละบุคคล ซึ่งทำให้อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานได้ดีขึ้นสำหรับผู้คนที่มีขนาดมือแตกต่างกัน และมีโทนสีผิวที่หลากหลาย หลังจากการทดสอบอย่างกว้างขวางในคลินิกและโรงพยาบาล วิธีการตรวจวัดด้วยแสงเหล่านี้ได้แสดงผลลัพธ์ที่ค่อนข้างแม่นยำ โดยทั่วไปมีค่าความคลาดเคลื่อนไม่เกินประมาณ 2% เมื่อตั้งค่าทุกอย่างอย่างเหมาะสมในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการ

การประมวลผลสัญญาณและอัลกอริทึมในเครื่องวัดชีพจรแบบดิจิทัล

ข้อมูลแสงดิบจะผ่านกระบวนการประมวลผลสามขั้นตอน:

1. การกรองเสียงรบกวน ลบสัญญาณรบกวนจากแรงสั่นสะเทือนหรือแสงรอบข้าง
2. การตรวจจับชีพจร แยกแบบรูปการไหลเวียนของเลือดในหลอดเลือดแดงออกจากสัญญาณจากหลอดเลือดดำ/สัญญาณพื้นหลัง
3. การแปลงอัตราส่วนเป็นค่า SpO2 ใช้เส้นโค้งการปรับเทียบที่ได้จากข้อมูลจริง

อุปกรณ์ขั้นสูงใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อตรวจจับคลื่นชีพจรที่ผิดปกติซึ่งเกิดจากภาวะเลือดไปเลี้ยงอวัยวะไม่เพียงพอหรือภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ เซนเซอร์ระดับทางการแพทย์ทำการสุ่มตัวอย่างข้อมูลที่ความถี่ 120 เฮิรตซ์ ทำให้สามารถปรับค่าแบบเรียลไทม์ขณะที่ค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

ปัจจัยด้านสรีรวิทยาและปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับผู้ใช้ที่มีผลต่อความแม่นยำของเซนเซอร์ SpO2

ผลกระทบของสีผิวและความเหลื่อมล้ำทางเชื้อชาติในการอ่านค่า SpO2

ปริมาณเม็ดสีในผิวหนังของบุคคลสามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของเซนเซอร์แบบหนีบปลายนิ้วที่ใช้วัดระดับออกซิเจนในเลือดได้จริง เนื่องจากเมลานินมีปฏิกิริยาต่างกันกับแสงสีแดงและแสงอินฟราเรดที่ใช้ภายในอุปกรณ์เหล่านี้ การศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร JAMA เมื่อปี 2023 แสดงให้เห็นถึงสิ่งที่น่าเป็นห่วงอย่างหนึ่ง นั่นคือ เมื่อบุคคลที่มีสีผิวเข้ม เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดชนิดนี้มักจะแสดงค่าที่สูงกว่าความเป็นจริงในช่วงที่ระดับออกซิเจนลดลง สำนักงานอาหารและยา (FDA) ได้ตรวจสอบประเด็นนี้ในช่วงเวลาใกล้เคียงกัน และพบข้อสรุปที่คล้ายกัน ส่งผลให้บริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์การแพทย์เหล่านี้ต้องเผชิญกับกฎระเบียบใหม่เกี่ยวกับการปรับเทียบค่าอุปกรณ์อย่างเหมาะสม สิ่งนี้มีความสำคัญมาก เพราะการอ่านค่าที่แม่นยำมีบทบาทสำคัญในสถานบริการทางการแพทย์ ที่ต้องตัดสินใจอย่างรวดเร็วโดยอิงจากข้อมูลที่เชื่อถือได้

ผลกระทบจากภาวะไหลเวียนเลือดไม่ดี ปลายมือปลายเท้าเย็น และสัญญาณรบกวนจากการเคลื่อนไหว

การไหลเวียนเลือดที่ผิวหนังลดลง—พบได้บ่อยในภาวะอุณหภูมิต่ำหรือโรคทางระบบหัวใจและหลอดเลือด—ส่งผลให้คุณภาพสัญญาณลดลงเมื่อดัชนีการไหลเวียนต่ำกว่า 0.2% อุปสรรคจากความเคลื่อนไหวขณะผู้ป่วยขยับตัวสามารถทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนอย่างมาก ตามที่แสดงในงานวิจัยทางคลินิก เพื่อความแม่นยำสูงสุด:

• อุ่นบริเวณปลายมือปลายเท้าให้อุณหภูมิ ≥32°C ก่อนทำการวัด
• ใช้เซ็นเซอร์ที่ทนต่อการเคลื่อนไหวในผู้ป่วยที่เคลื่อนไหวบ่อย
• วางโพรบที่ตำแหน่งห่างจากข้อต่อที่งอได้

สิ่งรบกวนจากยาทาเล็บ เล็บปลอม และอาการสั่น

งานวิจัยปี 2022 จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนพบว่า เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบปลายนิ้วมีข้อผิดพลาดเกิน 4% ในผู้ป่วย 12% ที่ทาเล็บด้วยสีเข้ม สำหรับผู้ป่วยที่เป็นโรคพาร์กินสันหรือโรคมือสั่นชนิดจำเป็น การใช้หน่วยวัดความเฉื่อย (IMUs) รุ่นใหม่ในเซ็นเซอร์สามารถลดสัญญาณรบกวนจากขยับมือได้ 62% เมื่อเทียบกับรุ่นธรรมดา

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการวางตำแหน่งและการใช้งานเซ็นเซอร์ SpO2

เทคนิคการวางตำแหน่งที่เหมาะสมบนนิ้วมือและตำแหน่งทางเลือกอื่น

การวางเซ็นเซอร์ให้ถูกต้องเริ่มจากการเลือกนิ้วที่เหมาะสม โดยทั่วไปคือนิ้วชี้หรือนิ้วกลาง ขอเพียงมีการไหลเวียนของเลือดดี และไม่มีปัญหาเกี่ยวกับเล็บที่ผิดปกติ เครื่องมือจำเป็นต้องอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม เพื่อให้แสงเล็กๆ เหล่านั้นตรงกับบริเวณร่องเล็บ โดยไม่แน่นเกินไป แต่ต้องแน่นพอที่จะยึดติดอยู่กับที่ได้อย่างมั่นคง เมื่อทำงานกับผู้ที่มือเย็นหรือมีปัญหาการไหลเวียนเลือด การย้ายเซ็นเซอร์ไปที่ติ่งหูหรือหน้าผากอาจให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า เนื่องจากตำแหน่งเหล่านี้มักมีการไหลเวียนของเลือดที่สม่ำเสมอมากกว่า อย่าติดเซ็นเซอร์บนบริเวณที่มีกระดูกโปน เพราะอาจทำให้เกิดแรงกดเจ็บ และควรเปลี่ยนตำแหน่งทุกสองชั่วโมงหรือประมาณนั้น เพื่อป้องกันการระคายเคืองผิวหนัง งานวิจัยระบุว่าการวางตำแหน่งที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้ค่าที่อ่านได้คลาดเคลื่อนประมาณ 3.5% ในบางกรณี โดยเฉพาะหากผู้ใช้มีเล็บทาสีเข้ม หรือผิวหนังหนาเกินไปจนบล็อกแสงของเซ็นเซอร์ไม่ให้ทะลุผ่านได้อย่างเหมาะสม

ปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิตเพื่อให้ได้ค่าการวัดที่เชื่อถือได้

การปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิตจะช่วยรักษาความน่าเชื่อถือของผลลัพธ์ไว้ได้ ไม่ว่าจะเป็นสีผิวหรือสถานการณ์ทางคลินิกเฉพาะเจาะจงใดๆ การย้ายตำแหน่งเซนเซอร์ทุกๆ ประมาณสี่ชั่วโมงจะช่วยป้องกันเนื้อเยื่อไม่ให้ถูกกดทับ ซึ่งอาจทำให้ค่าที่อ่านได้ผิดเพี้ยนไป การจำกัดการตรวจติดตามอย่างต่อเนื่องยังช่วยลดปัญหาการระคายเคืองผิวหนังอีกด้วย ควรจัดเส้นสายให้เดินไปตามด้านหลังมืออย่างเหมาะสม เพื่อลดปัญหาจากการเคลื่อนไหวระหว่างการอ่านค่า และตรวจสอบว่าเซนเซอร์ทำงานได้ดีเมื่อวางในตำแหน่งอื่น เช่น ข้อมือทารกแรกเกิด หรือปลายเท้าผู้ใหญ่ เมื่อมีความจำเป็น บุคลากรทางการแพทย์ที่ปฏิบัติตามกฎเกณฑ์การวางตำแหน่งเซนเซอร์ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด มักพบว่ามีการแจ้งเตือนผิดพลาดน้อยลงประมาณ 23 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับผู้ที่วางเซนเซอร์ตามความคิดเห็นในขณะนั้น อย่าลืมปรับตั้งค่าอุปกรณ์ให้เหมาะสมกับโปรไฟล์เฉพาะบุคคล โดยพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพของการไหลเวียนเลือดไปยังส่วนปลายของร่างกาย และระดับแสงแวดล้อมที่อาจมีผลต่อการวัดค่า

การตรวจสอบทางคลินิกและมาตรฐานข้อบังคับสำหรับเซนเซอร์ SpO2

ข้อกำหนดของ FDA และข้อกำหนดด้านความแม่นยำในระดับสากลสำหรับเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบพัลส์

FDA และหน่วยงานกำกับดูแลอื่นๆ ได้กำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับเซนเซอร์ SpO2 โดยต้องแสดงค่าความผิดพลาดเฉลี่ยไม่เกิน 3% เมื่อวัดระดับออกซิเจนในช่วงความอิ่มตัวระหว่าง 70% ถึง 100% ในปี 2023 FDA ได้ออกประกาศเตือนเรื่องความปลอดภัย โดยเรียกร้องให้มีการทดสอบที่เข้มงวดมากขึ้น หลังจากการศึกษาพบว่ามีข้อผิดพลาดเกือบสามเท่าในกลุ่มคนที่มีสีผิวเข้มกว่า ทั่วโลกมีมาตรฐานสากล เช่น ISO 80601-2-61 ที่กำหนดให้ผู้ผลิตต้องทำการทดสอบอุปกรณ์ของตนกับบุคคลอย่างน้อยสิบคนที่ครอบคลุมทุกระดับประเภทผิวตามฟิตซ์แพทริค (Fitzpatrick skin type) การทดสอบเหล่านี้จำเป็นต้องพิสูจน์ว่าอุปกรณ์ยังคงรักษาระดับความแม่นยำภายใน ±2% ภายใต้สถานการณ์การใช้งานจริง ไม่ใช่เพียงแค่ในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการ

ข้อมูลจากการทดลองทางคลินิก: ค่าความผิดพลาดเฉลี่ยในประชากรที่หลากหลาย

การวิเคราะห์ปี 2022 จากวารสาร NEJM ที่ศึกษาผู้ป่วย 7,000 ราย พบว่า เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบปลายนิ้วประเมินระดับออกซิเจนในเลือดสูงกว่าความเป็นจริง 1.8% ในผู้ป่วยชาวผิวขาว เทียบกับ 4.2% ในผู้ป่วยผิวดำ ขณะเกิดภาวะขาดออกซิเจน (SpO2 <85%) โดยเซนเซอร์รุ่นอัปเดตที่ใช้แถบแสง LED หลายช่วงคลื่นสามารถลดความแตกต่างนี้ลงเหลือ 1.2% ข้ามทุกเชื้อชาติในการทดลอง JAMA ปี 2024 ผู้ผลิตจึงจำเป็นต้องเผยแพร่ค่า MAE สำหรับ:

• ภาวะเลือดไปเลี้ยงต่ำ (<0.2% PI)
• สัญญาณรบกวนจากการเคลื่อนไหว (การสั่นสะเทือนได้ถึง 3 เฮิรตซ์)
• เฉดสีผิวหลากหลาย (ฟิตซ์แพทริก IV-VI)

การแก้ไขอคติทางเชื้อชาติในอัลกอริธึมของเซนเซอร์ SpO2

กฎหมาย EQUATE ปี 2023 กำหนดให้เซนเซอร์ SpO2 รุ่นใหม่ทั้งหมดต้องได้รับการฝึกด้วยข้อมูลที่มีผู้เข้าร่วมที่มีสีผิวไม่น้อยกว่า 35% เพื่อแก้ไขปัญหาการมีส่วนร่วมที่ต่ำเกินไปในอดีตของการทดลองอุปกรณ์ทางการแพทย์ ผู้ผลิตรายใหญ่ตอนนี้ใช้:

1. การปรับคาลิเบรตด้วยสเปกโตรโฟโตเมทรีตามความเข้มข้นของเมลานิน (0–200 ไมโครกรัม/มิลลิลิตร)
2. อัลกอริธึมแบบปรับตัวที่ปรับเปลี่ยนตามลักษณะการดูดซับแสงของแต่ละบุคคล
3. ชิปตรวจสอบภายในเซนเซอร์เพื่อยืนยันความแม่นยำเทียบกับอิเล็กโทรดคลาร์ก

การศึกษาการตรวจสอบในปี 2024 เกี่ยวกับเซ็นเซอร์ที่ได้รับการอัปเดตแสดงให้เห็นว่ามีความสอดคล้องกันถึง 98.6% กับค่าการวัดแก๊สในเลือดจากหลอดเลือดแดงในทุกประเภทของผิวหนัง โดยลดการอ่านค่าผิดที่แสดงผลปกติในระหว่างเหตุการณ์ภาวะออกซิเจนต่ำอย่างรุนแรงลงได้ 41% ขณะนี้ FDA กำหนดให้มีการเฝ้าระวังต่อเนื่องหลังการวางตลาด เพื่อติดตามประสิทธิภาพในการใช้งานจริงในสภาพแวดล้อมทางคลินิกที่หลากหลาย

นวัตกรรมที่ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของเซ็นเซอร์ SpO2 และการตรวจสอบระยะไกล

เซ็นเซอร์รุ่นใหม่พร้อมอัลกอริธึมแบบปรับตัวสำหรับทุกเฉดสีผิว

เซนเซอร์ SpO2 รุ่นล่าสุดเริ่มแก้ไขปัญหาที่มีมานานเกี่ยวกับค่าการอ่านที่ไม่แม่นยำในผิวสีเข้ม เครื่องมือรุ่นใหม่ตรวจสอบอย่างแท้จริงว่าเมลานินมีผลต่อรูปแบบการดูดซับแสงอย่างไร โดยใช้วิธีที่เรียกว่าการปรับเทียบคลื่นความยาวสองช่วง (dual wavelength calibration) แนวทางนี้ช่วยลดช่องว่างด้านเชื้อชาติในการวัดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนลงประมาณสองในสาม เมื่อเทียบกับรุ่นเก่า ตามการศึกษาของ Cabanas และคณะเมื่อปีที่แล้ว การทดสอบทางคลินิกในปี 2024 แสดงให้เห็นว่าเซนเซอร์ที่อัปเดตนี้มีความแม่นยำประมาณ 98.2% สำหรับผู้ที่มีประเภทผิวฟิตซ์แพทริก (Fitzpatrick) ชนิดที่ IV ถึง VI แม้ในกรณีที่การไหลเวียนของเลือดต่ำ ผู้ผลิตรายใหญ่ส่วนใหญ่เริ่มเพิ่มตัวบ่งชี้แบบเรียลไทม์ที่แจ้งผู้ใช้ว่าค่าที่อ่านได้นั้นเชื่อถือได้หรือไม่ ซึ่งส่งผลอย่างมากในสถานการณ์การปฏิบัติงานจริงที่ต้องตัดสินใจอย่างรวดเร็ว

การชดเชยการเคลื่อนไหวและการรวมดัชนีการไหลเวียนของเลือด

การประมวลผลสัญญาณขั้นสูงช่วยต่อต้านสัญญาณรบกวนจากข้อผิดพลาดของการเคลื่อนไหวผ่านนวัตกรรมหลักสามประการ:

1. เครื่องวัดการเร่งแรงสามแกน ที่ตรวจจับและลดสัญญาณรบกวนจากข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเคลื่อนไหวในสัญญาณ PPG
2. ค่าเกณฑ์ดัชนีการไหลเวียนของเลือด มั่นใจว่าการวัดจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อการไหลเวียนของเลือดเกิน 0.5%
3. ตัวกรองด้วยการเรียนรู้ของเครื่อง (Machine learning filters) ได้รับการฝึกด้วยคลื่นสัญญาณทางคลินิกมากกว่า 100,000 รูปแบบ เพื่อจำแนกลายละเอียดของชีพจรที่ถูกต้อง

การอัปเกรดเหล่านี้ทำให้สามารถวัดค่าได้อย่างแม่นยำถึง 94% ในระหว่างการทำกิจกรรมทางกายอย่างปานกลาง เมื่อเทียบกับอุปกรณ์รุ่นเก่าที่ให้ความแม่นยำเพียง 72% ความก้าวหน้าล่าสุดในการรวมระบบแพทย์ทางไกล ช่วยให้สามารถตรวจสอบติดตามระยะไกลได้อย่างต่อเนื่อง โดยมีความหน่วงเวลาต่ำกว่า 2 วินาที ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับผู้ป่วยหลังการผ่าตัดและผู้ป่วยเรื้อรังที่มีปัญหาการหายใจ

คำถามที่พบบ่อย

SpO2 คืออะไร?

SpO2 หมายถึง ค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเส้นเลือดฝอยบริเวณปลายแขนปลายขา ซึ่งเป็นการประมาณเปอร์เซ็นต์ของฮีโมโกลบินที่จับกับออกซิเจนในเลือด

เครื่องวัดปริมาณออกซิเจนในเลือดทำงานอย่างไร?

อุปกรณ์ใช้แสงสีแดงและแสงอินฟราเรดในการวัดการดูดซับแสง เพื่อกำหนดระดับความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด

สีผิวสามารถส่งผลต่อค่าการอ่าน SpO2 ได้หรือไม่

ใช่ สีผิวสามารถมีผลต่อความแม่นยำของการอ่านค่า SpO2 ได้

มาตรฐานของ FDA สำหรับเซ็นเซอร์ SpO2 คืออะไร

FDA กำหนดให้ค่าความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยสัมบูรณ์ต้องไม่เกิน 3% สำหรับระดับความอิ่มตัวของออกซิเจนระหว่าง 70% ถึง 100%