روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان

روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان  – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه پزشکی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان

چکیده

جذب مجموع خون در یک محدوده آشکار و نزدیک مادون قرمز ناشی از مشتق‌های هموگلوبین مختلف و پلاسمای خون می‌باشد. این امر بخوبی شناخته شده است که تغییرات ضربانی حجم خون در بافت را می‌توان از طریق اندازه گیری انتقال یا بازتاب نور ملاحظه نمود. این روش تشخیصی بنام فوتوپلیتیسموگرافی PPG خوانده می‌شود. تغییر ضربانی حجم خون بواسطه سیستم گردش – قلب بوجود می‌آید. سیگنال‌های زمانی PPG اندازه گیری شده و نسبت بین دامنه‌های پالس از یک پیک به پیک دیگر در طول موج‌های مختلف و همچنین وابستگی آن به خصیصه‌های جذب نوری خون انسان اطلاعاتی را در زمینه وضعیت سلامت انسان ارائه می‌نماید. یک ابزار فتومتری PMD تشریح کننده این موضوع خواهد بود که چه چیزی بر مبنای درک روال‌های مرتبط با ادوات سنجش فوتوپلیتیسموگرافی می‌باشد که برای سازمان فضایی آلمان DLR توسعه یافته است. روش غیر تهاجمی چند طیفی محیط طبیعی که در این جا تشریح  شده است بر مبنای تابش نور تکفام می‌باشد که بوسیله دیودهای لیزر ساطع گردیده و به سمت ناحیه پوست بر روی انگشتان تابیده می‌شود. موارد تعویقی بین نسبت‌های هموگلوبین و آب در حجم میان‌وریدی می‌بایست بصورت فوتوالکتریسیته بوسیله ارزیابی تحلیلی سیگنالها مورد شناسایی قرار گیرند. ضرایب محاسبه شده برای اندازه گیری و محاسبه هموگلوبین نسبی و تغییر غلظت هماتوکریت مورد استفاده قرار می‌گیرند. نتایج اولیه با این روش هماتوکریت جهت اندازه گیری تغییرات در غلظت هموگلوبین در طی روال‌های برآورد مقوله‌های بهداشتی نشان داده خواهد شد. علاوه بر این،‌ توزیع وایگنر- وایل برای آنالیز سریهای زمانی PPG بکار گرفته خواهد شد. این یک روش حساس و خاص برای مشخص ساختن الگوهای گردش – قلب و میکروگردش می‌باشد.

کلمات کلیدی: ابزار فتومتریک، فوتوپلیتیسموگرافی، غیر تهاجمی

روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان

۱- مقدمه

جذب مجموع خون در محدوده آشکار و نزدیک به مادون قرمز  ناشی از مشتق‌های موگلوبین مختلف و پلاسمای خون می‌باشد که عمدتاً متشکل از آب است. این امر بخوبی شناخته شده است که تغییرات ضربانی حجم خون در بافت را می‌توان از طریق اندازه گیری انتقال و یا بازتاب نور مشاهده نمود. روش تشخیصی بر این اساس بنام فوتوپلیتیسموگرافی PPG خوانده می‌شود. جدایی بین جذب خون شریانی و جذب – بکگراند (عمدتاً خون وریدی و آب بافت) بوسیله ارزیابی ارتباط بین مولفه سیگنال پالس (جزء AC – جریان متناوب)‌ و جزء- DC (جریان مستقیم) (شکل ۱) حاصل می‌گردد. جزء DC را می‌توان بوسیله کسر جزء AC از مجموع سیگنال PPG به دست آورد. تغییر ضربانی حجم خون بواسطه تپش قلب حاصل می‌گردد. علاوه بر این اندازه گیری اکسید شده (HbO2) و هموگلوبین کاهش یافته (Hb) برای گردش اشباع اکسیژن (SpO2) در خون شریانی، مقدار هماتوکریت H (حجم سلول‌های خون قرمز در مجموع خون)‌ همراه با غلظت هموگلوبین نیز همچنین بعنوان پارامترهای مهم وضعیت سلامت در نظر می‌باشند.

جذب هماتوکریت و پخش آن بطور عمده تحت تاثیر غلظت مجموع هموگلوبین می‌باشد. ضریب جذب   (در mm-1)، ضریب پراکندگی   (در mm-1) و تابع – فاز p(s,s’) جزء پارامترهای مورد نیاز برای محاسبه خصیصه‌های نوری در رسانه‌های کدر بشمار می‌آیند.

تابع – فاز احتمال پخش یک فوتون را تشریح می‌کند که در مسیر S در حرکت بوده و همچنین در مسیر S’ نیز بازتاب خواهد داشت. محاسبه ریاضی را می‌توان با استفاده از فاکتور – ناهمسانگردی g=E(cos(s,s’)) بجای تابع – فاز و ضریب – پخش کاهش یافته   بجای ضریب – پخش ساده نمود. به منظور بحساب آوردن تاثیر پخش نور،‌ ما در نظر می‌گیریم که اندازه گیری حجم شامل بافت (حجم بافت  ،‌ جذب و ضریب جذب بافت ،  ) خون شریانی (حجم خون شریانی ، جذب و ضریب پخش خون شریانی  ) و خون وریدی (حجم خون وریدی ، جذب و ضریب پخش خون وریدی  ) می‌باشد. این مدل بعداً در نظر می‌گیرد که حجم اندازه‌گیری شده را می‌توان بعنوان توزیع همگن موارد پراکندگی و جذب مولفه‌های ذکر شده در نظر گرفت. بنابراین، عبارات مرتبط با این ضرایب به شکل ذیل عرضه می‌گردد:

روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان

۲- روش اندازه‌گیری

پارامترهای نوری خون و مولفه‌های آن منوط به فاکتورهای بسیاری می‌باشد نظیر  مقدار هماتوکریت، اشباع اکسیژن،‌ سرعت جریان، اسمولاریتی و همولیز.

هدف ابزار فوتومتری (PMD) تشریح شده در اینجا اندازه گیری پیوسته غیر تهاجمی مولفه‌های خونی جاذب نور در خون شریانی انگشت انسان می‌باشد. این روش اندازه‌گیری چند طیفی غیر تهاجمی بر مبنای تابش نور تکفام می‌باشد که به وسیله دیودهای لیزری در محدوده ۶۰۰ الی ۱۴۰۰ nm به سمت ناحیه پوست انگشت تابیده می‌شوند (شکل ۱).

این روش از نوسانات دارای شدت که به وسیله موج پالس نشأت می‌گیرد بهره خواهد برد. نسبت تغییرات نسبی اندازه‌های پالس، بهنگامی که در طول موج‌های مختلف پس از انتقال به سمت انگشت اندازه‌گیری می‌شود بطورمستقیم مرتبط با خصیصه‌های جذب مولفه‌های خونی می‌باشد (شکل ۲).

پس از داشتن فعل و انفعالات با بافت مربوطه نور ارسالی بوسیله فوتودیودها بعنوان یک نور غیر تهاجمی بشمار می‌آید. شکل ۲ نشان دهنده طیف جذب برای مولفه‌های خونی اصلی و طول‌‌های موج L1 الی L5 پنج دیود لیزری سیستم PMD می‌باشد. طول موج‌های مناسب برای آنالیز SpO2 و تغییر نسبی غلظت هموگلوبین/ هماتوکریت انتخاب گردیدند. چهار مورد از پنج دیود لیزر نسبت به تابش نور در محدوده طول‌های موج بین ۱۰۰۰-۶۰۰ nm اقدام نموده‌اند. این مورد اصطلاحاً بنام ناحیه پنجره درمانی خوانده می‌شودکه در آن جذب خون بطور شایع توسط مشتق‌های هموگلوبین صورت می‌پذیرد. در ۹۸۰ nm علاوه برجذب هموگلوبین یک نوار جذب ضعیف نیز همچنین برای آب موجود می‌باشد. بر این اساس یک دیود لیزر ۱۳۰۰nm دیگر ساخته شد تا در این طول موج جذب آب بصورت شایع محقق شود (شکل ۲). در روش اندازه‌گیری نسبت به برآورد پیک‌های شکل موج، حداقل موج، میانگین‌های DC و میانگین‌های ضربانی (بخش – AC) اقدام شد. برای محاسبه هموگلوبین / هماتوکریت، طول‌های موج جهت تناسب با پیک‌های جذب آب در خون انتخاب گردیدند، جایی که دو مولفه‌ خونی دارای مقادیر مختلفی از آب می‌بود (۹۸۰nm، ۱۳۰۰nm). برای یافتن مقدار منطبق با نقطه ایزوسبستیک برای جذب اکسی‌ هموگلوبین و دی‌اکسی‌هموگلوبین، طول موج ۸۰۰nm انتخاب گردید. ارتباط دوم برای اندازه‌گیری و تصحیح اشباع اکسیژن با سیگنال‌های انتقالی ۶۷۰nm (جذب دی‌اکسی‌هموگلوبین به میزان بیشتری فراتر از جذب اکسی‌هموگلوبین) و ۹۰۵nm (جذب اکسی‌هموگلوبین به میزان بیشتر دی‌اکسی‌هموگلوبین)  محقق گردید.

روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان

۳- ابزار اندازه‌گیری فوتومتری PMD

ابزار فوتومتری PMD بر مبنای درک از ادوات سنجش فوتوپلیتیسموگرافی برای آژانس فضایی آلمان DLR توسعه یافت.

در داخل ادوات اندازه‌گیری دیودهای لیزری همراه با ادوات کنترل الکترونیکی مورد نیاز بصورت مجتمع بکار گرفته‌ شده‌اند. ادوات الکترونیک شامل مولفه‌های مورد نیاز برای تقویت سیگنال، دیجیتالی سازی و روال‌های اعمال دیودهای لیزری می‌باشند که در حالت پالس عمل می‌نمایند. پس از محاسبات مقدار میانگین و کسر جریان تاریک در داخل واحد اصلی،‌ انتقال پنج جریان نوری با نرخ نمونه برداری ۱۰۰ هرتز انجام می‌پذیرد. مولفه اصلی ابزار سنجش یک سیستم – DSP دارای عملکرد بالا با پردازنده ممیز اعشار TMS320C32، حافظه و فلش می‌باشد. این امر باعث کنترل نرم افزار DSP و عملیات مالتی پلکسینگ زمانی پنج لیزر و همچنین کنترل دو کانال دریافتی می‌گردد. ارزیابی داده‌ها و عملیات الگوریتم‌های ریاضی برای روال‌های ماقبل پردازشی مانند فیلترینگ دیجیتال و مشخص کردن میانگین‌ها از طریق نرم افزار-DSP انجام می‌پذیرد. عمل کنترل ذخیره سازی اطلاعات از طریق پورت ارتباطی I/F  RS232 بر روی یک لپ‌تاپ یا یک کامپیوتر شخصی انجام می‌پذیرد. نرم افزار کاربردی برنامه Lab View می‌باشد. نور لیزر از طریق فیبرهای نوری داخل دستگاه کنترل حسگر به یک هد انتقالی نوری خاص ارسال می‌گردد. دو تشخیص‌گر نوری نیز همچنین در بخش هد حسگر همراه با آمپلی‌فایرهای اولیه مورد نیاز قرار داده شده است. سیگنال‌های حسگر تشخیص داده شده در اینجا در داخل ابزار اندازه‌گیری مورد پردازش قرار می‌گیرند. به منظور تشخیص سیگنال‌های انتقالی لیزرهای ۱ تا ۴ از یک فوتودیود سیلیکون آوالانچ (Silicon Avalanche) با حساسیت طیفی ۴۰۰ الی ۱۱۵۰ nm استفاده می‌شود. برای تشخیص سیگنال انتقالی ۱۳۰۰nm از یک فوتودیود InGaAs با حساسیت طیفی ۱۰۰۰الی ۱۷۰۰ nm بهره گرفته می‌شود. شکل ۳ نشان دهنده ابزار PMD ادوات الکترونیکی PCB می‌باشد.

روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان

۴- کاربردها و نتایج

اندازه‌گیریهای قبلی سیگنال‌های انتقالی ۵ طول موج نشان دهنده گوناگونی آشکار پالس شریانی می‌باشد. کیفیت سیگنال برای آنالیز مولفه‌های سیگنال و همچنین محاسبه ضرایب میرایی نسبی خون شریانی کافی می‌باشد. با توجه به اجزای ۱۳۱۰nm، یک برآورد نسبت‌های نسبی هموگلوبین و آب در خون امکان پذیر می‌باشد.

تکنیک اندازه گیری نیازمند یک سیگنال پالس برای محاسبه ضرایب میرایی نسبی می‌باشد. انقباض عروقی در اندامهای تحتانی ممکن است بعنوان یک مشکل، با توجه به کاهش دامنه سیگنال و بنابر این نسبت سیگنال به نویز، به شمار آید. دامنه یک سیگنال کوچک باعث تحصیل نتایج نادرست می‌شود. بنابراین PMD دارای یک دامنه سیگنال حداقل می‌باشد که کمتر از آن هیچ‌گونه مقداری را نمی‌توان برای ضریب محاسبه شده نشان داد. محدوده پایینی برای دامنه پالس با لیزر ۱۳۱۰ nm در مرتبه ۲/۰% شدت اندازه‌گیری شده می‌باشد. این موضوع ممکن است بهنگامی که این سیستم را بر روی گروه‌های بیماران مختلف بکار می‌بریم (بیماری‌های عروقی، پدیده رینولدز، شوک و غیره) باعث ایجاد محدودیت‌هایی گردد.

شکل ۴ نشان دهنده سیگنال‌های زمانی PMD پس از عبور نور لیزر در بافت انگشت می‌باشد. اندازه‌گیریها در حالتی تحقق یافت که بیمار با آرامش به صورت افقی در دمای اتاق دراز کشیده بود.

مقادیر انتقالی امواج پالس پردازش شده بصورت ثابت با نوسانات دوره‌ای وابسته به تنفس برای تمامی ۵ طول موج لیزری می‌باشد.

همچنین یک سنجش مرجع خارجی با استفاده از ادوات اکسیمتر POX10 انجام شد.

PMD برای کنترل آنلاین پیوسته غیر تهاجمی یک یا چند مقدار متشکله بیولوژیکی مناسب می‌باشد. هدف این روال توسعه کاهش وابستگی به تکنیک‌های اندازه‌گیری می‌باشد که نیازمند دریافت نمونه خون از بیمار جهت  بررسی آتی می‌باشند. هر یک از روش‌های تهاجمی که برای دریافت خون از بیمار بکار گرفته می‌شوند همراه با ناراحتی‌ها، فشارها و مشکلاتی می‌باشند. علاوه بر این بیمار در معرض خطرات معمولی آلودگی مرتبط با چنین روش‌های تهاجمی قرار می‌گیرد. روش اندازه گیری غیر تهاجمی که در این مقوله تشریح شده است را می‌توان در خصوص کاربردهای بالینی بکار گرفت که در آن روش تهاجمی نامطلوب بوده و یا دارای مشکل می‌باشد. یکی از کاربردهای خاص می‌تواند کنترل علائم حیاتی بیماران در بخش‌های مربوطه باشد. کاربرد دیگر کنترل بیمارانی است که تحت عمل جراحی قرار خواهند گرفت و مشکل کمبودخون در طی عمل جراحی ممکن است منجر به پدیدار شدن عارضه غلظت هموگلوبین گردد. این مورد همچنین می‌تواند بعنوان یک ابزار مفید در طی دوره‌های دیالیز جهت کنترل بیماران دیالیزی باشد که دارای نارسایی‌های نهایی کلیه هستند. با استفاده از یک دیالیز کننده (هموفیلتر) بیمار ممکن است در طی روال‌های اولترافیلتراسیون دچار کاهش سیالات شده و بر این اساس تغییر در حجم خون باعث تغییر وضعیت هماتوکریت می‌گردد.

روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان

۵- اندازه‌گیریها

شکل ۵ نشان دهنده اندازه‌گیری در طی مطالعه هیپوکسیا (کاهش اکسیژن بافت) می‌باشد. اشباع اکسیژن شریانی تا حدود ۷۵% تقلیل می‌یابد. بنابر این داده‌های ثبت شده ابزار فوتومتری PMD با داده‌های آنالیز گاز- خون BGA مقایسه گردید (اشباع اکسیژن شریانی- SaO2 بصورت درصد). نتایج ۴ موضوع تحت بررسی نشان دهنده حساسیت‌ بالا و قابلیت تکثیر بیشتر برای کلیه روال‌های اندازه‌گیری با ادوات فوتومتری می‌باشد.

شکل ۶ نشان دهنده اندازه‌گیری در محیط طبیعی و ضرایب محاسبه شده CHb¬ از ادوات PMD دربرابر مقادیر هموگلوبین تهاجمی   از یک دستگاه آنالیز هموگلوبین +   برای ۱۹ مورد مطالعاتی بر روی زن و مرد سالم می‌باشد. این نتایج نشان دهنده یک همبستگی مناسب (R=0.92) با برآوردهای تهاجمی می‌باشد.

شکل ۵ ب. ضریب غیر تهاجمی ازPMD در برابر برآوردهای هموگلوبین تهاجمی

آنالیز وینگرویل (wigner-wille) در خصوص سری‌های زمانی PPG غیر ثابت اجازه دسترسی به اطلاعات در خصوص وضعیت سلامت انسانی را می‌دهد. توزیع وینگرویل بعنوان یک روش خاص و حساس برای شناسایی الگوهای گردش – قلب بشمار می‌آید. سریهای زمانی PPG حاوی اطلاعاتی در زمینه الگوهای ریز گردشی، نرخ پالس و گوناگون نرخ تنفس و وسوموشن (تغییر در قطر رگها) و فرکانس‌های تعدیل اتوماتیک و تعدیل گرمایی می‌باشد. شکل ۶ نشان دهنده یک سیگنال PPG آنالیز شده در محدوده زمانی- فرکانس برای یک وضع سالم می‌باشد. این شکل نشان دهنده توزیع توان طیفی معمول بین مولفه‌های سیگنال پالس می‌باشد که بواسطه الگوهای تپش قلب و گردش قلب در محدوده فرکانس پایینتر بوجود آمده است.

روشهای غیر- تهاجمی برای مشخص نمودن وضعیت سلامت انسان

۶- نتیجه‌گیری

در این مقاله روش اندازه‌گیری فوتومتری طول موج- چند گانه که معرف روال‌های اندازه‌گیری غیر تهاجمی فوتوپلیتیسموگرافی و طیفی در خون و بافت انسان در محیط طبیعی می‌باشد مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. دستگاه PMD که اخیراً توسعه یافته است در این مقاله معرفی گردیده که قابلیت اندازه گیری سیگنال‌های – PPG بصورت پیوسته در ۵  گونه طول موج متفاوت از ۶۰۰ تا بیش از ۱۳۰۰nm را دارا می‌باشد. این حقیقت که ضرایب جذب   و ضرایب پراکندگی   برای خون در طول موج‌های مختلف متفاوت می‌باشد مورد بررسی قرار گرفته و از آن برای محاسبه قابلیت جذب نوری خصیصه‌های خون انسانی استفاده گردیده که خود منجر به ارائه اطلاعاتی در زمینه ترکیب خون شده است.

در اولین اندازه‌گیریهای بالینی سیستم سنجش جدید، حساسیت و قابلیت گزینش طیفی بالا به نمایش گذاشته شد. یک مطالعه آزمایشی جهت اندازه‌گیری هیپوکسیا نشان داد که حساسیت این سیستم برای اندازه‌گیری سطوح SpO2 بسیار مناسب می‌باشد.

احتمال اندازه‌گیریهای هموگلوبین غیر تهاجمی با این سیستم نیز نشان داده شد. آنالیز سریهای زمانی PPG احتمال کنترل و نظارت وضعیت سلامت انسانها را فراهم نموده است. تحقیقات بعدی شامل انجام مطالعات بالینی بیشتر، بهنیه سازی ادوات اندازه‌گیری فوتومتری و ارزیابی الگوریتم‌های آنالیز آماری مناسب می‌باشد.