การวัดปริมาตรเลือดด้วยแสง
ตัวอย่างกราฟ PPG ที่ได้จากเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบวัดที่หู การเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดเกิดจากการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากการหายใจ
เมช	D017156

โฟโตเพลทิสโมแกรม ( PPG ) คือเพลทิสโมแกรม ที่ได้จากการวัดด้วยแสง ซึ่งสามารถใช้ตรวจจับ การเปลี่ยนแปลง ปริมาณเลือดในหลอดเลือดฝอยของเนื้อเยื่อได้^{[ 1 ] [ 2 ]}โดยทั่วไปแล้ว PPG จะได้มาจากการใช้เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบพัลส์ซึ่งจะส่องแสงไปยังผิวหนังและวัดการเปลี่ยนแปลงการดูดซับแสง^{[ 3 ]}เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบพัลส์ทั่วไปจะตรวจสอบการไหลเวียนของเลือดไปยังชั้นหนังแท้และเนื้อเยื่อใต้ผิวหนัง

ในแต่ละรอบการเต้นของหัวใจหัวใจจะสูบฉีดเลือดไปยังส่วนปลายของร่างกาย แม้ว่าแรงดันชีพจรนี้จะลดลงบ้างเมื่อถึงผิวหนัง แต่ก็เพียงพอที่จะทำให้หลอดเลือดแดงและหลอดเลือดฝอยในเนื้อเยื่อใต้ผิวหนังขยายตัว หากติดเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดโดยไม่กดทับผิวหนัง จะสามารถมองเห็นแรงดันชีพจรจากกลุ่มหลอดเลือดดำได้เช่นกัน โดยปรากฏเป็นยอดคลื่นรองขนาดเล็ก

การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่เกิดจากแรงดันพัลส์จะถูกตรวจจับโดยการส่องแสงจากไดโอดเปล่งแสง (LED) ไปที่ผิวหนัง จากนั้นวัดปริมาณแสงที่ส่งผ่านหรือสะท้อนไปยังโฟโตไดโอด^{[ 4 ]}แต่ละรอบการเต้นของหัวใจจะปรากฏเป็นยอดแหลม ดังที่เห็นในรูป เนื่องจากเลือดที่ไหลไปยังผิวหนังสามารถถูกปรับเปลี่ยนโดยระบบทางสรีรวิทยาอื่นๆ ได้หลายระบบ PPG จึงสามารถใช้ในการตรวจสอบการหายใจ ภาวะปริมาตร เลือดต่ำและสภาวะการไหลเวียนโลหิตอื่นๆ ได้เช่นกัน ^{[ 5 ]}นอกจากนี้ รูปทรงของรูปคลื่น PPG ยังแตกต่างกันไปในแต่ละบุคคล และแตกต่างกันไปตามตำแหน่งและวิธีการติดเครื่องวัดออกซิเจนในเลือด

แม้ว่าเซ็นเซอร์ PPG จะถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในเชิงพาณิชย์ (โดยเฉพาะในอุปกรณ์สวมใส่ เช่นสมาร์ทวอทช์และอุปกรณ์ติดตามการออกกำลังกาย ) ^{[ 6 ]}และการใช้งานทางคลินิก แต่กลไกที่แน่นอนที่กำหนดรูปร่างของรูปคลื่น PPG ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์^{[ 7 ]}

แม้ว่าเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบพัลส์ จะเป็น อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ใช้กันทั่วไปแต่สัญญาณ PPG ที่บันทึกไว้นั้นแทบจะไม่ถูกแสดงผล และโดยทั่วไปจะถูกประมวลผลเพื่อกำหนดระดับออกซิเจนในเลือดและ อัตราการเต้น ของหัวใจ เท่านั้น ^{[ 2 ]}สามารถรับ PPG ได้จากการดูดซับแบบส่งผ่าน (เช่นที่ปลายนิ้ว) หรือการสะท้อน (เช่นที่หน้าผาก) ^{[ 2 ]}

ในสถานพยาบาลผู้ป่วยนอก มักจะสวมเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดไว้ที่นิ้ว อย่างไรก็ตาม ในกรณีของภาวะช็อกภาวะอุณหภูมิร่างกายต่ำฯลฯ การไหลเวียนของเลือดไปยังส่วนปลายอาจลดลง ส่งผลให้ PPG ไม่สามารถตรวจจับชีพจรของหัวใจได้^{[ 8 ]} ในกรณีนี้ สามารถวัด PPG ได้จากเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่ศีรษะ โดยตำแหน่งที่นิยมใช้มากที่สุดคือ หูผนังกั้นจมูกและหน้าผาก นอกจากนี้ PPG ยังสามารถกำหนดค่าสำหรับการวัดปริมาณเลือดด้วยแสงหลายตำแหน่ง (MPPG) ได้ เช่น โดยการวัดพร้อมกันจากติ่งหูข้างขวาและข้างซ้าย นิ้วชี้ และนิ้วเท้าใหญ่ ซึ่งเปิดโอกาสเพิ่มเติมสำหรับการประเมินผู้ป่วยที่สงสัยว่าเป็นโรคหลอดเลือดแดงส่วนปลาย ความผิดปกติของระบบประสาทอัตโนมัติ ความผิดปกติของเยื่อบุหลอดเลือดและความแข็งตัวของหลอดเลือดแดง MPPG ยังมีศักยภาพอย่างมากสำหรับการทำเหมืองข้อมูล เช่น การใช้การเรียนรู้เชิงลึก ตลอดจนเทคนิคการวิเคราะห์คลื่นชีพจรที่เป็นนวัตกรรมใหม่อื่นๆ อีกมากมาย^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

สิ่งรบกวนจากการเคลื่อนไหวมักเป็นปัจจัยจำกัดที่ทำให้ไม่สามารถอ่านค่าได้อย่างแม่นยำในระหว่างการออกกำลังกายและการใช้ชีวิตประจำวัน^{[ 7 ]}

เนื่องจากผิวหนังมีเส้นเลือดมาเลี้ยงอย่างหนาแน่น จึงค่อนข้างง่ายที่จะตรวจจับส่วนประกอบที่เป็นจังหวะของการเต้นของหัวใจ ส่วนประกอบกระแสตรงของสัญญาณเกิดจากการดูดซับโดยรวมของเนื้อเยื่อผิวหนัง ในขณะที่ส่วนประกอบกระแสสลับเกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาณเลือดในผิวหนังที่เกิดจากแรงดันชีพจรของการเต้นของหัวใจโดยตรง

ความสูงของส่วนประกอบ AC ของโฟโตเพลทิสโมแกรมเป็นสัดส่วนกับความดันชีพจร ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างความดันซิสโตลิกและไดแอสโตลิกในหลอดเลือดแดง ดังที่เห็นในรูปที่แสดงการหดตัวของหัวใจห้องล่างก่อนกำหนด (PVCs) ชีพจร PPG สำหรับรอบการเต้นของหัวใจที่มี PVC ส่งผลให้ความดันโลหิตและ PPG มีแอมพลิจูดต่ำลง นอกจากนี้ยังสามารถตรวจพบภาวะหัวใจเต้นเร็วผิดปกติของหัวใจห้องล่างและภาวะหัวใจห้องล่างสั่นพลิ้ว ได้อีกด้วย ^{[ 13 ]}

การหายใจส่งผลต่อวงจรการเต้นของหัวใจโดยการเปลี่ยนแปลงความดันภายในช่องเยื่อหุ้มปอด ซึ่งเป็นความดันระหว่างผนังทรวงอกและปอด เนื่องจากหัวใจตั้งอยู่ในช่องอกระหว่างปอด ความดันย่อยของการหายใจเข้าและหายใจออกจึงมีอิทธิพลอย่างมากต่อความดันในหลอดเลือดดำใหญ่และปริมาณเลือดที่ไหลเข้าสู่ห้องหัวใจด้านขวา

ในระหว่างการหายใจเข้า ความดันภายในช่องเยื่อหุ้มปอดจะลดลงถึง 4 มม.ปรอท ซึ่งทำให้ห้องหัวใจด้านขวาขยายตัว ทำให้เลือดจากหลอดเลือดดำใหญ่ไหลเข้ามาได้เร็วขึ้น ส่งผลให้ปริมาณเลือดก่อนการบีบตัวของหัวใจห้องล่างเพิ่มขึ้น แต่ปริมาตรเลือดที่สูบฉีดต่อครั้งจะลดลง ในทางกลับกัน ในระหว่างการหายใจออก หัวใจจะถูกบีบอัด ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของหัวใจลดลง และปริมาตรเลือดที่สูบฉีดต่อครั้งจะเพิ่มขึ้น เมื่อความถี่และความลึกของการหายใจเพิ่มขึ้น การไหลเวียนของเลือดดำกลับสู่หัวใจจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดต่อนาทีเพิ่มขึ้น^{[ 15 ]}

งานวิจัยจำนวนมากมุ่งเน้นไปที่การประมาณอัตราการหายใจจากโฟโตเพลทิสโมแกรม^{[ 16 ]}รวมถึงการวัดการหายใจที่ละเอียดกว่า เช่น เวลาหายใจเข้า^{[ 17 ]}

วิสัญญีแพทย์มักจะต้องตัดสินโดยใช้ดุลพินิจว่าผู้ป่วยได้รับการดมยาสลบเพียงพอสำหรับการผ่าตัดหรือไม่ ดังที่เห็นในรูป หากผู้ป่วยไม่ได้รับการดมยาสลบเพียงพอ การตอบสนองของระบบประสาทซิมพาเทติกต่อการผ่าตัดอาจทำให้เกิดการตอบสนองทันทีในแอมพลิจูดของ PPG ^{[ 14 ]}

Shamir, Eidelman และคณะ ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างการหายใจเข้าและการนำเลือดของผู้ป่วยออกไป 10% เพื่อเก็บรักษาในธนาคารเลือดก่อนการผ่าตัด^{[ 18 ]}พวกเขาพบว่าสามารถตรวจพบการสูญเสียเลือดได้ทั้งจากโฟโตเพลทิสโมแกรมจากเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดและสายสวนหลอดเลือดแดง ผู้ป่วยแสดงให้เห็นถึงการลดลงของแอมพลิจูดของชีพจรหัวใจที่เกิดจากการลดลงของพรีโหลดหัวใจในระหว่างการหายใจออกเมื่อหัวใจถูกบีบอัด

นอกจากนี้ PPG ยังช่วยให้สามารถวัดความดันโลหิตแบบไม่รุกรานได้ โดยสัญญาณ PPG ที่ได้จากข้อมือเป็นโอกาสสำคัญสำหรับสมาร์ทวอทช์และอุปกรณ์สวมใส่อื่นๆ^{[ 19 ]}มีการศึกษาแนวทางต่างๆ มากมาย รวมถึงเวลาการส่งผ่านชีพจร (PTT) เวลาการมาถึงของชีพจร (PAT) ความเร็วคลื่นชีพจร (PWV) และการวิเคราะห์คลื่นชีพจร (PWA) พารามิเตอร์เหล่านี้มีความสัมพันธ์กับความดันโลหิตและสามารถแปลงเป็นค่าความดันโลหิตได้โดยใช้อัลกอริทึมที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม การนำวิธีการเหล่านี้ไปใช้กับอุปกรณ์สวมใส่ที่ข้อมือนั้นเป็นเรื่องท้าทาย เนื่องจากส่วนใหญ่ต้องใช้อุปกรณ์สองชิ้นในการวัดพารามิเตอร์ที่ระยะห่างที่กำหนด^{[ 19 ]}ด้วยเหตุนี้ PWA จึงกลายเป็นแนวทางที่แพร่หลายที่สุดสำหรับการประมาณค่าความดันโลหิตแบบไม่ต้องใช้ปลอกแขนโดยใช้สัญญาณ PPG จากข้อมือ เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการสกัดคุณลักษณะจากรูปคลื่น PPG และการฝึกโมเดลการเรียนรู้ของเครื่อง เช่น การถดถอยเชิงเส้น เครื่องเวกเตอร์สนับสนุน หรือโครงข่ายประสาทเทียมเพื่อประมาณค่าความดันโลหิต^{[ 19 ]}

ในขณะที่การวัดปริมาณเลือดด้วยแสง (photoplethysmography) มักต้องมีการสัมผัสกับผิวหนังของมนุษย์ (เช่น หู นิ้ว) การวัดปริมาณเลือดด้วยแสงจากระยะไกล (remote photoplethysmography) ช่วยให้สามารถกำหนดกระบวนการทางสรีรวิทยา เช่น การไหลเวียนของเลือดได้โดยไม่ต้องสัมผัสผิวหนัง ซึ่งทำได้โดยการใช้ภาพวิดีโอใบหน้าเพื่อวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสีผิวของบุคคลนั้น ซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า^{[ 20 ] [ 21 ]} การวัด ระดับออกซิเจนในเลือดด้วยกล้องดังกล่าวเป็นทางเลือกที่ไม่ต้องสัมผัสแทนการวัดปริมาณเลือดด้วยแสงแบบดั้งเดิม ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ในการตรวจสอบอัตราการเต้นของหัวใจของทารกแรกเกิด^{[ 22 ]} หรือวิเคราะห์ด้วยโครงข่ายประสาทเทียมเชิงลึกเพื่อวัดระดับความเครียด^{[ 12 ]}

การวัด ปริมาตรเลือดด้วยโฟโตเพลทิสโมกราฟีระยะไกลสามารถทำได้โดยใช้โฮโลแกรมดิจิทัลซึ่งมีความไวต่อเฟสของคลื่นแสง จึงสามารถเปิดเผยการเคลื่อนไหวที่อยู่นอกระนาบในระดับไมครอนได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การถ่ายภาพแบบสนามกว้างของการเคลื่อนไหวแบบเป็นจังหวะที่เกิดจากการไหลเวียนของเลือดสามารถวัดได้ที่นิ้วหัวแม่มือโดยใช้โฮโลแกรมดิจิทัลผลลัพธ์ที่ได้เทียบเคียงได้กับชีพจรของเลือดที่ตรวจสอบโดยเพลทิสโมกราฟีระหว่างการทดลองการอุดตันและการไหลเวียนเลือดกลับคืน^{[ 23 ]}ข้อดีที่สำคัญของระบบนี้คือไม่จำเป็นต้องมีการสัมผัสทางกายภาพกับพื้นที่ผิวของเนื้อเยื่อที่ศึกษา ข้อจำกัดที่สำคัญสองประการของวิธีการนี้คือ (i) การกำหนดค่าอินเตอร์เฟอโรเมตริกนอกแกนที่ลดแบนด์วิดท์เชิงพื้นที่ที่มีอยู่ของอาร์เรย์เซ็นเซอร์และ (ii) การใช้ การวิเคราะห์ การแปลงฟูริเยร์แบบช่วงเวลาสั้น (ผ่านการแปลงฟูริเยร์แบบไม่ต่อเนื่อง ) ที่กรองสัญญาณทางสรีรวิทยาออก

การวิเคราะห์ส่วนประกอบหลักของโฮโลแกรมดิจิทัล^{[ 24 ]}ที่สร้างขึ้นใหม่จากอินเตอร์เฟอโรแกรมดิจิทัลที่ได้มาในอัตราที่สูงกว่า ~1000 เฟรมต่อวินาที เผยให้เห็นคลื่นพื้นผิวบนมือ วิธีนี้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำโฮโลแกรมดิจิทัลจากอินเตอร์เฟอโรแกรมบนแกน ซึ่งช่วยลดทั้งการลดแบนด์วิดท์เชิงพื้นที่ของการกำหนดค่าแบบนอกแกนและการกรองสัญญาณทางสรีรวิทยา แบนด์วิดท์เชิงพื้นที่ที่สูงขึ้นมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับขอบเขตการมองเห็นภาพที่ใหญ่ขึ้น

การปรับปรุงโฟโตเพลทิสโมกราฟีแบบโฮโลแกรมการถ่ายภาพเลเซอร์ดอปเปลอร์แบบ โฮโลแกรม ช่วยให้สามารถตรวจสอบคลื่นชีพจรการไหลเวียนของเลือดแบบไม่รุกรานในหลอดเลือดของเรตินาคอรอยด์เยื่อบุตาและม่านตาได้ [ ^{25 ] โดย} เฉพาะอย่างยิ่ง การถ่ายภาพเลเซอร์ดอปเปลอร์แบบโฮโลแกรมของจอตา คอรอยด์มีส่วนสำคัญต่อสัญญาณเลเซอร์ดอปเปลอร์ความถี่สูง อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะหลีกเลี่ยงอิทธิพลของมันโดยการลบสัญญาณพื้นฐานเฉลี่ยเชิงพื้นที่ออก และบรรลุความละเอียดเชิงเวลาสูงและความสามารถในการถ่ายภาพแบบเต็มสนามของการไหลเวียนของเลือดแบบเป็นจังหวะ

• เครื่องวัดปริมาตรเลือดในคลิตอริสด้วยแสง
• เครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจ
• พลศาสตร์ของเลือด
• การถ่ายภาพด้วยเลเซอร์ดอปเปลอร์
• เพลทิสโมกราฟ
• การวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดด้วยเครื่องวัดชีพจร § การวัดที่ได้มา
• เครื่องวัดปริมาตรเลือดในช่องคลอดด้วยแสง