تغییرحجم‌سنجی نوری
تغییرحجم‌سنجی نوری یا فوتوپلتیسموگرام (Photoplethysmogram یا PPG) یک نوری است که می­‌تواند برای تشخیص تغییرات حجم خون در بستر رگ عروقی بافت به کار گرفته شود. PPG معمولا با استفاده از اکسیژ‌‌‌‌‌ن‌­سنج خون(پالس اکسی‌متر) بدست می‌آید که پوست را تحت تاثیر قرار داده و تغییرات جذب نور را اندازه‌­گیری می‌­کند. اکسیژن‌­سنج خون معمولی بر اساس خونی که در بافت غشاء میانی پوست و بخش زیرپوستی قرار دارد عمل پایش (مانیتورینگ) را انجام می‌­دهد.
با هر چرخه قلبی، قلب خون را به تمام نقاط بدن پمپ می­‌کند. درست است که این فشار نبض تا زمانی که به پوست می­‌رسد تا حدودی میرا می­‌شود، اما همین کافی است که منجر به متورم کردن شریان و سرخرگها در بافت زیرپوستی شود. اگر اکسیژن‌­سنج خون بدون فشار به پوست متصل شود، یک فشار نبض از شبکه سیاهرگی به عنوان یک قله کوچک ثانویه شناسایی می­‌شود.
تغییرات در حجم که به وسیله فشار نبض (پالس) ایجاد می‌­شود، با تاباندن نور به کمک یک دیود نوری (LED) و سپس میزان نوری که بازتاب یا منتقل می‌­شود به کمک یک فوتو­­­­­­دیود قابل اندازه‌­گیری است. هر چرخه قلبی همان طور که در شکل دیده می­‌شود، به صورت یک قله ظاهر می­‌شود. از آن‌جایی که جریان خون بر روی پوست می­‌تواند با سیستم­‌های فیزیولوژیکی دیگر بدن کمی دچار تغییر شود، PPGمی­‌تواند برای نظارت بر تنفس، کم­‌حجمی­‌خون و سایر شرایط گردش خون استفاده شود. علاوه بر این، شکل موج PPG بین اشخاص مختلف متفاوت است، و این تفاوت به چگونگی قرار­گیری و موقعیت مکانی که اکسیژن­‌سنج خون نصب شده است بستگی دارد.
در حالی که ا یک دستگاه پزشکی متداول هستند،PPG حاصل از آن­‌ها به ندرت نمایش داده ‌می‌­شود و فقط برای تعیین ضربان قلب پردازش می­شود. PPG­ها را می­‌توان از طریق جذب انتقالی (مانند نوک انگشت) یا انعکاس (مانند پیشانی) ­بدست آورد.
در تنظیمات سرپایی، ­اکسیژن­‌سنج‌­های خون معمولا روی انگشت قرار داده و پوشیده می‌­شوند. با این‌­حال، در موارد شوک، سرما­­­­­‌‌زدگی و غیره، می‌­توان جریان خون را در محیط پیرامونی کاهش داد، در نتیجه یک PPG بدون ضربان قلب قابل تشخیص است.در این حالت می‌­توان PPG را توسط یک اکسیژن‌­سنج نبضی روی سر بدست آورد، با شایع‌­ترین مکان­‌ها که درگوش، تیغه­‌بینی و پیشانی قرار دارد. PPG همچنین می‌­تواند به عنوان تغییر حجم سنجی نوری چند مکانه(MPPG) پیکر­بندی شود، به عنوان مثال اندازه­‌گیری همزمان از آویز گوش راست و چپ، انگشتان اشاره و انگشتان شصت پا، و ارائه فرصت­‌های بیشتر برای ارزیابی بیماران مشکوک به بیماری شریانی پیرامونی، اختلال عملکرد خودکار، اختلال عملکرد اندوتلیال و سفتی شریانی. MPPGهمچنین پتانسیل قابل توجهی برای داده­‌کاوی ارائه می­‌دهد، به عنوان مثال با استفاده از یادگیری عمیق، و همچنین طیف وسیعی از تکنیک‌­های ابتکاری دیگر برای تجزیه و تحلیل موج نبض.
مشخص شده است که آرتیفکت­‌های حرکتی یک عامل محدود­کننده است که مانع از قرائت دقیق در هنگام ورزش و شرایط زندگی آزاد می­‌شود.
از آن­‌جا که پوست به طور بسیار غنی تزریق شده است، تشخیص جزء ضربان­دار چرخه قلب نسبتا آسان است. مؤلفه DC سیگنال به میزان عمده قابل انتساب به جذب بافت پوست می­‌باشد، در حالی­که مؤلفه AC مستقیماً به تغییر حجم خون در پوست ناشی از فشار نبض چرخه قلب نسبت داده می­‌شود.
ارتفاع مؤلفه AC تغییر حجم­‌سنجی نوری متناسب با فشار نبض، اختلاف فشار انقباضی و انبساطی در رگ­‌ها است. همان­طور که در شکل انقباضات بطنی زودرس (PVCs) نشان داده شده است، ضربان PPG برای چرخه قلب با PVC منجر به فشار خون و PPG با دامنه کمتری می­‌شود. تپش قلب بطنی و انقباض نا­منظم رشته­‌های عضلانی(فیبریلاسیون) بطنی نیز قابل تشخیص است.
تنفس با تغییر فشار داخل پرده جنبی، فشار بین دیواره قفسه سینه و ریه‌­ها بر چرخه قلب تاثیر می­‌گذارد. از آن­جا که قلب در حفره قفسه سینه بین ریه­‌ها قرار دارد، فشار جزئی استنشاق و بازدم فشار زیادی بر روی سیاهرگ و پر­­­­‌‌‌شدن دهلیز راست دارد. این اثر اغلب به عنوان آریتمی سینوسی طبیعی شناخته می­‌شود.
در طول دم، فشار داخل پرده جنبی تا 4 میلی­‌متر جیوه کاهش می‌­یابد،‌که دهلیز راست را متورم می­‌کند، اجازه می‌­دهد سیاهرگ سریع­‌تر پر شود، بار­گذاری بطن افزایش و سکته قلبی کاهش یابد. بر عکس در طول باز­دم، قلب فشرده می‌­شود،‌کارایی چرخه قلب کاهش می‌­یابد و حجم سکته افزایش می­‌یابد. وقتی فرکانس و عمق تنفس افزایش می­‌یابد، بازگشت سیاهرگی افزایش می­‌یابد و منجر به افزایش برون­ده قلب می­‌شود.
متخصصان بیهوشی اغلب باید به طور ذهنی قضاوت کنند که آیا بیمار به اندازه کافی برای عمل جراحی بیهوش شده است. همان­طور که در شکل دیده می‌شود، اگر بیمار به اندازه کافی بیهوش نشود، پاسخ سیستم عصبی خود­کار به یک برش می‌­تواند یک واکنش و پاسخ فوری در دامنه PPG ایجاد کند. شامیر(Shamir)، ایدلمن(Eidelman)  و همکاران اثر متقابل بین تنفس و حذف 10 درصد از حجم خون بیمار برای ذخیره خون قبل از جراحی را مطالعه کردند. آن­‌ها دریافتند که از دست دادن خون در دستگاه تغییر حجم‌­سنجی نوری هم از طریق اکسیژن‌­سنج خون و هم از طریق کاتتر شریانی قابل تشخیص است. بیماران در هنگام فشرده شدن قلب، در دامنه ضربان قلب ناشی از بار اولیه قلب در هنگام بازدم، کاهش نشان دادند.
گزارش­ شده است که FDA در ماه آگوست سال 2019 برای تغییر حجم­‌سنج نوری مبتنی بر نظارت بدون دست‌­بند فشار خون ترخیص کالا از گمرک را ارائه می‌­دهد.
در حالی‌­که تغییر حجم­‌سنجی نوری معمولا به نوعی تماس با پوست انسان (مثلاً گوش، انگشت) نیاز دارد، تغییر حجم­‌سنجی نوری از راه دور امکان تعیین فرآیند­های فیزیولوژیکی مانند جریان خون بدون تماس با پوست را فراهم می­‌کند. این امر با استفاده از فیلم ویدئویی برای تجزیه و تحلیل تغییرات ناچیز لحظه‌­ای در رنگ پوست سوژه که برای چشم انسان قابل تشخیص نیست، حاصل می‌­شود. چنین اندازه‌­گیری مبتنی بر دور­بین از میزان اکسیژن خون، جایگزینی بدون تماس برای تغییر حجم­‌سنجی نوری معمولی را فراهم می­‌کند. به عنوان مثال، می­‌تواند برای نظارت بر ضربان قلب نوزادان تازه متولد­شده، یا تجزیه و تحلیل با شبکه‌­های عصبی عمیق برای تعیین میزان استرس مورد استفاده قرار بگیرد. تغییر حجم‌­سنجی نوری هم­چنین می‌­تواند توسط تمام­‌نگاری دیجیتال انجام شود، که به فاز امواج نور حساس است و از این رو می­‌تواند حرکات خارج از صفحه زیر میکرون را نشان دهد. به طور خاص، تصویر­برداری میدان وسیع از حرکت ضربانی ناشی از جریان خون را می­‌توان بر روی انگشت شست توسط تمام­‌نگاری دیجیتال اندازه‌­گیری کرد. نتایج قابل مقایسه با نبض خون است که توسط تغییر حجم­‌سنجی نوری در طی یک آزمایش انسداد-خون­‌رسانی مجدد کنترل و نظارت می‌­شود.مزیت اصلی این سیستم این است که نیازی به تماس فیزیکی با سطح بافت مورد مطالعه ندارد.
اصلاح این روش، تمام‌­نگار ، نظارت غیر تهاجمی بر موج نبض جریان خون شبکیه و مشیمیه را ممکن می­‌سازد . در تمام‌­نگاری لیزر داپلر قسمت انتهایی چشم، مشیمیه سهم عمده را در سیگنال فرکانس بالای لیزر داپلر تشکیل می‌­دهد. با این حال می‌­توان با کم کردن متوسط سیگنال پایه فضایی، تاثیر آن را کاهش داد و به وضوح تصویر بالا و قابلیت تصویر­برداری کامل از جریان خون ضربان‌­دار دست یافت.