تغییرحجم‌سنجی نوری

تغییرحجم‌سنجی نوری یا فوتوپلتیسموگرام (Photoplethysmogram یا PPG)یک حجم‌سنجی نوری است که می‌تواند برای تشخیص تغییرات حجم خون در بستر رگ عروقی بافت به کار گرفته شود. PPG معمولاً با استفاده از اکسیژن‌سنج خون(پالس اکسی‌متر) بدست می‌آید که پوست را تحت تأثیر قرار داده و تغییرات جذب نور را اندازه‌گیری می‌کند.K. Shelley and S. Shelley, Pulse Oximeter Waveform: Photoelectric Plethysmography,in Clinical Monitoring, Carol Lake, R. Hines, and C. Blitt, Eds. : W.B. Saunders Company, 2001, pp. 420-428. 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.
بندانگشتی|پالس اکسی‌متر (اکسیژن‌سنج خون) انگشت
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.E. Aguilar Pelaez et al. , "LED power reduction trade-offs for ambulatory pulse oximetry," 2007 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Lyon, 2007, pp. 2296-2299. doi: 10.1109/IEMBS.2007.4352784, URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4352784&isnumber=4352185 هر چرخه قلبی همان‌طور 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.Reisner A, Shaltis PA, McCombie D, Asada HH (May 2008). "Utility of the photoplethysmogram in circulatory monitoring". Anesthesiology. 108 (5): 950–8. doi:10.1097/ALN.0b013e31816c89e1. PMID 18431132. علاوه بر این، شکل موج PPG بین اشخاص مختلف متفاوت است، و این تفاوت به چگونگی قرارگیری و موقعیت مکانی که اکسیژن‌سنج خون نصب شده‌است بستگی دارد.

 مکان‌هایی برای اندازه‌گیری PPG 
در حالی که اکسیژن‌سنج‌های خون 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 معمولاً 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.Budidha, K; Kyriacou, PA (August 2015). "Investigation of photoplethysmography and arterial blood oxygen saturation from the ear-canal and the finger under conditions of artificially induced hypothermia" (PDF). Conference Proceedings: … Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference. 2015: 7954–7. doi:10.1109/EMBC.2015.7320237. ISBN 978-1-4244-9271-8. PMID 26738137. S2CID 4574235. در این حالت می‌توان PPG را توسط یک اکسیژن‌سنج نبضی روی سر بدست آورد، با شایع‌ترین مکان‌ها که در گوش، 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. MPPG همچنین 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.Allen, John; Overbeck, Klaus; Nath, Alexander F. ; Murray, Alan; Stansby, Gerard (Apr 2008). "A prospective comparison of bilateral photoplethysmography versus the ankle-brachial pressure index for detecting and quantifying lower limb peripheral arterial disease". J Vasc Surg. 47 (4): 794–802. doi:10.1016/j.jvs.2007.11.057. PMID 18381141.McKay, N. D. ; Griffiths, B. ; Di Maria, C. ; Hedley, S. ; Murray, A. ; Allen, J. (Oct 2014). "Novel photoplethysmography cardiovascular assessments in patients with Raynaud's phenomenon and systemic sclerosis: a pilot study". Rheumatology (Oxford). 53 (10): 1855–63. doi:10.1093/rheumatology/keu196. PMID 24850874.Mizeva, Irina; Di Maria, Costanzo; Frick, Peter; Podtaev, Sergey; Allen, John (Mar 2015). "Quantifying the correlation between photoplethysmography and laser Doppler flowmetry microvascular low-frequency oscillations". J Biomed Optics. 20 (3): 037007. Bibcode:2015JBO....20c7007M. doi:10.1117/1.JBO.20.3.037007. PMID 25764202. S2CID 206437523.Al-Jebrni, Abdulrhman H. ; Chwyl, Brendan; Wang, Xiao Yu; Wong, Alexander; Saab, Bechara J. (2020-05-01). "AI-enabled remote and objective quantification of stress at scale". Biomedical Signal Processing and Control. 59: 101929. doi:10.1016/j.bspc.2020.101929. ISSN 1746-8094.

مشخص شده‌است که آرتیفکت‌های حرکتی یک عامل محدودکننده است که مانع از قرائت دقیق در هنگام ورزش و شرایط زندگی آزاد می‌شود.

 کاربردها 
بندانگشتی|انقباض بطنی زودرس (PVC) همانند EKG و فشار خون (BP) در PPG نیز دیده می‌شود.

 نظارت بر ضربان قلب و چرخه قلبی 
بندانگشتی|نبض‌های وریدی را می‌توان به وضوح در این PPG مشاهده کرد.
از آن‌جا که پوست به‌طور بسیار غنی تزریق شده‌است، تشخیص جزء ضرباندار چرخه قلب نسبتاً 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 شده‌است، 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.Alian, AA; Shelley, KH (December 2014). "Photoplethysmography". Best Practice & Research. Clinical Anaesthesiology. 28 (4): 395–406. doi:10.1016/j.bpa.2014.08.006. PMID 25480769.

 نظارت بر تنفس 
بندانگشتی|اثرات سدیم نیتروپروساید (Nipride)، یک گشادکننده عروق پیرامونی، بر PPG انگشت یک ماده آرام بخش. همان‌طور که انتظار می‌رفت، دامنه PPG پس از تزریق افزایش می‌یابد، و علاوه بر این، تنوع ناشی از تنفس (RIV) افزایش می‌یابد.Shelley, KH (December 2007). "Photoplethysmography: beyond the calculation of arterial oxygen saturation and heart rate". Anesthesia and Analgesia. 105 (6 Suppl): S31–6, tables of contents. doi:10.1213/01.ane.0000269512.82836.c9. PMID 18048895. S2CID 21556782.
تنفس با تغییر فشار داخل پرده جنبی، فشار بین دیواره قفسه سینه و ریه‌ها بر چرخه قلب تأثیر 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 ۴ 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.Shelley, KH; Jablonka, DH; Awad, AA; Stout, RG; Rezkanna, H; Silverman, DG (August 2006). "What is the best site for measuring the effect of ventilation on the pulse oximeter waveform?". Anesthesia and Analgesia. 103 (2): 372–7, table of contents. doi:10.1213/01.ane.0000222477.67637.17. PMID 16861419. S2CID 6926327.

 نظارت بر عمق بیهوشی 
متخصصان بیهوشی اغلب باید به‌طور ذهنی قضاوت کنند که آیا بیمار به اندازه کافی برای عمل جراحی بیهوش شده‌است. 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.
بندانگشتی|اثرات برش بر روی سوژه‌ای تحت بیهوشی کلی بر روی فوتوپلتیزموگرافی (PPG) و فشار خون (BP).

 نظارت بر کم‌حجمی خونی و سوزن تزریق 
شامیر(Shamir)، ایدلمن(Eidelman) و همکاران اثر متقابل بین تنفس و حذف ۱۰ درصد از حجم خون بیمار برای ذخیره خون قبل از جراحی را مطالعه کردند.M. Shamir, L. A. Eidelman, Y. Floman, L. Kaplan, and R. Pi-zov, Pulse Oximetry Plethysmographic Waveform During Changes in Blood Volume, Br. J. Anaesth. , vol. 82, pp. 178-181, 1999. 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.

 نظارت بر فشار خون 
گزارش شده‌است که FDA در ماه آگوست سال ۲۰۱۹ برای تغییر حجم‌سنج نوری مبتنی بر نظارت بدون دست‌بند فشار خون ترخیص کالا از گمرک را ارائه می‌دهد.Wendling, Patrice (28 August 2019). "FDA Okays Biobeat's Cuffless Blood Pressure Monitor". Medscape. Retrieved 5 September 2019.

 تغییر حجم‌سنج نوری از راه دور 
 تصویربرداری مرسوم 
در حالی‌که تغییر حجم‌سنجی نوری معمولاً به نوعی تماس با پوست انسان (مثلاً گوش، انگشت) نیاز دارد، تغییر حجم‌سنجی نوری از راه دور امکان تعیین فرایندهای 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.Verkruysse, W. ; Svaasand, L.O. ; Nelson, J.S. (2008). "Remote plethysmographic imaging using ambient light". Optics Express. 16 (26): 21434–21445. Bibcode:2008OExpr..1621434V. doi:10.1364/OE.16.021434. PMC 2717852. PMID 19104573.Rouast, P.V. ; Adam, M.T.P. ; Chiong, R. ; Cornforth, D. ; Lux, E. (2018). "Remote heart rate measurement using low-cost RGB face video: A technical literature review". Frontiers of Computer Science. 12 (5): 858–872. doi:10.1007/s11704-016-6243-6. S2CID 1483621. 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،https://www.youtube.com/watch?v=7Nq73-jYbpY یا تجزیه و تحلیل با شبکه‌های عصبی عمیق برای تعیین میزان استرس مورد استفاده قرار بگیرد.Al-Jebrni, Abdulrhman H. ; Chwyl, Brendan; Wang, Xiao Yu; Wong, Alexander; Saab, Bechara J. (2020-05-01). "AI-enabled remote and objective quantification of stress at scale". Biomedical Signal Processing and Control. 59: 101929. doi:10.1016/j.bspc.2020.101929. ISSN 1746-8094.
بندانگشتی|تغییرحجم‌سنجی نوری انگشت شست توسط تمام‌نگار تصویربرداری لیزر داپلر

 تمام‌نگاری دیجیتال 
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. به‌طور 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.Bencteux, Jeffrey (2015). "Holographic laser Doppler imaging of pulsatile blood flow". Journal of Biomedical Optics. 20 (6): 066006. arXiv:1501.05776. Bibcode:2015JBO....20f6006B. doi:10.1117/1.JBO.20.6.066006. PMID 26085180. S2CID 20234484.مزیت اصلی این سیستم این است که نیازی به تماس فیزیکی با سطح بافت مورد مطالعه ندارد.
بندانگشتی|امواج ضربان‌دار در پشت قورباغه توسط تمام‌نگار تغییرحجم‌سنجی نوری (فوتوپلتیسموگرافی) اندازه‌گیری می‌شود.
اصلاح این روش، تمام‌نگار تصویربرداری لیزر داپلر، نظارت غیر تهاجمی بر موج نبض جریان خون شبکیه و مشیمیه را ممکن می‌سازد.Puyo, L. , M. Paques, M. Fink, J-A. Sahel, and M. Atlan. "In vivo laser Doppler holography of the human retina." Biomedical optics express 9, no. 9 (2018): 4113-4129. 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، تأثیر آن را کاهش داد و به وضوح تصویر بالا و قابلیت تصویربرداری کامل از جریان خون ضربان‌دار دست یافت.

 جستارهای وابسته 
 نظارت بر ضربان قلب
 تغییرحجم‌سنجی نوری کلیتورال
 همودینامیک
 تصویربرداری لیزر داپلر
 حجم‌سنج
 تغییرحجم‌سنجی نوری مهبلی
 اکسیژن‌سنج خون#اندازه‌گیری‌های مشتق‌شده

 منابع 

رده:پس‌خوراند زیستی
رده:پایش پزشکی
رده:فرایندهای عروقی