Как работает пульсоксиметр на часах и фитнес-браслетах с функцией измерения SpO2?

В одной из своих заметок, я высказал простую мысль о том, как еще вчера казавшаяся нам бесполезной функция измерения SpO2 сегодня стала чуть ли не ключевым индикатором новой болезни.

Кто бы мог подумать (да, Билл Гейтс в 2015 году предупреждал…), что весь мир накроет эпидемия коронавируса — заболевания, одним из главных симптомов которого и станет падение уровня кислорода в крови (SpO2) ниже 93%?

Это, конечно, здорово, что фитнес-браслетам нашлось столь важное применение, но подождите-ка секундочку. Разве можно доверять показаниям этих безделушек? Ну в самом деле, как браслет может провести анализ крови и определить количество содержащегося в ней оксигемоглобина? Здравый смысл подсказывает, что одними лишь цветными лампочками здесь не обойтись.

Этот вопрос волнует многих пользователей фитнес-трекеров, поэтому сегодня я постараюсь подробно рассказать о том, как именно эти устройства измеряют уровень кислорода в крови и можно ли доверять таким показаниям.

Что вообще такое пульсоксиметр?

Пульсоксиметр — это прибор, показывающий пульс и количество кислорода в крови. Точнее, он показывает процент гемоглобина в крови, содержащего кислород.

Зачем нам нужен кислород, как он попадает в кровь, что с ним происходит дальше — все это не имеет прямого отношения к основной теме. Подробнее об этом вы можете почитать у нас здесь.

Главное понять одну простую вещь — гемоглобин служит для доставки кислорода по всему телу и в идеале каждая его молекула должна соединиться в легких с молекулами кислорода. Но в реальности так не происходит и часть гемоглобина отправляется в долгий путь по кровеносной системе без молекул кислорода на борту.

Получается, кровь, которая прошла через легкие, состоит из гемоглобина, который смог захватить кислород (называется он оксигемоглобин) и бесполезного гемоглобина, не сумевшего подхватить частичку кислорода. Такой «бесполезный» гемоглобин называется дезоксигемоглобин.

Если, например, у нас в организме всего 1000 молекул гемоглобина и 950 из них захватили кислород, став оксигемоглобином, а 50 молекул решили прокатиться по кровеносной системе «налегке», тогда сатурация крови кислородом (SpO2) будет составлять 95%.

Пульсоксиметры и показывают процентное соотношение оксигемоглобина к общему количеству гемоглобина.

Так вот, некоторые фитнес-браслеты, смарт-часы и даже смартфоны имеют встроенный пульсоксиметр, принцип работы которого практически не отличается от профессионального медицинского оборудования, установленного в палатах интенсивной терапии. Это ровно те же маленькие лампочки и никакого забора крови, никаких анализов и других сложных процедур.

Как работает пульсоксиметр?

Как уже было сказано выше, пульсоксиметры в медицинских учреждениях и датчики SpO2 на фитнес-браслетах работают по одному и тому же принципу. Но небольшая разница, все же, есть. И заключается она в расположении датчиков.

В классическом пульсоксиметре, светодиодные лампочки находятся с одной стороны, а фотодиод — с противоположной. Светодиоды излучают свет, который проходит сквозь палец и попадает на фотодиод, размещенный с обратной стороны:

Обычно такие пульсоксиметры надеваются на палец или мочку уха. То есть, на ту часть тела, которую можно легко просветить. Соответственно, для фитнес-трекеров и смарт-часов такой вариант не подходит, так как просветить запястье не получится.

В этом случае фотодиод размещается рядом со светодиодами и уже анализируется отраженный свет:

Во всем остальном — никакой разницы. Везде используется один и тот же принцип, только в медицине анализируется свет, пропущенный через ткани, а в трекерах — отраженный от тканей. Хотя, бывают и профессиональные медицинские пульсоксиметры, работающие по тому же принципу, что и на фитнес-браслетах.

С этим разобрались. Но остается главный вопрос — каким образом простой свет может вычислить количество оксигемоглобина в крови? И почему, кстати, на иллюстрациях показаны только два светодиода — красный и инфракрасный? А где же привычные зеленые лампочки, раздражающие ночью своим ярким светом? Отлично, что вы задали столько интересных вопросов! Давайте по порядку на них отвечать.

Есть несколько простых фактов. Во-первых, гемоглобин поглощает свет. А во-вторых, оксигемоглобин (тот, что с кислородом) и дезоксигемоглобин (тот, что без кислорода) по-разному поглощают световые волны разной длины.

Постоянные читатели Deep-Review хорошо понимают, что такое световые волны и почему они бывают разной длины. Мы говорили об этом множество раз в статьях о матрицах смартфонов, о вреде излучения и пр. Но для всех остальных, вкратце повторюсь.

Свет — это электромагнитная волна. Словно волны на море, свет распространяется в пространстве. Если свет падает на какой-то предмет, часть его волн поглощается, а часть отражается (ударяется о предмет и направляется к нам в глаза). Те волны, что дошли до нашего глаза интерпретируются мозгом как определенный цвет. А зависит это от длины волны:

Если к нам в глаз попали короткие волны, скажем, длиной 440 нанометров (1 нанометр — это одна миллиардная часть метра), тогда мозг говорит, что та точка, от которой эта волна отразилась, пусть будет синего цвета. А если от какой-то точки отразились волны, длиной 550 нм, мозг «раскрашивает» ее в зеленый цвет. Вот так мы и видим цвета окружающего мира.

Теперь посмотрите, как поглощается свет гемоглобином в зависимости от длины волны (то есть, цвета) и типа гемоглобина (окси- или дезоксигемоглобин):

Как видим, свет с длиной волны 650 нанометров практически не поглощается оксигемоглобином (с кислородом), но в то же время максимально поглощается дезоксигемоглобином (без кислорода). На рисунке, соответственно, синий график в этой точке (650 нм) достигает максимума, а другой — минимума.

И если волны длиной 650 нм очень хорошо поглощаются дезоксигемоглобином, то волны длиной 950 нм поглощаются им очень плохо.

Соответственно, в пульсоксиметре используется два светодиода. Первый излучает красный свет, длина волны которого равняется примерно 650 нм. А второй — инфракрасный, длина волны которого равняется 950 нм:

Еще раз, оксигемоглобин поглощает больше инфракрасного света, чем красного, а дезоксигемоглобин, наоборот, гораздо лучше поглощает красный, чем инфракрасный свет. Это хорошо видно на последнем графике.

Получается, чтобы определить уровень насыщения крови кислородом, нужно узнать, сколько инфракрасного и красного света было поглощено гемоглобином. Чтобы стало понятнее, как это происходит, давайте рассмотрим 3 простых примера.

Пример 1

Представим, что весь гемоглобин в данный момент переносит кислород. Соответственно, красный и инфракрасный свет будут поглощаться так, как на кривой поглощения света оксигемоглобином (см. график выше):

Когда отраженный свет попадет на фотодиод нашего фитнес-браслета, он вычислит, сколько красного и инфракрасного света было поглощено гемоглобином и решит, что SpO2 = 100%. То есть, весь гемоглобин переносит кислород.

Пример 2

Вторым примером рассмотрим противоположную ситуацию, которой в жизни быть не может. Представим, что ни одна молекула гемоглобина не переносит кислород. То есть, насыщение крови кислородом не произошло. Соответственно, теперь степень поглощения красного и инфракрасного света будет в точности соответствовать кривой дезоксигемоглобина:

В сером квадратике мы видим совершенно другое соотношение красного и инфракрасного света. Выходит, SpO2 (уровень насыщения крови кислородом) = 0%.

Пример 3

В третьем примере рассмотрим ситуацию, когда уровень кислорода в крови составляет 50%. В этом случае, количество поглощенного красного и инфракрасного света будет чем-то средним между кривыми окси- и дезоксигемоглобина:

В сером квадратике на картинке мы снова видим другое соотношение красного и инфракрасного света, соответствующее SpO2 = 50%.

Довольно просто, не так ли? Светодиоды загораются на несколько миллисекунд, свет проходит через ткани и артерии, отражается (в основном от кости) и возвращается на фотодиод. Затем браслет сравнивает количество света, излученного светодиодами с количеством отраженного света и определяет степень поглощения в красном и инфракрасном спектре.

Так гладко получается только «на бумаге»…

Конечно же, это очень упрощенная модель, рассчитанная на идеальные условия, которые не могут быть достигнуты даже теоретически. На ум сразу же приходят множество потенциальных проблем, которые нужно как-то решать.

Например, понятно, что далеко не весь свет будет поглощаться гемоглобином, а остальной — возвращаться на фотодиод. Очень много света будет рассеиваться внутри тканей нашего тела. И пульсоксиметру нужно как-то понять, какая часть света была поглощена в крови, а какая — просто рассеялась.

Решается эта проблема специальной калибровкой при производстве устройства. И состоит она в том, что уровень кислорода измеряется пульсоксиметром и специальным лабораторным оборудованием. Человек должен понижать количество кислорода в крови и показатели сравниваются. Затем создается специальный калибровочный график, который используется в дальнейшем при измерениях браслетом.

Есть и другая, более сложная проблема. Все мы люди разные. Одно дело проводить измерение на худощавом запястье, где артерии видны невооруженным глазом и совсем другое — на запястье человека, страдающего лишним весом. Чем толще кожа или жировая ткань, тем больше света будет поглощено внутри тканей и это не имеет никакого отношения к уровню кислорода в крови.

Решение этой сложной проблемы оказалось довольно простым. Нужно всего лишь игнорировать поглощение света тканями и анализировать только поглощение света артериальной кровью! Но как это сделать?

Во время измерения, все ткани, кроме артерий, будут поглощать свет одинаково. Дело в том, что артериальная кровь постоянно пульсирует и это будет влиять на количество поглощенного света. Ведь, чем больше крови в артерии, тем больше материала, поглощающего свет. Получается, при измерении датчик будет постоянно видеть периодические «изменения SpO2», причем меняться значения могут каждые пол секунды (в зависимости от пульса).

Соответственно, показания будут состоять из двух наборов данных: той части, что остается неизменной, и той, что меняется в такт пульса. Первый набор данных бесполезен — он сообщает лишь о количестве света, поглощенного в тканях, а вот второй «пульсирующий» набор данных и сообщает нам о сатурации крови кислородом.

Если по какой-то причине браслет не сможет поймать такт, то есть, точно определить пульс, он не сможет и точно определить SpO2 (уровень кислорода в крови).

И это далеко не все проблемы. Но, к счастью, все они решаются и, как показывает практика, современные фитнес-трекеры могут очень точно определять уровень сатурации крови кислородом. Правда, лучше всего у них это получается, когда пользователь находится в состоянии покоя. Так как любые движения создают серьезные помехи в сигнале.

Последнее, что хотелось бы добавить. Как мы увидели, весь принцип работы пульсоксиметра основан на одном простом принципе — красный и инфракрасный свет по-разному поглощается кровью. Соответственно, если фитнес-трекер или умные часы не оборудованы красным и инфракрасным светодиодами, они не смогут измерять уровень SpO2. Зеленые лампочки для этого не подходят.

Алексей, главный редактор Deep-Review (alexeysalo@gmail.com)