Pulse Oximetry: ตอนที่ 2 วิธีการใช้และข้อควรระมัดระวัง

ดังที่กล่าวเอาไว้ก่อนหน้านี้ในตอนที่ 1 เกี่ยวกับหลักการทำงานของเครื่อง pulse oximetry ซึ่งจำเป็นจะต้องอาศัยหลักการพื้นฐานได้แก่

• ต้องส่งสัญญาณแสงที่ความยาวคลื่นแสงสีแดง (660 nm) และคลื่น infrared (940 nm) ทะลุผ่านเนื้อเยื่อที่มีเลือดแดงในหลอดเลือดวิ่งผ่าน และหลังจากถูกดูดซับไปบางส่วนจาก hemoglobin ก็จะตกลงไปยังส่วนอ่านค่าที่อยู่ด้านตรงข้าม
• ต้องอาศัยความจำเพาะในการดูดซับแสงที่ต่างกันของ hemoglobin จึงจะแยก hemoglobin แต่ละชนิดออกจากกันได้
• ต้องอาศัยการวัดค่าดังกล่าวข้างต้นเปรียบเทียบกันระหว่างช่วงที่มีชีพจร (มีเลือดแดง + เนื้อเยื่อ + เลือดดำ) กับช่วงที่ไม่มีชีพจร (เฉพาะเลือดดำและเนื้อเยื่อ) เพื่อให้สามารถบอกความแตกต่างได้ว่าเป็นค่าที่วัดได้จากเลือดแดงเท่านั้น

ดังนั้นข้อจำกัดบางประการของเครื่องตรวจชนิดนี้ จึงเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่าง ๆ เหล่านี้นี่เองครับ ได้แก่

• ถ้ามีสารที่เป็นสี (pigment) บางอย่างขวางทางเดินของลำแสงที่ใช้วัด สารเหล่านี้อาจดูดซับแสงไปด้วย ทำให้ค่าที่วัดได้ผิดไปจากความเป็นจริง (อาจสูงไปหรือต่ำไป ขึ้นกับว่าสารที่มาดูดซับนั้น ดูดซับคลื่นแสงส่วนไหนมากกว่ากัน) สารที่มักเป็นสาเหตุที่พบบ่อย ๆ ก็ได้แก่ สารเคมีที่เปื้อนบนมือ สีทาเล็บ เชื้อราหรือการมีการอักเสบของเนื้อเยื่อใต้เล็บ จนทำให้เกิดการหนาตัว (hyperkeratinization) ในชนชาติที่ผิวคล้ำมาก ๆ เป็นต้น (ถ้าดำเลย ก็อาจจะทำให้ SpO2 สูงกว่าความเป็นจริงได้ถึง 2-3% เลยทีเดียว) กรณีนี้มีวิธีการแก้ไขคือ เลือกนิ้วที่ไม่มีปัญหาเกี่ยวกับโรคเล็บ หากทาเล็บควรล้างเล็บออกให้สะอาดก่อน 
• แสงตามธรรมชาติที่เราสัมผัสอยู่ทุกวัน ก็มีทั้งแสงสีแดงและ infrared (แต่สีแดงจะมากกว่า) ดังนั้นอาจรบกวนการอ่านจากเครื่องได้เช่นกันสำหรับกรณีนี้ วิธีการแก้ไขคือ ควรคลุมผ้าไว้รอบมือผู้ป่วยก่อนการวัด หากค่าที่วัดได้ไม่แน่นอน 
• ในผู้ป่วยที่มีภาวะบางอย่างทำให้มี abnormal hemoglobin ชนิดอื่น ๆ เพิ่มขึ้นแต่มีคุณสมบัติการดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นเดียวกันหรือใกล้เคียงกับ 660 nm หรือ 940 nm มาก ๆ ก็จะมีผลทำให้เครื่องไม่สามารถแยกได้และเหมารวมว่าเป็น hemoglobin ชนิดเดียวกัน ตัวอย่างเช่นcarboxyhemoglobin จาก carbon monoxide poisoning จะมีค่าความสามารถในการดูดซับแสงที่ 660 nm ได้เหมือน oxyhemoglobin ดังนั้นเมื่อวัด SpO2 เครื่องจะอ่าน carboxyhemoglobin ว่าเป็น oxyhemoglobin ทำให้ SpO2 สูงกว่าความเป็นจริงในกรณีนี้ (ทั้ง ๆ ที่จริง ๆ แล้วมี oxyhemoglobin ลดลง) ในทำนองตรงกันข้าม Methemoglobinมีความสามารถในการดูดซับแสงที่ 660 nm ได้เหมือนกับ deoxyhemoglobin ก็จะมีผลทำให้เครื่องอ่านค่าเหมาว่าเป็น deoxyhemoglobin ทั้งหมด และรายงานค่าที่ออกมาทาง SpO2 ว่าลดลงจากเดิม (ทั้งที่จริง ๆ แล้ว Oxyhemoglobin ก็อาจจะไม่ได้ลดลงมากขนาดนั้นจริง ๆ) 

(ภาพจาก http://blog.tremily.us/)

ภาพค่าความสามารถในการดูดซับแสงของ Hemoglobin ชนิดต่าง ๆ สังเกตไหมครับว่าที่ 660 nm ค่า hemoblobin extinction coefficient ของ Carboxyhemoglobin ไปตรงกันกับ oxyhemoglobin พอดี และ methemoglobin ก็ไปตรงกับ reduced (deoxy) hemoglobin พอดีเช่นกัน ซึ่งตรงนี้เองที่ทำให้เครื่องแปลการอ่านค่าผิดพลาดได้

• ในผู้ป่วยที่มี hypotension (ความดันเลือดต่ำมาก ๆ) จะมีเลือดไหลเวียนตามชีพจรมายังส่วนที่เราทำการวัดลดลง กรณีนี้เครื่องจะไม่สามารถแยกได้ชัดเจนระหว่าง arterial และ venous blood ได้ จึงทำให้การอ่านค่าผิดพลาดได้ด้วยเช่นกันครับ (อาจสูงไปหรือต่ำไปก็ได้)
• ดังที่กล่าวแล้วในตอนที่ 1 เกี่ยวกับการวัดความแม่นยำ ย้ำอีกครั้งว่า SpO2 ที่ค่าตั้งแต่ 80% ลงไปนั้น ไม่สามารถเชื่อถือได้ว่าจะเป็นค่าจริงหรือไม่ เนื่องจากเป็นค่าที่ไม่เคยได้ถูก calibrate เทียบกับค่าจริงจาก SaO2 ของอาสาสมัคร (เพราะไม่สามารถ induce hypoxemia มากขนาดนั้นได้)
• เนื่องจากอุปกรณ์เป็นอุปกรณ์ที่วัด ร้อยละของ oxyhemoglobin ต่อปริมาณของ hemoglobin ที่มีอยู่ทั้งหมด ไม่ได้เป็นการวัด ปริมาณทั้งหมดของ oxyhemoglobin ในร่างกาย ดังนั้น แม้ในผู้ป่วยที่ซีดมากจนมี hemoglobin เหลือเพียง 3-4 g/dL ก็จะยังมี SpO2 = 99% ได้(เพราะเกือบทั้งหมดจับกับออกซิเจน) แต่ผู้ป่วยจะมีภาวะ tissue hypoxia อย่างรุนแรงเนื่องจากในเลือดมีปริมาณ oxygen content ไม่เพียงพอ 
• สุดท้าย เนื่องจากเครื่องมือนี้วัดได้แต่ปริมาณ oxy/deoxyhemoglobin จึงบอกได้เฉพาะสภาวะทาง oxygenation ของผู้ป่วยเท่านั้น ไม่สามารถบอกสถานะทาง ventilation (ซึ่งต้องวัดด้วยค่า CO2) ของผู้ป่วยได้ ดังนั้นการที่ผู้ป่วยมี acute CO2 retention หรือมี ventilatory failure เกิดขึ้นแล้ว ก็อาจจะยังเห็นว่า SpO2 ยังสูงอยู่ได้ แต่จะลดลงให้เห็นก็ต่อเมื่อเป็นรุนแรงมากแล้ว ดังนั้นจึงต้องระมัดระวังให้มากในกรณีนี้ครับ 

ที่มา

1. Rafael Ortega, Christopher J. Hansen, Kelly Elterman, Albert Woo. Pulse Oximetry. N Engl J Med 2011;364:e33.

2. Johannes H van Oostrom, Brian Fuehrien, Richard J Melker. Pulse Oximetry and Plethysmography. in: Civetta, Taylor & Kirby's: Critical Care, 4th Edition. 2009 Lippencott Williams & Wilkins.

3. สุนิสา ฉัตรมงคลชาติ. Pulse Oximetry. http://www.bjmmedical.com/

Pulse Oximetry: ตอนที่ 1 หลักการทำงานของเครื่อง

ในอดีดสมัยที่ยังไม่มีการนำเอาอุปกรณ์ pulse oximetry มาใช้นั้น แพทย์ผู้ให้การรักษาผู้ป่วย มักจะต้องวินิจฉัยภาวะ hypoxemia ด้วยการตรวจร่างกาย ร่วมกับการเจาะเลือด arterial blood ส่งตรวจวัด oxygen ในเลือด แต่ก็มีข้อจำกัดคือ เป็นวิธีการที่ invasive ทำให้ผู้ป่วยเจ็บตัว แต่ไม่สามารถติดตามได้ต่อเนื่องตลอดเวลา ในเวลาต่อมาจึงได้มีการคิดค้นอุปกรณ์ pulse oximetry ซึ่งสามารถตรวจวัดค่าความอิ่มตัวของ oxygen ในเลือดได้โดยไม่ต้องเจาะเลือด และยังสามารถวัดได้ตลอดเวลาขั้น ซึ่งก็ได้รับความนิยมมากจนในปัจจุบันแทบจะเรียกได้ว่าเป็นอุปกรณ์สำหรับวัด vital signs อย่างที่ 5 (the fifth vital sign: นอกจาก blood pressure, body temperature, respiratory rate, และ heart rate) เลยทีเดียว

อย่างไรก็ตาม pulse oximetry ก็ยังคงเป็นเหมือนอุปกรณ์ในการชั่ง ตวง วัด เหมือนอุปกรณ์ชนิดอื่น ๆ ดังนั้นจึงย่อมมีความผิดพลาดเกิดขึ้นได้ ดังนั้น เราจึงควรทราบเกี่ยวกับหลักการทำงาน วิธีการใช้ และข้อควรระวังในการอ่านค่าที่ได้จากการวัดด้วยครับ 

ฮีโมโกลบิน (Hemoglobin) ชนิดต่าง ๆ ที่ถูกตรวจวัดด้วยเครื่อง Pulse oximetry

1. Oxyhemoglobin หรือฮีโมโกลบินที่จับอยู่กับออกซิเจนในเลือด
2. Deoxyhemoglobin หรือฮีโมโกลบินที่ปลดปล่อยออกซิเจนออกไปแล้ว โดยมากจะจับกับ carbon dioxide ซึ่งปลดปล่อยออกมาจากเซลล์
3. Carboxyhemoglobin หรือฮีโมโกลบินที่จับอยู่กับ carbon monoxide ปกติมีอยู่น้อยมากหรือไม่มีเลย แต่จะมีปริมาณเพิ่มมากขึ้นได้ในกรณีที่ได้รับสารพิษ carbon monoxide
4. Methemoglobin เป็น hemoglobin ที่ภายในโมเลกุล มีธาตุเหล็กที่มีประจุเป็น 3+ แทนที่จะเป็น 2+ ทำให้ไม่สามารถจับกับออกซิเจนได้ ส่วนใหญ่มีสาเหตุมาจากการได้รับสารเคมีบางชนิด

 หลักการทำงานของ Pulse oximetry

เนื่องจากเครื่อง pulse oximetry นั้น เป็นเครื่องตรวจวัดร้อยละของฮีโมโกลบินที่จับอยู่กับออกซิเจนในเลือดแดง ดังนั้น เงื่อนไขการทำงานของเครื่องนี้จึงต้องประกอบด้วยส่วนหลัก 2 ส่วนคือ

• จะต้องแยกระหว่าง hemoglobin ที่จับอยู่กับออกซิเจน และที่ไม่ได้จับอยู่กับออกซิเจนให้ได้
• จะต้องแยกได้ว่า oxyhemoglobin นั้น เป็น oxyhemoglobin ที่อยู่ในเลือดแดง (ไม่ใช่ในเลือด venous blood เพราะปกติใน venous blood ก็มี oxyhemoglobin) 

เรามาดูวิธีการวัดในส่วนแรกก่อนนะครับ นั่นคือ การวัดปริมาณ oxyhemoglobin แยกกับ deoxyhemoglobin

       ในการวัดระดับ oxyhemoglobin กับ deoxyhemoglobin นั้น อาศัยหลักการของ light absorption คือ สารต่างชนิดกันจะมีคุณสมบัติในการดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นแตกต่างกัน ซึ่งหากเราใช้แสงชนิดหนึ่งที่มีความเจาะจงกับ oxyhemoglobin ฉายผ่านบริเวณที่มี oxyhemoglobin สารนี้ก็จะดูดซับแสงไป ส่วนที่เหลือก็จะทะลุผ่านไปยังฉากรับที่อยู่ด้านล่างซึ่งจะมีตัววัดปริมาณแสงที่เหลืออยู่ นำไปคำนวณปริมาณแสงที่หายไป ก็จะรู้ได้ว่ามี oxyhemoglobin อยู่เท่าใดนั่นเอง ส่วน deoxyhemoglobin ซึ่งมีคุณสมบัติดูดซับแสงที่ค่าความยาวคลื่นอื่น ก็ใช้ค่าความยาวคลื่นอื่นแต่ใช้วิธีการเดียวกัน

จากการศึกษาก็พบว่า oxyhemoglobin นั้น มีคุณสมบัติดูดซับแสงที่ความยาวคลื่น 940 nm (ซึ่งเป็นความยาวคลื่นระดับ infrared คือตาเรามองไม่เห็น) แต่ deoxyhemoglobin นั้นดูดซับแสงได้ดีที่ความยาวคลื่น 660 nm ซึ่งเป็นแสงสีแดง ดังนั้น สังเกตไหมครับว่าเครื่อง pulse oximetry ของเราจะส่งแสงสีแดงออกมาตลอดเวลาขณะที่ทำการวัด 

เมื่อจะทำการวัด ก็จะใช้วิธีการยิงลำแสงที่ความยาวคลื่นต่างกัน 2 แบบนี้ผ่านลงไปจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งพร้อม ๆ กัน จากนั้นจึงอาศัยวิธีการวัดดังกล่าวข้างต้น

ทีนี้เมื่อสามารถวัดประมาณของประมาณ hemoglobin ทั้งสองแบบไว้ได้แล้ว ก็มาเข้าสู่การคำนวณเพื่อให้ได้ oxygen saturation ออกมา นั่นคือ

O2 saturation from pulse oximetry (SpO2) =        oxyhemoglobin/(oxyhemoglobin + deoxyhemoglobin) x 100 

ทีนี้ก็มาถึงส่วนที่สอง คือ จะรู้ได้อย่างไรว่าค่าที่วัดมาได้นั้น มาจากเลือดฝั่ง arterial blood เท่านั้นไม่รวม venous blood 

       สำหรับวิธีการแก้ปัญหาอันนี้ ก็อาศัยหลักการวัดตามข้างต้น แต่วัด ณ เวลาต่าง ๆ กันคือ เวลาที่มีความแรงของชีพจรสูงสุด (กำลังมีทั้ง arterial blood และ venous blood) เทียบกับเวลาที่ความแรงชีพจรต่ำสุด (มีแต่ venous blood) นั่นเอง โดยเครื่องจะอาศัยการยิงลำแสงที่กล่าวข้างต้นหลายร้อยครั้งต่อวินาที เพื่อจับให้ได้ค่า oxygen saturation ณ เวลาต่าง ๆ กัน จากนั้น ก็จะเลือกค่าที่ได้จากช่วงที่ความแรงชีพจรสูงสุด เทียบกับเวลาที่ความแรงชีพจรต่ำสุด แล้วเอามาคำนวณโดยการลบกันนั่นเอง

ในการเปรียบเทียบความแม่นยำของการวัดของเครื่องนั้น ผู้ผลิตจะใช้วิธีการวัด SpO2 จากปลายนิ้ว เทียบจากที่เจาะเลือด arterial blood ของอาสาสมัคร โดยขณะที่ทำการวัดนั้น ก็จะมีการ induce hypoxemia ในอาสาสมัครที่ระดับต่าง ๆ กัน ด้วย และก็พบว่า SpO2 นั้น จะมีค่าความคลาดเคลื่อนจาก SaO2 ที่ได้จากในเลือดจริง ๆ นั้นประมาณ ±2% 

         อย่างไรก็ตาม ในการทดสอบความแม่นยำของเครื่องโดยการใช้อาสาสมัครนั้น เป็นการผิดจริยธรรมอย่างมากที่จะ induce hypoxemia ของอาสาสมัครจน oxygen saturation ลดต่ำลงไปกว่าร้อยละ 80 ดังนั้นการผลิตเครื่อง pulse oximetry นั้นจึงระบุข้อจำกัดเอาไว้ว่า "หากผู้ป่วยมีค่า SaO2 ต่ำกว่า 80% ลงไปแล้ว เครื่องวัด SpO2 อาจจะวัดค่าคลาดเคลื่อนไปจากความเป็นจริงได้ ทำให้ความน่าเชื่อถือลดลง"

พิมพ์ไปพิมพ์มาเริ่มจะยาวมากขึ้นเรื่อย ๆ เกรงว่าผู้อ่านจะปวดตาและเบื่อเสียก่อน เอาไว้จะนำมาเล่าต่อในตอนที่สองนะครับ

(ที่มา 

1. Rafael Ortega, Christopher J. Hansen, Kelly Elterman, Albert Woo. Pulse Oximetry. N Engl J Med 2011;364:e33.

2. Johannes H van Oostrom, Brian Fuehrien, Richard J Melker. Pulse Oximetry and Plethysmography. in: Civetta, Taylor & Kirby's: Critical Care, 4th Edition. 2009 Lippencott Williams & Wilkins.)