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.)