PEB/COPPE/UFRJ
COB 783
Medição de Fenômenos Biológicos
Oxímetros de Pulso
Angelo Bernardo Brasil de Souza
Fabiana Silva dos Santos
PEB/COPPE/UFRJ
Introdução

Histórico
-
1940: Medidas de saturação arterial de oxigênio → Têmpora;
-
1960: LEDs e fotodiodos; Oxímetro intravascular Polanyi et al;
-
1970: Avanço da oximetria → Surgimento de diversos problemas;
-
1980: Oximetria óptica convencional + Pletismografia = Oximetria de
pulso.
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Tipo de Sensor



Sensor óptico;
Vantagens;
Componentes:
‒ Fonte de luz ou componente emissor luz (LED);
‒ componente detector de luz (fotodiodo ou fotosensor).
Fonte
de luz
Modo de
interação
LED
Transmissão
Reflexão
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Elemento
fotosensor
Fotodiodo
Constituintes
 LED
-
Light Emitting Diode ou
Diodo Emissor de Luz;
-
Diodo semicondutor;
Luz monocromática.
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Constituintes

O LED como um semicondutor:
-
Banda de valência → Ocupada por elétrons;
-
Banda de condução → Vazia;
-
Perda de energia → Fótons;
-
Adição de impurezas → Dopagem;
-
2 tipos de semicondutores:
- tipo-p (impureza doadora) e tipo-n (impureza aceitadora).
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Constituintes
 LED
-
Arsenieto de gálio(GaAs):
Radiação infravermelha (700 m – 1 mm);
Se dopado com fósforo → Luz visível
-
-
Vermelho (630 – 780 m);
Amarelo (565 – 590 m).
Fosfato de gálio (GaP)
Se dopado de nitrogênio:
-
Verde (490 – 565 m);
Amarelo (565 – 590 m).
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Modos de captação da luz
 Classificação
dos oxímetros→ Captação da luz:
‒ Transmissão ou espalhamento;
‒ Reflexão ou retroespalhamento.
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Absorção da luz
-
Absorção → Comprimento de onda dependente;
-
Hemoglobina (Hb):
- Maior absorção: 450 a 550 nm;
- Menor abosrção: 600 a 1000 nm.
-
Oxiemoglobina (HbO2) X Hb:
- HbO2 → 660nm → menor absorção.
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Espectro de absorção
HbO2 X Hb
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Modos de captação da luz

Constante macroscópica de absorção do sangue
H H
Kb 
  o SO 2   r (1  SO 2 ) 
V
V

Sendo:
‒
‒
‒
‒
σo é a secção de choque de absorção para a HbO;
σr é a secção de choque de absorção para a Hb;
SO2 é a saturação de O2 no sangue;
H/V é a concentração de hematócritos no sange.
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Modos de captação da luz
 Constante
macroscópica de espalhamento
H
Sb   s
V
S b '  S b 1  H    s
H
1  H 
V
 Sendo:
‒ σs = σs+ + σs- é a secção de choque de
espalhamento;
‒ H é o percentual de homogeneidade;
‒ SO2 é a saturação de O2 no sangue;
‒ H/V é a concentração de hematócritos no sange.
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Elemento Fotosensor
 Fotodiodo
-
Conversão energia luminosa → Elétrica;
Fótons → Transferem Energia → Elétrons → Mudança de Nível
-
Semicondutor de polarização reversa;
-
Modos de operação: fotocondutiva, fotovoltaica
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Fotodiodo
 Célula
Fotovoltaica
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Fotodiodo
 Célula
Fotocondutiva
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Interação LED-Fotodiodo

LEDs : emitem luz;

Luz incide sobre o fotodiodo;

Fótons penetram o semicondutor;

Transferem sua energia para os elétrons;

Elétrons difundem-se pelo semicondutor;

Fluxo de corrente  intensidade luminosa incidente.
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Interação LED-Fotodiodo
 No
oxímetro:
I D (, t )  I 0 (, t )  T (, t )
J D ( , t )  I D (, t )  ED ( )
J D ( , t )   I 0 ( , t )  T ( , t ) E D ( )d
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Tipo de configurações
 Modo
de transmissão
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Spranger, 2004
Tipo de configurações
 Modo
de Reflexão
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Spranger, 2004
Parâmetros do Sensor
 Calibração
ACv
 max v 
log

DCv
min v 

R

 maxiv  ACiv
log

 min iv  DCiv
 Calibração
in vivo
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Castro et al., 2005
Parâmetros do sensor
 Sensibilidade: Sinal de saída/Intensidade luminosa
-
Área de região ativa
-
Intensidade de luz incidente
-
Tipo de encapsulamento
-
Ganho interno do detector
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Ushizima
Parâmetros do sensor
 Precisão
n
SDR 
 (SpO
i 1
2i
 SpO2 fit,i ) 2
n2
‒ SpO2i é o i-ésimo valor de SpO2 estimado
‒ SpO2fit,i é o i-ésimo valor de SpO2 ajustado pela
curva polinomial
PEB/COPPE/UFRJ
Parâmetros do sensor
 Exatidão
-
Valor eficaz da diferença entre:
Valores estimados pelo oxímetro de pulso (SpO2i)
Valores de referência (SRi)
n
RMS 
2
(
SpO

S
)
 2i Ri
i 1
n
PEB/COPPE/UFRJ
Castro et al., 2005
Parâmetros do Sensor
 Acurácia:
- 1% ou maior: Saturações >80%;
- Para saturações <70%:
- Mannheimer et al., 735nm e 890 nm
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Aplicação do sensor: Oximetria de pulso
 Indicações
‒ Procedimentos anestésicos
‒ Unidades de terapia intensiva
‒ Transporte de pacientes: ambulância, procedimentos
de emergência e outros.
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Oximetria de Pulso

Princípios de funcionamento:
1.
Espectrofotometria:
-
Absorção HbO2 X Hb;
-
HbO2: mais iv;
-
Hb: mais v.
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Oximetria de Pulso
2.
Pletismografia:
‒
Variação: volume de sangue e absorção
‒
Absorção da luz no local da probe:
‒
Componentes :
‒
‒
pulsáteis (variáveis, Iac);
não pulsáteis (constantes, Idc).
PEB/COPPE/UFRJ
Pletismografia
 Componentes
Iac e Idc
PEB/COPPE/UFRJ
Ushizima & Spranger, 2004
Oximetria de pulso
 Modo
de obtenção da curva
Yoshida et al. , 1980: 2 λ
Iac650
log
Idc650
SapO2  A  B
Iac805
log
Idc805
PEB/COPPE/UFRJ
Oximetria de Pulso
 Modo
de obtenção da SpO2
-
Atualmente: 660 nm (vermelho) e 940nm (infravermelho)
-
sinal : filtrado e condicionado tensão adequados –
conversão A/D
-
sinal digital : processado –> visor SpO2
PEB/COPPE/UFRJ Spranger, 2004 & Felizardo, 2002
Oximetria de pulso: Visor
PEB/COPPE/UFRJ
Oximetria de pulso
 SpO2
obtida representa:
HbO2
SpO2 % 
 100
HbO2  Hb
 SpO2
: Valores normais, 21% : 96% e 100%.
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Oximetria de Pulso
 Tipos
de probe
PEB/COPPE/UFRJ
Spranger, 2004 apud Fearnley, 1995
FATORES QUE PREJUDICAM A
OXIMETRIA
 Fatores
técnicos:
- Interferências ópticas;
- Campo magnético → Ressonância magnética;
- Artefatos de movimento;
- Esmalte de unha:
- Rodden et al. , 2007;
- Significância estatística, mas não clínica;
- Diferença SpO2<1%.
PEB/COPPE/UFRJ
FATORES QUE PREJUDICAM A
OXIMETRIA
 Fatores
clínicos:
- Fraca atividade pulsátil;
- Anemia;
- Corantes intravasculares;
- Hemoglobinas não funcionais:
- carboxiemoglobinas (HbCO);
- metemoglobinas (metaHb).
PEB/COPPE/UFRJ
MIYAKE et al., 2003