Fotopletysmografie

Záznam fotopletysmogramu (PPG)

Fotopletysmografie (PPG) je neinvazivní optická diagnostická metoda sloužící ke sledování změn objemu krve v mikrocirkulaci tkání. Princip metody je založen na měření změn intenzity světla, které prochází biologickou tkání nebo se od ní odráží v závislosti na pulzní náplni cév. Fotopletysmografie je dnes nedílnou součástí moderních monitorovacích systémů a je široce využívána zejména v rámci pulzní oxymetrie, monitoringu srdeční frekvence a hodnocení hemodynamiky.

Díky své neinvazivitě, jednoduchosti a nízkým nákladům našla fotopletysmografie uplatnění nejen v klinické medicíně, ale také v oblasti nositelné elektroniky, například ve formě chytrých hodinek nebo fitness náramků.

Princip fotopletysmografie

Optický princip měření

Základním principem fotopletysmografie je interakce světla s biologickou tkání. Světlo emitované nejčastěji LED diodou v červené nebo infračervené oblasti spektra prochází tkání, kde je částečně absorbováno zejména hemoglobinem obsaženým v krvi. Zbylá část světla je zachycena fotodetektorem.

Množství absorbovaného světla se mění v závislosti na objemu krve v cévách během srdečního cyklu. Tento jev lze fyzikálně popsat pomocí Beerova–Lambertova zákona, který vyjadřuje vztah mezi koncentrací absorbující látky a intenzitou procházejícího světla. Změny intenzity světla tak odpovídají pulznímu kolísání objemu krve v arteriolách.

Typy fotopletysmografie

Podle uspořádání zdroje světla a detektoru rozlišujeme dva základní typy fotopletysmografie. Transmisní fotopletysmografie využívá průchod světla tkání a typicky se používá na prstu nebo ušním lalůčku. Tento princip je základem pulzní oxymetrie. Reflexní fotopletysmografie pracuje s odrazem světla od tkáně a nachází uplatnění především v nositelných zařízeních, jako jsou chytré hodinky nebo sportovní náramky.

Vztah fotopletysmografie ke kardiovaskulárnímu systému

Tvar a amplituda fotopletysmografické křivky úzce souvisejí se stavem kardiovaskulárního systému. Záznam PPG odráží změny objemu krve v periferních cévách a je ovlivněn srdeční frekvencí, arteriální poddajností, periferním cévním odporem i celkovým objemem cirkulující krve. Tyto parametry společně určují výsledný tvar pulzové vlny.

Změny PPG signálu lze pozorovat například při hypovolémii, kdy dochází ke snížení amplitudy v důsledku poklesu preloadu, nebo při srdečních arytmiích, které se projeví nepravidelností křivky. Významný vliv má také vazokonstrikce, například při chladu nebo šokovém stavu, která snižuje periferní perfuzi. Změny krevního tlaku se rovněž promítají do charakteru pulzové vlny. Fotopletysmografie tak poskytuje nepřímé informace o stavu hemodynamiky a oběhového systému.

Klinické využití fotopletysmografie

Pulzní oxymetrie

Pulzní oxymetr

Nejčastější klinickou aplikací fotopletysmografie je pulzní oxymetrie, která umožňuje neinvazivní stanovení saturace hemoglobinu kyslíkem (SpO₂) a měření srdeční frekvence. Metoda je rutinně využívána v anesteziologii, intenzivní péči, na urgentních příjmech i v ambulantní medicíně. Pulzní oxymetrie patří mezi základní metody monitorace vitálních funkcí.

Monitoring srdeční činnosti

Detekce fibrilace síní z EKG a fotopletysmogramu (PPG): (a) Signály PPG během fibrilace síní (vlevo) a normálního sinusového rytmu (vpravo); (b) odpovídající signály EKG; (c) intervaly mezi stahy (IBIs); (d) Poincaréovy grafy konstruované s použitím IBI odvozených z PPG.

Z PPG signálu lze získat informace o srdečním rytmu a jeho pravidelnosti. Fotopletysmografie umožňuje detekci extrasystol, změn pulzového tlaku a nepravidelností rytmu. Při poruchách srdeční činnosti se mění amplituda i časový průběh pulzové vlny, což vykazuje určitou analogii k záznamu elektrokardiografie, i když PPG neposkytuje přímou informaci o elektrické aktivitě srdce.

Monitoring dýchání

Respirační pohyby ovlivňují žilní návrat a plnění pravého srdce, což se projevuje změnami amplitudy PPG signálu. Tyto změny lze využít k odhadu dechové frekvence a ke sledování respirační variability. Metoda je využívána zejména při monitoraci pacientů v anestezii nebo na jednotkách intenzivní péče.

Hodnocení objemu tekutin

Fotopletysmografie umožňuje nepřímé hodnocení objemového stavu pacienta. Změny amplitudy signálu mohou upozornit na hypovolémii, změny preloadu nebo odpověď na volumoterapii. V klinické praxi slouží PPG jako doplňkový ukazatel při hodnocení cirkulační stability pacienta.

Měření krevního tlaku

V současnosti se fotopletysmografie využívá také k odhadu krevního tlaku. Používají se metody založené na měření pulse transit time (PTT), pulse wave velocity (PWV) nebo analýze tvaru pulzové vlny. Tyto metody nacházejí uplatnění zejména v nositelných zařízeních, přestože jejich přesnost zatím nedosahuje úrovně klasických tonometrických metod.

Vzdálená fotopletysmografie

Moderním trendem je rozvoj bezkontaktní fotopletysmografie, která využívá kamerový záznam k analýze drobných barevných změn kůže způsobených pulzací krve. Tato metoda nachází uplatnění například u novorozenců, při monitoringu stresu nebo ve výzkumu autonomního nervového systému. Speciální formou je holografická fotopletysmografie, která umožňuje sledovat mikropohyby tkání vyvolané pulzací krve pomocí laserových metod.

Výhody a omezení metody

Fotopletysmografie je neinvazivní, bezbolestná a snadno dostupná metoda vhodná pro kontinuální monitoring pacientů. Mezi její hlavní výhody patří jednoduchost, nízká cena a široká využitelnost v klinické i domácí péči.

Mezi omezení patří citlivost na pohybové artefakty, ovlivnění teplotou a periferní perfuzí, snížená přesnost u šokových stavů a závislost na správném umístění senzoru.

Odkazy

Související články

• Pulzní oxymetrie
• Srdeční frekvence
• Vitální funkce
• Elektrokardiografie

Použitá literatura

• ALLEN, John. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiological Measurement [online]. 2007, roč. 28, č. 3, s. R1–R39 [cit. 2025-01-07]. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17322588/
• PARK, Jeongmin. Photoplethysmogram Analysis and Applications. Frontiers in Physiology [online]. 2022 [cit. 2025-01-07].  https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2021.808451/full
• WIKIPEDIA. Photoplethysmogram [online]. [cit. 2025-01-07].  https://en.wikipedia.org/wiki/Photoplethysmogram