โควิด-19 และหลักการทำงานของเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่ปลายนิ้ว (Fingertip Pulse Oximeter)

          การระบาดทั่วของโควิด-19 (COVID-19) ในประเทศไทย ณ เดือนกรกฎาคม ค.ศ. 2021 ทั้งจำนวนผู้ติดเชื้อและผู้เสียชีวิตเพิ่มขึ้นจากปีที่แล้วมาก เป็นที่น่ากังวลอย่างยิ่งโดยมีผู้ติดเชื้อมากกว่าสี่แสนคนและผู้เสียชีวิตมากกว่าสามพันสามร้อยคน ขณะที่ทั่วโลกมีผู้ติดเชื้อมากกว่า 191 ล้านคนและผู้เสียชีวิตมากกว่าสี่ล้านคน โดยมีนักวิทยาศาสตร์หลายคนคาดการณ์ว่าตัวเลขที่แท้จริงอาจสูงมากกว่านี้ 


          เมื่อไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ (SARS-CoV-2) เข้าสู่ร่างกายทำให้เกิดโรคติดเชื้อไวรัสโคโรนา 2019 (COVID-19) ผ่านระบบทางเดินหายใจของมนุษย์ทำให้เกิดการบาดเจ็บของปอดเช่น การอักเสบและปอดบวมซึ่งสิ่งเหล่านี้จะส่งผลทางลบต่อการขนส่งออกซิเจนจากปอดไปสู่เนื้อเยื่อและอวัยวะต่าง ๆของร่างกายผ่านทางกระแสเลือด ภาวะที่เกิดขึ้นนี้อาจเกิดขึ้นกับผู้ป่วยโควิด-19 ที่หลายระดับไม่เฉพาะแต่ผู้ป่วยที่มีอาการรุนแรงต้องใช้เครื่องช่วยหายใจ โดยแท้จริงแล้วแพทย์พบว่าผู้ป่วยโควิด-19 หลายคนมีระดับออกซิเจนในเลือดต่ำแต่ยังดูปรกติดี ซึ่งเป็นเรื่องที่น่ากังวลเพราะผู้ป่วยเหล่านี้อาจป่วยหนักมากกว่าที่เราสังเกตเห็นได้ จึงจำเป็นที่จะต้องได้รับการรักษาจากแพทย์โดยเร็ว อย่างไรก็ตามไม่ใช่ผู้ป่วยโควิด-19 ทุกคนที่จะมีระดับออกซิเจนในเลือดน้อย โดยข้อมูลจากเว็บไซต์ Minnesota Department of Health (https://www.health.state.mn.us/) กล่าวว่าไม่แนะนำให้ใช้เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่ปลายนิ้วในการชี้วัดว่าใครติดเชื้อโควิด-19 หรือไม่ หากบุคคลใดมีอาการคล้ายเป็นโควิด-19 หรือมีความเสี่ยงควรไปตรวจคัดกรองเพื่อหาเชื้อโควิด-19 แต่ผู้ติดเชื้อโควิด-19 การใช้เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่ปลายนิ้วจะช่วยตรวจวัดสุขภาพระดับออกซิเจนในเลือดได้อย่างสม่ำเสมอ เครื่องนี้ยังมีประโยชน์สำหรับคนที่มีภาวะอื่นๆ อีก ยกตัวอย่างเช่น ในโรคหอบหืด (asthma) มะเร็งปอด คนที่มีภาวะหยุดหายใจขณะหลับ (obstructive sleep apnea) เป็นต้น

          โชคดีที่เราสามารถวัดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดได้อย่างง่ายดายโดยใช้เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่ปลายนิ้ว (fingertip pulse oximeter) เครื่องนี้คืออุปกรณ์ขนาดเล็กราคาไม่แพงที่ใช้ตรวจวัดค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด ใช้โดยนำมาหนีบที่ปลายนิ้วหรือส่วนอื่นๆ ของร่างกาย โดยประยุกต์ใช้ความรู้เรื่องแสงในทางฟิสิกส์ โดย Karl Matthes แพทย์ชาวเยอรมันเป็นบุคคลแรกที่สร้างเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดในปี ค.ศ. 1935 โดยบทความนี้เราจะมาอธิบายหลักการทำงานของเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่ปลายนิ้วที่ใช้อยู่ในปัจจุบันกัน

          ในวิชาฟิสิกส์แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum) คือแถบแสดงความถี่หรือความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแต่ละช่วงมีชื่อต่าง ๆ  เช่น คลื่นวิทยุ รังสีอินฟราเรด แสง รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ เป็นต้น ทั้งแสงที่เรามองเห็นได้และแสงอื่น ๆเช่นอินฟาเรดต่างก็อยู่ในสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ต่างกันที่แสงแต่ละชนิดมีความยาวคลื่น ความถี่ของคลื่นต่างกัน หลักการทำงานของเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่ปลายนิ้วคือ นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าฮีโมโกลบิน (hemoglobin) ในเลือดคือโมเลกุลของโปรตีนในเม็ดเลือดแดงที่มีหน้าที่นำออกซิเจนจากปอดไปสู่เนื้อเยื่อต่าง ๆของร่างกาย ซึ่งมีความจำเป็นมาก โดยออกซีฮีโมโกลบิน (oxyhemoglobin) คือฮีโมโกลบินที่จับกับออกซิเจนที่ส่งจากปอดไปยังเนื้อเยื่อและดีออกซีฮีโมโกลบิน (deoxyhemoglobin) คือฮีโมโกลบินที่ไม่ได้จับกับออกซิเจน โดยออกซีฮีโมโกลบินและดีออกซีฮีโมโกลบินจะดูดกลืนแสงสีแดงและแสงอินฟาเรดที่ความยาวคลื่นต่างกัน ออกซีฮีโมโกลบินจะดูดกลืนแสงอินฟาเรดมากกว่าแสงสีแดงในขณะที่ดีออกซีฮีโมโกลบินจะดูดกลืนแสงสีแดงมากกว่า โดยเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดที่ปลายนิ้วใช้หนีบที่ปลายนิ้วเพราะมีเลือดไหลเวียนมาก โดยเครื่องที่ด้านหนึ่งจะมีแหล่งกำเนิดแสงสองแหล่งคือแสงสีแดงและแสงอินฟาเรด แสงทั้งสองชนิดจะเคลื่อนผ่านเนื้อเยื่อ โดยฮีโมโกลบินมีการดูดกลืนแสงบางส่วนและผ่านไปยังตัวตรวจจับที่อยู่อีกด้านหนึ่งของเครื่อง อัตราส่วนการดูดกลืนความยาวคลื่นของทั้งสองชนิดคือแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่น 660 nm และแสงอินฟาเรดที่มีความยาวคลื่น 940 nm จะถูกคำนวณเพื่อนำไปหาค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด (SpO2 มาจาก peripheral oxygen saturation) ได้


          โดยที่ปรกติแล้วค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดของคนเราจะมีค่าอยู่ที่ร้อยละ 95-100 โดยถ้าต่ำกว่าร้อยละ 90 ทางการแพทย์จะจัดว่าเป็นเลือดมีออกซิเจนน้อย (hypoxemia) อ้างอิงข้อมูลจากองค์การอนามัยโลกในเอกสาร Interim Guidance for Member States - On the Use of Pulse Oximetry in Monitoring Covid-19 Patients Under HomeBased Isolation and Care กล่าวว่าค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดมากกว่าหรือเท่ากับร้อยละ 94 และไม่มีอาการอื่น ๆเช่นเจ็บหน้าอก การหายใจลำบาก (dyspnea) ให้คอยตรวจดูระดับออกซิเจนต่อไป ค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดน้อยกว่าหรือเท่ากับร้อยละ 94 ผู้ป่วยจำเป็นที่จะต้องนำเข้ารักษาในโรงพยาบาลเพื่อเฝ้าติดตามดูอาการและการรักษาอื่นๆ ต่อไป ค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดน้อยกว่าหรือเท่ากับร้อยละ 90 ผู้ป่วยจำเป็นจะต้องรีบถูกนำตัวสู่การแพทย์ฉุกเฉินเพื่อรักษาโดยเร็ว

          จะเห็นได้ว่าเมื่อนักวิทยาศาสตร์นำเอาความรู้เรื่องแสงมาประยุกต์สร้างเป็นอุปกรณ์ ทำให้เกิดผลประโยชน์สร้างเป็นเครื่องมือที่ช่วยให้เราสามารถตรวจวัดสิ่งต่างๆในร่างกายเรา และข้อมูลเรานี้จะช่วยบอกว่าร่างกายของเรามีอะไรผิดปรกติหรือไม่เพื่อให้แพทย์สามารถวินิจฉัยและรักษาได้อย่างรวดเร็ว นับว่าเป็นประโยชน์อย่างยิ่งแก่มนุษย์ทุกคน

 

อ้างอิง

• Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2013). Fundamentals of physics. John Wiley & Sons.
• https://www.houstonmethodist.org/blog/articles/2020/aug/can-an-oximeter-help-detect-covid-19-at-home/
• https://www.afro.who.int/sites/default/files/Covid-19/Techinical%20documents/GUIDELINES%20FOR%20THE%20USE%20OF%20PULSE%20OXIMETRY%20IN%20MONITORING%20COVID-19%20PATIENTS%20IN%20HBIC.pdf
• https://www.health.state.mn.us/diseases/coronavirus/pulseoximeter.html