Die Messung des Sauerstoffgehalts im Blut gehört nicht erst seit Corona zum medizinischen Standard. Wie funktioniert die Oximetrie und was hat das Absorptionsspektrum von Hämoglobin damit zu tun?

Bild 2: Zwei verschiedene Messprinzipien der Oximetrie – transmissiv und reflektiv (Bild: Würth Elektronik)

Neben dem Sauerstoffgehalt misst die Pulsoximetrie die Hämoglobinsättigung im Blut. Dabei nutzt das Verfahren die unterschiedlichen Wellenlängen von rotem und infrarotem Licht, das unterschiedlich absorbiert wird. Zu den wichtigsten Komponenten zählen Infrarot-LEDs und Fotodetektoren.

Pulsoximetrie ist die nicht-invasive Methode zur Bestimmung der Hämoglobinsättigung (Hb) mit Sauerstoff im Blut und der Herzfrequenz. Geräte, die mit dieser Methode messen, gab es früher nur in Krankenhäusern, heute sind sie aufgrund des technologischen Fortschritts und der Kombination einzelner Technologien viel häufiger anzutreffen. Der Sauerstoffgehalt des Blutes und die Herzfrequenz können jetzt mit preiswerten Konsumgütern gemessen werden. Smartwatches spielen hier eine immer größere Rolle, was es umso einfacher macht, beim täglichen Training nicht nur die zurückgelegte Strecke, sondern auch die Sauerstoffsättigung zu kontrollieren.

Für die fraktionierte Sauerstoffbestimmung stützt sich die Elektronik auf die unterschiedlichen Wellenlängen von rotem (660 nm) und infrarotem Licht (940 nm). Arterien, Venen, Kapillaren und Gewebe beispielsweise absorbieren das von einer Lichtquelle emittierte Licht an den Fingerkuppen durch das im Blut enthaltene Hämoglobin unterschiedlich. Ein Fotodetektor erkennt dann das nicht absorbierte Licht. Mittels serieller Kommunikation überträgt das System die erfassten Signale an einen Mikrocontroller, der die Daten dann verarbeitet, um den Prozentsatz der Sauerstoffsättigung (SpO2), des Oxyhämoglobins (HbO2) und des Desoxyhämoglobins (Hb) zu ermitteln. Zu den wichtigsten Komponenten dieses Messprinzips zählen LEDs und Fotodetektoren.

Die Sauerstoffsättigung (SpO2), gemessen durch Pulsoximetrie, ist ein wichtiger Indikator für die Sauerstoffversorgung des Körpers, da sie den prozentualen Anteil der roten Blutkörperchen (Hämoglin) anzeigt, die mit Sauerstoff gesättigt sind. Das Messverfahren arbeitet kontinuierlich und transkutan und kann somit auch einen akuten Sauerstoffmangel erkennen. Werte zwischen 95 und 100 Prozent gelten als unbedenklich, liegt der Wert jedoch dauerhaft unter 90 Prozent, sollten Betroffene einen Arzt aufsuchen. Um zu verstehen, wie dieser Messwert technisch erfasst werden kann, ist das Verständnis von zwei Grundprinzipien der Pulsoximetrie erforderlich:

Um sauerstoffangereichertes Hämoglobin (HbO2) von sauerstoffarmem Hämoglobin (Hb) zu unterscheiden, nutzt das Verfahren die charakteristischen Absorptionsspektren von rotem und nahem Infrarotlicht dieser beiden Blutbestandteile. Obwohl sowohl die Oberhaut (Epidermis) als auch die Dermis rotes und nahes Infrarotlicht im Bereich von 600 bis 900 nm nur in sehr geringem Maße absorbieren, absorbieren sie blaues, grünes, gelbes und fernes IR-Licht deutlich. Diesen Umstand können Entwickler technisch nutzen. Abbildung 1 zeigt die Absorption von sauerstoffreichem Hämoglobin (HbO2, in Rot) und desoxygenierten Hämoglobins (Hb, in Schwarz) als Funktion der Wellenlänge.

Da Hämoglobin ein Porphyrin ist, haben sowohl sauerstoffhaltiges Hämoglobin (HbO2) als auch sauerstoffarmes Hämoglobin ihr Absorptionsmaximum bei etwas über 400 nm (Soret-Bande). HbO2 absorbiert jedoch mehr IR-Licht (600 nm) und weniger rotes Licht (900 nm) als Hb und erscheint aufgrund der höheren Reflexion von rotem Licht hellrot. Im Gegensatz dazu absorbiert Hb mehr rotes Licht und erscheint dadurch dunkler. Dieser Absorptionsunterschied zwischen HbO2 und Hb wird von den Methoden in gängigen Pulsoximetriegeräten ausgenutzt, wobei zwischen zwei unterschiedlichen Messmethoden unterschieden werden muss: der transmissiven Oximetrie, wie sie in Fingeroximetern verwendet wird, und der reflektiven Oximetrie, die in kommt zum Beispiel eine Smartwatch (Bild 2).

Beide Methoden haben ihre Grenzen hinsichtlich der Dichte des Gewebes: Fingerkuppen oder Ohrläppchen lassen sich aufgrund der vielen kleinen Blutgefäße relativ gut ausleuchten, während ein Unterarm nur zur Reflexion genutzt werden kann. Bei der transmissiven Oximetrie befindet sich ein Paar Leuchtdioden (LEDs) in einer Fingersonde. Ein Fototransistor erfasst dann das durch den Finger übertragene Licht auf der gegenüberliegenden Seite des Fingers. Dazu werden LEDs im roten Bereich um 650 nm verwendet, dazu eine weitere LED im nahen Infrarotbereich um 900 nm. Der Fototransistor erkennt die relative Menge an absorbiertem Rot- und IR-Licht und bestimmt schließlich den Anteil von Hb und HbO2. Aus den erfassten elektrischen Parametern lässt sich somit der Sauerstoffgehalt berechnen.

Aber wie unterscheidet man zwischen arteriellem und venösem Blut, wenn in erster Linie nur die arterielle Sättigung von Interesse ist? Die Fähigkeit der Pulsoximetrie, SpO2 nur aus arteriellem Blut zu erkennen, basiert auf dem Prinzip, dass die absorbierte Menge an rotem und infrarotem Licht mit jedem Herzschlag schwankt. Während der Systole, also der Spannungs- und Blutabflussphase, erhöht sich das arterielle Blutvolumen und damit die Resorption. Umgekehrt nehmen Blutvolumen und Resorption während der Diastole wieder ab. Dagegen bleibt das Blutvolumen in den Venen und Kapillaren sowie in Haut, Fett, Knochen etc. relativ konstant.

Für die Lichtabsorption bedeutet dies gleichzeitig, dass Venen, Kapillaren, Knochen und andere Gewebebestandteile einfallendes Licht relativ konstant absorbieren - als Messwert kann man es als reines Gleichstromsignal (DC) über die Dauer ansehen eines einzigen Herzschlags. Arterielles Blut hingegen absorbiert das Licht aufgrund der pulsierenden Volumenänderung innerhalb eines Herzschlages unterschiedlich stark, wodurch neben dem ebenfalls vorhandenen DC-Signal ein Wechselstromsignal (AC) entsteht. 3 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer Arterie und Vene während der Systole und Diastole, das die nicht pulsierenden (DC) und pulsierenden (AC) Abschnitte der Arterien und das relative Fehlen von Volumenänderungen in Venen und Kapillaren veranschaulicht.

Der untere Teil von Abbildung 3 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer Arterie und einer Vene. Die Abbildung zeigt pulsierende (AC) und nicht pulsierende (DC) Blutgefäße, wobei nur die Arterie eine pulsierende (AC) Komponente aufweist.

Pulsoximeter verwenden die Wechselspannungskomponente der Lichtabsorptionen, um das Modulationsverhältnis zwischen Rot und IR zu berechnen. Damit gilt Formel 1

mit A als Absorption und R als dem doppelten Verhältnis der pulsierenden und nicht pulsierenden Komponenten der Rotlichtabsorption zur Infrarotlichtabsorption. Bei niedriger arterieller Sauerstoffsättigung, dh bei erhöhtem Hb, ist die relative Amplitudenänderung der Rotlichtabsorption durch den Puls größer als die IR-Absorption, es gilt (Formel 2):

Dies führt zu einem höheren R-Wert.

Für höhere Sauerstoffsättigungen (Formel 3):

und damit ist der R-Wert niedriger (Abb. 4). Der Prozentsatz der Sauerstoffsättigung (SpO2) basierend auf der Pulsoximetrie-Kalibrierungskurve kann anhand des R-Werts wie in Abbildung 4 gezeigt geschätzt werden. Bei einem Verhältnis von R = 0,5 beträgt SpO2 100 Prozent, während bei einem Verhältnis von R = 1 , der SpO2 beträgt 82 Prozent. Mit dem Lambert-Beer-Gesetz können Entwickler SpO2 berechnen. Die HbO2-Konzentration wird nach folgender Gleichung (Formel 4) berechnet:

Hb ist das Gewicht von Hämoglobin (im Allgemeinen etwa 14 g Hb / 100 ml Blut), während 1,37 die Sauerstoffmenge ist, die 1 g Hämoglobin vollständig binden kann. Die RHb-Konzentration kann mit der folgenden Gleichung (Formel 5) berechnet werden:

Jedoch beeinflussen verschiedene Aspekte wie externes Licht, Umgebung, Verschiebung, abnormale Hämoglobinwerte, Geschwindigkeit oder Pulsrhythmus die Genauigkeit und die Fähigkeit, eine Pulsoximetrie durchzuführen.

Basierend auf einer Kalibrierungskurve korrigiert eine Reihe von Impulsen den SpO2-Wert mit Kalibrierungsfaktoren. Die Kalibrierungskurve wurde empirisch durch Messung von R an gesunden Probanden erstellt, deren Sättigung von 100 Prozent auf etwa 70 Prozent geändert wurde (Abb. 4). Daher werden SpO2-Werte unter 70 Prozent nicht als quantitativ genau angesehen, obwohl es unwahrscheinlich ist, dass Angehörige der Gesundheitsberufe klinische Entscheidungen aufgrund von SpO2-Unterschieden unter 70 Prozent treffen.

Abbildung 5 zeigt das Grundprinzip eines Pulsoximeters. Herzstück des Systems ist ein Mikrocontroller, der aus den peripheren Sensoren, bestehend aus der roten LED (150224SS73100), der Infrarot-LED (15414194BA210) und einer Fotodiode bzw. Fototransistor (1541411NBA210), die Messwerte zur Berechnung des Blutsauerstoffs berechnet Inhalt und Herzfrequenz.

Der Fototransistor liefert als elektrisches Signal einen Strom, dessen Höhe der Lichtintensität entspricht. Zur besseren Nutzbarkeit wandelt ein Strom-Spannungs-Wandler diesen Strom zunächst in eine Spannung um und verstärkt und filtert ihn dann, um ein störungsarmes und nutzbares Signal an den A/D-Kanal des Mikrocontrollers zu liefern.

Ein kritischer Schritt bei der Entwicklung eines Pulsoximeters besteht darin, das pulsierende Signal zu erfassen. Der Fingerclip bzw. die Smartwatch muss sich gut anbringen lassen, um Umgebungslichteinflüsse zu vermeiden. Außerdem sollte die Trägerfläche die Lichtemission durch die LEDs und die Detektion über den Fototransistor richtig unterstützen. Das von den LEDs emittierte Licht durchdringt Gewebe und Blutgefäße, wird von den Knochen reflektiert, dringt wieder in das Gewebe ein und wird schließlich erfasst. Bei einem Pulsoximeter nach dem Reflexionsprinzip wird das Signal des Fototransistors mit einem hohen Offset versehen, so dass dieses Prinzip einen geringeren Signal-Rauschabstand als das Transmissionsprinzip hat. Abbildung 5 veranschaulicht die weitere Signalverarbeitung.

Um ein korrektes Signal zu gewährleisten, müssen Entwickler ein ausgeklügeltes System implementieren, das schwache Signale verarbeiten kann und eine Übertragung und Wiederherstellung des Signals mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Sie können Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung von bis zu 10.000 verwenden und die Signale anschließend mit einem Tiefpassfilter filtern, um unerwünschte hochfrequente Störungen zu eliminieren. Die Grenzfrequenz eines solchen Filters liegt typischerweise bei etwa 4 Hz.

Als Lichtquellen werden LEDs mit hoher Leistung, gleichbleibender Qualität und geringer Streuung bzw. kleinen Toleranzen benötigt. Würth Elektronik bietet in der WL-SMTW-Serie eine passende rote LED mit 652 nm und in der WL-SITW eine passende IR-LED mit 940 nm an.

Der Vorteil der roten LED 150224SS73100 liegt in der präzisen Wellenlänge und der hohen Effizienz. Bei einem Strom von ZF = 20 mA wird eine typische Lichtstärke von 130 mcd erreicht, was in Kombination mit einem guten Fototransistor zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis führt.

Die WL-SITW-SMT, 15414194BA210 ist für den Infrarotbereich geeignet, da diese LED einen besonders hohen Wirkungsgrad und eine hohe Strahlungsintensität besitzt. In dieser Anwendung sollte die IR-LED die doppelte Lichtstärke der roten LED haben, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Die LED hat eine typische Strahlungsintensität Ie von 8 mW/sr bei 50 mA, so dass für die Durchleuchtung eine kurze, energiesparende Pulsansteuerung ausreichend ist. Bei schwacher Durchleuchtung machen sich Umwelteinflüsse wie Wärmequellen schnell bemerkbar.

Als Lichtsensor kann der Fototransistor WL-STTW SMT, 1541411NBA210 verwendet werden. Das Bauteil weist die höchste Lichtempfindlichkeit bei einer Wellenlänge von etwa 940 nm auf, kann aber auch das IR-Signal bei 660 nm detektieren. Das System kann den Amplitudenunterschied in der Verstärkerschaltung des nachgeschalteten aktiven Filters kompensieren. Der Vorteil der Verwendung dieses Bauelements besteht darin, dass über den gesamten Wellenlängenbereich von 640 nm bis 940 nm nur ein einziger Fototransistor benötigt wird.

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