Eckdaten

Der folgende Artikel behandelt die Prinzipien der Photometrie und deren Anwendung für die elektronische Messung der Herzfrequenz sowie des Hämoglobin- und Sauerstoffgehalts im Blut. Hierzu wird ein portables und energieeffizientes, für Batteriebetrieb vorgesehenes System nach dem neuesten Stand der Technik beschrieben.

Das Lambert-Beersche Gesetz ist das am häufigsten benutzte Prinzip für Photometrie-Anwendungen. Nach diesem Gesetz ist die Konzentration eines bestimmten Analyten direkt proportional zum Absorptionsgrad bei seiner charakteristischen Wellenlänge.

Der Absorptionsgrad berechnet sich nach folgender Formel:

Zwischenablage01

T0 steht für die Transmission beziehungsweise Reflexion bei einer Konzentration von Null und TS für die Transmission beziehungsweise Reflexion bei der zu messenden Konzentration. Einfach ausgedrückt lässt sich die Konzentration berechnen, indem man die Lichtintensität nach dem Durchtritt durch ein Medium zunächst ohne den Analyten (Nullmessung; T0) misst und anschließend die geringere Lichtintensität mit dem Analyten. Indem man die zur Messung verwendete Wellenlänge verändert und den Analyten sowie die erfolgende chemische Reaktion wechselt, lässt sich dasselbe Grundprinzip für eine Vielzahl unterschiedlicher Messungen verwenden. Dazu gehören beispielsweise chemische Analysen, Umgebungsanalysen und medizinische Analysen.

Viele medizinische Geräte nutzen photometrische Methoden zum Messen verschiedener Parameter, zu denen der Blutzuckerspiegel, die Herzfrequenz, die Hämoglobinkonzentration und weitere gehören. In den meisten Fällen sind diese

Bild 1: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise der diffusen Reflexion.

Bild 1: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise der diffusen Reflexion. STMicroelectronics

Bild 2: Bei der diffusen Reflexions-Photometrie wird Licht einer bestimmten Wellenlänge auf eine Membran mit einer speziellen Zusammensetzung gerichtet, auf der sich die zu vermessende Probe befindet.

Bild 2: Bei der diffusen Reflexions-Photometrie wird Licht einer bestimmten Wellenlänge auf eine Membran mit einer speziellen Zusammensetzung gerichtet, auf der sich die zu vermessende Probe befindet. STMicroelectronics

Messungen nichtinvasiv und lassen sich ohne Schwierigkeiten so modifizieren, dass die Anwendung nur ein Minimum an professioneller Hilfestellung erfordert und sich ideal für Consumer-Medizingeräte und POCT-Instrumente eignet.

Es gibt verschiedene Arten photometrischer Analysen. Die diffuse Reflexions- und die Lichttransmissions-Photometrie haben in medizinischen Anwendungen die größte Verbreitung.

Diffuse Reflexions-Photometrie

Bei der diffusen Reflexions-Photometrie wird Licht einer bestimmten Wellenlänge auf eine Membran mit einer speziellen Zusammensetzung gerichtet, auf der sich die zu vermessende Probe befindet. Ein Photodetektor erfasst die Intensität des diffus reflektierten Lichts. Für die Hämoglobinmessung ist eine Lichtquelle von 525 nm (Grün) am besten geeignet, um Messungen mit einer Genauigkeit von ±0,5 gm/dl zu erhalten. Eine geeignete optische Vorrichtung mit einer Kollimatorlinse hilft, die Blutprobe optimal auszuleuchten und Interferenzen durch Umgebungslicht zu unterbinden.

Lichttransmissions-Photometrie

Bei der Lichttransmissions-Photometrie wird das Licht durch die Probe geschickt. Dabei wird ein Teil des Lichts absorbiert und ein anderer von der Probe durchgelassen (Transmission). Die Abschwächung des Lichts beim Durchtritt durch die Probe ist von der Konzentration des Analyten abhängig.

Die Herzfrequenzmessung beruht auf dem Prinzip der Plethysmografie. Das Licht wird durch eine Fingerspitze (ein Ohrläppchen oder eine Zehe eignen sich ebenfalls) geschickt und dabei abgeschwächt. Über den Absorptionsgrad entscheiden zwei Faktoren. Dies sind die statische Abschwächung durch Haut, Fleisch und Knochen sowie die pulsierende Abschwächung abhängig davon, wie viel Blut infolge der Pumpfunktion des Herzens jeweils vorhanden ist. Indem also die Frequenz dieses pulsierenden Signals gemessen wird, lässt sich mit hoher Genauigkeit die Herzfrequenz bestimmen. In der Regel wird die Zeit für mehrere Pumpzyklen gemessen, um daraus die Zahl der Schläge pro Minute zu berechnen. Herzfrequenzmesser arbeiten üblicherweise mit einer Lichtquelle von 880 nm Wellenlänge.

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