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Bild 3: Bei der Pulsoximetrie wird die Menge Sauerstoff gemessen, die das Blut an die äußersten Körperteile wie Fingerspitzen, Ohrläppchen oder Zehen transportiert. (Bild: STMicroelectronics)

| von Kamaldeep Bansal, Saurabh Sona

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

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

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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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Bild 3: Bei der Pulsoximetrie wird die Menge Sauerstoff gemessen, die das Blut an die äußersten Körperteile wie Fingerspitzen, Ohrläppchen oder Zehen transportiert. STMicroelectronics

Bei der Pulsoximetrie handelt es sich um die Messung der peripheren Sauerstoffsättigung im Blut (SpO2). Gemessen wird hierbei die Menge Sauerstoff, die das Blut an die äußersten Körperteile wie Fingerspitzen, Ohrläppchen oder Zehen transportiert. Die Messung erfolgt als Prozentsatz zwischen 0 und 100, wobei es sich bei 100 Prozent um einen Referenzwert handelt, der bei einer durchschnittlichen Gruppe gesunder Personen ermittelt wurde. Im Fall der Pulsoximetrie wird der Unterschied der Lichtabsorption durch sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin mit Wellenlängen von 660 nm (Rot) und 910 nm (Infrarot) gemessen, um die geschätzte Sauerstoffsättigung zu bestimmen. Grundlage hierfür ist die Tatsache, dass sauerstoffreiches Hämoglobin in den Arterien mehr rotes Licht absorbiert, während das sauerstoffarme Hämoglobin in den Venen mehr Infrarotlicht absorbiert.

Prinzip der Lichttransmissions-Photometrie

Das System basiert auf der äußerst wenig Strom verbrauchenden Mikrocontroller-Serie STM32L von ST Microelectronics. Diese ist mit dem Prozessorkern ARM Cortex-M3 bestückt und eigens für stromsparende, batteriebetriebene Anwendungen konzipiert. Es lässt sich aus einer 3-V-Lithium-Knopfzelle (CR2032) oder per USB mit Strom versorgen. Ein vom Mikrocontroller direkt angesteuertes achtstelliges LCD dient zur Anzeige alphanumerischer Informationen, wobei der Stromverbrauch und die Systemkosten niedrig sind. Für die einfache Menübedienung ist ein Mehrwege-Joystick vorhanden.

Die optische Vorrichtung zur Hämoglobinmessung ist folgendermaßen aufgebaut: Die Sensoranordnung besteht aus einer ausgerichteten LED-Lichtquelle mit 525 nm Wellenlänge und einer Photodiode als Detektor. Ein Schlitz dient zum Einführen des Teststreifens, auf dem sich die Blutprobe für die Hämoglobinmessung befindet. Die Vorrichtung ist so konstruiert, dass die Messung nicht durch Fremdlicht beeinflusst werden kann.

Außerdem besteht die Möglichkeit, eine IR-LED mit 880 nm Wellenlänge anzubringen sowie einen Phototransistor an den gegenüberliegenden Seiten eines Fingers mithilfe einer Klammer. Mit zeitlich gesteuerten Signalen des Phototransistors wird die Herzfrequenz berechnet.

Bei der optischen Messvorrichtung für ein Pulsoximeter kommt eine standardmäßige, Nellcor-kompatible Sonde zum Einsatz, wobei LEDs mit 910 nm (IR) und 660 nm (Rot) zur Abschätzung der Sauerstoffkonzentration dienen. Die beiden LEDs sind antiparallel geschaltet, damit für die Ansteuerung möglichst wenig Adern erforderlich sind. Insgesamt werden vier Transistoren in einer H-Brücken-Konfiguration benötigt, um die bidirektionalen Signale zum Ansteuern der beiden LEDs zu erzeugen.

Der Powermanagement-Teil

Das System lässt sich mit einer eingebauten 3-V-Lithium-Knopfzelle (CR2032) betreiben, jedoch kann die Stromversorgung optional auch über einen Mini-USB-Steckverbinder erfolgen.

Ein hocheffizienter Aufwärtswandler L6920 von ST Microelectronics wandelt die Eingangsspannung, die bis auf 1 V absinken darf, in eine Spannung von +5 V um, die als Eingangsspannung für einen Linearregler STLQ50C33R (3,3 V) und weitere mit 5 V betriebene Peripheriefunktionen dient. Die Ruhestromaufnahme des Linearreglers beträgt lediglich 3 μA. Dies ermöglicht trotz der begrenzten Kapazität der CR2032-Knopfzelle eine lange Standby-Zeit. Der Transistor 2STR2215 dient zum Ein- und Ausschalten der 5-V-Versorgung für das gesamte System und ermöglicht so einen stromsparenden Betrieb.

Signalaufbereitung auf Basis eines Operationsverstärkers

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Bild 4: Aufbau der standardmäßigen Transimpedanzverstärker-Konfiguration. STMicroelectronics

Bild 4 zeigt eine standardmäßige Transimpedanzverstärker-Konfiguration, die in der Regel benutzt wird, um den Photodioden-Strom in eine Spannung zu wandeln. Der Operationsverstärker soll die Schnittstelle zur Photodiode bilden. Ein wichtiges Auswahlkriterium lautet, dass dessen Eingangs-Bias-Strom kleiner als der Dunkelstrom der Photodiode sein sollte. Der Operationsverstärker TSV612 von ST Microelectronics weist einen typischen Eingangs-Offsetstrom von 1 pA auf und ist damit sehr gut geeignet für diese Anwendung. Die Höhe der Ausgangsspannung VO hängt vom Widerstandswert ab, der sich zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers befindet.

Energieeffizienter Mikrocontroller

In dieser Anwendung kommt der extrem wenig Strom verbrauchende und sehr leistungsfähige Mikrocontroller STM32L152R8T6D zum Einsatz, der auf dem ARM Cortex-M3 basiert. Er verfügt über einen eingebauten 12-Bit-ADC, der die direkte Anbindung analoger Signale an den Mikrocontroller ermöglicht. Der ebenfalls integrierte LCD-Controller steuert das LCD direkt an und macht das System damit portabel und kostengünstig.

Displays für verschiedene Anwendungen

Um im Interesse einer langen Batterielebensdauer den Stromverbrauch gering zu halten, wurden die folgenden Displayarten für verschiedene Anwendungen empfohlen:

  • LCD: Der integrierte LCD-Controller des Mikrocontrollers enthält einen LCD-Spannungsgenerator, der bis zu acht gemultiplexte LCDs ansteuern kann. Der Kontrast ist unabhängig von der Versorgungsspannung.
  • OLED: Für das Pulsoximeter wurde ein OLED-basierendes Display gewählt, da es verglichen mit anderen hintergrundbeleuchteten Displaytechnologien sehr wenig Strom verbraucht. Dies liegt an den selbstausleuchtenden Eigenschaften des OLED. Im Gegensatz zur statischen Leistungsaufnahme von LED-, CFL- und CCFL-basierenden Hintergrundbeleuchtungen nehmen nur die Pixel Strom auf, die leuchten sollen.
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Bild 5: Blockschaltbild des Systems. STMicroelectronics

Eingebaute USB-Device-Peripherie

Die eingebaute USB-Device-Peripherie des Mikrocontrollers ist USB-Full-Speed-kompatibel (12 MBit/s). Der eigens dafür vorgesehene 48-MHz-Takt wird durch die eingebaute Haupt-PLL-Stufe erzeugt, um den externen Bauteileaufwand zu minimieren. Für den ESD-Schutz der Highspeed-Kommunikation ist der ESDAULC6-3BP6 mit erweiterter ESD-Beständigkeit zuständig (15 kV bei Kontakt- und Luftentladung).

LED-Ansteuerung

In einer standardmäßigen Nellcor-kompatiblen Sonde, wie sie für die Pulsoximetrie verwendet wird, sind die IR- und Rot-LEDs antiparallel geschaltet, damit sie mit weniger Adern angeschlossen werden können. Fließt der Strom in die eine Richtung, leuchtet die IR-LED, während bei entgegengesetzter Stromrichtung die rote LED leuchtet. Zum Steuern der Stromrichtung sind vier Schaltelemente in einer Konfiguration erforderlich, die wegen der Ähnlichkeit mit dem Buchstaben H als H-Brücke bezeichnet wird.

In dieser Anwendung ist es notwendig, zusätzlich zur Richtung auch die Höhe des Stroms zu steuern, um die Intensität des von den LEDs emittierten Lichts variieren zu können. Deshalb ist die zur Masse zeigende Seite der H-Brücke als spannungsgesteuerte Stromsenke ausgeführt. Zwei unabhängige DAC-Ausgänge des Mikrocontrollers steuern die masseseitigen Transistoren an. Indem man die Spannungen an den Basis-Anschlüssen dieser beiden Transistoren variiert, lassen sich die Ströme kontrollieren, die die IR-LED und die rote LED durchfließen.

Berechnung und Kalibrierung

SpO2-Messungen beruhen auf der Tatsache, dass sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin infrarotes und rotes Licht mit Wellenlängen von 660 beziehungsweise 910 nm unterschiedlich stark absorbieren. Durch Messen des Verhältnisses der Intensitätsveränderung der beiden Wellenlängen lässt sich der SpO2-Wert nichtinvasiv bestimmen.

Der SpO2-Wert wird anhand eines Referenzwerts berechnet, der dem Durchschnittswert vieler gesunder Menschen entspricht. Die übrigen Werte werden anhand einer empirisch ermittelten Beziehung zwischen der Absorption von rotem und infrarotem Licht durch sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin berechnet.

Für präzise Messungen wird der Hämoglobinmesser mithilfe von Standardwerten kalibriert. Chargenbedingte Abweichungen zwischen den Sticks lassen sich über verschiedene vorkonfigurierte Informationen zu den einzelnen Chargen kompensieren.

Fazit

Die hier beschriebenen Techniken sind auch für die Entwicklung ähnlicher POCTs für weitere Analyten im Blut hilfreich. Die grundlegenden Baugruppen wurden im Praxiseinsatz erfolgreich demonstriert und erprobt. Außerdem wurde nachgewiesen, dass sie sehr wenig Strom verbrauchen, sodass mit einem Batteriesatz eine große Zahl von Messungen möglich ist.

 

Kamaldeep Bansal

System LAB, STMicroelectronics Indien

Saurabh Sona

System LAB, STMicroelectronics Indien

(ah)

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