Pulsoximetrie bezeichnet die nicht invasive Methode zur Bestimmung der Hämoglobinsättigung (Hb) mit Sauerstoff im Blut und der Herzfrequenz. Geräte, die mit diesem Verfahren messen, waren früher nur in Krankenhäusern anzutreffen, allerdings sind sie heute aufgrund des technologischen Fortschrittes und der Kombination einzelner Technologien weit mehr verbereitet. So lassen sich der Sauerstoffgehalt des Blutes sowie die Herzfrequenz mittlerweile mit kostengünstigen Consumer-Produkten messen. Smartwatches nehmen hier einen immer größer werdenden Anteil ein, was es umso einfacher macht, beim täglichen Workout nicht nur die zurückgelegte Strecke, sondern auch die Sauerstoffsättigung zu überprüfen.

Reich an Sauerstoff?

Eckdaten

Bei der fraktionellen Sauerstoffbestimmung setzt die Elektronik auf die verschiedenen Wellenlängen von rotem (660 nm) und infrarotem Licht (940 nm). Arterien, Venen, Kapillaren und Gewebe absorbieren das von einer Lichtquelle abgestrahlte Licht an den Fingerspitzen unterschiedlich. Anschließend erfasst ein Fotodetektor das nicht absorbierte Licht. Mithilfe serieller Kommunikation überträgt das System die erfassten Signale an einen Mikrocontroller, der die Daten dann verarbeitet, um den Prozentsatz an Sauerstoffsättigung (SpO2), Oxyhämoglobin (HbO2) und Desoxyhämoglobin (Hb) zu erhalten. Zu den wichtigsten Komponenten dieses Messprinzips zählen LEDs sowie Fotodetektoren.

Die pulsoximetrisch gemessene Sauerstoffsättigung (SpO2) ist ein wichtiger Indikator für die Sauerstoffversorgung des Körpers, da er anzeigt, zu wieviel Prozent die roten Blutkörperchen (Hämoglin) mit Sauerstoff gesättigt sind. Dabei arbeitet das Messverfahren kontinuierlich und transkutan und es kann so auch einen akuten Sauerstoffmangel erkennen. Werte zwischen 95 und 100 Prozent gelten als unbedenklich, bei einem dauerhaften Wert unter 90 Prozent sollten die Betroffenen aber medizinischen Rat einholen. Um zu verstehen, wie sich dieser Messwert technisch erfassen lässt, ist das Verständnis von zwei Grundprinzipien der Pulsoximetrie erforderlich:

  • wie zwischen Oxyhämoglobin (HbO2) und Desoxyhämoglobin (Hb) unterschieden wird und
  • wie das SpO2 nur aus dem arteriellen Blutraum berechnet wird.

HbO2 vs Hb – Licht und das Hämoglobin

Um sauerstoffangereichertes Hämoglobin (HbO2) von sauerstoffarmen Hämoglobin (Hb) zu unterscheiden, nutzt das Verfahren die charakteristischen Absorbtionsspektren von rotem und nahem Infrarotlicht dieser beiden Blutbestandteile. Obwohl sowohl die Oberhaut (Epidermis) als auch die Lederhaut (Dermis) rotes und nahes infrarotes Licht nur zu einem verschwindend kleinen Anteil im Bereich von 600 bis 900 nm absorbieren, absorbieren sie sowohl blaues, grünes, gelbes und fernes IR-Licht signifikant. Diesen Umstand können sich Entwickler technisch zunutze machen. Bild 1 zeigt die Absorption von oxygeniertem Hämoglobin (HbO2, in rot) und desoxygeniertem Hämoglobin (Hb, in schwarz) als Funktion der Wellenlänge.

HbO2 absorbiert mehr IR-Licht und weniger Rotlicht als Hb und erscheint durch die höhere Reflektion von rotem Licht daher leuchtend rot. Im Gegensatz dazu nimmt Hb mehr rotes Licht auf und erscheint somit dunkler. Diesen Absorptionsunterschied zwischen HbO2 und Hb nutzen die Verfahren in den gängigen Pulsoximetrie-Geräten, wobei es zwischen zwei verschiedenen Messverfahren zu unterscheiden gilt: der transmissiven Oximetrie, wie sie etwa bei Fingeroximetern Anwendung findet, und der reflektiven Oximetrie, die etwa bei einer Smartwatch zum Einsatz kommt (Bild 2).

Bild 1: Absorption als Funktion der Wellenlänge von oxygenierten Hämoglobin (HbO2, rot) und desoxygeniertes Hämoglobin (Hb, schwarz).

Bild 1: Absorption als Funktion der Wellenlänge von oxygeniertem Hämoglobin (HbO2, rot) und desoxygeniertem Hämoglobin (Hb, schwarz) Würth Elektronik

Beide Methoden haben ihre Grenzen in der Dichte des Gewebes: Fingerkuppen oder Ohrläppchen lassen sich auch aufgrund der vielen kleinen Blutversorgungsgefäße relativ gut durchleuchten, ein Unterarm hingegen kann nur zur Reflektion genutzt werden. Bei der transmissiven Oximetrie befindet sich ein Paar lichtemittierender Dioden (LEDs) in einer Fingersonde. Ein Fototransistor erfasst dann das durch den Finger übertragene Licht auf der gegenüberliegenden Seite des Fingers. Hierfür kommen LEDs im roten Bereich von rund 650 nm zum Einsatz, hinzu kommt noch eine weitere LED im nahen Infrarotbereich bei rund 900 nm. Der Fototransistor detektiert die relative Menge an absorbiertem Rot- und IR-Licht, um schließlich den Anteil von Hb und HbO2 zu bestimmen. Aus den erfassten elektrischen Parametern lässt sich somit der Sauerstoffgehalt berechnen.

Detektion des gesuchten Sauerstoffgehalts

Bild 2: Zwei verschiedene Messprinzipien der Oximetrie, transmissiv und reflektiv.

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

Doch wie wird zwischen arteriellem und venösem Blut unterschieden, wo doch nur die arterielle Sättigung primär von Interesse ist? Die Möglichkeit der Pulsoximetrie, SpO2 nur von arteriellem Blut zu detektieren, basiert auf dem Prinzip, dass die Menge von absorbiertem roten und infraroten Licht mit jedem Herzschlag schwankt. Während der Systole, also der Anspannungs- und Blutausströmphase, steigt das arterielle Blutvolumen und mit ihr die Absorption. Umgekeht nehmen Blutvolumen und Absoroption in der Diastole wieder ab. Im Gegensatz dazu bleibt das Blutvolumen in den Venen und Kapillaren sowie in der Haut, dem Fett, den Knochen etc. relativ konstant.

Gleichzeitig bedeutet dies für die Absorption des Lichts, dass Venen, Kapillaren, Knochen und andere Gewebebestandteile einfallendes Licht relativ konstant absorbieren – als Messwert kann es über die Dauer eines einzelnen Herzschlages als ein reines Gleichstromsignal (DC) angesehen werden. Arterielles Blut hingegen absorbiert bedingt durch die pulsierende Volumenänderung innerhalb eines Herzschlages das Licht unterschiedlich stark, wodurch sich zu dem ebenfalls vorhandenen DC-Signal zusätzlich ein Wechselstromsignal (AC) ergibt. Bild 3 zeigt ein Querschnittdiagramm einer Arterie und einer Vene während der Systole und Diastole und veranschaulicht die nicht pulsierenden (DC) und pulsierenden (AC) Abschnitte von Arterien sowie das relative Fehlen von Volumenveränderungen in Venen und Kapillaren.

Bild 3: Schematische Darstellung der Lichtabsorption durch ein Pulsoximeter.

Bild 3: Schematische Darstellung der Lichtabsorption durch ein Pulsoximeter Würth Elektronik

Im unteren Teil von Bild 3 ist ein Querschnittdiagramm einer Arterie und einer Vene dargestellt. Die Darstellung zeigt pulsierende (AC) und nicht pulsierende (DC) Blutgefäße, wobei nur die Arterie einen pulsierenden (AC) Bestandteil aufweist.

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

Formel 1

Formel 1 Würth Elektronik

mit A als Absorption und R als Doppelverhältnis der pulsierenden und nicht pulsierenden Komponenten der Rotlichtabsorption zur infraroten Lichtabsorption. Bei niedrigen arteriellen Sauerstoffsättigungen, das heißt, dass bei erhöhtem Hb die relative Amplitudenänderung der Rotlichtabsorption durch den Impuls größer als die IR-Absorption ist, gilt: (Formel 2)

Formel 2

Formel 2 Würth Elektronik

Das führt zu einem höheren R-Wert.

Bei höheren Sauerstoffsättigungen ist: (Formel 3)

Formel 3

Formel 3 Würth Elektronik

und damit der R-Wert niedriger (Bild 4) . Aus dem R-Wert lässt sich der prozentuale Wert der Sauerstoffsättigung (SpO2) basierend auf der Pulsoximetrie-Kalibrierungskurve wie in Bild 4 schätzen. Wenn das Verhältnis R = 0,5 beträgt, liegt der SpO2 bei 100 Prozent, während bei einem Wert von R = 1 der SpO2 82 Prozent ausmacht. Mit dem Gesetz von Beer-Lambert können Entwickler den SpO2 berechnen. Die Berechnung der Konzentration von HbO2 erfolgt mit der folgenden Gleichung: (Formel 4)

Formel 4

Formel 4 Würth Elektronik

Hb ist das Gewicht von Hämoglobin (im Allgemeinen etwa 14 g Hb/100 ml Blut), während 1,37 die Menge an Sauerstoff ist, die 1 g Hämoglobin vollständig binden kann. Die Konzentration von RHb lässt sich mit folgender Gleichung berechnen: (Formel 5)

Formel 5

Formel 5 Würth Elektronik

Allerdings beeinflussen verschiedene Aspekte wie etwa externes Licht, Umgebung, Verschiebung, abnorme Hämoglobinwerte, Geschwindigkeit oder Pulsrhythmus die Genauigkeit und die Pulsoximetriefähigkeit.

Basierend auf einer Kalibrierungskurve korrigiert eine Reihe von Impulsen den SpO2-Wert mit Kalibrierfaktoren. Die Kalibrierungskurve entstand empirisch durch die Messung von R bei gesunden Probanden, deren Sättigungen von 100 Prozent auf etwa 70 Prozent verändert wurden (Bild 4). Daher sind SpO2-Werte unter 70 Prozent nicht als quantitativ exakt angesehen, obwohl es unwahrscheinlich ist, dass Mediziner klinische Entscheidungen aufgrund von Unterschieden in SpO2 unter 70 Prozent treffen.

Bild 4: Modulationsverhältnis zwischen Rot und IR zur Berechnung des Sauerstoffgehalts, Auswertung über eine Kalibrierungskurve.

Bild 4: Modulationsverhältnis zwischen Rot und IR zur Berechnung des Sauerstoffgehalts, Auswertung über eine Kalibrierungskurve Würth Elektronik

Technische Hintergründe

Bild 5 zeigt das grundlegende Prinzip eines Pulsoximeters. Kern des Systems ist ein Mikrocontroller, der mithilfe der peripheren Sensorik, bestehend aus der roten LED (150224SS73100), der Infrarot-LED (15414194BA210) und einer Fotodiode oder einem Fototransistor (1541411NBA210), die Messwerte für die Berechnung des Blutsauerstoffgehalts und der Herzfrequenz berechnet.

Als elektrisches Signal liefert der Fototransistor einen Strom, dessen Betrag der Lichtintensität entspricht. Zur besseren Verwendbarkeit wandelt ein Strom-Spannungswandler diesen Strom zunächst in eine Spannung und verstärkt und filtert ihn anschließend, um ein störarmes und verwertbares Signal an den A/D-Kanal des Mikrocontrollers zu liefern.

Bild 5: Typisches Blockdiagramm eines Pulsoximeters.

Bild 5: Typisches Blockdiagramm eines Pulsoximeters Würth Elektronik

Ein kritischer Schritt bei der Entwicklung eines Pulsoximeters ist es, das pulsierende Signal zu erfassen. Der Fingerclip oder die Smartwatch müssen sich ordnungsgemäß anbringen lassen, um Umgebungslichteinflüsse zu vermeiden. Außerdem sollte die Auflagefläche die Lichtemission durch die LEDs und die Erkennung über den Phototransistor richtig unterstützen. Das von den LEDs abgegebene Licht durchdringt das Gewebe und die Blutgefäße, reflektiert an Knochen, durchdringt das Gewebe wieder und wird dann letztendlich erfasst. Im Falle eines Pulsoximeters auf Reflexionsprinzip ist das Signal des Fototransistors mit einem hohen Offset versehen, damit weist dieses Prinzip ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis auf als das Transmissionsprinzip. Bild 5 verdeutlicht die weitere Signalverarbeitung.

Um ein korrektes Signal zu gewährleisten, müssen Entwickler ein ausgefeiltes System implementieren, das schwache Signale verarbeiten kann und es ermöglicht, das Signal mit hoher Genauigkeit zu übertragen und wiederherzustellen. Dabei können sie Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung von bis zu 10.000 einsetzen und die Signale danach mithilfe eines Tiefpassfilters filtern, um unerwünschte hochfrequente Störungen zu eliminieren. Die Grenzfrequenz eines solchen Filters liegt typischerweise bei rund 4 Hz.

Als Lichtquellen sind LEDs mit hoher Performance, gleichbleibender Qualität und geringer Streuung oder kleinen Toleranzen notwendig. 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 genauen Wellenlänge und dem hohen Wirkungsgrad. Bei einem Strom von IF = 20 mA wird eine typische Lichtstärke von 130 mcd erreicht, was in Kombination mit einem guten Fototransistor einen hohen Signal-/Rauschabstand ergibt.

Bild 6: Doppelte Verstärkerstufe mit Tiefpassfilter (Prinzip).

Bild 6: Doppelte Verstärkerstufe mit Tiefpassfilter (Prinzip) Würth Elektronik

Für den Infrarot-Bereich eignet sich die WL-SITW-SMT, 15414194BA210, da diese LED einen besonders hohen Wirkungsgrad und eine hohe Strahlungsintensität hat. Die IR-LED sollte in dieser Anwendung rund die doppelte Lichtstärke der roten LED haben, um einen guten Signal-Rauschabstand zu erhalten. Die LED hat bei 50 mA eine typische Strahlungsintensität Ie von 8 mW/sr, sodass eine kurze, stromsparende Pulsansteuerung zur Durchleuchtung genügt. Bei schwacher Durchleuchtung machen sich Umgebungseinflüsse wie Wärmequellen schnell bemerkbar.

Als Lichtsensor lässt sich der Fototransistor WL-STTW SMT, 1541411NBA210, einsetzen. Die höchste Lichtempfindlichkeit weist das Bauteil bei einer Wellenlänge von rund 940 nm auf, kann aber auch das IR-Signal bei 660 nm detektieren. Den Unterschied im Amplitudenausschlag kann das System in der Verstärkerschaltung des nachgeschalteten aktiven Filters ausgleichen. Der Vorteil in der Benutzung dieses Bauelementes ist, dass über den gesamten Wellenlängenbereich von 640 nm bis 940 nm nur ein einziger Fototransistor notwendig ist.