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

Es gibt zwei verschiedene Messprinzipien, um den Sauerstoffgehalt im Blut zu messen. Eines ist die Oximetrie, für die es wiederum 2 Arten gibt: transmissiv und reflektiv. Wie diese und die anderen Arten funktionieren und mehr, erfahren Sie in diesem Beitrag. (Bild: Würth Elektronik)

Neben dem Sauerstoffgehalt misst die Pulsoximetrie die Hämoglobinsättigung im Blut sowie die Herzfrequenz einer Person. Dazu macht sich das Verfahren die unterschiedlichen Wellenlängen von rotem und infrarotem Licht zunutze, das unterschiedlich absorbiert wird. Der Sauerstoffgehalt im Blut und die Herzfrequenz lassen sich heute mit Rotlicht- und Infrarot-LEDs messen, die inklusive Fotodiode, Analog-Frontend und digitalem Signalcontroller in Fitnessarmbänder und Smartphones passen.

Pulsoximetrie bezeichnet die nicht invasive Methode zur Bestimmung der Hämoglobinsättigung (Hb) mit Sauerstoff im Blut und der Herzfrequenz. Beim Hämoglobin handelt es sich um das sauerstofftragende Pigment der roten Blutkörperchen, das ihnen die rote Farbe verleiht und dazu dient, Sauerstoff in das Gewebe zu leiten.

Geräte, die mit der Pulsoximetrie messen, waren früher nur in Krankenhäusern anzutreffen, allerdings sind sie heute aufgrund des technologischen Fortschrittes und der Kombination einzelner Technologien als Wearables weit mehr vorbereitet. 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.

Wie sich der Sauerstoffgehalt des Blutes messen lässt

Der Sauerstoffgehalt des Blutes kann auf verschiedene Weise gemessen werden:

  • Pulsoximetrie: Die Pulsoximetrie (auch Pulsoxymetrie) ist die am häufigsten verwendete Methode zur Messung des Sauerstoffgehalts im Blut. Dabei wird ein kleines Gerät am Finger oder am Ohrläppchen befestigt, das die Lichtabsorption durch das Blut misst und so den Sauerstoffgehalt bestimmt.
  • Blutgasanalyse: Die Blutgasanalyse ist eine medizinische Untersuchung, bei der eine Blutprobe aus einer Arterie entnommen wird. Diese Methode ist genauer als die Pulsoxymetrie, da sie auch den Kohlendioxidgehalt und den pH-Wert des Blutes misst. Die Blutgasanalyse wird jedoch in der Regel nur in Krankenhäusern oder in Notfallsituationen durchgeführt.
  • Invasives Monitoring: Eine weitere Methode, den Sauerstoffgehalt im Blut zu messen, sind invasive Monitore wie der Swan-Ganz-Katheter. Dabei wird eine dünne Sonde in eine Vene eingeführt und bis zum Herzen vorgeschoben, um den Sauerstoffgehalt direkt zu messen.

Die Messung des Sauerstoffgehalts im Blut ist wichtig, um den Gesundheitszustand der Patienten zu überwachen und mögliche Komplikationen zu vermeiden. Ein niedriger Sauerstoffgehalt kann beispielsweise auf eine Lungenerkrankung, eine Herzinsuffizienz oder eine Anämie hinweisen. Daher ist es wichtig, den Sauerstoffgehalt des Blutes regelmäßig zu kontrollieren und gegebenenfalls ärztliche Hilfe in Anspruch zu nehmen.

Pulsoxymetrie - Funktionsweise, physikalische Grundlagen im Video

Wozu dient die pulsoximetrisch gemessene Sauerstoffsättigung?

Der Sauerstoffgehalt des Blutes wird durch eine Hämoglobin-Untersuchung gemessen. Hämoglobin findet sich in zwei Formen: einmal als oxidiertes Hämoglobin (HbO2, also mit Sauerstoff angereichert), und als Hämoglobin ohne Sauerstoff (Hb, also sauerstoffarm). Die Sauerstoffsättigung im Blut (SPO2) ist das Verhältnis aus sauerstoffangereichertem und sauerstoffarmen Hämoglobin. Diese pulsoximetrisch gemessene Sauerstoffsättigung (SpO2) ist ein wichtiger Indikator für die Sauerstoffversorgung des Körpers, da er anzeigt, zu wieviel Prozent die roten Blutkörperchen (Erythrozyten) 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.
Grafik Absorption als Funktion der Wellenlänge von oxygeniertem Hämoglobin (HbO2, rot) und desoxygeniertem Hämoglobin (Hb, schwarz)
Bild 1: Absorption als Funktion der Wellenlänge von oxygeniertem Hämoglobin (HbO2, rot) und desoxygeniertem Hämoglobin (Hb, schwarz) (Bild: Würth Elektronik)

HbO2 vs Hb – Licht, Absorption 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.

Da Hämoglobin zu den Porphyrinem gehört, haben sowohl oxygeniertes Hämoglobin (HbO2) als auch desoxygeniertem Hämoglobin (Hb) ihr Absorptionsmaximum bei etwas über 400 nm (Soret-Bande). Allerdings absorbiert HbO2 mehr IR-Licht (600 nm) und weniger Rotlicht (900 nm) 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.

Diese Möglichkeiten der Pulsoximetrie gibt es

Dabei ist zwischen zwei verschiedenen Messverfahren der Pulsoximetrie zu unterscheiden gilt: die transmissive Oximetrie, wie sie etwa bei Fingeroximetern Anwendung findet, und die reflektiven Oximetrie, die etwa bei einer Smartwatch zum Einsatz kommt (Bild 2). Bei der transmissive Oximetrie wird der Lichtanteil gemessen, der das Gewebe durchdringt wird. Bei der Reflexions-Oximetrie hingegen der Lichtanteil, den das Gewebe reflektiert.

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 beispielsweise 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. Viele der neuen Highend-Wearables nutzen hingegen die Reflexions-Pulsoximetrie.

Unterschied der verschiedenen Messprinzipien der Oximetrie
Unterschied der verschiedenen Messprinzipien der Oximetrie: Während bei der transmissiven Methode das Licht von der Quelle durch die Probe in den Detektor geschickt wird, wird es bei der reflektiven von der Probe reflektiert und gelangt so zum Detektor. (Bild: Microchip)

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Wie der gesuchte Sauerstoffgehalt detektiert wird

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. Umgekehrt 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.

Schematische Darstellung der Lichtabsorption durch ein Pulsoximeter
Bild 3: Schematische Darstellung der Lichtabsorption durch ein Pulsoximeter. Im unteren Teil ist ein Querschnittdiagramm einer Arterie und einer Vene dargestellt. Es zeigt pulsierende (AC) und nicht pulsierende (DC) Blutgefäße, wobei nur die Arterie einen pulsierenden (AC) Bestandteil aufweist. (Bild: Würth Elektronik)

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

Formel
Formel 1 (Bild: 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 (Bild: Würth Elektronik)

Das führt zu einem höheren R-Wert.

Bei höheren Sauerstoffsättigungen ist (Formel 3):

Formel
Formel 3 (Bild: 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. 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.

Die Berechnung der Konzentration von HbO2 erfolgt mit der folgenden Gleichung (Formel 4):

Formel
Formel 4 (Bild: 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
Formel 5 (Bild: 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.

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 (Bild: Würth Elektronik)

Technische Hintergründe eines Pulsoximeters

Bild 5 zeigt das grundlegende Prinzip eines Pulsoximeters an einem Beispiel mit Komponenten von Würth Elektronik. 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.

Typisches Blockdiagramm eines Pulsoximeters
Bild 5: Typisches Blockdiagramm eines Pulsoximeters (Bild: Würth Elektronik)

Was ist bei der Entwicklung eines Pulsoximeters zu beachten?

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.

Doppelte Verstärkerstufe mit Tiefpassfilter
Bild 6: Doppelte Verstärkerstufe mit Tiefpassfilter (Prinzip) (Bild: 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.

Wie werden Herzfrequenz und Pulsrate per Wearable gemessen?

Beim Herzschlag wird Blut durch den Körper gepumpt und in Kapillaren gepresst, deren Volumen sich leicht erhöht. Zwischen den Herzschlägen nimmt das Volumen wieder ab. Diese Volumenänderung beeinflusst die Lichtmenge (Rotlicht oder Infrarot-Licht), die das Gewebe hindurchlässt. Obwohl diese Schwankungen sehr klein sind, kann ein Pulsoximeter sie messen. Dabei kommt der gleiche Messaufbau wie für den Blutsauerstoffgehalt zum Einsatz.

Genauer gesagt beruht die Herzfrequenzmessung auf dem Prinzip der Plethysmografie bei dem Volumenschwankungen eines Körperteils oder Organs gemessen werden. Das Licht wird dabei 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.

Pulsoximeter überwachen die Sauerstoffsättigung (SPO2) im Blut durch die Absorption des Rotlichts (Wellenlänge 600…750 nm) und Infrarot-Lichts (850…1000 nm) im sauerstoffangereicherten Hämoglobin (HbO2) und im sauerstoffarmen Hämoglobin (Hb). Dabei wird Rotlicht und Infrarot-Licht abwechselnd durch ein Körperteil (zum Beispiel Finger) an eine Fotodiode gesendet. Die Herzfrequenz wird dann auf Basis der A/D-Wandler-Abtastungen und der Abtastrate berechnet.

Sarah Giersch

Product Manager Eipal Optoelectronic bei Würth Elektronik Eisos

Dr.-Ing. Heinz Zenkner

Heinz Zenkner 2018

Berater im Auftrag von Würth Elektronik Eisos

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