Das Pulsoximeter für die Fingerspitze wurde in den 1940er Jahren von Millikan erfunden, um die Sauerstoffkonzentration im arteriellen Blut zu überwachen, ein wichtiger Indikator für den Schweregrad von COVID-19.Yonker erklärt nun, wie ein Pulsoximeter an der Fingerspitze funktioniert.
Spektrale Absorptionseigenschaften von biologischem Gewebe: Trifft Licht auf biologisches Gewebe, so lässt sich dessen Wirkung in vier Kategorien einteilen: Absorption, Streuung, Reflexion und Fluoreszenz. Lässt man die Streuung außer Acht, wird die Lichtausbreitung im Gewebe hauptsächlich durch die Absorption bestimmt. Dringt Licht in transparente Substanzen (fest, flüssig oder gasförmig) ein, nimmt die Lichtintensität aufgrund der gezielten Absorption bestimmter Frequenzanteile deutlich ab. Dieses Phänomen wird als Lichtabsorption bezeichnet. Die Menge an Licht, die eine Substanz absorbiert, wird als ihre optische Dichte oder Extinktion bezeichnet.
Schematische Darstellung der Lichtabsorption durch Materie im gesamten Lichtausbreitungsprozess. Die von Materie absorbierte Lichtenergie ist proportional zu drei Faktoren: der Lichtintensität, der Weglänge des Lichts und der Anzahl lichtabsorbierender Partikel im Querschnitt des Lichtwegs. Bei homogenem Material entspricht die Anzahl lichtabsorbierender Partikel im Querschnitt der Anzahl lichtabsorbierender Partikel pro Volumeneinheit, also der Konzentration lichtabsorbierender Partikel im Material. Daraus ergibt sich das Lambert-Beer'sche Gesetz: Die optische Dichte ist proportional zur Materialkonzentration und der optischen Weglänge pro Volumeneinheit. Die Lichtabsorptionsfähigkeit des Materials beschreibt dessen Eigenschaften. Anders ausgedrückt: Die Form der Absorptionsspektren gleicher Substanzen ist gleich; lediglich die absolute Position des Absorptionsmaximums ändert sich aufgrund unterschiedlicher Konzentrationen, während die relative Position unverändert bleibt. Im Absorptionsprozess findet die Absorption aller Substanzen im selben Volumenabschnitt statt, die absorbierenden Substanzen sind voneinander unabhängig, es existieren keine fluoreszierenden Verbindungen, und es treten keine Veränderungen der Materialeigenschaften durch Lichtstrahlung auf. Daher ist die optische Dichte einer Lösung mit N Absorptionskomponenten additiv. Die Additivität der optischen Dichte liefert eine theoretische Grundlage für die quantitative Messung absorbierender Komponenten in Gemischen.
In der Optik biologischer Gewebe wird der Spektralbereich von 600 bis 1300 nm üblicherweise als „Fenster der biologischen Spektroskopie“ bezeichnet. Licht in diesem Bereich ist für viele bekannte und noch unbekannte spektrale Therapie- und Diagnoseverfahren von besonderer Bedeutung. Im Infrarotbereich ist Wasser die dominierende lichtabsorbierende Substanz in biologischen Geweben. Daher muss die vom System gewählte Wellenlänge die Absorptionsspitze von Wasser meiden, um die Lichtabsorptionsinformationen der Zielsubstanz optimal zu erfassen. Im Nahinfrarotbereich von 600 bis 950 nm umfassen die Hauptbestandteile des menschlichen Fingerkuppengewebes mit Lichtabsorptionsfähigkeit Wasser im Blut, oxygeniertes Hämoglobin (O₂Hb), reduziertes Hämoglobin (RHb) sowie Melanin in der peripheren Haut und anderen Geweben.
Daher können wir durch die Analyse der Emissionsspektrumdaten die effektive Konzentration der zu messenden Komponente im Gewebe bestimmen. Kennt man somit die Konzentrationen von O₂Hb und RHb, lässt sich die Sauerstoffsättigung ermitteln.Sauerstoffsättigung SpO2Die Sauerstoffsättigung (O₂) ist der prozentuale Anteil des sauerstoffgebundenen Hämoglobins (HbO₂) im Blut, bezogen auf das gesamte gebundene Hämoglobin (Hb). Sie gibt die Sauerstoffkonzentration im Blut an. Warum spricht man von einem Pulsoximeter? Hier ein neues Konzept: die Pulswelle des Blutflusses. Während jedes Herzzyklus führt die Kontraktion des Herzens zu einem Anstieg des Blutdrucks in den Blutgefäßen der Aortenwurzel, wodurch sich die Gefäßwand erweitert. Umgekehrt bewirkt die Diastole des Herzens einen Abfall des Blutdrucks in den Blutgefäßen der Aortenwurzel, wodurch sich die Gefäßwand zusammenzieht. Durch die kontinuierliche Wiederholung des Herzzyklus werden die ständigen Blutdruckschwankungen in den Blutgefäßen der Aortenwurzel auf die nachgeschalteten Gefäße und schließlich auf das gesamte arterielle System übertragen. Dadurch entsteht die kontinuierliche Erweiterung und Kontraktion der gesamten arteriellen Gefäßwand. Das heißt, der periodische Herzschlag erzeugt Pulswellen in der Aorta, die sich entlang der Gefäßwände im gesamten arteriellen System ausbreiten. Bei jedem Herzschlag und jeder Kontraktion entsteht durch die Druckveränderung im arteriellen System eine periodische Pulswelle. Diese Pulswelle spiegelt zahlreiche physiologische Informationen wider, beispielsweise über Herzfunktion, Blutdruck und Blutfluss, und liefert somit wichtige Daten für die nicht-invasive Messung spezifischer Körperparameter.
In der Medizin wird die Pulswelle üblicherweise in Druck- und Volumenpulswellen unterteilt. Die Druckpulswelle repräsentiert hauptsächlich die Blutdruckübertragung, während die Volumenpulswelle periodische Veränderungen des Blutflusses abbildet. Im Vergleich zur Druckpulswelle enthält die Volumenpulswelle wichtigere kardiovaskuläre Informationen, wie z. B. über die Blutgefäße und den Blutfluss. Die nichtinvasive Erfassung typischer Volumenpulswellen kann mittels photoelektrischer Volumenpulswellenmessung erfolgen. Dabei wird der Messbereich des Körpers mit einer spezifischen Lichtwelle beleuchtet. Der Lichtstrahl trifft nach Reflexion oder Transmission auf den photoelektrischen Sensor. Der empfangene Strahl enthält die charakteristischen Informationen der Volumenpulswelle. Da sich das Blutvolumen mit der Ausdehnung und Kontraktion des Herzens periodisch ändert, ist es während der Diastole am geringsten, wodurch das Blut Licht absorbiert und der Sensor die maximale Lichtintensität misst. Während der Kontraktion ist das Volumen am größten und die vom Sensor gemessene Lichtintensität am geringsten. Bei der nichtinvasiven Messung der Volumenpulswelle an den Fingerspitzen als direkter Messgröße sollten bei der Auswahl des Messortes für das Spektrum folgende Prinzipien beachtet werden.
1. Die Venen der Blutgefäße sollten zahlreicher sein, und der Anteil effektiver Informationen wie Hämoglobin und ICG an den gesamten Materialinformationen im Spektrum sollte verbessert werden.
2. Es weist deutliche Merkmale der Blutflussvolumenänderung auf, um das Volumenpulswellensignal effektiv zu erfassen.
3. Um das menschliche Spektrum mit guter Wiederholbarkeit und Stabilität zu erhalten, werden die Gewebeeigenschaften weniger stark von individuellen Unterschieden beeinflusst.
4. Die spektrale Detektion ist einfach durchzuführen und wird vom Probanden gut akzeptiert, um Störfaktoren wie einen schnellen Herzschlag und durch Stressemotionen verursachte Bewegungen der Messposition zu vermeiden.
Schematische Darstellung der Blutgefäßverteilung in der menschlichen Handfläche. Die Position des Arms ermöglicht eine kaum messbare Pulswelle und ist daher für die Erfassung der Blutfluss-Pulswelle ungeeignet. Das Handgelenk liegt nahe der Arteria radialis, das Druckpulswellensignal ist stark, und die Haut kann leicht mechanische Vibrationen erzeugen. Dies kann dazu führen, dass das Messsignal neben der Volumenpulswelle auch Informationen über die Hautreflexion enthält, wodurch die Charakteristika der Blutvolumenänderung schwer zu erfassen sind. Daher ist diese Messposition ungeeignet. Obwohl die Handfläche eine häufige Stelle für die Blutentnahme in der Klinik ist, ist ihr Knochen dicker als der der Finger, und die durch diffuse Reflexion erfasste Pulswellenamplitude des Handvolumens ist geringer. Abbildung 2-5 zeigt die Verteilung der Blutgefäße in der Handfläche. Die Abbildung zeigt, dass sich im vorderen Bereich der Finger ein dichtes Kapillarnetz befindet, das den Hämoglobingehalt im menschlichen Körper gut widerspiegelt. Darüber hinaus weist diese Position deutliche Merkmale der Blutfluss-Volumenänderung auf und ist daher die ideale Messposition für die Volumenpulswelle. Das Muskel- und Knochengewebe der Finger ist relativ dünn, sodass der Einfluss von Hintergrundstörungen relativ gering ist. Zudem ist die Messung an der Fingerspitze einfach und für die Testperson psychisch unbelastet, was die Gewinnung eines stabilen Spektralsignals mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis begünstigt. Der menschliche Finger besteht aus Knochen, Nagel, Haut, Gewebe, venösem und arteriellem Blut. Bei der Wechselwirkung mit Licht ändert sich das Blutvolumen in den peripheren Fingerarterien mit dem Herzschlag, was zu einer Änderung des optischen Messwegs führt. Die übrigen Komponenten bleiben während des gesamten Lichtprozesses konstant.
Wird Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Epidermis der Fingerkuppe gerichtet, kann der Finger als Gemisch aus zwei Komponenten betrachtet werden: statischer Materie (der optische Weg ist konstant) und dynamischer Materie (der optische Weg ändert sich mit dem Volumen des Materials). Wird das Licht vom Gewebe der Fingerkuppe absorbiert, wird das transmittierte Licht von einem Fotodetektor erfasst. Die Intensität des vom Sensor gemessenen transmittierten Lichts wird durch die Absorptionsfähigkeit verschiedener Gewebekomponenten der menschlichen Finger deutlich abgeschwächt. Auf Grundlage dieser Eigenschaft wird ein Ersatzmodell für die Lichtabsorption im Finger erstellt.
Geeignete Person:
Pulsoximeter für die Fingerspitzeist geeignet für Menschen jeden Alters, einschließlich Kinder, Erwachsene, ältere Menschen, Patienten mit koronarer Herzkrankheit, Bluthochdruck, Hyperlipidämie, Hirnthrombose und anderen Gefäßerkrankungen sowie Patienten mit Asthma, Bronchitis, chronischer Bronchitis, pulmonaler Herzkrankheit und anderen Atemwegserkrankungen.
Veröffentlichungsdatum: 17. Juni 2022
