Faisst, Karin

Huch, Albert

Huch, Renate

Jørgensen, Jan Stener

König, Volker

Ullrich, Georg J.

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Reflexions-Pulsoximetrie - Untersuchungen mit eigenem Mess-SystemVolker König. Georg J. Ullrich, Karin Faisst, Jan Stener J0rgensent Renate Huch und Alben HuchKlinik und Poliklinik für Geburtshilfe, Universitätsspital ZürichDie nichtinvasive Ueberwachung der arteriellenSauerstoffsättigung durch pulsoximetrische Trans-missionsmessung ist heute ein in der klinischen Routineetabliertes Verfahren. Dagegen sind pulsoximetrischeReflexionsmessungen noch im experimentellenStadium, obwohl sie in gewissen Fällen entscheidendeVorteile bieten:- Messung ist möglich an zentraleren Stellen, an denenein Versagen infolge Zentralisation des Kreislaufesweniger zu erwarten ist.- Messung ist möglich an Stellen, die einerTransmissionsmessung unzugänglich sind (z.B. subpartu Messungen am Kind).Sie haben demgegenüber allerdings auch Nachteile:- Die Befestigung des Sensors ist schwieriger.- Es treten zusätzliche physikalische und physiologi-sche Effekte auf, die die Kalibrierung der Messungbeeinträchtigen können.Als die wesentlichsten dieser störenden Effekte sindanzusehen:- Licht kann bei nicht sachgerechter Konstruktion desSensors direkt vom Sender oder durch direkteReflexion an den obersten Hautschichten in denEmpfänger gelangen ("Direktes Licht" DL).- Die absorptiv wirksamen Lichtwege fiir rotes undinfrarotes Licht im Gewebe können unterschiedlichsein und deshalb wird von beiden Wellenlängen nichtdas gleiche Kapillarbett durchstrahlt.- Durch Bewegungen (z.B. des Herzens bei einerMessung auf der Brust oder durch die Nähe stark pul-sierender Arterien) kann Gewebe je nach innererFestigkeit rein mechanisch zu "pulsatilen"Dickenänderungen angeregt werden. Da dieSignaländerung durch die arterielle Pulsation maximal1% beträgt, können derartige pulsatile Dicken-änderungen von nur einigen die Kalibrierungbereits merkbar beinflussen.Das Mess-System.Für Untersuchungen der Zusammenhänge bei pulsoxi-metrischen Reflexionsmessungen wurden in derPerinatalphysiologischen Forschungsabteilung derKlinik für Geburtshilfe eine Reihe von Sensoren ent-wickelt. Die berichteten Ergebnisse wurden mit einemradialsymmetrischen Sensor von 21 mm Durchmessererhalten. Im Zentrum befindet sich ein Chio mit 2Durchmesser von 17 mm sind als Empfänger 6Photodioden (Siemens BPX90) angebrachtIn Anlehnung an Entwicklungen von Forstner undFaust wurde die Mess-Elektronik ausgeführt. Diesesteuert die LEDs im Zyklus Rot-Dunkel-Infrarot-Dunkel, mit einer Zyklus-Frequenz von normalerweise400 Hz. Die LED-Ströme werden dabei so eingestellt,dass die gemessenen Photoströme fiir beideWellenlängen etwa gleich sind. Nach veränderbarerVerstärkung und einer Sample-and-Hold-Stufe wird derDunkelstrom subtrahiert Die pulsunabhängigen DC-Signale und die pulssynchronen AC-Signale gelangenüber eine ADC-Karte in einen IBM 386-Computer. EinPASCAL-Programm liest diese Werte über DMA einund berechnet nach bestimmten Algorithmen diePulsfrequenz, die Perfusion und die Sauerstoff-sättigung. Diese Werte werden über maximal 9Herzzyklen gemittelt und in jeder Sekunde in ein Fileeingeschrieben. Der Display zeigt den zeitlichenVerlauf dieser Werte, sowie wahlweise die Reflexions-Signale (Einstell-Phase) oder die Häufigkeits-verteilungen der gemessenen Sauerstoffsättigungen undPulsfrequenzen oder der Perfusionswerte (Mess-Phase).Abb. l zeigt einen solchen Display mit einerAuswertung von 0:15 bis 3:15 Minuten.Für die Anwendung an Patienten wurde das gesamteMess-System durch Trenntrafos und DC-DC-Wandlervom Netz getrennt In einige Sensoren wurdenHeizdrähte sowie zwei NTC-Widerstände zurTfemperaturmessung integriert. Durch eine hochstabileHeizelektronik kann damit das Gewebe im Messbereichaufgeheizt werden. Geeignete Versuche sollen zeigen,ob die hierdurch induzierte grössere Perfusion zu einemhöheren und stabileren Mess-Signal führt.Berechnung der Sauerstoffsättigung.Aus den vier Werten pulsunabhängiges Signal (DC),pulssynchrones Signal (AC), jeweils für das rote (rot)und infrarote (ifr) Licht, ergibt sich der MesswertR =Eine genauere Analyse des Absorptionsvorgangcszeigt, dass noch die folgenden Korrekturen in dieMessung eingehen können:Biomedizinische Technik Band 37 · Ergänzungsband · 1992 39cl = drot / ( 1 i fr ·dem Verhältnis der effektiven Lichtwcgc für rot undinfrarot, undc2 = (i + lDißix)iü ·dem Verhältnis des direkten Lichtanteils DL zum DC-Anteil für beide Wellenlängen. Aus geometrischenGründen sind diese beiden Faktoren fürTransmissionsmessungen nahezu = l, sie können aberim Refiexionsfall einen Einfluss auf die Berechnungder Sättigung ausüben.Die gesuchte Sauerstoffsättigung ist nun eineFunktion von R bzw. von R' und kann hieraus in ersterNäherung mit dem Lambert-Beerschen-Gesetz (LBG)bei Kenntnis der Absorptionskoeffizienten berechnetwerden. Es ist aber bekannt, dass die Anwendung desLBG, besonders bei niedrigen Sättigungen, inkorrekteWerte liefert und deshalb .eine experimentelleKalibrierung notwendig ist. Wir haben für unsereMessungen zunächst das LBG zugrunde gelegt und ver-suchen, eine Korrektur durch Vergleichsmessungen miteinem MINOLTA PulsoxS Transmissions-Finger-Pulsoximeter vorerst im Sätügungsbereich von ca. 85-100% durchzuführen.Messungen an verschiedenen Probanden.Als erste Untersuchungen wurden Messungen angesunden Probanden ausgeführt: zuerst Atmung vonnormaler Luft, dann für 10 Minuten ein Gasgemischmit ca. 15% Sauerstoff und danach wieder normaleLuft. Als Monitor und Vergleichsmessung diente einMINOLTA PulsoxS Transmissions-Finger-Pulsoxi-meter. Dabei wurden zunächst die folgenden Punkteuntersucht:- Messung an verschiedenen Probanden mitWiederholungen an verschiedenen Tagen.- Befestigung der Sonde mit EKG-Klebering oder mitKlebeband über dem Sensor.- Applikation am Sternum und an der Stirn.Diskussion der Messungen.Ein Beispiel einer solchen Messung an der Stirn zeigtAbb.2. Aufgetragen ist die Differenz zwischenTransmissions- und Reflexionsmessung gegen dieTransmissionsmessung. Aus der Gesamtheit allerMessungen ergeben sich die folgenden Tatsachen:- Der Mittelwert der Reflexionsmessungen weicht vonden als Standard angeschenen MINOLTA-Werten um4.5% ab. Dies ist auf die Anwendung des unkorrigier-ten LBG für unsere Auswertungen zurückzuführen.- Die ca. 20 Minuten dauernden Messungen an einemProbanden zeigen in sich Abweichungen von maximal±0.7 %, mit einer mittleren Streuung der Einzelwertevon 1.4%, verglichen mit der Streuung der MINOLTA-Werte von 0.8%. Die Abweichungen von Proband zuProband, auch bei einer neuerlichen Messung an dem-selben Probanden (mit neuer Befestigung der Sonde)liegen im Bereich von bis zu ±2.6 %. Gemäss den obi-gen Bemerkungen können diese Unterschiede auf ver-schiedene Lichtwege für die zwei Wellenlängen (Cj),auf Autreten von direktem Licht (€2) an verschiedenenApplikationsorten oder mechanische pulsatileBewegungen zurückzuführen sein.- Die Mittelwerte für die beiden Befestigungsmethodenentsprechen den Mittelwerten für alle Messungen.- Das Gleiche gilt für die Applikationsorte Sternum undStirn.Diese Messungen zeigen, dass mit der Reflexions-Methode sehr wohl zeitliche Aenderungen derSauerstoffsättigung genau gemessen werden können,eine Bestimmung des absoluten Wertes hingegen um±2.6% ungenau sein kann. Ob die verschiedenenWeglängen des Lichtes, Auftreten von Direktlicht oderweitere Effekte für dieses Verhalten verantwortlichsind, sollen weitere Untersuchungen, eventuell unterVerwendung einer Blutgasanalyse, zeigen. Ausserdemwerden diese Versuche unter Einbezug des Effektes derHeizung des Gewebes im Bereich der Mess-Stelle fort-gesetzt.Literatur: Bei den Autoren erhältlich.i »02•0*1OOPu»·7040m3rj»i1•r: fr» 3 »In · nZ^-^ — ^ v ·^ —1 2[^ ^^••7'V :^;;,1 2l>rk*r*|n«t«|lur>«|•02 x n i t t e l :>9 -100 0 O.OX- 9· O.Ox- 94 42 33. 2x.- 94 112 43. 4X- 92 2 1.1X- ·· 0 O.OX- »4 O O.Or.- ·2 O.OxCM t 3 2.·O<Z 0v,^~333:1394.B2 denn 9/1.3^.^4 3 4 7 ·4 3 4 7 ·- 3:131 t 0.7 Pul· b/n Mi t t e l :U 8=1 i 119l~," 5 5:5S3O 1OO O-W9Ä......93·. 2 11^ ·'. S«in 10".".!'.!'.!!!!nln 101.3••Ki) 1OOAbb.l: Computer-Ausdruck für Messung an der Stirn. ZuerstAtmung von Luft, nach 3 Minuten Gemisch mit 15% Sauerstoff.Auswertebereich 0:15-3:15 Min.XoDcuMINOLTA7 -65 -4 ·328·- """*""""·-—-..^^^^\ 89 90 9l 92 93 94 95 96 97 98 9SaO2 % MINOLTA»Abb.2: Für 7 Probanden Messung an der Stirn. Abszisse: SättigungMINOLTA, Ordinate: Differenz zwischen MINOLTA und unseremMess-System. Durchgezogene Linie: Mittelwert aller Messungen.40 Biomedizinische Technik Band 37 · Ergänzungsband · 1992

Reflexions-Pulsoximetrie - Untersuchungen mit eigenem Mess-System

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