DE19512478A1

DE19512478A1 - Kalibration von Blutgasanalysesensoren

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Publication number: DE19512478A1
Application number: DE19512478A
Authority: DE
Original assignee: Bernreuter Peter Dr-Ing 92289 Ursensollen De
Current assignee: Bernreuter Peter Dr-Ing 92289 Ursensollen De
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1995-04-04
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2015-04-05
Also published as: US5772589A; WO1996011623A2; DE19512478C2; EP0752827A1; WO1996011623A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Kalibration von Transmissions- und Reflexions sensoren in der Pulsoximetrie (2 Wellenlängen) bzw. deren Erweiterungen (arbeitet mit mehr als 2 Wellenlängen). Mit diesen Sensoren können wichtige Parameter, wie die Sauerstoffsättigung (arterielle) im Blut von Menschen oder Tieren bestimmt werden. Dabei wird z. B. die unterschiedliche Lichtabsorption von oxigeniertem und desoxigeniertem Hämoglobin ausgenutzt.

Zur Zeit werden Pulsoximeter geeicht, indem man von Probanden Blut entnimmt, diese in einem Oximeter (z. B. OSM3 von Radiometer) analysiert und die daraus erhaltene Sauerstoffsättigung einer Meßwertvariablen Ω zuordnet, die mit den elektrischen Ausgangsgrößen des Pulsoximeters bestimmt wird. Mit dieser Meßwert variablen Ω kann eine Formel mit Hilfe der Extinktionskoeffizienten des Hämoglo bins bei Oxigenierung und Deoxigenierung bei verschiedenen Wellenlängen aufgestellt werden, um die funktionelle Sauerstoffsättigung zu bestimmen. Virtuelle Extinktionskoeffizienten sollen nach dem heutigen Stand der Technik helfen eine Kalibrierung zu ermöglichen. (Siehe auch "Biomedizinische Technik"; Band 33; Er gänzungsband 3 S. 6 ff.: "Pulsoximetrie: Stand und Entwicklung der Technik"; Band 35 Ergänzungsband 1 S. 38 ff.: Pulsoximetrie, nach K. Forstner Institut für Biomedizinische Technik Stuttgart.)

Da niedrige Sauerstoffsättigungen zerstörend auf lebendes Gewebe wirken, kann an eine empirische Eichung eines Pulsoximeters nur bis ca. 65% Sauerstoffsättigung erfolgen. Für niedrige Sauerstoffsättigungen, wie sie bei Feten im Mutterleib auftreten (etwa 55% Sauerstoffsättigung) muß deshalb ein anderes Verfahren zur Eichung gefunden werden.

Theoretische Berechnungen zeigen, daß die Eichung eines Pulsoximeters neben der Gewebeart auch vom Hämoglobingehalt des Gewebes abhängen.

Die Kalibrationsaufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Sensorgeometrie und die Eigenschaften des Gewebes mit dem enthaltenen Blut mit Hilfe von Lichtwegsrepräsentanten und ihnen zugeordneten Gewichtsfaktoren kn, die in Abhängigkeit von Einflüssen, wie Perfusion, etc. bestimmt werden, charakterisiert werden. Durch Auswertung von Intensitätsabschwächungen, die durch unterschiedliche Blutschichtdicken verursacht werden, können Korrekturen erfolgen. Die Kalibration erfolgt unter Hinzunahme von Blutproben aus dem Gewebe und der Verwendung mehrerer Lichtwellenlängen bzw. weißem Licht.

Diese erfindungsgemäße Kalibration weist folgende Vorteil auf:

- Bei der Eichung wird der Einfluß der Gewebestreuung und der Sensorgeometrie berücksichtigt.
- Der Einfluß des Hämoglobingehaltes und die Stärke der Pulsation gehen in die Eichung mit ein
- Mehrfachkompomponentenanalyse des Blutes wird erleichtert, bzw. dadurch erst ermöglicht für Pulsoximeter

Im folgenden soll nun die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert werden:

Gehen von einem Sender ( Seite 1; Fig. 1) Lichtstrahlen aus, wobei wir in diesem Beispiel 3 Lichtwegsrepräsentanten wählen, die zusammen mit den später zu bestimmenden Gewichtsfaktoren kn die Lichtverteilung im Gewebe charakterisieren sollen, so werden diese bei Perfusion durch unterschiedliche zusätzliche Blutschichtdicken (arterielles Blut, das zusätzlich einströmt der Dicke δ) geschwächt. Nimmt man an, daß die arterielle Pulsation gleich Null ist, so erhält man im Empfänger die Lichtintensität:

I_max = I₁ + I₂ + I₃

Dehnen sich nun die arteriellen Gefäße aufgrund neu einströmenden Blutes vom Herzen aus (das gleiche gilt natürlich auch für venöses Blut), so wird die Blutschichtdicke (bzw. die Lichtabschwächung) für die einzelnen Strahlenwege erhöht und man erhält für die empfangene Intensität:

mit α: Extinktionskoeffizient des arteriellen Blutes.

Bildet man nun das Verhältnis aus I_min und I_max erhält man:

Die Koeffizienten charakterisieren dabei Streuung und Lichtverteilung im Gewebe. Nimmt man nun am Gewebe eine Messung mit einer Lichtwellenlänge vor, wo die Absorption für oxigeniertes und deoxigeniertes Blut gleich ist, so erhält man dadurch ein Maß für die Perfusion α·δ = (co·εο+cr·εr)·δ, wobei:
δ: Schichtdickenänderung bei Pulsation,
co, cr: Konzentration von oxigeniertem und deoxigeniertem Blut,
εο, εr: Extinktionskoeffizienten bei oxigeniertem und desoxigeniertem Blut.

Nun kann man im Gewebe eine Eichung vornehmen:

Bei gleicher Perfusion und unterschiedlichen arteriellen Sauerstoffsättigungen werden arterielle Blutproben entnommen und diese in einem CO-Oximeter oder ähnlichem Blutanalysegerät bezüglich Sauerstoffsättigung und Konzentration untersucht. Nimmt man nun an, daß außer einer maximalen Arteriendehnung δ max Lichtwegsrepräsentanten auch kleinere Arteriendehnungen zu passieren haben (z. B.: δmax/n bei n-1 Lichtwegsrepräsentanten), so kann man für unser Modell beispielsweise schreiben:

Die Koeffizienten können schon vorher bestimmt werden. Bei genügend Blutproben und gleicher Perfusion die über einen Sender am isobestischen Punkt ermittelt werden, kann nämlich ein Gleichungssystem aufgestellt werden. In unserem Fall werden mindestens 2 Blutproben benötigt. Weiter erhält man dann:

-(co · εο + cr · εr) · δ = 1n χ

Dieser Wert ist dann nur mehr von I_min/I_max abhängig, wenn man die Faktoren kn bestimmt hat.

Nimmt man einen Sender zusätzlich mit einer zweiten unterschiedlichen Wellenlänge, so kann man eine Meßwertvariable G bilden, die nicht mit Ω übereinstimmt.

Das Verhältnis δ1/δ2 wird beim Eichvorgang bestimmt. Wird die Perfusion beispielsweise aufgrund von einströmendem venösem Blut erhöht, was aufgrund einer Lichtintensitätsabschwächung im Sensor erkannt werden kann, so kann bei herkömmlicher Ermittlung eines Ω-Wertes die Sauerstoffsättigung in Abhängigkeit der Perfusion p angegeben werden.

⇒ SaO₂ = f(Ω,p)

Würde man beispielsweise annehmen, daß die Faktoren kn abhängig von der Perfusion sind, kann man diese Abhängigkeit bestimmen und die Rechnung mit einfließen lassen.

Als Verdeutlichung des Nutzens der Methode folgendes Beispiel:
Anzahl der Lichtwegsrepräsententen n → ∞;
Annahme kn seien gleichverteilt.

Berechnet man nun Ω wie üblich:

so erhält man eine Abhängigkeit der ermittelten Sauerstoffsättigung von der Perfusion α·δ, was bei diesem verbesserten Verfahren nicht der Fall ist (siehe Fig. 2, 3, 4).

Liegt eine der Meßwellenlängen am isobestischen Punkt (805 nm), so kann - vorausgesetzt die Hautpigmentierung ist nicht zu stark und die Messung wird nicht durch Körperbehaarung gestört - die Kalibrationskurve ausgewählt werden, die dem Hämoglobingehalt des Gewebes entspricht. (Bei hohem Hämoglobingehalt des Gewebes wird das Licht, das vom Sender zum Empfänger gelangt stärker in seiner Intensität abgeschwächt als bei weniger Hämoglobin im Gewebe.) Bei starker Behaarung und Pigmentierung kann deren Einfluß auf die Messung durch Verwendung einer weiteren Meßwellenlänge z. B. bei 560 nm (weiterer isobestischer Punkt, d. h. die Lichtabsorption hängt nicht vom Oxigenierungsgrad des Blutes ab) abgeschätzt werden und ebenfalls deren Einfluß auf die Eichung berücksichtigt werden.

Die Eichung eines Pulsoximeters am Menschen ist schwierig, da niedrige Sauerstoffsättigungen schädlich für das Gewebe sind und zudem eine Verringerung der Sättigung durch beispielsweise das Abbinden eines Armes die arterielle Pulsation unterbindet, die zur pulsoximetrischen Messung nötig ist. Diese Schwierigkeit kann umgangen werden durch die Injektion von medizinischen Farbstoffen an Versuchsprobanden. Methylenblau z. B. absorbiert bei etwa 660 nm das Licht maximal. Oxigeniertes Blut absorbiert Licht bei 660 nm näherungsweise zehnmal weniger als desoxigeniertes Blut. Durch die Injektion von Methylenblau kann also die Desoxigenierung des Bluts bei 660 nm simuliert werden. Verwendet man als zweite Wellenlänge einen Sender mit einer Lichtwellenlänge von 805 nm - einer Wellenlänge, bei der Methylenblau kaum Licht absorbiert und die Lichtabsorption des Hämoglobins unabhängig vom Oxigenierungsgrad ist, dann kann eine Eichung - nach Entnahme von Blutproben aus dem Gewebe und deren photometrischer Analyse - über den gesamten Sauerstoffsättigungsbereich erfolgen. Der Einfluß des Hämoglobingehalts im Gewebe auf die Kalibration kann z. B. durch Heben und Senken von Körperteilen und die dadurch erfolgende Umlagerung des Blutes im Gewebe bestimmt werden.

Je nach verwendeter Lichtwellenlängenpaarung zur Bestimmung einer Kalibrationskurve wird die Empfindlichkeit auf Störeinflüsse in bestimmten Sauerstoffsättigungsbereichen besonders gering ( siehe Seite 1, 2 Fig. 2-3, Kreuzungspunkt der Kalibrationsgeraden mit minimaler Störungsempfindlichkeit) ohne diese Schwankungen beispielsweise per Software zu korrigieren zu müssen. Bei einer Lichtwellenlängenkombination von 660 und 940 nm ist die Störungsempfindlichkeit im Bereich von 70 bis 100% besonders gering. Bei einer Kombination von 740 und 940 nm liegt dieser Bereich bei etwa 40% und bei einer Kombination von 850 und 980 bei etwa 20%. Werden also mehrere Lichtwellenlängen eingesetzt, so kann beispielsweise durch ein Programm bei Überschreiten einer gewissen Meßwertvariable die Sättigungsvorhersage einer bestimmten Wellenlängenkombination stärker berücksichtigt werden als die der übrigen. Werden zusätzlich die Störeinflüsse auf die Kalibration wie Umverteilung venösen Blutes berücksichtigt, dann kann eine hohe Meßwertgenauigkeit über einen weiten Bereich erhalten werden ("flexible" Eichung).

Claims

1. Unter der Kalibration für Blutgasanalysesensoren versteht man ein Eichverfahren für die Pulsoximetrie bzw. deren Erweiterungen mit zwei und mehr Wellenlängen, bzw. weißem Licht (bei denen außer SaO₂ noch andere Blutparameter bzw. Gewebeparameter gemessen werden). Unter Verwendung von Blutproben, die aus dem Gewebe entnommen wurden, werden Gewebeeigenschaften charakterisiert. Bei der Eichung sind dann Einflüsse, wie der Hämoglobingehalt des Gewebes durch Bestimmung der Lichtintensitätsabschwächung zwischen Sender und Empfänger eines Pulsoximetriesensors, die durch Umverteilung von venösem Blut bedingt sein kann, berücksichtigbar, so daß eine Meßwertverfälschung durch sie vermindert wird. Meßwertverfälschungen durch Pigmentierung, Behaarung oder Hämatome können durch Verwendung mehrerer Wellenlängen ebenfalls eliminiert werden. Die daraus gewonnene "flexible" Eichung vermindert Meßwertfehler. Die Eichung kann durch Erhöhung der Zahl der analysierten Blutproben bzw. die Verwendung mehrerer Lichtwellenlängen oder weißem Licht genauer gemacht werden. Durch Kombination mehrerer Lichtwellenpaarungen, die in bestimmten Sauerstoffsättigungsbereichen unterschiedlich anfällig auf Störeinflüsse sind, kann die Meßwertzuverlässigkeit erhöht werden.

2. Kalibration nach Anspruch 1, wobei eine Kalibration unter Verwendung medizinischer Farbstoffe (z. B. Methylenblau) erfolgt.

3. Kalibration nach Anspruch 1 unter Verwendung von Gewebeparametern kn, die aus einem Kalibrationsvorgang gewonnen wurden.

4. Kalibration nach Anspruch 1, bei der die Kalibration den Hämoglobingehalt des Gewebes berücksichtigt, indem aufgrund der Lichtabschwächung zwischen Sender und Empfänger im Sensor auf den Hämoglobingehalt geschlossen wird (z. B. durch Messung mit Wellenlänge an einem isobestischen Punkt).

5. Kalibration nach Anspruch 1 unter Berücksichtigung des Einflusses von Haaren, der Pigmentierung oder von Hämatomen durch Messung mit verschiedenen Wellenlängen. Dies kann beispielsweise durch Wellenlängen an zwei isobestischen Punkten geschehen, womit eine Zuordnung der Absorption aufgrund von Behaarung, Hämoglobingehalt, usw. möglich wird.

6. Kalibration nach Anspruch 1 durch Kombination von Wellenlängenpaarungen, die bei unterschiedlichen Sauerstoffsättigungen weniger stark empfindlich gegen Störeinflüsse sind, wodurch durch Bevorzugung der Auswertung bei Wellenlängen mit geringem Fehler im jeweiligen Sättigungsbereich die Meßwertgenauigkeit erhöht werden kann.