DE19512478C2 - Verfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung und insbesondere auf ein Meßverfahren, das die Meßgenauigkeit von Pulsoxymetern, die zur in vivo Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung eingesetzt werden, erhöhen soll.
Nach dem heutigen Stand der Technik wird bei Pulsoxymetern die Tatsache genutzt, daß Blut bei Durchstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen je nach Oxygenierungsgrad Licht unterschiedlich stark in der Intensität, abschwächt. Aufgrund von vom Herzen ausgehenden Pulswellen wird im arteriellen Blutgefäßsystem ein zeitlich schwankender arterieller Blutgehalt im Gewebe hervorgerufen. Ein Pulsoxymetriesensor ist aus mindestens einem Sender und einem Empfänger aufgebaut. Durch die zeitliche Lichtabsorptionsänderung (Fig. 1), die das Licht zwischen Sender und Empfänger im Gewebe erfährt, lassen sich Rückschlüsse auf die Oxygenierung des Blutes im Gewebe ziehen. Die Auswertung der Sensorsignale wird üblicherweise bei Lichtwellenlängen von 660 und 940 nm vorgenommen. Es läßt sich eine Meßvariable Ω (teilweise auch als R bezeichnet) aufstellen, die bekanntermaßen auf folgende oder ähnliche Weise (in allgemeiner Form:
mit Iλ1(t1), Iλ1(t2): Lichtintensität bei der Lichtwellenlänge λ1 zur Zeit t1 bzw. t2 und
Iλ2(t1), Iλ2(t2): Lichtintensität bei der Lichtwellenlänge λ2 zur Zeit t1 bzw. t2 gewonnen wird:
(wobei gilt: Iminλ1, Iminλ2: Lichtintensitätsminimum bei λ1 bzw. λ2;
Imaxλ1, Imaxλ2: Lichtintensitätsmaximum bei λ1 bzw. λ2)
oder vereinfacht unter Umformung und der Annahme In(x + 1) = x für x << 1:
Dabei bezeichnet AC die Schwankungen der Ausgangssignale (AC = Imax - Imin) und DC den Gleichanteil der Ausgangssignale (DC = Imin) bei den jeweiligen Wellenlängen λ1 und λ2.
Die in der Formel bezeichneten Lichtintensitäten stellen dabei die im Empfänger des Pulsoxymteriesensors empfangenen Lichtintensitäten dar. Die Lichtquellen werden dabei meist getaktet, um Einflüsse, die durch Umlicht hervorgerufen werden, zu eliminieren. Aus den bestimmten Intensitäten wird - wie oben gezeigt - eine Meßvariable Ω berechnet, der auf der Grundlage einer Kalibrationskurve SaO2 = f(Ω) die zu bestimmende Sauerstoffsättigung SaO2 zugeordnet wird. Werden mehr als zwei Lichtwellenlängen eingesetzt, werden auch entsprechend mehr Meßvariabelen Ω gebildet, die dann als Ω1, Ω2, . . . bezeichnet werden. Die gesuchte Sauerstoffsättigung ergibt sich dann aus den Meßvariablen gemäß der mehrdimensionalen Funktion (Kalibrationskurve) SaO2 = f(Ω1, Ω2, . . .). (Siehe auch: FORSTNER, K.: Stand und Entwicklung der Technik. In: Biomedizinische Technik, 1988, Bd. 33, Ergänzungsband 3, S. 6-9; oder FORSTNER, K.; FAUST, U.: Pulsoximetrie. In: Biomedizinische Technik, 1990, Bd. 35, Ergänzungsband 1, S. 38-46). Dieses Verfahren führt bei einer Messung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe in einem Bereich von 70 bis 100% bei Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von 940 nm und 660 nm auch zu hinreichend genauen Meßwerten. Der Einfluß der Perfusion des Gewebes mit Blut, die Pigmentierung und die Behaarung werden bei diesem Meßverfahren nicht berücksichtigt.
Für Sauerstoffsättigungen unter etwa 65% sind jedoch optische Gewebeeigenschaften, die durch den Hämoglobingehalt im Gewebe (Perfusion p), die Pigmentierung und Behaarung der Haut beeinflußt werden, weitere wichtige Variablen, die bei der Bestimmung der Sauerstoffsättigung berücksichtigt werden müssen und zu einer Schar von ein- oder mehrdimensionalen Kalibrationskurven führen. Der Grund hierfür ist in unterschiedlichen Lichtlaufzeiten oder Lichtwegslängen der Photonen verursacht durch die Streuung im Gewebe zu sehen. (Siehe auch Textstelle: SCHMITT, JOSEPH M.: Simple Photon Diffusion Analysis of the Effects of Multiple Scattering on Pulse Oximetry. In: IEEE Transactions on Biomedical Engineering, December 1991, Vol. 38 Nr. 12, S. 1194-1203).
Bei Berücksichtigung der Perfusion p in der Kalibrationskurve ergibt sich folgender Zusammenhang:
SaO2 = f(Ω1, Ω2, . . ., p)
Zur Beseitigung des Einflusses der oben genannten Faktoren muß demzufolge eine Größe gefunden werden, die als Parameter geeignet ist, die zutreffende Kalibrationskurve aus der Kurvenschar auszuwählen.
Dieses Problem wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß Patentanspruch 1 wird bei wenigstens einer Wellenlänge die absolute Lichtabschwächung gemessen und diese als Parameter für die Wahl der besten Kalibrationskurve benutzt. Die absolute Lichtabschwächung wird gewonnen durch Messung der empfangenen Lichtintensität Iref(t) bezogen auf eine standardisierte Strahlungsintensität Ist(t), die ein Maß für die vom Sender ausgesendete Strahlungsintensität darstellt. Dadurch kann eine wesentliche Erhöhung der Meßgenauigkeit bei der Bestimmung der Sauerstoffsättigung erreicht werden.
Eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Lösung zur Minimierung des Meßwertfehlers gemäß des Hauptanspruchs ist in Patentanspruch 2 angegeben. Durch Messung der Lichtabschwächung an einem isobestischem Punkt kann auf einfache Weise der Hämoglobingehalt im Gewebe abgeschätzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 3 angegeben. Dadurch, daß die Lichtabschwächung über unterschiedliche Distanzen ausgewertet wird, kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der Lichtabschwächung im Gewebe verbessert werden.
Eine weitere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung zur Minimierung des Meßwertfehlers entsprechend dem Hauptanspruch ist in Patentanspruch 4 angegeben.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, den Meßwertfehler durch unterschiedliche Gewichtung mehrerer Meßwertvariablen zu minimieren. Bei Meßvariablen, die aus unterschiedlichen Wellenlängenpaarungen gewonnen werden, streuen die zugehörigen Eichkurvenschare bei unterschiedlichen Sauerstoffsättigungen unterschiedlich stark. Zur Gewinnung des Ausgangssignals wird nach Ermittlung der Meßwertvariablen Ωn diejenige Meßwertvariable stärker gewichtet, bei der die Schar der Eichkurven am wenigsten streut.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung zur Minimierung des Meßfehlers ist in Patentanspruch 5 aufgezeigt.
Durch die Auswertung unterschiedlicher Ω-Werte, die bei unterschiedlichen Wellenlängenpaarungen erzeugt werden, und deren Zuordnung zu arteriellen Sauerstoffsättigungswerten und unterschiedlichen Gewebeeigenschaften, kann ein Meßwertsignal erzeugt werden, das Störbeeinflussungen der Messungen durch unterschiedliche optische Eigenschaften des Gewebes unterdrückt. Auf diese Weise kann durch Hinzunahme einer Wellenlängenpaarung, deren Ω-Werte in starkem Maße vom Blutgehalt im Gewebe abhängen, das Ausmaß der Störbeeinflussung durch den Blutgehalt ermittelt werden. Die arterielle Sauerstoffsättigung wird mit einer Kalibrationskurve über einer weiteren Wellenlängenpaarung bestimmt, deren Störbeeinflussung durch die vorangegangene Ermittlung des Blutgehalts im Gewebe eliminiert wird.
Eine erfindungsgemäße Weiterbildung betreffend die Eichung eines Pulsoxymeters für das Verfahren aus Patentanspruch 1 bis 5 wird in Patentanspruch 6 angegeben.
Der Vorteil der Eichung eines Pulsoxymeters mit einem medizinischen Farbstoff besteht darin, daß die veränderte Lichtabsorption im Gewebe aufgrund einer Sauerstoffsättigungsänderung durch die Injektion mit dem medizinischen Farbstoff simuliert werden kann, ohne daß dem Gewebe weniger Sauerstoff zugeführt wird.
Eine erfindungsgemäße Weiterbildung von Patentanspruch 6 ist in dem Patentanspruch 7 beschrieben.
Der dort vorgeschlagene Farbstoff hat den Vorteil, daß er für Mensch und Tier gut verträglich ist und eine hohe Absorption aufweist, weswegen nur geringe Mengen des Farbstoffes verabreicht werden müssen.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben.
1. Beispiel
Ein Pulsoxymetriesensor arbeitet mit den Lichtwellenlängen 660 nm, 805 nm und 940 nm.
Mit den beiden Wellenlängen 660 nm und 940 nm wird die Meßvariable Ω nach folgender Vorschrift ermittelt:
Für die beiden Perfusionen p1 und p2 werden Eichkurven (siehe Fig. 2) für die Meßvariable Ω erfaßt.
Aus der Stärke der Lichtabschwächung LA bei 805 nm (isobestischer Punkt) wird auf die Stärke der Perfusion des Gewebes geschlossen.
mit α . δ = (co . εo + cr . εr) . δ, wobei gilt:
δ: Blutschichtdicke bzw. Perfusionsgrad,
co, cr: Konzentration von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut,
εo, εr: Extinktionskoeffizienten bei oxygeniertem und desoxygeniertem Blut.
Da im vorliegenden Fall die Extinktionskoeffizienten für oxygeniertes und desoxygeniertes Blut gleich sind, kann die Lichtabschwächung LA1 bei der Perfusion p1 einer bestimmten Kalibrationskurve p1 zugeordnet werden und die Lichtabschwächung LA2 bei der Perfusion p2 einer zweiten Kalibrationskurve p2.
Gemäß Fig. 2 erhält man für Ω = 1.4 bei der Perfusion p1 eine Sauerstoffsättigung SaO2 von etwa 0.6; bei der Perfusion p2 dagegen beträgt die Sauerstoffsättigung SaO2 nur etwa 0.38. Durch die erfindungsgemäße Erfassung der Perfusion kann also ein Fehler von 22% Sauerstoffsättigung vermieden werden.
Die Stärke der Perfusion kann im vorliegenden Fall auch näherungsweise durch die Ermittelung der Lichtabschwächung LA bei der Wellenlänge 940 nm ermittelt werden, da hier der Einfluß der Oxygenierung im Vergleich zur Perfusion gering ist bzw. über eine Gewichtung der Lichtabschwächungen über alle drei Wellenlängen.
Die Größenordnung der Änderung der Lichtabschwächung bei sich ändernder Blutkonzentration im Gewebe kann aus der sich ändernden Lichtintensität ermittelt werden.
In diesem und dem folgendem Beispiel wurde für die Bestimmung der Lichtabschwächung ein genau definierter mathematischer Zusammenhang zwischen Iref(t) und Ist(t) gegeben. Der Zusammenhang zwischen Iref(t) und Ist(t) zur Berechnung einer Lichtabschwächung kann jedoch durch beliebige selbst definierte Relationen hergestellt werden.
2. Beispiel
Bei starker Pigmentierung und Behaarung der Haut kann die Perfusion des Gewebes bestimmt werden, indem beispielsweise bei Lichtwellenlängen an zwei isobestischen Punkten gemessen wird (z. B. 560 nm und 805 nm).
Für die Lichtabschwächungen gilt folgendes:
LA580 = δPig . αPig560 + δBlut . αBlut560,
LA805 = δPig . αPig805 + δBlut . αBlut805,
wobei gilt: LAX: Lichtabschwächung bei der Lichtwellenlänge X,
δPig: Dicke der Pigmentierungsschicht und Haarschicht auf der Haut,
δBlut: Dicke der Blutschicht, die vom Sensorlicht durchstrahlt wird,
αPigX: Lichtabsorption der Pigmentierung und Haare auf der Haut pro Schichtdicke bei der Lichtwellenlänge X,
αBlutX: Lichtabsorption des Blutes im Gewebe pro Schichtdicke bei der Lichtwellenlänge X.
Da die Absorptionskoeffizienten α für das Blut und die Pigmentierung bzw. Behaarung bekannt sind, kann aus den Lichtabschwächungen das Maß für die Blutschichtdicke bzw. Perfusion δBlut bestimmt werden.
3. Beispiel
Verwendet man die drei Lichtwellenlängen 660 nm, 740 nm und 940 nm, so können die folgenden beiden Meßvariablen gebildet werden:
(wobei gilt: (Imin/Imax)Xnm: Quotient der minimalen und maximalen Lichtintensität bei der Lichtwellenlänge X;
Ω1: Meßvariable bei Verwendung der Lichtwellenlängen 660 nm und 940 nm;
Ω2: Meßvariable bei Verwendung der Lichtwellenlängen 740 nm und 940 nm).
Erhält man bei einer Messung für Ω1 einen Wert von 1, dann kann mit hoher Genauigkeit davon ausgegangen werden, daß die Sauerstoffsättigung etwa 75% beträgt (gemäß Fig. 2), da sich an dieser Stelle die Schar der Eichkurven kreuzt. Der Kreuzungspunkt der Scharkurven für Ω2 liegt ebenfalls bei einem Wert von etwa 1, allerdings beträgt hier der Sauerstoffsättigungswert etwa 40% (gemäß Fig. 3). Indem man zur Gewinnung eines Ausgangssignals für die Sauerstoffsättigung bei hohen Sättigungswerten Ω1 stärker gewichtet als Ω2 und bei niedrigen Sättigungen Ω2 stärker als Ω1, kann man die Meßgenauigkeit bei der pulsoxymetrischen Messung erhöhen.
Anmerkung: Die Diagramme in Fig. 2 und Fig. 3 haben nur eine qualitative Aussagekraft. Bei unterschiedlichen Sensorgeometrien können Abwandlungen entstehen.
4. Beispiel
Die Eichung eines Pulsoximeters am Menschen bei niedrigen Sauerstoffsättigungen ist schwierig, da niedrige Sauerstoffsättigungen schädlich für das Gewebe sind und eine Verringerung der Sättigung beispielsweise durch das Abbinden eines Armes die arterielle Pulsation unterbindet, die zur pulsoxymetrischen Messung nötig ist. Diese Schwierigkeit kann durch die Injektion von medizinischen Farbstoffen an Versuchsprobanden umgangen werden. Methylenblau z. B. absorbiert bei etwa 660 nm das Licht maximal. Oxygeniertes Blut absorbiert Licht bei 660 nm näherungsweise zehn mal weniger als desoxygeniertes Blut. Durch die Injektion von Methylenblau kann also die Desoxygenierung 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 Oxygenierungsgrad 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 Eichung kann z. B. durch Heben und Senken von Körperteilen und die dadurch erfolgende Umlagerung des Blutes im Gewebe bestimmt werden. Die sich dadurch ändernde Perfusion wird durch die Bestimmung der Lichtabschwächung LA durch das Gewebe ermittelt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung (SaO2) im Gewebe nach der Methode der Pulsoximetrie, bei dem Licht mindestens zweier unterschiedlicher Wellenlängen oder weißes Licht dem Gewebe zugeführt wird, die Intensität der vom Gewebe zurückerhaltenen Strahlung für die jeweilige Wellenlänge bestimmt wird, aus den bestimmten Intensitäten mindestens eine Meßvariable (Ω1, Ω2, . . .) berechnet wird und die arterielle Sauerstoffsättigung (SaO2) auf der Grundlage einer Kalibrationskurve ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für unterschiedliche optische Eigenschaften des Gewebes unterschiedliche Kalibrationskurven bereitgestellt werden und die zu verwendende Kalibrationskurve dadurch bestimmt wird, daß bei wenigstens einer Wellenlänge die absolute Lichtabschwächung durch Messung der Intensität des empfangenen Lichts (Iref(t)) bezogen auf eine standardisierte Strahlungsintensität (Ist(t)) ermittelt wird und die absolute Lichtabschwächung als Parameter für die Wahl der besten Kalibrationskurve benutzt wird.
2. Verfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Lichtabschwächung bei einer Wellenlänge von 805 nm gemessen wird.
3. Verfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß absolute Lichtabschwächungen bei einer oder mehreren Wellenlängen gemessen werden, indem bei unterschiedlichen Lichtweglängen die Lichtintensität gemessen wird und die Lichtabschwächung im Gewebe ermittelt wird dadurch, daß mindestens eine Lichtintensitätsmessung als Standardisierungswert dient.
4. Verfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Sauerstoffsättigung anhand von mehreren Meßvariablen (Ω1, Ω2, . . .) eine Gewichtung der einzelnen Meßvariablen erfolgt, so daß diejenigen Meßvariablen mit dem größten zu erwartenden Fehler die geringste Gewichtung erfahren.
5. Verfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für unterschiedliche optische Eigenschaften des Gewebes unterschiedliche Kalibrationskurven bereitgestellt werden und die zu verwendende Kalibrationskurve dadurch bestimmt wird, daß aus einer oder mehreren Lichtwellenpaarungen Ω-Werte ermittelt werden, die ein Maß für die optischen Gewebeeigenschaften und weniger für die arterielle Sauerstoffsättigung bilden, womit entsprechend der ermittelten Gewebeeigenschaften die beste Kalibrationskurve ausgewählt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Kalibrationskurven für das Meßverfahren ein medizinischer Farbstoff, mit dem bei bestimmten Wellenlängen unterschiedliche Lichtabsorptionen aufgrund unterschiedlicher Blutoxygenierung im Gewebe simuliert werden können, intravenös am Mensch oder Tier injiziert wird, aus dem Gewebe während der Abbauzeit des Farbstoffes Blutproben entnommen werden, denen aufgrund ihrer vergleichbaren Absorptionseigenschaften mit desoxygeniertem Blut bei der Küvettenmessung unterschiedlichen Blutsauerstoffsättigungen zugeordnet werden, um bei gleichzeitigem Anlegen eines Pulsoxymetriesensors unter Berücksichtigung der Lichtabschwächung (LA) den Sensorausgangssignalen entsprechende Blutsauerstoffsättigungen zuzuweisen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als medizinischer Farbstoff Methylenblau verwendet wird.
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