Information Messmethoden SpO2 Übersicht · • Das Pulsoxymeter misst das Verhältnis der roten...

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Zusammenstellung / Autor: Andreas Kaltenegger

Acutronic Medical Systems GmbH 5020 Salzburg Sterneckstr. 55/5 www.acutronic-ms.at

Pulsoxymetrie & die Bedeutung der plethysmographischen Pulswelle

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Information SpO2 Messmethoden ÜbersichtZusammenstellung / Autor: Andreas Kaltenegger2


Einführung• Das erste Gerät wurde 1935 von

K. Mattes entwickelt

• Seit Mitte der 80er Jahre ein Standardparameter in vielen Bereichen der Medizin

• Pulsoxymetrie stellt ein modernes, nicht-invasives Messverfahren dar, dass die Sauerstoffversorgung des arteriellen Blutes (über die partielle Sauerstoffsättigung) kontinuierlich erfasst.

• Die Vorteile

– Nicht - Invasiv– einfache Sensor Applikation– schnell & kontinuierlich „in-vivo“

messen

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Funktionsprinzip der Pulsoxymetrie• Die Technik der nicht-invasiven Pulsoxymetrie beruht auf zwei Prinzipien.

– Zum einen wird die durch die Sauerstoffsättigung beeinflusste Farbe des Blutes auf den zwei Wellenlängenbereichen Rot und Infrarot bestimmt (Spektrofotometrie),

– zum anderen verändert sich die Menge von arteriellem Blut im Gewebe (daher auch die Lichtabsorbtion durch dieses Blut) während der Pulsation, die durch den Blutauswurf des Herzens in den Arterien verursacht wird.

• Der Farbunterschied, bedingt durch die Sauerstoffsättigung, ist zurückzuführen auf die optischen Eigenschaften des Hämoglobinmoleküls, genauer gesagt auf die der organischen Häm-Komponente.

• Das Hämoglobin übernimmt den Transport des Sauerstoffs im Blut durch die Oxygenierung (O2Hb).

• Der Sauerstoff kann wieder abgegeben werden, d.h. das Blut wird desoxygeniert (Sauerstoffsättigung nimmt ab) und verliert entsprechend seine rötlichen Farbe.

• Dadurch wird die Absorption des roten Lichts stärker und die des infraroten Lichts schwächer beeinflusst.

• Zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung wird das Pulsieren des arteriellen Blutflusses genutzt, das während der Systole und der Diastole das Blutvolumen verändert und damit auf die Lichtabsorbtion einwirkt.

• Da nur die Veränderung der Lichtabsorbtion ausgewertet wird, haben nicht pulsierende absorbierende Stoffe wie Gewebe, Knochen und venöses Blut keine Auswirkung auf die Messung.

• Als Lichtquelle für die Messung dient eine rote und eine infrarote Leuchtdiode, als Empfänger eine Fotodiode.

• Das Pulsoxymeter misst das Verhältnis der roten und infraroten pulsierenden Absorption, welches in direkter Beziehung zur Sauerstoffsättigung steht, und stellt darüber die Sauerstoffsättigung dar.

• Daneben werden die Zeitabstände der Pulsationen in eine Pulsrate umgerechnet & ebenfalls dargestellt.



Arterielle Zirkulation im Finger• Der pulsierende Blutfluss im

Finger verursacht auf Grund des relativ engen Netzes der Arteriolen nahe der Haut deutliche Veränderungen der Blutmenge im Gefäßbett.

• Der Puls am Finger resultiert aus der Kontraktion der linken Herzkammer, die das Bett des Fingers mit arteriellem Blut füllt.

• Die photoelektrische Finger-Plethysmographie registriert die Volumenänderung des arteriellen Blutes, so dass eine positive elektrische Aussteuerung den Blutvolumenanstieg am Messpunkt (Finger) sichtbar macht.

Abb. 1: Die Wirkung der Blutvolumenveränderung auf das Plethysmogramm. Der Durchmesser des Blutgefäßes vergrößert sich, wenn sich das Blutvolumen durch die nachfolgende Herzkontraktion erhöht.

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Regelung der peripheren arteriellen Zirkulation

• Eine Gefäßverengung wird durch die Sympatikusstimulation der glatten Muskeln des peripheren arteriellen Bettes hervorgerufen

• Das hat einen Abfall der Pulswellenamplitude zur Folge

• Die Wirkung auf den sympatischen Tonus kann individuell stark variieren

• Der Abfall der Pulswelle steht oft in Verbindung mit Unbehagen, Schmerz oder anderen stressverwandten Stimuli

Normal

Verengung

Erweiterung

Abb. 2: Die Wirkung der Gefäßverengung und Gefäßerweiterung auf die Pulswellenamplitude



Faktoren, die beeinflussen …• Gefäßerweiterung

– Anästhetika– Sedierung– Hyperkapnie

• Gefäßverengung– Angst– Schmerz– Niedrige Temperatur– Hypovolemie– Hypokapnie

• Phasen des Unbehagens oder Schmerzes während der Operation

– Präoperative Angst– Endotracheale Intubation– Hautinzision– Phasen leichter Narkose– Leichte Narkose– Postoperatives Unbehagen– Postoperativer Schmerz

• Veränderungen der Pulswellenamplitude während der Anästhesie stehen zumindest in Verbindung mit neurogenen oder hormonal bedingten Veränderungen des glatten Muskeltonus der Arterienwände.

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Form & Komponentender Pulswelle

• Die Amplitude der Pulswelle zeigt in höchstem Maße Veränderungen der Zirkulation des Gefäßbettes an.

• Andere Parameter, wie z.B. die Anstiegszeit und die Inzisur können der Pulswelle entnommen werden.

• Die Inzisur wird durch das Schließen der Aortenklappe verursacht.

A

CT

D

• A = Amplitude• CT = Anstiegszeit• D = Inzisur



Erfassung der Pulswelle• Photoelektrische Plethysmographie

misst die Absorption des einfallenden Lichtes einer infraroten Wellenlänge (z.B. 910 nm)

• Die Absorption des infraroten Lichtes wird nur unwesentlich durch Veränderungen der Oxyhämoglobinkonzentration beeinflusst, so dass Veränderungen der Lichtabsorption hauptsächlich Veränderungen des lokalen Blutvolumens widerspiegeln

• Messung erfolgt optisch mit einer infraroten Lichtquelle und einem photoempfindlichen Detektor

• Bei der Übertragung liegen sich Detektor und Emitter gegenüber

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Absorption des infraroten Lichtes• Die Plethysmographische

Pulswelle wird von der Intensität des übertragenen Lichtes abgeleitet.

• Die gesamte Absorption des einfallenden Lichtes kann in mehrere Komponenten aufgeteilt werden, die den Teilen der Substanz entsprechen

• Gewebe venöses Blut• und das durch den Pulsschlag

hinzugefügte Volumen des arteriellen Blutes

• Die Pulswelle gibt Veränderungen des Blutvolumens und der Bewegung der Blutgefäßwände wieder, nicht aber Veränderungen des Blutdrucks



SpO2 MessprinzipienSystole

Pulsierendes BlutKein Puls

Venöses Blut

Diastole

Zeit

Arterielles Blut

arterielle Pulsation

Gewebe

austretendesLicht

Einfallendes Licht

Intensität des austretenden

LichtesPlethysmo-graphische Pulskurve

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Technische Messprinzipien

RAC

RDC

IRDC

IRACK=

RAC / RDC

IRAC / IRDC

K

SpO2

Pulse rate

Pulsrate

Pleth

Rot

Infra-Rot

Zeit

Signal

A/D

Zeit

SpO2



Beim Monitoring beachte immer …• Die Skalierung an der Pulswelle gibt den

„Amplitudenfaktor“ an und wird sowohl automatisch oder manuell geändert –aber …

• Nichtbeachtung kann zu optischen Täuschungen führen, denn

– Je niedriger der Amplitudenfaktor umso geringer ist die Änderung des Blutvolumens und umgekehrt

• Die Pulswelle ergibt sich nicht analog zum Blutdruck – trotz der Ähnlichkeit zur arteriellen Druckkurve

• Naturgemäß variiert die Pulswellenamplitude von Patient zu Patient

• Beeinflussung der Messung durch Umgebungslicht

• Exakte Positionierung und Fixierung des Sensors an der Mess-Stelle

• Beschaffenheit der Mess-Stelle (ödematöses Gewebe, Nagellack, etc.)

• Zirkulierende Farbstoffe und Kontrastmittel

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Verschieden Messverfahren



SAT-TRAK® Verfahren

• Die pulsoxymetrische Bestimmung der partiellen Sauerstoffsättigung beruht darauf, dass Oxyhämoglobin und desoxygeniertes Hämoglobin rotes und infrarotes Licht unterschiedlich stark absorbieren

OXYSHUTTLE 2

IRIRRRR

PhotodetektorPhotodetektor

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Wir spielen mit Licht …• Der Pulsoxymetersensor besteht aus zwei

(2) Leuchtdioden sowie einem Photodetektor

– Led 1 emittiert rotes Licht mit 660 nm

– Led 2 emittiert infrarotes Licht mit 925 nm

• Trick:das langwellige Licht wird vom Oxyhämoglobin stärker absorbiert als vom desoxygeniertem Hämoglobin

• Die LEDs werden in schneller Folge nacheinander an- und ausgeschaltet, so dass sich Rot-, Infrarot und Dunkelphasen ergeben.

• Trick:durch die Dunkelphasen kann der Einfluss von Störlicht verringert werden.

• Trick:Vermeidung von Bewegungsartefakten da nicht nur die Minima und Maxima der Pulsabsorptionskurven ausgewertet werden -sondern 65 Messergebnisse pro Sekunde



Algorhythmen …• QDM Technologie

(Quadratur Division Multiplex)

• es wird ein verändertes Zeitmuster für die Ansteuerung der LED‘s und des Photodetektors verwendet.

• Dadurch wird eine zweifelsfreie Trennung der roten und infraroten Absorptionssignale ermöglicht.

• Besonders vorteilhaft in der Neonatologie!

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Masimo SET®

• Technik der Signal Extraktion

• entwickelt in Japan um 1975

• Im Jahr 2000 die erste Firma am Weltmarkt mit genauemphysiologischem SpO2-Monitoring beiBewegungsartefakten

• Zusätzliche “Filter” werden verwendetum Störsignale von physiologischenSignalen zu unterscheiden

• 100 Messungen pro Sekunde

• Software berechnet Störungen und pass die Ergebnisee kontinuierlich an und extrahiert so die tatsächlichen Werte in “Echtzeit”

• 70 – 90% aller Fehler und Fehlalarmekönnen so vermieden werdenPhysiology Physiology Physiology

97% SpO2 64 BPM97% SpO97% SpO2 2 64 BPM64 BPM

ElektromagnetismusElektromagnetismus

ArtefakteArtefakte

BewegungBewegungLichtLicht

LNOP SensorsLNOP

Sensors



Wie genau ist Masimo® …

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Tru Sat® …• Weitere Software Verbesserung

• höhere Rechenleistung• Jedoch nicht nur

Mathematik …

• Algorhythmen basieren auf klinischer Erfahrung & Bewegungen des Patienten

• Die Software entscheidetwelche der vierKomponenten (Rac, Rdc, IRac, IRdc) korregiertwerden muss, bevor diesefür die Berechnung der SpO2 Werte verwendetwerden kann.



TruTrak+®

Die 5 Schritte der TruTrak+ Technologie:

Schritt 2 (I.Q.K.)ist der Schlüssel zu dieserTechnologie

Datensammlung

• Identifikation• Quantifizierung der Stärke

• Korrektur

Berechnung

Analyse & Mittelung

Anzeige

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Unsere Methode



Messen mit OxiPen®

& SoftTip

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Effektivste Lösungfür „spot-chek“ Messungen

• präzise, schnell

• kompakt

• funktionelles Pocket-Design

• beleuchtete LCD-Anzeige

• Signalton zur akustischen Kontrolle des SpO2 Wertes

• optimale Artefaktunterdrückung durch integriertes „AN“ – System

• Mit verschiedenen Sensoren



Einsatz• von Kind bis zum

Erwachsenen• neue Elektronik • überlegene Genauigkeit• nahezu überall

anwendbar• einfache Bedienung

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• bewährte Technologie auf kleinster Fläche• „Split-Puls-Wave-Algorithmus“ mit Fuzzy-Logik

für drei Reaktionsmodi zur Erfassung der arteriellen Sauerstoffsättigung:

– Empfindlich– Normal– Stabil

• berechnet den SpO2-Wert nicht nur einmal pro Pulswelle (FPWA = Full-Puls-Wave-Algorithmus), sondern mehrmals =Pulswelle wird geteilt (SPWA = Splitted-Puls-Wave-Algorithmus).

• Standard „sampling rate“ von 300 Hz• Fuzzy-Logic sorgt für erhöhte Stabilität bei

Patientenbewegung & größere Messgenauigkeit• Plausibititätsprüfung für Herzschlagrate

(VS = variance suppression in percent)• Warnungs- und Fehlermeldesystem

– Sensorablösung– fehlender Fingerkontakt oder Pulswellensignals

• regelt das als Kurve zur Verfügung gestellte Plethysmogram so aus, dass die Amplitude 75% des Anzeigebereichs beträgt und ist somit vom Pulsvolumen unabhängig.

ChipOx® Technologie



BesonderheitFlexible Artefakt-Nivellierung (FAN)

Zur Unterdrückung von Bewegungsartefakten steht für den SpO2- und Pulsrateparameterdie „Flexible Artefakt-Nivellierung“ (FAN) zur Verfügung.

• Für SpO2 gilt:– Je niedriger die Einstellung, desto schneller ist die Reaktion bei „Entsättigungen“, die

Artefaktstabilität ist jedoch schwächer (geeignet z.B. für „Entsättigungen“ im Schlaf). – Je höher die Einstellung, desto stabiler wird der Wert, die Reaktionszeit dauert jedoch länger

(geeignet z.B. bei unruhigen Messbedingungen).

• Für die Pulsrate gilt:– Je niedriger die Einstellung, desto schneller ist die Reaktion bei Pulsratenänderungen, die

Artefaktstabilität ist jedoch schwächer (geeignet z.B. zur Erfassung von HF-Variationen).– Je höher die Einstellung, desto stabiler wird der Wert, die Reaktionszeit dauert jedoch länger

(geeignet z.B. für unruhige Krankentransporte).

• Zusätzlich Plausibilitätsprüfung für die Pulsrate:– Die Abweichungsunterdrückung (AU) in Prozent.– Sie bewertet den Abstand zweier aufeinander folgende Schläge und hält den neuen Wert für

unplausibel, sobald er um mehr als den für AU angegebenen Wert vom alten Plausibilitätskontrollwert abweicht. Gleichzeitig wird der Plausibilitätskontrollwert dem neuen Wert angepasst.

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Signalverarbeitung• Aus den zur effizienten

Störunterdrückung mit 300 Hz gemessenen Werten werden

– Sauerstoffsättigung (SpO2),– Pulsrate– Pulswelle

• und die Qualität dieser Signale unter Verwendung von

– verschiedenen digitalen Filtern– neuartigen

Signalverarbeitungsverfahren und

– Kalibrierkurven berechnet und• an unterschiedlichen

Schnittstellen– online zur Verfügung gestellt.



Zusammenfassung• OxiPen® ist kein Einweg-Gerät',

– wie die Geräte mit integriertem Fingerclip (wie z.B. von Nonin, BCI):

• Alle Sensor-Dioden altern– bei Defekt muss nicht das gesamte Gerät weggeworfen werden– es genügt der Kauf eines neuen Sensors.

• Komfortablere Ablesesituation für den Arzt durch abgesetzten Sensor

• Die weltweit breiteste Palette an SpO2-Sensorensteht zur Verfügung

– passend zu allen Mess-Situationen

• Finger-Clips in verschiedenen Größen• auch für Kinder• Einweg-, Y- und Wrap-Sensoren

• Spritzwasser geschützt

• Ausschließliche Verwendung biokompatibler Materialien (ISO 10993)

• von unabhängigen Prüfinstituten getestet und klinisch validiert

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