Pulsoxymetrie & die Bedeutung der plethysmographischen Pulswelle
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- Monika Buchholz
- vor 8 Jahren
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1 Pulsoxymetrie & die Bedeutung der plethysmographischen Pulswelle 1 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 2 1
2 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 (O 2 Hb). 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. 3 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. Abb. 1: Die Wirkung der Blutvolumenveränderung auf das Plethysmogramm. Der Durchmesser des Blutgefäßes vergrößert sich, wenn sich das Blutvolumen durch die nachfolgende Herzkontraktion erhöht. Die photoelektrische Finger- Plethysmographie registriert die Volumenänderung des arteriellen Blutes, so dass eine positive elektrische Aussteuerung den Blutvolumenanstieg am Messpunkt (Finger) sichtbar macht. 4 2
3 Regelung der peripheren arteriellen Zirkulation Normal Verengung Erweiterung Abb. 2: Die Wirkung der Gefäßverengung und Gefäßerweiterung auf die Pulswellenamplitude 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 5 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. 6 3
4 A = Amplitude CT = Anstiegszeit D = Inzisur Form & Komponenten der Pulswelle D A CT 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. 7 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 8 4
5 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 9 SpO 2 Messprinzipien Intensität des austretenden Lichtes austretendes Licht Systole Diastole Plethysmographische Pulskurve arterielle Pulsation Arterielles Blut Venöses Blut Gewebe Zeit Einfallendes Licht Kein Puls Pulsierendes Blut 10 5
6 Technische Messprinzipien Pulse rate Rot R AC R DC Signal Zeit Pulsrate Pleth Infra- Rot IR AC Zeit A/D K= R AC / R DC IR AC / IR DC SpO 2 SpO 2 IR DC K 11 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 12 6
7 Verschieden Messverfahren 13 OXYSHUTTLE 2 SAT-TRAK Verfahren R IR Die pulsoxymetrische Bestimmung der partiellen Sauerstoffsättigung beruht darauf, dass Oxyhämoglobin und desoxygeniertes Hämoglobin rotes und infrarotes Licht unterschiedlich stark absorbieren Photodetektor 14 7
8 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 15 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! 16 8
9 Bewegung Artefakte Licht Masimo SET Elektromagnetismus LNOP Sensors Technik der Signal Extraktion entwickelt in Japan um 1975 Im Jahr 2000 die erste Firma am Weltmarkt mit genauem physiologischem SpO 2 -Monitoring bei Bewegungsartefakten Zusätzliche Filter werden verwendet um Störsignale von physiologischen Signalen zu unterscheiden 100 Messungen pro Sekunde 97% SpO 2 64 BPM Physiology Software berechnet Störungen und pass die Ergebnisee kontinuierlich an und extrahiert so die tatsächlichen Werte in Echtzeit 70 90% aller Fehler und Fehlalarme können so vermieden werden 17 Wie genau ist Masimo 18 9
10 Tru Sat Weitere Software Verbesserung höhere Rechenleistung Jedoch nicht nur Mathematik Algorhythmen basieren auf klinischer Erfahrung & Bewegungen des Patienten Die Software entscheidet welche der vier Komponenten (Rac, Rdc, IRac, IRdc) korregiert werden muss, bevor diese für die Berechnung der SpO 2 Werte verwendet werden kann. 19 Die 5 Schritte der TruTrak+ Technologie: TruTrak+ Datensammlung Schritt 2 (I.Q.K.) ist der Schlüssel zu dieser Technologie Identifikation Quantifizierung der Stärke Korrektur Berechnung Analyse & Mittelung Anzeige 20 10
11 Unsere Methode 21 Messen mit OxiPen & SoftTip 22 11
12 Effektivste Lösung für spot-chek Messungen präzise, schnell kompakt funktionelles Pocket-Design beleuchtete LCD-Anzeige Signalton zur akustischen Kontrolle des SpO 2 Wertes optimale Artefaktunterdrückung durch integriertes AN System Mit verschiedenen Sensoren 23 Einsatz von Kind bis zum Erwachsenen neue Elektronik überlegene Genauigkeit nahezu überall anwendbar einfache Bedienung 24 12
13 ChipOx Technologie 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 SpO 2 -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. 25 Besonderheit Flexible Artefakt-Nivellierung (FAN) Zur Unterdrückung von Bewegungsartefakten steht für den SpO 2 - und Pulsrateparameter die Flexible Artefakt-Nivellierung (FAN) zur Verfügung. Für SpO 2 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
14 Signalverarbeitung Aus den zur effizienten Störunterdrückung mit 300 Hz gemessenen Werten werden Sauerstoffsättigung (SpO 2 ), 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. 27 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 SpO 2 -Sensoren steht 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 28 14
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