Pulsoxymetrie

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Pulsoxymeter
Fingerpulsoxymeter mit integriertem Clip

Die Pulsoxymetrie oder Pulsoximetrie ist ein Verfahren zur nicht invasiven Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung über die Messung der Lichtabsorption bzw. der Lichtremission bei Durchleuchtung der Haut (perkutan). Nebenbei dienen die verwendeten Geräte auch zur gleichzeitigen Pulsfrequenzkontrolle.

Das Prinzip wurde erstmals 1935 von K. Matthes (Leipzig) am menschlichen Ohrläppchen beschrieben. Eine Weiterentwicklung zur einfachen klinischen Anwendbarkeit fand zunächst nicht statt. Erst 1972 gelang eine nutzbare Realisierung durch den japanischen Bio-Ingenieur Takuo Aoyagi. In einer parallelen Eigenentwicklung fand dieses Werkzeug in Deutschland unter der Bezeichnung Photoplethysmographie erstmals 1976 Anwendung in der psychophysiologischen Forschung in einem Migräne-Forschungsprojekt, konstruiert und angewandt von Christian-Peter Bernhardt, veröffentlicht im Juni 1978 an der Universität Hamburg.

Prinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gemessen wird mit einem Sättigungsaufnehmer (Clip oder Klebesensor) an einem leicht zugänglichen Körperteil, vorzugsweise an einem Finger, an einem Zeh, an einem Ohrläppchen oder bei frühgeborenen Säuglingen auch an einem Fußballen oder an einem Handgelenk. Die so ermittelte Sauerstoffsättigung wird als SpO2 bezeichnet. Um den Messwert dieser nichtinvasiven, photometrischen Bestimmung der Sauerstoffsättigung eindeutig von der an einer entnommenem Blutprobe mittels Blutgasanalyse ermittelten arteriellen Sauerstoffsättigung zu unterscheiden, deutet das p in dieser Bezeichnung auf das pulsoxymetrische Messverfahren hin.

S_\mathrm{p}O_\mathrm{2}=\frac{HbO_\mathrm{2}}{HbO_\mathrm{2}+Hb}

HbO2: Konzentration des mit O2 beladenen Hämoglobins (oxygeniertes Hämoglobin)

Hb: Konzentration des Hämoglobins, dessen Transportplätze für O2 noch frei sind (desoxygeniertes Hämoglobin)

Der Sensor hat auf der einen Seite zwei in einem definierten (Infra-)Rot-Bereich (s. u.) leuchtende Lichtquellen, auf der anderen einen Fotosensor. Das Licht dringt in das Gewebe ein und wird auf dem Weg zum Sensor durch das Gewebe, die Blutgefäße und das Blut teilweise absorbiert.

Oxygeniertes und desoxygeniertes Hämoglobin hat unterschiedliche Farben und damit auch ein unterschiedliches Absorptionsverhalten. Gemessen werden drei Werte, die Absorption des Lichts (nach dem Gesetz von Beer-Lambert-Bouguer) bei unterschiedlichen Wellenlängen, zumeist im 660-nm-Bereich, im 940-nm-Bereich und – zur Tarierung – ohne die Strahlung der Messlichtquellen, nur mit Umgebungslicht.

Durch den Herzschlag pulsieren die arteriellen Blutgefäße und damit ändert sich auch der Weg des Lichts durch das arterielle Blut. Es lässt sich dann bei jedem Herzschlag für jede Wellenlänge das Verhältnis vom maximalen Wert der Lichtintensität zum minimalen Wert bilden. Setzt man nun diese Werte in Bezug zueinander, ist das Ergebnis unabhängig von der Lichtabsorption des umliegenden Gewebes, und nur bestimmt durch das Verhältnis von oxygeniertem zu desoxygeniertem Hämoglobin im arteriellen Blut.

Anhand eines Vergleichs des Messergebnisses mit einer Referenztabelle ermittelt das Pulsoxymeter, welcher prozentuale Anteil an oxygeniertem Hämoglobin vorliegt. Übliche Werte der arteriellen Sauerstoffsättigung liegen beim Gesunden zwischen 96 und 100 %.

Praktische Anwendung der Pulsoxymetrie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Pulsoxymetrische Darstellung mit Plethysmogramm (3. Kurve von oben)

Im Rettungsdienst und auf Intensivstationen sowie in der Anästhesie ist die Pulsoxymetrie Teil des Standardmonitorings des Patienten. Bei Frühgeburten wird zur weiteren häuslichen Überwachung oft ein Überwachungsmonitor eingesetzt, der die Atemfrequenz, die Sauerstoffsättigung und den Puls anzeigt.

Bei der Überwachung von Frühgeborenen in der neonatalen Intensivmedizin kommt häufig auch die duale Pulsoxymetrie (rechts/links) zum Einsatz, um bei diagnostiziertem persistierenden Ductus arteriosus den Unterschied zwischen präduktaler und postduktaler Sauerstoffsättigung im zeitlichen Verlauf zu erfassen.

In der Schlafmedizin ist die Pulsoxymetrie ein wichtiges Messverfahren zur Erkennung von Schlafapnoe.

Die Pulsoxymetrie wird in der Sportfliegerei bei Flügen in große Höhen eingesetzt, um so durch Selbstkontrolle einer Hypoxie vorbeugen zu können.

Beim Höhenbergsteigen werden immer öfter Pulsoxymeter verwendet, um frühzeitig Hinweise auf eine drohende Höhenkrankheit zu erhalten.

Auch im privaten Bereich werden häufiger im Rahmen der Quantified Self-Bewegung Pulsoxymeter oder Wearables mit integrierten Pulsoxymetern verwendet.

Zerebrale Oxymetrie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Spezielle Geräte sind in der Lage, die Sauerstoffsättigung nicht nur durch die Haut, sondern auch durch den Schädelknochen hindurch zu messen. Bei der sog. zerebralen Oxymetrie können Lichtsender und Lichtempfänger nicht in einer Linie hintereinander angebracht werden. Der Sender und die Empfänger sind wenige Zentimeter voneinander entfernt an der Stirn befestigt. Geringe Mengen des Infrarotlichts gelangen durch den Knochenschädel und das Gehirn und werden dort in einer Tiefe von bis zu 2,5 cm gestreut. Durch die Streuung wird das Licht in alle Richtungen verteilt und gelangt somit auch zu den Empfängern auf der Haut. Die beiden Empfänger messen die Sättigung in einer bestimmten Entfernung voneinander. Auf diese Weise kann durch die beiden leicht unterschiedlichen Messwerte bei bekanntem Streuungswinkel die Sauerstoffsättigung des Blutes im schädelnahen Gehirn abgeschätzt werden. Bei jungen gesunden Patienten, die normale Luft atmen, beträgt die Sättigung in diesem kapillarähnlichen Bereich ca. 60–70 %. Bei älteren oder kranken Patienten kann dieser Ausgangswert auch niedriger sein. Kommt es zu einem Sauerstoffmangel im Gehirn, z.B. durch eine Unterversorgung mit Blut, fällt dieser Wert ab. Nach Schätzungen sind 50 % als der absolute untere Grenzwert anzusehen, bei dem Hirnschäden entstehen können. Zur Anwendung kommt die zerebrale Oxymetrie bei Operationen an den hirnversorgenden Gefäßen, z.B. der Arteria Carotis. Bei diesen Operationen muss teilweise die Blutversorgung des Gehirns auf einer Seite kontrolliert unterbrochen werden. Durch Messung der zerebralen Sauerstoffsättigung kann abgeschätzt werden, wie lange das Gehirn mit der eingeschränkten Blutversorgung auskommen kann. Kommt es zum Abfall der Sättigung, kann es notwendig werden, die Operation an der Arterie zu unterbrechen und zum Beispiel einen provisorischen Shunt einzulegen, der die Blutversorgung wieder herstellt.[1]

Messfehler[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bei lackierten Fingernägeln (blauer, grüner und schwarzer; nicht jedoch roter und purpurfarbener Lack[2]) wird Licht durch den Lack absorbiert und erreicht die Fotozelle nur abgeschwächt.[3]
  • Künstliche Fingernägel aus Acryl führen in Abhängigkeit vom Pulsoxymeter-Gerät ebenfalls zu Messfehlern.[4]
  • Bei Patienten mit verringerter peripherer Kapillardurchblutung (beispielsweise bei Schock und Hypothermie) kann es passieren, dass falsche Werte angezeigt werden bzw. dass eine Pulsoxymetrie nicht möglich ist.
  • Durch die Bindung von Kohlenmonoxid (CO) an Hämoglobin werden konventionelle Pulsoxymeter getäuscht und geben falsch-hohe Sauerstoffsättigungsraten an. Mit neueren 7-Wellen-Pulsoxymetern kann jedoch auch der CO-gesättigte Anteil des Hämoglobins detektiert werden.[5] Der prozentuale Anteil des im Blut mit Kohlenstoffmonoxid belegten Hämoglobins wird auch als COHb. abgekürzt (Kohlenmonoxid-Hämoglobin).
  • Bei mechanischem Stoß, z. B. bei einer Fahrt über unebenes Gelände, treten Fehler durch Veränderung der Messanordnung auf.
  • Infrarotwärmelampen, MetHb-Werte (0,4–8,4 %) in Normoxie, Onychomykosen sowie Methylenblau verursachen falsch niedrige SpO2-Werte.[2]
  • Venöse Pulsation verursacht zu niedrige SpO2-Werte.[6]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • K. Matthes: Untersuchungen über die Sauerstoffsättigung des menschlichen Arterienblutes. In: Naunyn-Schmiedebergs Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie. Volume 179, Issue 6, 1935, S. 698–711.
  • J. A. Pologe: Pulse Oximetry: Technical Aspects of Machine Design. In: Internat. Anesthesia Clin. 25 (3), 1987, S. 137–153.
  • J. G. Webster: Design of Pulse Oximeters. Taylor & Francis, 1997, ISBN 0-7503-0467-7.
  • John W. Severinghaus, Yoshiyuki Honda: History Of Blood Gas Analyses. VII. Pulse Oximetry. In: Journal of Clinical Monitoring. 3(2), Apr 1987, S. 135–138.
  • C.-P. Bernhardt: Konstruktion eines Photoplethysmographen mit Infrarot-Aufnehmer und dessen Anwendung in der psychophysiologischen Forschung. Diplomarbeit. Universität Hamburg, 1978.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Pulsoxymetrie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. J. Schön, H. Paarmann, M. Heringlake: Zerebrale Oxymetrie. In: Der Anaesthesist. 61, 2012, S. 934–940, doi:10.1007/s00101-012-2066-5.
  2. a b M. Heck, M. Fresenius: Repetitorium Anästhesiologie. 5. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-46575-1.
  3. J. Hinkelbein, H. V. Genzwuerker, R. Sogl, F. Fiedler: Effect of nail polish on oxygen saturation determined by pulse oximetry in critically ill patients. In: Resuscitation. 72(1), 2007, S. 82–91.
  4. J. Hinkelbein, H. Koehler, H. V. Genzwuerker, F. Fiedler: Artificial acrylic finger nails may alter pulse oximetry measurement. In: Resuscitation. 74(1), 2007, S. 75–82.
  5. M. Coulange, A. Barthelemy, F. Hug, A. L. Thierry, L. De Haro: Reliability of new pulse CO-oximeter in victims of carbon monoxide poisoning. In: Undersea Hyperb Med. 35(2), Mar-Apr 2008, S. 107–111. PMID 18500075
  6. H. M. Sami, B. S. Kleinman, V. A. Lonchyna: Central venous pulsations associated with a falsely low oxygen saturation measured by pulse oximetry. In: J Clin Monit. 7, 1991, S. 309–312.
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