Fallstudie:
Optiken für die Überwachung beatmeter Patienten

WIE WERDEN OPTIKEN BEI DER ÜBERWACHUNG DER BLUTGASWERTE GENUTZT?

Kohlendioxid, Sauerstoff, pH und Hämoglobin sind die wichtigsten Parameter bei der Überwachung der arteriellen Blutgaswerte. Im Folgenden zeigen wir einige Beispiele, wie diese Parameter mittels Fotometrie bestimmt werden.

Kohlendioxid

Abbildung 1 zeigt ein optisches System für die fotometrische Bestimmung von CO₂ aus einer Blutprobe. Strahlung aus einer thermischen Quelle wird von einem konkaven Spiegel durch einen Spalt und auf einen zweiten konkaven Spiegel reflektiert. Von dem zweiten konkaven Spiegel wird die Strahlung auf ein Gitter gelenkt, das für IR-Wellenlängen von 4200-4300 nm optimiert ist. Das Gitter dreht sich, so dass die gebeugten Wellenlängen über dieses Spektrum variieren können. Die Strahlung wird dann zurück zum konkaven Spiegel übertragen, durch einen 3500 nm-Langpassfilter geleitet, durch die Messkammer durchgelassen und dann auf einen pyroelektrischen Detektor geleitet. Der Detektor, der mit dem rotierenden Gitter synchronisiert ist, sendet ein Signal aus, das proportional zur Strahlungsintensität bei 4210, 4260 und 4310 nm ist. Das Ausmaß der Absorption von diesen Wellenlängen gibt die Menge an CO₂ in der Probe an³. Arterielles Blut sollte aufgrund des Gasaustauschs in der Lunge oder der äußeren Atmung relativ kohlendioxidarm sein⁴.

Abbildung 1: Fotometrische Bestimmung von CO₂.

Sauerstoff

Abbildung 2 zeigt ein optisches System für die Bestimmung der Sauerstoffmenge aus einer Blutprobe. Licht von einer grünen Diode wird durch einen 580-nm-Kurzpassfilter (SWP) durchgelassen. Die Strahlung wird vom SWP-Filter zu einem dichroitischen 580-nm-Filter transmittiert, der das Licht der grünen Diode auf die Fokuslinse reflektiert. Das grüne Licht wird dann auf die Probe fokussiert, wo es mit einem sauerstoffempfindlichen Farbstoff interagiert⁵. Die angeregten Luminophore emittieren Photonen mit längeren Wellenlängen als das einfallende grüne Licht. Diese Anregungsphotonen werden dann vom Probenbehälter durch die Linse, durch den dichroitischen Filter, dann durch einen 665-nm-Langpassfarbfilter auf eine Silizium-Fotodiode übertragen. Die Signalintensität am Detektor wird zur Berechnung des Sauerstoffgehalts verwendet. Die Sauerstoffspiegel hängen von der Bewegung von Luft in aus den Lungenbläschen, dem Blutfluss in den kleinsten Blutgefäßen der Lunge (Kapillaren) und dem Sauerstofftransportprotein Hämoglobin ab⁴.

Abbildung 2: Fotometrische Bestimmung von O₂ durch einen 665-nm-Langpassfarbfilter von SCHOTT.

pH

Abbildung 3 zeigt einen Querschnitt durch ein optisches System zur fotometrischen Bestimmung des pH-Wertes. Eine Halogenlampe gibt Strahlung ab, die durch einen Wärme absorbierenden Filter, wie z. B. SCHOTT KG5 Glas, gefiltert wird. Die Strahlung interagiert dann mit der Blutprobe und wird schließlich von einer Linse durch mehrere Bandpassfilter auf Silizium-Fotodioden fokussiert. Die Fotodioden senden Stromsignale aus, die die Intensität der Strahlung von 458, 589 und 750 nm repräsentieren. Diese Strahlungsintensitäten ermöglichen die Berechnung des pH-Wertes der Probe³. Der pH-Wert des Blutes liefert Einblicke in die Interaktion von chemischen Puffern im Blut (hauptsächlich Bikarbonat), roten Blutkörperchen und in die Funktion der drei Organe Nieren, Lunge und Hirnstamm⁴.

Abbildung 3: Fotometrische Bestimmung des Blut-pHs.

Hämoglobin

Sauerstoff ist schwer löslich in Blut, daher benötigt der Körper das Sauerstofftransportprotein Hämoglobin, um Sauerstoff in die Gewebezellen zu transportieren. Ein optisches System, das als CO-Oximeter bekannt ist, misst die Absorption von Licht, das durch Blut hindurchgeht, von gerade einmal zwei oder drei Wellenlängen bis zu mehreren Dutzend Wellenlängen. Dies geschieht, um Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin (früher als „reduziertes“ Hämoglobin bezeichnet) zu unterscheiden und die Oxyhämoglobinsättigung oder den Prozentsatz des sauerstoffhaltigen Hämoglobins im Vergleich zur Gesamtmenge des verfügbaren Hämoglobins (Hb) zu bestimmen. Durch die Messung einer größeren Zahl von Wellenlängen kann das Gerät zwischen diesen und Carboxyhämoglobin (COHb), Methämoglobin (metHb), anderen Hämoglobinanteilen und lichtabsorbierenden Spezies im Hintergrund unterscheiden.

Abbildung 4: Fotometrische Bestimmung von Hämoglobin.

Abbildung 4 zeigt das Beispiel eines CO-Oximeters. Die Strahlung wird von einer Halogenlampe durch einen Wärme absorbierenden Filter auf die Messkammer übertragen. Das Licht, das die Probe durchdringt, wird durch einen dichroitischen Filter gebündelt, der das Spektrum dann entweder in einen 600- oder 506-nm-Bandpassfilter aufspaltet. Die resultierenden Intensitäten werden von Silizium-Fotodioden erfasst und für die Berechnung des Gesamthämoglobingehalts (Hbtot) und der Sauerstoffsättigung verwendet. Die Berechnung basiert auf dem Lambert-Beer'schen Gesetz und vorgegebenen Werten der Extinktionskoeffizienten für Hb und HbO₂ ³.

Unten ist ein weiteres Beispiel eines CO-Oximeters dargestellt, bei dem die roten Blutkörperchen einer Ultraschallvibration ausgesetzt werden, die die Zellwände zerstört und das Hämoglobin freisetzt. Das Hämoglobin in der Durchflusszelle wird sichtbarem Licht ausgesetzt, und das Absorptionsspektrum (478-672 nm) wird mit Hilfe eines Gitterspiegels und einer Fotodiodenanordnung beobachtet. Aus diesen Absorptionsspektren können die Bilirubinkonzentrationen berechnet und zum Screening auf Erkrankungen oder Störungen wie Neugeborenengelbsucht verwendet werden⁶.  

Abbildung 5: Hämoglobinmesssystem mit einer Ultraschallquelle.