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Kikavous, Shamse Ashagi

Bau einer Anordnung zur fotoelektrischen Ableitung von Pulskurven am menschlichen Körper, KMUB BMT 1088

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Kurzfassung in Deutsch

Die menschliche Körperzellen benötigen eine kontinuierliche Sauerstoffzufuhr, um ihren Stoffwechsel aufrecht zu erhalten. Als Transportmittel für den Sauerstoff im Körper dient dabei das Blut, welches den Luftsauerstoff aus der in die Lungenbläschen eingeatmeten Luft extrahiert und über den Körperkreislauf zu den Geweben transportiert. Dann führt es das Stoffwechselendprodukt CO2 zu den Lungenkappilaren, wo es abgeatmet wird.
Der Sauerstoff diffundiert aufgrund einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz von der Atemluft in das Blut. In den kleinen Blutgefäßen (Kappillaren) der Gewebe wird der Sauerstoff mit Hilfe desselben Mechanismus wieder abgegeben.
Die Messung der Sauerstoffbeladung des Blutes gibt wichtige Informationen über die Versorgungslage des Körpers. So kann man auf den Zustand von Herz und Lunge und anderen Organen rückschließen und Stoffwechseldefekte dokumentieren. Eine Minderversorgung der Gewebe mit Sauerstoff kann erhebliche Folgen für den Organismus haben. Dies äußert sich in reduzierter Muskeltätigkeit, geringere Hirnaktivität und zuletzt durch nichtreversiblen Zelltod.
Die ausreichende Sauerstoffversorgung von Herzmuskeln und Gehirn eines Patienten während der Narkose oder Intensivpflege ist die wichtigste lebenserhaltende Aufgabe. Eine direkte invasive Messung erscheint jedoch bei vielen Patienten als unnötig belastend und wird deshalb nicht durchgeführt.

Bei der vorliegender Arbeit sollte der Senderteil einer Anordnung zur fotoelektrische Messung von Pulskurven am menschlichen Körper realisiert werden.

Um eine Pulskurve zu registrieren ist außer der Kenntnis der Extinktionen von oxigeniertem und desoxigeniertem Blut, auch der Blutdruck von großer Bedeutung. Der Blutdruck fällt an den Arteriolen am meisten ab, und auf der venösen Seite, hinter den Kappilaren, ist er nahezu kontinuierlich. Nur der Absorptionsanteil durch das arterielle Blut variiert im Rhythmus des Pulsschlages. Somit kann eine Pulskurve nur auf der arteriellen Seite aufgenommen werden.
Eine fotoelektrische Ableitung von Pulskurven funktioniert nach dem Prinzip der Pulsoximetrie, welches ein indirektes Meßverfahren darstellt. Hiermit wird am pulsierenden Blutstrom nichtinvasiv die Sauerstoffsättigung gemessen. Es wird mit zwei Wellenlängen, die von zwei verschiedenen LED´s ausgestrahlt werden, gearbeitet. Dieses Licht wird im Gewebe, das von Gefäßen durchzogen ist, auf verschiedene Art und Weise geschwächt. Die Lichtschwächung ist ein Maß für die Gesamtsorbtion, die sich aus Anteilen von der Haut und Muskelgewebe, venösem Blut und arteriellem Blut zusammensetzt.
Bei der Oximetrie werden die geschwächte Signale von dem Empfängerteil aufgenommen und anschließend dokumentiert und beurteilt.

Die vorliegende Arbeit versteht sich als die Fortsetzung der bereits an der FH Gießen-Friedberg durchgeführten Diplomarbeiten, die sich mit dem Thema der Erfassung von Pulswellen-Geschwindigkeiten und Pulskurven beschäftigt haben. Hierbei wurde das Realisieren einer neuen Schaltung aufgrund der bisherig gewonnen Erfahrungen aus anderen Arbeiten, durch das Variieren mit verwendeten und den Einsatz neue Bauteile zur Aufgabe gemacht.
Aufgrund der bestehenden Zusammenhänge zwischen dem Thema dieser Diplomarbeit und der Pulsoximetrie wird in diesem Teil der Arbeit diese Methode näher beschrieben. Diese Zusammenhänge beruhen auf den gleichen physiologischen und physikalischen Eigenschaften, die bei beiden Methoden als Grundlage dienen. Aus diesem Grunde wird immer wieder auf Verfahren der Oximetrie zurückgegriffen, die dann in der Registrierung der fotoelektrischen Pulsaufnahme Anwendung finden.

Kurzfassung in Englisch

Fortsetzung:
Die menschlichen Körperzellen benötigen eine kontinuierliche Sauerstoffzufuhr, um ihren Stoffwechsel aufrecht zu erhalten. Als Transportmittel für den Sauerstoff im Körper dient dabei das Blut, das den Luftsauerstoff aus der in die Lungenbläschen eingeatmeten Luft extrahiert und über den Körperkreislauf zu den Geweben transportiert. Dann führt es das Stoffwechselendprodukt CO2 zu den Lungenkappilaren, wo es abgeatmet wird (siehe Kap.31.1und3.2). Der Sauerstoff diffundiert aufgrund einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz von der Atemluft in das Blut. In den kleinen Blutgefäßen (Kappilaren) der Gewebe wird der Sauerstoff mit Hilfe desselben Mechanismus wieder abgegeben.

Die Pulsoximetrie wird als Standardverfahren zur Patientenüberwachung eingesetzt, um die Vitalfunktionen kontinuierlich zu überwachen. Es wird in der Notfall - , Intensivmedizin und im Operationssaal verwendet. Dieses nichtinvasive Verfahren ist sehr einfach anwendbar und liefert einen Wert für die arterielle Blutsauerstoffsättigung.
Die Pulsoximetrie stellt eine nichtinvaive, kontinuierliche Methode dar, um die O2-Sättigung des Organismuses zu bestimmen. Die Messung der Sauerstoffsättigung erfolgt über die pulsierende Strömung des arteriellen Blutes durch die Gefäße. Dabei verändert sich der Gefäßdurchmesser und die davon abhängige Extinktion. Grundlage der mathematischen Formulierung ist das Lambert - Beersche Gesetz.
Die Gesamtextinktion der jeweiligen Wellenlänge setzt sich zusammen aus der Extinktion E des HbO2 und des Hb, sowie die der Gefäßwand und der umliegenden Gewebe und einem konstanten Anteil, hervorgerufen durch nichtspezifische Schwächungsquellen. Diese können von geometrische Faktoren, Streueffekten und der Sender - Empfänger - Charakteristik hervorgerufen werden.
Zur Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts wird das Verhältnis der Änderungsgeschwindigkeiten R der Extinktionen der 2 Wellenlängen gebildet. Bei der Differentiation der Extinktionen fällt der Einfluss der umliegenden Gewebe und der Gefäßwände heraus, da ihre Dicke konstant bleibt. Die nichtspezifischen Anteile fallen ebenfalls heraus und man kann über R die Sättigung bestimmen, wenn man die spezifischen Extinktionskoeffizienten der jeweiligen Wellenlänge einsetzt.
Das einfache Lambert - Beersche Modell kann so nicht angewandt werden, da es mehrere Störeffekte gibt, die nicht berücksichtigt werden. So senden die LED keine diskreten Wellenlängen sondern haben eine Bandweite von 20 - 50 nm und die durchstrahlte Länge der beiden Wellenlängen ist nicht zwangsläufig gleich. Außerdem werden Streueffekte nicht berücksichtigt. Deshalb muss das Verhältnis zwischen der Sättigung und R empirisch bestimmt werden und danach das Modell angepasst werden.
Bei der vorliegenden Diplomarbeit wurde versucht basierend auf die bereits existierenden Technik zur fotoelektrischen Ableitung also Pulsoximetrie, und bereits an der FH Gießen-Friedberg durchgeführten Diplomarbeiten zur Weiterentwicklung und zum Realisieren einer Schaltung beizutragen, mit deren Hilfe die fotoelektrische Messung von Pulskurven am menschlichen Körper ermöglicht werden kann.

Die Geräte in der Medizin, die auf diesem Grundprinzip konzipiert wurden, wandeln die Pulswelle in eine elektrische Spannungsänderung um, aus der z.B. die Pulsfrequenz ermittelt wird. Der Modulationsgrad des reflektierenden Lichtes beträgt bei guter Perfusion etwa 1%, wobei die restlichen Prozente nicht von Bedeutung sind. Bei Durchstrahlung kann er bis zu 50% erreichen, jedoch beträgt in diesem Fall die Intensität des Signals nur etwa 1% der Reflexintensität [15], [16], was eine optimale Ausnutzung der Elektronik bedeutet.

Die Durchführung dieser Diplomarbeit basierte auf:

1. die bereits erzielte Meßergebnisse der Vorgruppe (Hell/Mandry):

Hierbei wurde deutlich , daß der Abstand zwischen Sender und Empfänger großen Einfluss auf das Fototransistorverhalten ausübt, und damit auch auf den Spannungsabfall am Transistor. Das bedeutet je kleiner der Abstand um so größer wird der Spannungsabfall, um so größer wird die Abfallzeit und um so kleiner wird die Einschaltzeit des Transistors [17]. Als Konsequenz daraus fiel In der vorliegender Arbeit die Wahl der geeigneten Empfängers auf eine Fotodiode.

2. gezielte Überlegungen zum Realisieren einer neuen Schaltung:

Die Aufgabenstellung bei dieser Arbeit beschränkte sich nur auf den Aufbau des Senders. Hierbei wurde die Schaltung des Sendeteils in einem experimentellen Aufbau überprüft, wodurch sie als Funktionsfähig bewertet wurde.
Die Entwicklung einer Schaltung für den Empfängerteil könnte zum Thema der weiteren experimentellen Diplomarbeiten werden.
Das nächste positive Ergebnis, welches im Gegensatz zum früheren Arbeiten zu verzeichnen ist, war die Steigerung der Spitzenstromstärke durch den Einsatz der Leuchtdioden auf 0,3 Amper.

Studiengang / zentr. Einrichtung: Biomedizintechnik (eingestellt)
Fachbereich / Abteilung: KMUB
Dokumentart: Diplomarbeiten
Hauptberichter: Kramer, K., Prof. Dr., Braun, Peter, Dipl.-Ing.
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.01.2002
Erstellungsjahr: 2002
Publikationsdatum: 09.01.2003


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