Masterarbeit von Thomas H\u00f6ller, Elektroingenieur<\/em><\/p>\n<\/div> F\u00fcr die Behandlung vieler Krankheiten, wie COPD, Schlafapnoe, Diabetes, Adipositas oder Covid-19, ist die Beurteilung der Atemfunktion essentiell. Hierbei stellt die Sauerstoffs\u00e4ttigung der Patienten eine der wichtigsten Messgr\u00f6\u00dfen dar. Aus diesem Grund geh\u00f6ren Messungen mit einem Pulsoxymeter im station\u00e4ren Umfeld heute zur Routine. Im ambulanten Bereich, also im Alltag der Patienten, wird die Messung der Sauerstoffs\u00e4ttigung jedoch nur relativ selten durchgef\u00fchrt. Ein Hauptgrund daf\u00fcr stellen die aktuell verf\u00fcgbaren Ger\u00e4te dar, die den Tr\u00e4ger in seiner Bewegungsfreiheit einschr\u00e4nken und empfindlich gegen\u00fcber St\u00f6reinfl\u00fcssen aus dem Alltag, wie Extremit\u00e4tenbewegungen, lokale Hypothermie oder ung\u00fcnstigen Lichtverh\u00e4ltnissen, reagieren. Eine Alternative mit gro\u00dfem Potenzial stellt dagegen die Messung der Sauerstoffs\u00e4ttigung im Geh\u00f6rgang dar. Dort verlieren die genannten St\u00f6reinfl\u00fcsse massiv an Bedeutung. In meiner Masterarbeit habe ich mich daher mit der Fragestellung besch\u00e4ftigt, ob eine zuverl\u00e4ssige und kontinuierliche Messung der Sauerstoffs\u00e4ttigung mit einem In-Ear System auf Basis des cosinuss\u00b0 One<\/a> m\u00f6glich ist.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div><\/div><\/div> Die Erweiterung einer zuverl\u00e4ssigen Messung der Sauerstoffs\u00e4ttigung auf den ambulanten Bereich bringt entscheidende Vorteile:<\/p>\n Das zugrundeliegende Verfahren zur Messung der Sauerstoffs\u00e4ttigung wird als Photoplethysmographie bezeichnet. Dabei wird ein Teil des Gewebes am Messort von Licht mit definierter Wellenl\u00e4nge durchstrahlt und anschlie\u00dfend durch einen Photodetektor gemessen. Die Eigenschaften des Gewebes zu diesem Zeitpunkt bestimmen die Absorption. Pumpt das Herz beispielsweise Blut in die Peripherie (Systole), steigt die Blutmenge in den Blutgef\u00e4\u00dfen am Messort. Dadurch wird das Licht st\u00e4rker absorbiert. Flie\u00dft das Blut wieder zur\u00fcck zum Herzen (Diastole), sinkt die Blutmenge entsprechend und die Lichtabsorption am Messort nimmt ab. Diesen Wechsel kann man im gemessenen Signal beobachten und daraus Parameter wie die Herzfrequenz oder RR-Intervalle berechnen. Abbildung 1<\/strong>: Zeitlich synchrone Ausschnitte aus einem Infrarotsignal (oben) und Rotsignal (unten): Auf Basis dieser Signale wird die Sauerstoffs\u00e4ttigung berechnet.<\/span><\/p>\n<\/div> Handels\u00fcbliche Pulsoxymeter messen \u00fcberwiegend durch eine Transmissionsmessung am Finger. Dabei wird das transmittierte Licht als Basis f\u00fcr die Algorithmen verwendet. Im Ohr dagegen liefert das remittierte Licht die Grundlage. Von einer Remission spricht man, wenn neben Reflexion zus\u00e4tzlich mehrfach diffuse Streuung zu der gemessenen Gesamtintensit\u00e4t beitr\u00e4gt.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div><\/div><\/div> Zur Validierung des cosinuss\u00b0 In-Ear Systems werden parallel zu dessen Messung Daten mit einem Referenz-Pulsoxymeter aufgezeichnet. Durch einen H\u00f6hengenerator wird die Sauerstoffs\u00e4ttigung der Probanden schrittweise abgesenkt, um auch bei sehr niedrigen S\u00e4ttigungswerten eine Aussage \u00fcber die Messgenauigkeit treffen zu k\u00f6nnen. Durch eine statistische Betrachtung der Differenzen zwischen In-Ear System und Referenzsystem bei einer ausreichend gro\u00dfen Anzahl an Probanden kann die Messgenauigkeit quantifiziert werden. Der Validierungsaufbau ist in Abbildung 2 dargestellt.<\/p>\n<\/div> Abbildung 2<\/strong>: Validierungsaufbau: 1) In-Ear Sensor, 2) H\u00f6hengenerator, 3) Atemmaske, 4) System zur Live-Anzeige von Sauerstoffs\u00e4ttigung und Perfusion sowie zur Datensicherung, 5) Bluetooth Empfangsger\u00e4t f\u00fcr die Daten des In-Ear Sensors, 6) Referenzpulsoxymeter.<\/span><\/p>\n<\/div><\/div><\/div><\/div><\/div> Die Validierungsmessungen liefern eine Standardabweichung der Differenzen von 1.855% bei einem Mittelwert von 0.095% (siehe Abbildung 3).<\/p>\n<\/div> Abbildung 3:<\/strong> Histogramm \u00fcber die Differenzen zwischen In-Ear System und Referenzpulsoxymeter: Das In-Ear System ist in der Lage, zuverl\u00e4ssige Messungen der Sauerstoffs\u00e4ttigung durchzuf\u00fchren und kann dabei mit der angegebenen Genauigkeit von im klinischen Bereich eingesetzten Pulsoxymetern (+-2%) mithalten.<\/span><\/p>\n<\/div> F\u00fcr eine exakte Messung im Alltag ist allerdings zu beachten, dass der Sensor stabil im Ohr positioniert ist und eine zuverl\u00e4ssige Unterscheidung zwischen Artefakten und validen Daten stattfindet. Sind diese Voraussetzungen erf\u00fcllt, kann das mobile cosinuss\u00b0 In-Ear-System<\/a> einen wertvollen Beitrag in der ambulanten und kontinuierlichen Sauerstoffs\u00e4ttigung leisten.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div><\/div><\/div> Quelle:<\/strong><\/p>\n S\u00e4mtliche Ergebnisse und Abbildungen stammen aus:<\/p>\n H\u00f6ller, Thomas: Mobiles In-Ear System zur kontinuierlichen Messung und \u00dcbertragung der Sauerstoffs\u00e4ttigung. Heinz Nixdorf-Lehrstuhl f\u00fcr Biomedizinische Elektronik, 2020<\/p>\n<\/div><\/div><\/div><\/div><\/div><\/p>\nWelche Vorteile hat die mobile Messung der Sauerstoffs\u00e4ttigung?<\/h2><\/div>
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Wie wird die Sauerstoffs\u00e4ttigung im Ohr gemessen?<\/h2><\/div>
\nZur Bestimmung der Sauerstoffs\u00e4ttigung wird die Pulsoxymetrie eingesetzt. Diese kombiniert Photoplethysmogramme an verschiedenen Wellenl\u00e4ngen, um herauszufinden, welcher Anteil der roten Blutk\u00f6rperchen Sauerstoff transportiert. Dabei werden die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften von mit Sauerstoff ges\u00e4ttigtem H\u00e4moglobin (Oxyh\u00e4moglobin) und unges\u00e4ttigten H\u00e4moglobin (Desoxyh\u00e4moglobin) ausgenutzt. Im einfachsten Fall werden Photoplethysmogramme im roten und infraroten Spektralbereich gemessen (siehe Abbildung 1).<\/p>\n<\/div>![\"Masterarbeit](\"https:\/\/www.cosinuss.com\/wp-content\/uploads\/2020\/09\/masterarbeit-thomas-hoeller-sauerstoffsaettigung-photoplethysmogramm.png\" "\\"masterarbeit-thomas-hoeller-sauerstoffsaettigung-photoplethysmogramm\\"")
<\/span><\/div>Methode: Wie wird das Messsystem validiert?<\/h2><\/div>
![\"Masterarbeit](\"https:\/\/www.cosinuss.com\/wp-content\/uploads\/2020\/09\/masterarbeit-thomas-hoeller-sauerstoffsaettigung-aufbau.png\" "\\"masterarbeit-thomas-hoeller-sauerstoffsaettigung-aufbau\\"")
<\/span><\/div>Ergebnisse: Zuverl\u00e4ssige Messungen mit dem cosinuss\u00b0 In-Ear-System<\/h2><\/div>
![\"Masterarbeit](\"https:\/\/www.cosinuss.com\/wp-content\/uploads\/2020\/09\/masterarbeit-thomas-hoeller-sauerstoffsaettigung-ergebnisse-histogramm.png\" "\\"masterarbeit-thomas-hoeller-sauerstoffsaettigung-ergebnisse-histogramm\\"")
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