Messung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Flugzeug

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Messung der arteriellen

Sauerstoffsättigung im Flugzeug

Doctoral Thesis Author(s):

Wyser, Jürg Publication date:

1994

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6. ^Mai 1994

Diss. ETH Nr. 10460

Messung der arteriellen Sauerstoffsättigung ^im Flugzeug

ABHANDLUNG

zur

Erlangung

^des

^Titels

DOKTOR DER TECHNISCHEN

WISSENSCHAFTEN

der

EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH

Vorgelegt

^von

Jürg Wyser Dipl. El.-Ing.

^ETH

geboren

^am5. Juli 1962 von

Niedergösgen (SO)

Angenommen

^auf

Antrag

^von

Prof. Dr. P.

Niederer,

^Referent Dr. C.

Höfliger,

Korreferent

1994

Zusammenfassung

Bei

gesunden

Erwachsenen

liegt

die arterielle

Sauerstoffsättigung (Sart02)

^im

Bereich von etwa

97%,

wobei dieser Parameter sowohl durch

Veränderungen physiologischer

^{Natur wie auch durch den}

Sauerstoffpartialdruck PO2

^der

eingeatmeten

^Luftbeeinflusst wird. Die

Bestimmung

dieser Grösse kann entweder mittels der invasiven

Blutgasanalyse

oder aber durch den Einsatz eines

optischen

Messverfahrens^-der

Pulsoxymetrie

^-auf nichtinvasive Art

erfolgen.

Da sich die

Pulsoxymetrie

^{auf das} Beer-Lambert'sche Gesetz stützt, ^welches die

Ausbreitung

^{von Licht in}

homogenen, gering

streuenden Medien beschreibt, istdas zur

Anwendung gelangende

Messverfahren in der Praxis mit

Einschränkungen

behaftet,^dasich

biologisches

^{Gewebe als}

optisch inhomogen

^erweist.

Die

SarrP2

^{ste,lt eine} wesentliche Grösse zur

Beurteilung kardiopulmonaler

Funktionen dar.

Aufgrund

des verwendeten

optischen

Modells kann bei

Vorliegen

tiefer

Sättigungswerte

^und dem Bedürfnis nach genauen quantitativen Werten die

Pulsoxymetrie

^nicht

befriedigend eingesetzt

werden. Besonders deutlich kommt dies

beispielsweise

während der

Überwachung

^von

Intensivpatienten

^im

Flugzeug

^zum Ausdruck, wo durch zusätzliche Abnahme des

PO2

schon bereits beim Gesunden eine

auffällige

Reduktion der

SartP2

beobachtet werden kann.

Mit dem Ziel, die

Genauigkeit

^der

Pulsoxymetrie

^{bei der}

Messung

tiefer arterieller

Sättigungen

zu untersuchen,wurde unter

Berücksichtigung

verschiedener Modelle die

Ausbreitung

^{vonLicht in}

perfundiertem, biologischem

Gewebe untersucht So konnte

gezeigt

werden,^dass

entgegen

^derAnnahme,dass eine lineare

Beziehung

^zwischen

der

SartC>2

und den gemessenen

optischen

^Grössen besteht, ^eine

Abhängigkeit

^der

Sauerstoffsättigung

^{von der} Gewebestruktur, ^von

physiologischen

^Parametern

(Hämatokrit,

arterio-venöse

Sättigungsdifferenz)

^{und von der} Schichtdicke

nachgewiesen

^werden.

Obwohldie

Beschreibung

^der

Wechselwirkungen

^{vonLicht mit}

inhomogenen

^Medien mit

analytischen

^Ansätzen

erfolgen

kann, ^{setzen diese} voraus, dass bestimmte

Randbedingungen

ⁱⁿ

bezug

^{auf die}

Quellenart,

das

geometrische

Modell oder in der

Beschreibung

^der

Inhomogenitäten

erfüllt sein müssen. In der

Absicht,

solche

Untersuchungen

^{mit einem}

möglichst

^{hohen Mass an} Flexibilität und grosser

Genauigkeit

durchführen zu können, wurde als Alternative zu einem

analytischen

Vorgehen

^ein statistisches Verfahren zur

Beschreibung

^von Gewebe-Licht- Interaktionen entwickelt. Trotzdem solche

Lösungsansätze

^{in der}

Regel aufgrund

^der

Anforderungen

^anRechenzeit und

-leistung

^nurfür

spezielle

Problemkreise

eingesetzt

werden, konnte durch den Einsatz einer Parallelrechnerarchitekturauf der Basisvon

Transputern

^ein Simulationsverfahren entwickelt werden, welches im

Vergleich

^zu ähnlichen

Untersuchungen

ⁱⁿ Bruchteilen der sonst üblichen Rechenzeit weitaus

aussagekräftigere

Resultate liefert.

Gleichzeitig

^{istes mit dieser Simulation}

möglich,

auch eine aus mehreren

Komponenten

bestehende, 3-dimensionale Struktur zu

berechnen,^{was v.a. im Bereich von}

optischen Diagnose-

^und

Behandlungsverfahren

von

Bedeutung

^ist.

Die Tatsache, ^dass

Pulsoxymeter

^{die in}

biologischem

^{Gewebe dominanten} Streueffekte nicht zu

quantifizieren vermögen,

^{führte zur}

Entwicklung

^eines

erweiterten Messverfahrens zur

Bestimmung

^der arteriellen

Sauerstoffsättigung.

Unter

Berücksichtigung

^desStreuverhaltens, ^{wiees bei}

Transmissionsmessungen

ⁱⁿ

inhomogenen

Medien beobachtetwerdenkann, konnte dieserEinfluss auf die

optisch

bestimmte

SartP2 quantifiziert

und schlussendlich in die

Berechnung

dieser Grösse

eingebracht

werden. Die

vorliegenden Messungen zeigen,

dass sich dieses Verfahren

eignet

^{und eine}

Erweiterung

^der

Anwendungsmöglichkeiten

^der

Pulsoxymetrie

darstellt.

Abstract

In

healthy

adults, arterial oxygen Saturation

(Sart02)

^is

approximately

^{97%. It}

depends

^on

physiolog'ical parameters

^{aswellas on}the oxygen

partial

pressure

(PO2)

of the

inspired

air. The determination of

SartP2

^canbe done with blood gas

analysis

orwith

pulseoximetry (PO).

^{The latter} has its main

advantage

^{in thenon invasive} measurement

procedura

^{but is not}

always sufficiently precise

todetect low Saturation levels.

PO

design

^{is basedonthe}

theory

of Beer-Lambert which describes the

propagation

^of

light

^{in an}

absorbing,

^low

scattering

medium. Duetothefact that the interaction of

light

^with

biological

tissue in the visibleand infrared

spectrum

^is

mainly

^affected

by scattering,

^exactdetemnination of the arterial

oxygenation

^can

only

be achieved under

high

Saturation conditions.

To determine the

disadvantages

^and risks of PO at low Saturation levels, various

optical

modeis for the

description

^of

light-tissue

interactions were discussed. From these considerations itcanbe concluded that there isnodirect

relationship

^between

sart°2

and tne measured

optical parameters.

Furthermore it could be shown that

sart°2 depends strongly

^on

geometrical

^and

physiological parameters.

An

important disadvantage

^of

analytical

methods is the restrictiontoafew

geometrical

boundary conditions and thedrfficuityⁱⁿ describing^the

inhomogenities

^{and the}

light

sources correctly. ^To achieve a maximum of

flexibility

^and

precision,

^a Statistical method was

developed

^{to determine}

light propagation

ⁱⁿ

scattering

^{media. The}

implementation

^{of a} Monte-Carlo

algorithm

^{on a}

transputer

^{farm resulted in}

considerably

increased Simulation

Performance.

Calculation

speed

and the scalable architecture of thetransputer^farm

enlarge

the ränge of

potential applications

^{for this} Solutiontodifferent

diagnostic

and Intervention

procedures.

Finally,

^an

improved

^{model to describe}

light

distribution in

perfused

tissue is discussed.

Taking

^intoaccountthe influenae of

scattering

^effectsonthedetermination of

Sart.02

^{an enhanced}

pulseoximetric

^{device was}

developed

and tested. The

experiments suggest

^{that this}

approach

^{is a}

promising improvement

^{in the non} invasive determination of

SartP2

^atreducedSaturation levels.