Elektronik

Halbleiterdiode

Pulsmessung

  • Woraus bestehen eigentlich Dioden?
  • Welche besonderen Eigenschaften haben Dioden?
  • Wie funktionieren Leuchtdioden?
  • Warum benutzt man statt Glühbirnen heute Leuchtdioden?

Pulsmessung

Abb. 2 Prinzipbild für Pulsmessung in Transmission
Abb. 1 Fingerclip zur Pulsmessung

In der Anästhesie (ein Patient bekommt eine Narkose), in der Intensivstation und bei der Notfallmedizin ist die dauerhafte Überwachung des Herzschlages (Puls) sehr wichtig. Damit der Arzt nicht ständig den Puls am Handgelenk oder an der Halsschlagader fühlen muss, gibt es Geräte die dies für ihn übernehmen. Eines davon ist der photoelektrische Pulsmesser, der im Weiteren - stark vereinfacht - beschrieben wird.

Wenn du deine Hand gegen eine weiße, sehr helle Lichtquelle hältst, so kannst du beobachten, dass durch die Finger noch etwas rötliches Licht dringt. Ein Finger (oder z.B. auch das Ohrläppchen) wirkt wie ein Lichtfilter, das rotes Licht abgeschwächt passieren lässt, die anderen Lichtfarben aber stark absorbiert. Diese Tatsache nützt man beim optoelektronischen Pulsmesser, der meist als Fingerclip (oder aber auch als Ohrclip) ausgeführt ist, aus.

Als Lichtquelle dient eine Leuchtdiode (LED) die sehr intensives, rotes Licht in einem schmalen Frequenzband aussendet. Als Lichtempfänger (Detektor) verwendet man meist eine Photodiode, in der es bei Bestrahlung zu einem Strom kommt, der als Maß für die Bestrahlungsstärke dient.

3 Funktionsweise eines Pulsmessers

In der Animation in Abb. 3 wird erläutert, wie man mit dieser Anordnung aus LED und Photodiode die Zeitspanne \(T\) zwischen zwei Pulsschlägen und somit die Herzfrequenz ("Pulszahl") ermitteln kann.

Zwischen Leuchtdiode und Photodiode liegt Gewebe, Adern und strömendes Blut. Alle diese Materialien schwächen das von der LED ausgehende Licht und zwar umso mehr, je mehr Material zwischen LED und Photodiode liegt.

Würde das Blut völlig gleichmäßig durch die Arterie und die Vene strömen, so wäre der zeitliche Verlauf der an der Photodiode registrierten Lichtintensität konstant, sofern die von der LED ausgesandte Lichtintensität konstant ist (vgl. Animation: "ohne Pulsation in der Arterie").

Durch die Kontraktion des Herzmuskels strömt das Blut - insbesondere durch die Arterie - nicht gleichmäßig. Mit dem Pulsschlag ändert sich das Blutvolumen in der Arterie (es wird größer). Dadurch ändert sich auch die Intensität des zur Photodiode gelangenden Lichts (vgl. Animation: "mit Pulsation in der Arterie"). Die Intensität des von der Photodiode registrierten Lichts schwankt im Rhythmus der Herzfrequenz (die Lichtabsorption der Adern und des Gewebes bleibt jedoch zeitlich konstant).

Durch eine geeignete elektronische Auswertung kann z.B. die Zeitspanne \(T\) zwischen zwei Stellen minimaler Intensität bei der Photodiode ermittelt und daraus die Herzfrequenz bestimmt werden. Es gilt\[f = \frac{1}{T}\]

Hinweise

Die geringe Pulsation der Vene kann bei unserer vergröbernden Betrachtung außer Acht gelassen werden.

Neuere Pulsmesser arbeiten nicht mehr mit der Durchstrahlung des Fingers, sie werten vielmehr das vom Finger reflektierte Licht aus.

Neben der Messung der Herzfrequenz dient ein Fingerclip meistens auch zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung des Blutes. Man nennt das Gerät dann Pulsoximeter. Wie ein Pulsoximeter arbeitet ist - wiederum stark vereinfacht - für Experten im Folgenden skizziert.

Pulsoximetrie

Die Versorgung der menschlichen Organe und des Körpergewebes mit Sauerstoff zählt zu den wichtigsten Grundfunktionen des Körpers. Gerade in der Notfall- und Intensivmedizin ist die Überwachung des Sauerstoffgehalts im Blut eine wichtige Aufgabe, die seit einiger Zeit von einem Fingerclip übernommen wird, der zudem auch noch die Herzfrequenz feststellen kann.

Der Sauerstofftransport im Blut wird im Wesentlichen durch das Hämoglobin (Hb) besorgt. Durch Anlagerung von Sauerstoff (O2) wird das Hämoglobin zum Oxyhämoglobin (O2Hb). An den Zellen gibt das Oxyhämoglobin den Sauerstoff ab und wird wieder zum Hämoglobin. Sauerstoffreiches Blut ist hellrot, sauerstoffarmes Blut ist dunkelrot bis blau. Mit einem Oximeter kann man diese Farbunterschiede feststellen und mit Hilfe der Elektronik in die Sauerstoffsättigung umrechnen. Im Folgenden wird die Arbeitsweise eines einfachen Oximeters angedeutet.

Abb. 4

Das Diagramm in Abb. 4 zeigt das Absorptionsverhalten von Hb und O2Hb im roten bis infraroten Bereich des Spektrums.

Würde man mit einer Leuchtdiode, die rotes Licht (z.B. mit der Wellenlänge 660 nm) aussendet, einen Finger durchstrahlen, so gelangt ein bestimmter Prozentsatz der eingestrahlten Intensität zur Photodiode. Besitzt das Blut einen hohen Anteil Hämoglobin Hb und einen niederen Anteil Oxyhämoglobin O2Hb (es liegt also ein insgesamt sauerstoffarmes Blut vor), so würde mehr Licht absorbiert als bei sauerstoffreichem Blut (viel O2Hb mit relativ geringer Absorption und wenig Hb mit relativ hoher Absorption).
Da man aber nicht genau weiß, ob z.B. eine relativ hohe Absorption des roten Lichts auf einen hohen Hb-Anteil im Blut oder aber auf eine sehr dicke Gewebeschicht zurückzuführen ist, greift man zu einem Trick: Man durchstrahlt den Finger zusätzlich noch mit einer zweiten Leuchtdiode, die infrarotes Licht (z.B. mit der Wellenlänge 910 nm) aussendet. Aus dem Verhältnis der Absorption des roten und des infraroten Lichts lässt sich nun ein Wert für die Sauerstoffsättigung des Blutes berechnen. Dabei wird jeweils die Absorptionsänderung des Lichts während der Pulsation registriert. Auf diese Weise kann die konstante Lichtabsorption des Gewebes und der Adern unberücksichtigt bleiben. Ein genaueres Eingehen auf die Vorgehensweise würde hier zu weit führen.

 
Abb. 6 Fingerclip zur Pulsmessung
Abb. 5 Pulsoximeter

In Abb. 6 ist der prinzipielle Aufbau des Fingerclips eines Pulsoximeters dargestellt. Die Auswertung der von der Photodiode gelieferten Signale erfolgt durch elektronische Schaltungen, die in einem Kästchen untergebracht sind, welches mit dem Clip durch eine Leitung verbunden ist.

In der Regel zeigen diese Geräte die Pulszahl (Schläge pro Minute) und die Sauerstoffsättigung des Blutes in Prozent an.

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