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TU Berlin

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Untersuchung der optischen Eigenschaften von Leuchtmitteln und Lichtsensoren zur Messung der partiellen Sauerstoffsättigung in Tierblut

Betreuer: Dr.-Ing. W. Roßdeutscher

Bearbeiter:
Ronny Kosik

In der Veterinärmedizin nimmt die Pulsoximetrie einen immer höher werdenden Stellenwert ein. Da die meisten Pulsoximeter allerdings aus der Humanmedizin stammen, ist ihre Anwendung in der Veterinärmedizin nicht immer unproblematisch. Durch experimentelle Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass zur Überwachung der partiellen Sauerstoffsättigung in Tierblut vom Breitmaulnashorn und Pferd die Wellenlängen zwischen 300 nm und 600 nm von besonderem Interesse sind. Dies unterscheidet sich stark von der Pulsoximetrie in der Humanmedizin, die Wellenlängen des Lichts im infraroten (880 nm – 940 nm) und roten (660 nm) Bereich zur Bestimmung des Anteils an oxygeniertem (O2HB) und desoxygeniertem Hämoglobin (desoxyHb) im Blutnutzt. Um das bisherige Verfahren zur Messung der Sauerstoffsättigung im Blut vom Breitmaulnashorn und Pferd anzupassen, sind unterschiedliche Sende‐ und Empfangskomponenten zu bewerten, um eine verlässliche Basis für die weitere Entwicklung und eine Beurteilung von den bisher verwendeten Detektoren zu erhalten.

Untersucht wurden Leuchtdioden unterschiedlicherLeistung und Abstrahlcharakteristik als sendende Komponenten, sowie Fotodiode, Fotowiderstand, Fototransistor und Fotozelle als Empfangskomponenten. Anhand der Messwerte ist erkennbar, dass die Strahlungsleistung einen großen Einfluss auf das Ansprechverhalten der Fotodetektoren besitzt. LEDs im gleichen Wellenlängenbereich können unterschiedliche optische Leistungswerte aufweisen und an den Fotodetektoren signifikant abweichende Werte hervorrufen. Stark dunkel pigmentiertes Gewebe kann bei reflexionspulsoximetrischen Messungen eine bedeutende Reduzierung der optischen Leistung verursachen. Aus diesem Grund sind LEDs mit einer hohen Strahlungsleistung zur Messung der O2‐Sättigung empfehlenswert und sollten bei der weiteren Entwicklung des Pulsoximeters berücksichtigt werden. Durch einen größeren Halbwinkel der Fotodetektoren, kann das Nutzsignal in einem breiteren Bereich empfangen werden. Oft weichen Peakwellenlängen, produktions‐ und temperaturbedingt, von den in den Datenblättern angegebenen Werten um einige nm ab. Dadurch besteht die Gefahr, dass fehlerbehaftete O2‐Sättigungswerte generiert werden, die gerade bei einem starken Abfall der Extinktionskurve von desoxyHb in bestimmten Wellenlängenbereichen hervorgerufen werden. Durch eine geringe Peakwellenlängenverschiebung kann dann keine Absorptionen mehr nachgewiesen werden und eine fehlerbehaftete O2‐Sättigung ist die Folge. achteilig wirken sich die äußerst trägen Ansprechverhalten der Fotowiderstände aus. Ein Einschwingverhalten durch Bestrahlung im Wellenlängenbereich um die 320 nm konnte beobachtet werden. Im Gegensatz zu LDRs besitzen Fotodioden eine geringe Trägheit und können auf Signale im Nano‐ und Mikrosekunden‐Bereich reagieren. Jedoch liegen hier nur kleine Nutzsignale zur Verfügung. Der Vorteil des Fototransistors gegenüber der Fotodiode ist die wesentlich höhere Empfindlichkeit, denn der Fotostrom wird wie bei einem normalen bipolaren Transistor um etwa den Faktor 200 verstärkt. Wegen der relativ großen Kollektor‐Basis‐Sperrschicht‐Kapazität ist der Fototransistor relativ langsam. Pulsoximeter erfassen derzeit nur den für den Sauerstofftransport zur Verfügung stehenden Anteildes Hb. Um auch die fraktionelle O2‐Sättigung zu ermitteln und gerade bei größeren Mengen an Dyshämoglobinen im Blut, wie MetHb und COHb, erhebliche Messfehler zu vermeiden, sollten Pulsoximetersensoren zusätzliche Wellenlängen abstrahlen, um sämtliche Hb‐Derivate mit zu berücksichtigen. Bei reflexionspulsoximetrischen Messungen liegt die empfangende Komponente in unmittelbarer Nähe zur sendenden LED auf derselben Oberfläche des Gewebes und detektiert das vom Gewebe reflektierte Licht. Hier ist eine optimale Anordnung der sendenden Komponente zum Fotodetektor entscheidend, um ein gutes Signal‐Rausch‐Verhältnis zu erhalten und einen hohen Anteil des Modulations‐ und Nutzsignals zu empfangen. Beim derzeitigen Entwicklungsstand des Versuchsreflexionspulsoximeters am Nashorn und Pferd ist eine endgültige Beurteilung der optimalen Bauteile nur bedingt möglich. Vielmehr sollen die Vielzahl an gewonnen Daten für die weitere Entwicklung genutzt werden. Erneute Versuchsmessungen mitden entsprechenden Bauteilen am Messobjekt sind nötig, um die Auswirkung der Bestrahlung mit Licht verschiedener Wellenlängen zu untersuchen. Hierzu können die gewonnenen Messdaten herangezogen werden.

Study of the optical properties of light sources and light sensors for measuring the partial oxygen saturation in blood of animals

In veterinary medicine pulse oximetry is constantly given greater attention. However, since most pulse oximeter originate from human medicine, their use in veterinary medicine is not always uncomplicated. Empirical studies revealed that for the monitoring of the partial oxygen saturation in animal blood of the white rhinoceros and horse, wavelengths between 300 nm and 600 nm are of particular interest. This strongly differs from the pulse oximetry used in human medicine where wavelengths of infrared (880 nm – 940 nm) and red light (660 nm) are used to determine the proportion of oxygenated (O2Hb) and deoxygenated hemoglobin (desoxyHb) in the blood (880 nm 940 nm). To adapt the present methods for measuring the oxygen saturation in the blood of the white rhinoceros and horse, different transmitting and receiving components need to be assessed in order to obtain a reliable basis for the further development and evaluation of the existing detectors. An analysis of LEDs with different power and radiation characteristics as transmitting components, and photodiode, photoresistor, phototransistor and photocell as receiving components was performed.
The measured data shows that the radiant power has a major influence on the responsiveness of the photo detectors. LEDs of the same wavelength range can have different optical power values and cause significantly differing values on the photo detectors. When using pulse oximetry measurements darkly pigmented tissue can cause a substantial reduction of the optical power. For this reason, LEDs with a high radiant power output are recommended for measuring the oxygen saturation and should be considered for further developing of the pulse oximeter. A useful signal can be received in a wider range by installing photodetectors with a larger half angle. Due to manufacturing and temperature‐related issues peak wavelength often differ from values specified in the data sheets by a few nanometers. Thus, there is a risk that incorrect oxygen saturation values are generated, which are caused especially by a strong decrease of the extinction curve of desoxHb in certain wavelength ranges. A small peak wavelength shift can cause that no absorptions is detected and a false oxygen saturation is the consequence. Another disadvantage is the impact of the slow responding behavior of photoresistors. A transient response via irradiation with light in the wavelength range at 320 nanometer was observed. In contrast to photoresistors, photo diodes are fast responding components and able to react to signals in nanosecond and microsecond ranges. However, only small useful signals are available. The advantage of the photo transistor compared to the photodiode is the substantially higher sensitivity, since the photoelectric current is amplified as a normal bipolar transistor by a possibly factor 200. Due to the large collector‐base junction capacitance the photo transistor is relatively slow. Currently pulse oximeter only determine the amount of Hb, which is available when transporting oxygen. To also detect the fractional oxygen saturation and to avoid significant errors caused by larger amounts of dyshemoglobins in the blood, such as methaemoglobin and carboxyhemoglobins, pulse oximeter sensors should radiate additional wavelengths to include all hemoglobin derivatives. For reflection pulse oximetry measurements, the receiving component should be near the sending LED on the same surface of the tissue and detects the light reflected by the tissue. At the same time an optimal arrangement of the transmitting component to the photodetector is crucial to obtain a good signal‐to‐noise ratio and to receive a high percentage of modulation signal. At the current stage of development of the experiment reflection pulse oximeter used for the rhinoceros and horse a final assessment of the optimal components cannot be given. In fact, the obtained data should be used for further development. Further measurements with the corresponding components on the measurement object are necessary, in order to examine the effect of irradiation with light of different wavelengths. For this purpose the obtained measurement data can be used.

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