Oxymetrie in Vollblut

Motivation

Die Blutgasanalyse ist ein bedeutender Teil der klinischen Diagnostik. Zusätzlich zu den typischen Parametern pH, pO2, pCO2, K+, Ca2+, Cl- oder Na+, können mit einer Oxymetrie-Einheit ausgestattete Geräte auch eine Analyse des Hämoglobin-Status des Patienten durchführen. Der Protein-Komplex Hämoglobin ist in den Erythrozyten in hoher Konzentration vorhanden und für die rote Farbe des Blutes verantwortlich. Er ist in der Lage Sauerstoff zu binden und diesen wieder an die Zellen abzugeben. Neben den physiologisch vorkommenden Varianten wie desoxygeniertem (Hb) und oxygeniertem (O2Hb) Hämoglobin können aufgrund von genetischen Defekten, Arzneimitteln oder Krankheiten auch pathologische Formen auftreten. Diese als Methämoglobin (MetHb), Carboxyhämoglobin (COHb) oder Sulfhämoglobin (SHb) bezeichneten Varianten können ihre ursprüngliche Aufgabe, den Transport von lebenswichtigem Sauerstoff, nicht mehr erfüllen.

Bei der optischen Konzentrationsbestimmung klinisch relevanter Hämoglobin-Derivate sind Streuprozesse an den Erythrozyten eine große messtechnische Einschränkung, da sie die zugrundeliegenden Transmissionsmessungen nach dem Prinzip von Lambert-Beer überlagern. Aus diesem Grund erfolgt die Messung bei auf dem Markt befindlichen Geräten bisher nur in hämolysiertem Blut.

Diese Methode besitzt jedoch einige Nachteile. Sie macht eine Aufbereitung der Probe vor der Analyse erforderlich. Die Erythrozyten werden mittels Ultraschall, Druck oder chemischen Substanzen zerstört. Dieser Hämolyse genannte Prozess muss auf seine Vollständigkeit hin überwacht werden und führt zu einer irreversiblen Veränderung der Probe, was für nachfolgende Analysen ein Ausschlusskriterium darstellt. Ein Wegfall der Hämolyse würde neben einer Vereinfachung des Analyseprozesses auch das notwendige Probenvolumen reduzieren, wodurch sich weitere Vorteile für die Notfallmedizin und Neonatologie ergeben.

Aus diesem Grund soll im Projekt "Oxymetrie in Vollblut" ein Konzept entwickelt werden, mit dem die Konzentrationen der wichtigsten Hämoglobin-Derivate auch ohne Hämolyse zuverlässig in Vollblut bestimmt werden können. Das Projekt wird in Kooperation mit einem industriellen Partner durchgeführt. Das Unternehmen produziert Geräte zur Blutgas- und Elektrolytanalyse. Seit seiner Gründung forscht das Unternehmen kontinuierlich auf diesem Gebiet. Um die Forschung zu erweitern und zu vertiefen, wurde die Kooperation mit der Gruppe Medizinische Sensor- und Gerätetechnik für die Entwicklung eines optischen Sensors zur Bestimmung der Hämoglobinkonzentration in Vollblut begonnen.

Ziele des Projekts

Das Hauptziel des Projektes ist es, erstmalig eine sichere optische Bestimmung der klinisch relevanten Hämoglobin-Derivate in Vollblut zu ermöglichen. Dafür soll das Streuverhalten an Erythrozyten zunächst rechnerisch modelliert werden, so dass dieses später aus bekannten Parametern bestimmt und bei optischen Messungen berücksichtigt werden kann. Die entsprechende Messtechnik soll so gestaltet werden, dass sie in ein Blutgasanalysegerät eingebaut werden kann.

Lösungsansatz

In den vergangen Jahren gab es immer wieder Versuche, das Streuverhalten von Vollblut mit der Bestimmung der optischen Parameter µa, µs und g ausreichend zu beschreiben [1]. Schwerpunkt war dabei oftmals der Einfluss verschiedener Zustandsgrößen wie Hämatokrit, Osmolarität oder Scherrate auf die optischen Eigenschaften [2-5]. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse soll eine rechnerische Modellierung der Zusammenhänge erfolgen und diese auf die vorliegende Problematik angewendet werden.

Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus

Aus den Messgrößen Rd, Td und Tc werden die optischen Parameter µa, µs und g im Spektralbereich von 350 bis 1000 nm bestimmt. Diese beschreiben die Lichtausbreitung in der Blutprobe nach der Strahlungstransportgleichung.

Mit Hilfe multivariater Analyseverfahren erfolgt anschließend die Bestimmung der Konzentrationen. Auf diese Weise wird ein Konzept für einen optischen Sensor zur klinischen Diagnostik ausgearbeitet.

Quellen

[1] André Roggan, Moritz Friebel, Klaus Dörschel, Andreas Hahn, Gerhard Müller, "Optical Properties of Circulating Human Blood in the Wavelength Range 400-2500 nm", Journal of Biomedical Optics 4(1), 36-46, Januar 1999.

[2] Annika M. K. Enejder, Johannes Swartling, Prakasa Aruna, Stefan Andersson-Engels, "Influence of cell shape and aggregate formation on the optical properties of flowing whole blood", Applied Optics 42(7), 1384-1394, März 2003.

[3] Moritz Friebel, Jürgen Helfmann, Gerhard Müller, Martina Meinke, "Influence of the shear rate on the optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm", Journal of Biomedical Optics 12(5), 054005, Oktober 2007.

[4] Moritz Friebel, Jürgen Helfmann, Martina C. Meinke, "Influence of osmolarity on the optical properties of human erythrocytes", Journal of Biomedical Optics 15(5), 055005, Oktober 2010.

[5] Annika M. K. Enejder, Johannes Swartling, Prakasa Aruna, and Stefan Andersson-Engels, "Influence of cell shape and aggregate formation on the optical properties of flowing whole blood", Applied Optics, Vol. 42, No. 7, March 2003.