Spektralmodulation von Pulsoxymeterlichtsignalen

Hintergrund und Motivation

Die Pulsoxymetrie ist aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken. Die Überwachung der Sauerstoffversorgung ist essentiell in der Notfallversorgung, auf der Intensivstation sowie allgemein während der Narkose und wird von nationalen sowie internationalen Berufsverbänden entprechend als Teil des Basismonitorings empfohlen bzw. vorgeschrieben (z.B. Deutsche Gesellschaft für Anästhesie und Intensivmedizin e.V., American Society of Anesthesiologists).

Die Kalibration pulsoxymetrischer Sensoren erfolgt üblicherweise anhand invasiver Probandenstudien (siehe ISO 80601-2-61:2011). Hierbei wird der Sauerstoffgehalt in der inspiratorischen Luft des Probanden schrittweise verringert und somit die Sauerstoffsättigung gesenkt. Parallel dazu werden arterielle Blutproben entnommen und zeitnah mit Labor-CO-Oximetern analysiert und gleichzeitig die Sensorrohsignale aufgenommen. Daraus ergibt sich schliesslich der Zusammenhang zwischen dem nichtinvasiv gewonnen Sensorsignal und der arteriellen Sauerstoffsättigung. Bisher besteht keine andere Möglichkeit, diesen Zusammenhang zu ermitteln! Dieses aufwändige Verfahren ist offensichtlich nicht für wiederkehrende messtechnische Kontrollen anzuwenden, wie sie für Medizinprodukte mit Messfunktionen vorgesehen sind (siehe MPBetreibV §11 und Anlage 2).

Abb. 1 - Übersicht einiger konventioneller Pulsoxymetersensoren
Abb. 1 - Übersicht einiger konventioneller Pulsoxymetersensoren

Projektziele

Ziel des Projekts ist es, ein System zu entwickeln, welches die spektralen Transmissionsdaten während Entsättigungsstudien aufnehmen kann, um diese anschliessend wieder an den zu überprüfenden Sensor wiederzugeben.

Optische Spektralmodulation

Kern des Konzepts ist die optische Spektralmodulation mit einem Mikrospiegelarray (Digital Micromirror Device, DMD, Texas Instruments/ViALUX GmbH). Das zu modulierende Licht wird über einen spektroskopischen Aufbau in seine Spektralkomponenten zerlegt und das resultierende Spektrum wird auf die Oberfläche des Mikrospiegelarrays abgebildet. Die reflektierte Intensität der einzelnen Spektralbereiche kann nun über die Ansteuerung der einzelnen Spiegel des Arrays gesteuert werden. Als Lichtquelle kann entweder eine breitbandige Glühlampe oder direkt das Pulsoxymeterlicht genutzt werden. Das vom Mikrospiegelarray reflektierte Licht wird anschliessend mit einer Lichtleitfaser gesammelt. Die zeitliche Signalmodulation ermöglicht die Generierung nahezu beliebiger Verläufe.

Abb. 2 - Mikrospiegelarray (DMD) mit Vergößerung
Abb. 2 - Mikrospiegelarray (DMD) mit Vergößerung
Abb. 3 - Spektralmodulation mit DMD
Abb. 3 - Spektralmodulation mit DMD
Abb. 4 - Experimenteller Aufbau zur direkt PO-Lichtmodulation
Abb. 4 - Experimenteller Aufbau zur direkt PO-Lichtmodulation
Abb. 5 - Nahaufnahme des Begungsgitters (rechts) und des DMD (im Hintergund)
Abb. 5 - Nahaufnahme des Begungsgitters (rechts) und des DMD (im Hintergund)

Dieses Video ziegt ein dynamisches Reflektionsmuster des Mikrospiegelarrays. Als Basis hierfür dient ein original Finger-Transmissionsspektrum bei einer normalen physiologischen Sauerstoffsättigung. Die durch den Herzschlag des Probanden hervorgerufene Pulsation ist deutlich zu erkennen (optimalerweise im Vollbildmodus!).

Spektrophotometrischer Arbeitsplatz

Für spektrometrische Messungen steht ein Spektrometer (Shamrock SR303i, Andor Technology) mit Subnanometer-Auflösung zur Verfügung. Das Dual-Output-Spektrometer verfügt über zwei Detektoren (Si-CCD und InGaAs-PDA, beide Andor Technology) die in Kombination mit drei verschiedenen Beugungsgittern den gesamten VIS/NIR Spektralbereich von 300 nm bis 2000 nm abdecken. Zur Beleuchtung kann eine 150 W Xenon-Bogenlampe oder eine 50 W Halogen-Lampe eingesetzt werden. Das ganze System ist fasergekoppelt und mit einem Küvettenwechsler inklusive Kollimations-/Fokussieroptiken verbunden, der Küvetten mit einer optischen Pfadlänge von bis zu 10 mm halten kann. Für die Absorptions-/Transmissionsmessungen werden Küvetten aus optischem Spezialglas verwendet.

Des Weiteren verwenden wir ein VIS/NIR Spektrometer der Firma Avantes (Avaspec 2048-USB2).

Publikationen

B. Weber, St. Marx, H. Gehring, B. Nestler
"Direct modulation of pulse oximetry probe light signals using a digital micromirror array for instrumental calibration of optical sensors"
Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, Volume 57, Issue Sl-1 Track L, ISSN (Online) 1862-278X, ISSN (Print) 0013-5585,DOI: 10.1515/bmt-2012-4046, September 2012 (Link)

B. Weber, B. Nestler, H. Gehring
"Direct modulation of pulse oximetry probe light signals with a micromirror array"
IAMPOV Symposium, Yale University, New Haven, CT, USA, Juni 2012 (Tagungsband als PDF)

St. Marx, B. Weber, B. Nestler, H. Gehring
"Spectral light modulation using a digital micromirror device (DMD) for the calibration of pulse oximetry sensors"
Student Conference  on Medical Engineering Science 2012 Proceedings, Pages 35-38, ISBN 978-3-656-26418-7, GRIN Verlag GmbH, 2012

B. Weber, B. Nestler, J.-F. Zhang, H. Gehring
"Calibration of optical sensors for patient monitoring - A novel concept"
Posterbeitrag, Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, Volume 56, Issue s1, Pages 1-22, ISSN (Online) 1862-278X, ISSN (Print) 0013-5585,DOI: 10.1515/BMT.2011.862, September 2011 (Link)

B. Weber, B. Nestler, J.-F. Zhang, H. Gehring
"Kalibration optischer Sensoren für die Patientenüberwachung"
Posterbeitrag, 25. Treffpunkt Medizintechnik "Nicht invasive Diagnostik", TSB Medici, Berlin, Mai 2011

B. Weber, H. Gehring
"Optical transmission spectra for analysis of bloodcomponents and -gases"
Application Note, LOT-Oriel, Darmstadt, 2010 (PDF)