In enger Zusammenarbeit mit den Kooperations-Partnern der HS Wismar, Prof. Dr. rer. nat. Christoph Hornberger und Dr.-Ing. Redwan Abdo A. Mohammed wurden Algorithmen auf Grundlage eines theoretischen Modells entwickelt, welche aus den optischen Daten die physiologischen Gewebeparameter Sauerstoffsättigung im Muskelgewebe SmO2 sowie den Gesamt-Hämoglobingehalt THI berechnen. Um die Algorithmen unseres DR1-Sensors zu validieren, eignen sich ein sogenannter Okklusionstest im besonderen Maße, da hier der zeitliche Verlauf von SmO2 und THI prinzipiell bekannt sind. Dazu wurde eine Blutdruck-Manschette an den Oberarm angelegt und durch das Aufpumpen dieser Manschette die Blutzirkulation in zwei verschiedenen Phasen gedämpft bzw. vollständig unterdrückt.

SmO2+THI_DR1_final

 

Bild 1: Zeitlicher Verlauf von SmO2 und THI, gemessen mittels des DR1-Sensors der Firma OXY4 GmbH an jeweils 2 Positionen des Unterarms von 1 Probanden. Die rot (magenta) gestrichelten Linien kennzeichnen die Phase der venösen (arteriellen) Okklusion.

In der ersten Phase der venösen Okklusion wird die Blutdruck-Manschette bis zu einem Druck von 80 mmHg aufgepumpt (rot gestrichelte Linien). Dabei wird der Blutrückfluss durch die Vene durch den äußeren Druck unterbunden. Allerdings reicht dieser Druck noch nicht aus, um den Blutfluss durch die Arterie, welcher durch einen höheren Blutdruck gekennzeichnet ist, vollständig zu unterbinden. Es kommt zu einer Stauung des Blutes innerhalb der Gefäße des kompletten Unterarms und somit zu einem deutlichen Anstieg des THI-Wertes, welcher ein Maß für die im untersuchten Gewebe befindlichen Blutmengen darstellt. Da das sauerstoffreiche, arterielle Blut nur noch im begrenztem Maße nachfließen kann, sinkt der SmO2 innerhalb dieser Phase. Nach dem Entspannen der Blutdruck-Manschette setzt die Reperfusion der Blutgefäße ein und die Parameter SmO2 und THI erreichen ihre jeweiligen Ausgangswerte.

In der zweiten Phase der arteriellen Okklusion (magenta gestrichelte Linien) wird ein deutlich höherer Druck von 240 mmHg an der Blutdruck-Manschette eingestellt. Dadurch wird selbst die Zufuhr von sauerstoffreichem, arteriellen Blut in den Unterarm stark unterbunden und es kommt zu einem deutlichen Einbruch des SmO2-Wertes um bis zu 25%. Das während der Aufpump-Phase noch nachfließende, arterielle Blut verursacht den ebenfalls in dieser Phase zu beobachtenden initialen Anstieg des THI-Wertes.

Um die für den DR1-Sensor entwickelten Algorithmen zur Berechnung der Gewebe-Parameter SmO2 und THI zu validieren, wurden weitere Okklusionsmessungen unter gleichen Bedingungen (gleicher Proband und gleiche Messstelle) durchgeführt. Dabei wurde mit Hilfe der Hyperspektralkamera TIVITA™ der Firma Diaspective Vision GmbH der 2-dimensionale Verlauf der Sauerstoffsättigung im Gewebe (StO2) sowie des Gesamt-Hämoglobingehalts (THI) in Zeitabständen von je einer Minute aufgezeichnet und analysiert.

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Bild 2: Venöse Okklusion mittels Hyperspektralanalyse Kamera TIVITA™: RGB-Bilder von Unterarmen und 2-dimensionale Verteilung der Gewebesauerstoffsättigung (StO2) sowie des THI. Die durchgezogenen Kreislinien kennzeichnen die Positionen, für die der zeitliche Verlauf der Parameter StO2 und THI näher analysiert wurde.

Bild 2 zeigt ein RGB-Bild der vermessenen Unterarme des Probanden, sowie die 2-dimensionale Verteilung der Sauerstoffsättigung (StO2) und des Gesamt-Hämoglobingehalts (THI) während der venösen Okklusionsphase. Die Blutdruck-Manschette befand sich während der Messung am rechten Oberarm. Im rechten, okkludierten Arm ist ein deutlicher Abfall des StO2-Werts bzw. ein deutlicher Anstieg es THI-Wertes im Vergleich zum linken Referenz-Arm erkennbar. Für die fünf markierten Positionen wurde jeweils die zeitliche Entwicklung von StO2 und THI analysiert, welche im Folgenden diskutiert wird.

StO2+THI_Tivita_Occlusion_final

 

Bild 3: Zeitlicher Verlauf von StO2 und THI, gemessen mittels der TIVITA™ der Firma Diaspective Vision GmbH an jeweils 5 Positionen am Unterarm, welche in Bild 2 markiert sind. Die grün (grau) gestrichelten Linien kennzeichnen die Phase der venösen (arteriellen) Okklusion.

Auch bei der mittels der TIVITA™ durchgeführten Okklusions-Messung wurden ähnliche Verlaufe von der Sauerstoff-Sättigung (hier: StO2) und des THIs beobachtet. Man erkennt einen deutlichen Abfall des StO2-Wertes um 20% – 25% für die Positionen des okkludierten Arms (Position 1-3), sowohl in der venösen, als auch in der arteriellen Okklusionsphase. Weiterhin zeichnet sich die venöse Okklusionsphase durch einen deutlichen Anstieg des THI-Wertes aus. Im Gegensatz dazu ist der THI während der arteriellen Okklusiosphase, bis auf den durch den Aufpumpvorgang verursachten initialen Anstieg, zeitlich konstant. Der anschließende Anstieg des THIs kennzeichnet die Phase der Reperfusion, d.h. des Nachfließen des gestauten Blutes nach Lösung der Blutdruck-Manschette.

Wir konnten zeigen, dass der DR1-Sensor der Firma OXY4 GmbH und die Hyperspektralkamera TIVITA™ der Firma Diaspective Vision GmbH einen vergleichbaren, zeitlichen Verlauf der Gewebe-Parameter SmO2 (bzw. StO2) und THI während der Okklusions-Messungen liefern. Darüber hinaus liegen die Werte der Sauerstoffsättigung SmO2 bzw. StO2 für beide Messsysteme im gleichen Wertebereich von etwa 30% – 70%. Da es sich beim THI um einen Index-Parameter handelt, sind die Absolutwerte zwischen verschiedenen Probanden und Messsystemen nur im begrenztem Maße vergleichbar.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die für den DR1-Sensor entwickelten Algorithmen zur Berechnung von SmO2 und THI mit Hilfe der Referenz-Hyperspektralkamera TIVITA™ der Diaspective Vision am Beispiel mehrerer Okklusions-Messungen erfolgreich validiert werden konnten.