Pulsoxymetrie

Pulsoximetrie ⓘ
Tetherlose Pulsoxymetrie
Zweck	Überwachung der Sauerstoffsättigung einer Person

Die Pulsoxymetrie ist eine nichtinvasive Methode zur Überwachung der Sauerstoffsättigung einer Person. Die Messwerte der peripheren Sauerstoffsättigung (SpO₂) liegen typischerweise innerhalb einer Genauigkeit von 2 % (in 95 % der Fälle innerhalb von 4 %) der genaueren (und invasiven) Messung der arteriellen Sauerstoffsättigung (SaO₂) aus der arteriellen Blutgasanalyse. Beide korrelieren jedoch so gut, dass die sichere, bequeme, nicht invasive und kostengünstige Methode der Pulsoxymetrie für die Messung der Sauerstoffsättigung im klinischen Bereich wertvoll ist. ⓘ

Die gebräuchlichste Methode ist die transmissive Pulsoximetrie. Dabei wird ein Sensor an einer dünnen Stelle des Körpers des Patienten angebracht, in der Regel an der Fingerspitze, am Ohrläppchen oder am Fuß eines Säuglings. Fingerspitzen und Ohrläppchen haben eine höhere Durchblutungsrate als andere Gewebe, was die Wärmeübertragung erleichtert. Das Gerät leitet zwei Wellenlängen des Lichts durch den Körperteil zu einem Photodetektor. Es misst die sich ändernde Absorption bei jeder der Wellenlängen und kann so die Absorption allein durch das pulsierende arterielle Blut bestimmen, wobei venöses Blut, Haut, Knochen, Muskeln, Fett und (in den meisten Fällen) Nagellack ausgeschlossen sind. ⓘ

Die Reflexionspulsoximetrie ist eine weniger verbreitete Alternative zur transmissiven Pulsoximetrie. Diese Methode erfordert keinen Dünnschnitt des Körpers und eignet sich daher gut für eine universelle Anwendung, z. B. an den Füßen, der Stirn und der Brust, hat aber auch einige Einschränkungen. Vasodilatation und die Ansammlung von venösem Blut im Kopfbereich aufgrund eines beeinträchtigten venösen Rückflusses zum Herzen können eine Kombination aus arteriellen und venösen Pulsationen im Stirnbereich verursachen und zu falschen SpO₂-Ergebnissen führen. Solche Bedingungen treten bei Anästhesie mit endotrachealer Intubation und mechanischer Beatmung oder bei Patienten in Trendelenburg-Lage auf. ⓘ

Pulsoxymeter als Fingerclip, S_pO₂ links, Pulsfrequenz rechts ⓘ

Die Pulsoxymetrie oder Pulsoximetrie ist ein Verfahren zur nichtinvasiven Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung über die Messung der Lichtabsorption bzw. der Lichtremission bei Durchleuchtung der Haut (perkutan). Das Pulsoxymeter stellt ein speziell auf diese Anwendung optimiertes Spektralphotometer dar. Nebenbei dienen die verwendeten Geräte auch zur gleichzeitigen Pulsfrequenzkontrolle. ⓘ

Medizinische Anwendungen

Eine Pulsoximetersonde, die am Finger einer Person angebracht ist ⓘ

Ein Pulsoximeter ist ein medizinisches Gerät, das indirekt die Sauerstoffsättigung des Blutes eines Patienten (im Gegensatz zur direkten Messung der Sauerstoffsättigung durch eine Blutprobe) und Veränderungen des Blutvolumens in der Haut überwacht und ein Photoplethysmogramm erstellt, das zu anderen Messungen weiterverarbeitet werden kann. Das Pulsoximeter kann in einen Multiparameter-Patientenmonitor integriert werden. Die meisten Monitore zeigen auch die Pulsfrequenz an. Es gibt auch tragbare, batteriebetriebene Pulsoximeter für den Transport oder die Überwachung des Blutsauerstoffs zu Hause. ⓘ

Vorteile

Die Pulsoximetrie eignet sich besonders gut für die nichtinvasive kontinuierliche Messung der Sauerstoffsättigung des Blutes. Im Gegensatz dazu müssen die Blutgaswerte sonst in einem Labor anhand einer entnommenen Blutprobe bestimmt werden. Die Pulsoximetrie ist überall dort nützlich, wo die Sauerstoffversorgung eines Patienten instabil ist, z. B. auf der Intensivstation, im Operationssaal, in der Aufwachstation, in der Notaufnahme und auf der Krankenstation, bei Piloten in drucklosen Flugzeugen, zur Beurteilung der Sauerstoffversorgung eines Patienten und zur Feststellung der Wirksamkeit oder des Bedarfs an zusätzlichem Sauerstoff. Obwohl ein Pulsoximeter zur Überwachung der Sauerstoffversorgung verwendet wird, kann es nicht den Sauerstoffstoffwechsel oder die vom Patienten verbrauchte Sauerstoffmenge bestimmen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, auch den Kohlendioxidgehalt (CO₂) zu messen. Möglicherweise lassen sich damit auch Anomalien in der Beatmung feststellen. Die Verwendung eines Pulsoximeters zur Erkennung von Hypoventilation wird jedoch durch die Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff beeinträchtigt, da Anomalien der Atmungsfunktion nur dann zuverlässig erkannt werden können, wenn die Patienten Raumluft atmen. Daher kann die routinemäßige Verabreichung von zusätzlichem Sauerstoff ungerechtfertigt sein, wenn der Patient in der Lage ist, eine angemessene Sauerstoffzufuhr in Raumluft aufrechtzuerhalten, da dies dazu führen kann, dass eine Hypoventilation unentdeckt bleibt. ⓘ

Aufgrund ihrer einfachen Anwendung und der Möglichkeit, kontinuierliche und sofortige Sauerstoffsättigungswerte zu liefern, sind Pulsoximeter von entscheidender Bedeutung in der Notfallmedizin und auch sehr nützlich für Patienten mit Atemwegs- oder Herzproblemen, insbesondere COPD, oder für die Diagnose einiger Schlafstörungen wie Apnoe und Hypopnoe. Bei Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe liegen die Pulsoxymetrie-Werte während eines Großteils der Zeit, in der sie zu schlafen versuchen, im Bereich von 70-90 %. ⓘ

Tragbare, batteriebetriebene Pulsoximeter sind nützlich für Piloten, die in drucklosen Flugzeugen in einer Höhe von über 3.000 m (10.000 Fuß) oder in den USA in einer Höhe von 3.800 m (12.500 Fuß) fliegen, wo zusätzlicher Sauerstoff erforderlich ist. Tragbare Pulsoximeter sind auch für Bergsteiger und Sportler nützlich, deren Sauerstoffgehalt in großen Höhen oder bei sportlicher Betätigung sinken kann. Einige tragbare Pulsoximeter verfügen über eine Software, die den Blutsauerstoffgehalt und den Puls des Patienten aufzeichnet und ihn daran erinnert, den Blutsauerstoffgehalt zu überprüfen. ⓘ

Fortschritte in der Konnektivität haben es möglich gemacht, dass die Sauerstoffsättigung des Blutes von Patienten kontinuierlich überwacht werden kann, ohne dass eine Kabelverbindung zu einem Krankenhausmonitor erforderlich ist, ohne dass der Fluss der Patientendaten an bettseitige Monitore und zentralisierte Patientenüberwachungssysteme beeinträchtigt wird. ⓘ

Bei Patienten mit COVID-19 hilft die Pulsoximetrie bei der frühzeitigen Erkennung einer stillen Hypoxie, bei der die Patienten zwar noch gut aussehen und sich wohlfühlen, ihr SpO2-Wert aber bedrohlich niedrig ist. Dies kann bei Patienten im Krankenhaus oder zu Hause vorkommen. Ein niedriger SpO2-Wert kann auf eine schwere COVID-19-bedingte Lungenentzündung hinweisen, die ein Beatmungsgerät erfordert. ⓘ

Beschränkungen

Die Pulsoximetrie misst nur die Hämoglobinsättigung, nicht die Ventilation, und ist kein vollständiges Maß für die Suffizienz der Atmung. Sie ist kein Ersatz für eine Blutgasanalyse im Labor, da sie keinen Hinweis auf das Basendefizit, den Kohlendioxidgehalt, den pH-Wert des Blutes oder die Bikarbonatkonzentration (HCO₃-) liefert. Der Sauerstoffmetabolismus kann leicht durch die Überwachung des ausgeatmeten CO₂ gemessen werden, aber die Sättigungswerte geben keine Auskunft über den Sauerstoffgehalt des Blutes. Der meiste Sauerstoff im Blut wird durch Hämoglobin transportiert; bei schwerer Anämie enthält das Blut weniger Hämoglobin, das trotz Sättigung nicht so viel Sauerstoff transportieren kann. ⓘ

Da Pulsoximeter bei gesunden Personen kalibriert werden, ist die Genauigkeit bei schwerkranken Patienten und Frühgeborenen gering. ⓘ

Irrtümlich niedrige Messwerte können durch Hypoperfusion der zu überwachenden Extremität (häufig aufgrund einer kalten Gliedmaße oder einer Vasokonstriktion infolge der Verwendung von Vasopressoren), durch eine falsche Anwendung des Sensors, durch stark verhornte Haut oder durch Bewegung (z. B. Zittern), insbesondere während der Hypoperfusion, verursacht werden. Um Genauigkeit zu gewährleisten, sollte der Sensor einen gleichmäßigen Puls und/oder eine gleichmäßige Pulswellenform anzeigen. Die Technologien der Pulsoximetrie unterscheiden sich in ihrer Fähigkeit, bei Bewegung und geringer Perfusion genaue Daten zu liefern. ⓘ

Fettleibigkeit, Hypotonie (niedriger Blutdruck) und einige Hämoglobinvarianten können die Genauigkeit der Ergebnisse verringern. Einige Pulsoximeter für den Heimgebrauch haben eine niedrige Abtastrate, was dazu führen kann, dass der Sauerstoffgehalt des Blutes deutlich unterschätzt wird. Die Genauigkeit der Pulsoximetrie verschlechtert sich erheblich, wenn die Messwerte unter 80 % liegen. ⓘ

Die Pulsoxymetrie ist auch kein vollständiges Maß für die Sauerstoffversorgung des Kreislaufs. Bei unzureichendem Blutfluss oder unzureichendem Hämoglobin im Blut (Anämie) kann es trotz hoher arterieller Sauerstoffsättigung zu einer Hypoxie des Gewebes kommen. ⓘ

Da die Pulsoximetrie nur den Prozentsatz des gebundenen Hämoglobins misst, kommt es zu einem falsch hohen oder falsch niedrigen Messwert, wenn das Hämoglobin an etwas anderes als Sauerstoff bindet:

• Hämoglobin hat eine höhere Affinität zu Kohlenmonoxid als zu Sauerstoff, und ein hoher Messwert kann auftreten, obwohl der Patient tatsächlich hypoxämisch ist. Bei einer Kohlenmonoxidvergiftung kann diese Ungenauigkeit die Erkennung einer Hypoxie (niedriger zellulärer Sauerstoffgehalt) verzögern.
• Eine Zyanidvergiftung führt zu einem hohen Messwert, da sie die Sauerstoffextraktion aus dem arteriellen Blut verringert. In diesem Fall ist der Messwert nicht falsch, da der arterielle Blutsauerstoff bei einer frühen Zyanidvergiftung tatsächlich hoch ist.
• Die Methämoglobinämie führt typischerweise zu Pulsoxymetrie-Werten in den mittleren 80er Jahren.
• COPD [insbesondere chronische Bronchitis] kann zu falschen Messwerten führen. ⓘ

Eine nichtinvasive Methode, die eine kontinuierliche Messung der Dyshämoglobine ermöglicht, ist das Puls-CO-Oximeter, das 2005 von Masimo entwickelt wurde. Durch die Verwendung zusätzlicher Wellenlängen bietet es Klinikern die Möglichkeit, neben dem Gesamthämoglobin auch die Dyshämoglobine, Carboxyhämoglobin und Methämoglobin zu messen. ⓘ

Forschungen haben ergeben, dass die Fehlerquote bei den gängigen Pulsoximetern bei Erwachsenen mit dunkler Hautfarbe höher ist, was in Ländern mit einer gemischtrassigen Bevölkerung wie den Vereinigten Staaten zu Behauptungen über systemischen Rassismus führt. Die Pulsoximetrie wird für das Screening von Schlafapnoe und anderen Arten von schlafbezogenen Atmungsstörungen verwendet, die in den Vereinigten Staaten unter Minderheiten häufiger vorkommen. ⓘ

Ausrüstung

Neben den Pulsoximetern für den professionellen Einsatz gibt es auch viele preiswerte "Verbrauchermodelle". Die Meinungen über die Zuverlässigkeit von Oximetern für den Privatgebrauch gehen auseinander; ein typischer Kommentar lautet: "Die Forschungsdaten zu den Überwachungsgeräten für den Hausgebrauch sind uneinheitlich, aber sie sind in der Regel innerhalb weniger Prozentpunkte genau". Einige intelligente Uhren mit Aktivitätsmessung verfügen über eine Oximeterfunktion. In einem Artikel über solche Geräte im Zusammenhang mit der Diagnose von COVID-19-Infektionen wird João Paulo Cunha von der Universität Porto, Portugal, zitiert: "Diese Sensoren sind nicht präzise, das ist die größte Einschränkung ... die Geräte, die Sie tragen, sind nur für die Verbraucherebene, nicht für die klinische Ebene". Pulsoximeter, die für die Diagnose von Krankheiten wie COVID-19 verwendet werden, sollten medizinische Oximeter der Klasse IIB sein. Oximeter der Klasse IIB können bei Patienten aller Hautfarben, geringer Pigmentierung und bei Bewegung verwendet werden. Wenn ein Pulsoximeter von zwei Patienten gemeinsam benutzt wird, sollte es entweder nach jedem Gebrauch mit Alkoholtüchern gereinigt werden oder es sollte eine Einwegsonde oder ein Fingerschutz verwendet werden, um Kreuzinfektionen zu vermeiden. ⓘ

Einem Bericht von iData Research zufolge belief sich der US-amerikanische Markt für Geräte und Sensoren zur Überwachung der Pulsoximetrie im Jahr 2011 auf über 700 Millionen US-Dollar. ⓘ

Mobile Anwendungen

Mobile App-Pulsoximeter nutzen das Blitzlicht und die Kamera des Telefons anstelle des Infrarotlichts, das bei herkömmlichen Pulsoximetern verwendet wird. Da die Kamera die Lichtreflexion bei zwei Wellenlängen nicht messen kann, sind die Sauerstoffsättigungswerte, die über eine App auf einem Smartphone ermittelt werden, für den klinischen Gebrauch nicht aussagekräftig. Mindestens eine Studie legt nahe, dass sie im Vergleich zu klinischen Pulsoximetern nicht zuverlässig sind. ⓘ

Mechanismus

Absorptionsspektren von sauerstoffhaltigem Hämoglobin (HbO2) und deoxygeniertem Hämoglobin (Hb) bei roten und infraroten Wellenlängen ⓘ

Die Innenseite eines Pulsoximeters ⓘ

Ein Blutsauerstoffmessgerät zeigt den prozentualen Anteil des Blutes an, der mit Sauerstoff beladen ist. Genauer gesagt wird gemessen, wie viel Prozent des Hämoglobins, des Proteins im Blut, das Sauerstoff transportiert, beladen ist. Der akzeptable normale SaO₂-Bereich für Patienten ohne Lungenerkrankung liegt zwischen 95 und 99 Prozent. Bei einer Person, die Raumluft auf oder in der Nähe von Meereshöhe atmet, kann der arterielle pO₂-Wert anhand der "Sättigung des peripheren Sauerstoffs" (SpO₂) des Blutsauerstoffmonitors geschätzt werden. ⓘ

Funktionsweise

Ein typisches Pulsoximeter arbeitet mit einem elektronischen Prozessor und einem Paar kleiner Leuchtdioden (LEDs), die durch einen durchsichtigen Teil des Körpers des Patienten, in der Regel eine Fingerspitze oder ein Ohrläppchen, auf eine Fotodiode gerichtet sind. Eine LED ist rot, mit einer Wellenlänge von 660 nm, und die andere ist infrarot mit einer Wellenlänge von 940 nm. Die Absorption von Licht bei diesen Wellenlängen unterscheidet sich erheblich zwischen sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut. Sauerstoffreiches Hämoglobin absorbiert mehr infrarotes Licht und lässt mehr rotes Licht hindurch. Deoxygeniertes Hämoglobin lässt mehr infrarotes Licht durch und absorbiert mehr rotes Licht. Die LEDs schalten sich nacheinander etwa dreißigmal pro Sekunde ein, dann die andere und dann beide aus, so dass die Fotodiode auf das rote und das infrarote Licht getrennt reagieren und sich auch an die Basislinie des Umgebungslichts anpassen kann. ⓘ

Die Menge des durchgelassenen Lichts (d. h. des Lichts, das nicht absorbiert wird) wird gemessen, und für jede Wellenlänge werden separate normalisierte Signale erzeugt. Diese Signale schwanken mit der Zeit, da die Menge des vorhandenen arteriellen Blutes mit jedem Herzschlag zunimmt (buchstäblich pulsiert). Durch Subtraktion des minimalen durchgelassenen Lichts vom durchgelassenen Licht bei jeder Wellenlänge werden die Auswirkungen anderer Gewebe korrigiert, wodurch ein kontinuierliches Signal für das pulsierende arterielle Blut erzeugt wird. Das Verhältnis zwischen der Messung des roten Lichts und der Messung des infraroten Lichts wird dann vom Prozessor berechnet (was das Verhältnis von sauerstoffhaltigem Hämoglobin zu deoxygeniertem Hämoglobin darstellt), und dieses Verhältnis wird dann vom Prozessor über eine Nachschlagetabelle auf der Grundlage des Beer-Lambert-Gesetzes in SpO₂ umgerechnet. Die Signaltrennung dient auch anderen Zwecken: Eine plethysmographische Wellenform ("pleth wave"), die das pulsatile Signal repräsentiert, wird in der Regel zur visuellen Anzeige der Pulse sowie der Signalqualität angezeigt, und ein numerisches Verhältnis zwischen der pulsatilen und der Grundlinienabsorption ("Perfusionsindex") kann zur Bewertung der Perfusion verwendet werden. ⓘ

$${\ce {SpO_2}}={\frac {{\ce {HbO2}}}{{\ce {{HbO2}+Hb}}}}$$

ⓘ

wobei HbO₂ für sauerstoffhaltiges Hämoglobin (Oxyhämoglobin) und Hb für desoxygeniertes Hämoglobin steht. ⓘ

• Die Hautfarbe beeinflusst die Messung. So kommt es bei sehr dunkelhäutigen Patienten häufiger zu einem zu niedrig angezeigten Wert als bei hellhäutigen, da die Hautpigmentierung die Lichtdurchlässigkeit des Pulsoximeters verändert.
• Bei lackierten Fingernägeln (blauer, grüner und schwarzer; nicht jedoch roter und purpurfarbener Lack, da dieser für rotes und infrarotes Licht besser durchgängig ist,) wird Licht durch den Farbstoff zu stark absorbiert und erreicht die Fotodiode nur abgeschwächt, so dass keine Messung mehr möglich sein kann. Übliche Pulsoxymeter zeigen diesen Umstand als Fehler an.
• Künstliche Fingernägel aus Acryl führen in Abhängigkeit vom Pulsoxymeter ebenfalls zu Messfehlern.
• Bei Patienten mit verringerter peripherer Kapillardurchblutung, beispielsweise bei einem Schock und Hypothermie, kann es passieren, dass falsche Werte angezeigt werden bzw. dass eine Pulsoxymetrie nicht möglich ist, da die für die relative Messwertbildung nötige Pulserkennung nicht funktioniert.
• Bei Bewegungen und mechanischem Stoß, z. B. bei Erschütterung oder einer Fahrt über unebenes Gelände in einem Fahrzeug, treten Fehler durch Veränderung auf, die für das optische Messsystem unter Umständen ähnliche Muster wie durch den Pulsschlag erzeugen. Im Idealfall soll die Pulsoxymetrie in Ruhelage ausgeführt werden.
• In der Nähe zum Messgerät angebrachte starke Infrarotwärmelampen, Werte von Methämoglobin im Bereich 0,4–8,4 % in Normoxie, Onychomykosen sowie bestimmte Substanzen wie Methylenblau verursachen falsch niedrige S_pO₂-Werte.
• Konventionelle Pulsoxymeter erkennen kein CO-Hb und zeigen vermeintlich normale SpO2-Werte. CO-Hb absorbiert Licht in einer ähnlichen Wellenlänge wie oxygeniertes Hämoglobin, so dass CO-Hb fälschlicherweise als O-Hb gewertet wird.
• Die bei dem Messprinzip störende und schwächere venöse Pulsation verursacht zu niedrige S_pO₂-Werte. ⓘ

Abgeleitete Messungen

Aufgrund von Änderungen des Blutvolumens in der Haut ist eine plethysmografische Variation des vom Sensor eines Oximeters empfangenen Lichtsignals (Transmissionsgrad) zu erkennen. Die Schwankung kann als periodische Funktion beschrieben werden, die wiederum in eine Gleichstromkomponente (den Spitzenwert) und eine Wechselstromkomponente (Spitzenwert minus Tiefpunkt) aufgeteilt werden kann. Das Verhältnis der AC-Komponente zur DC-Komponente, ausgedrückt als Prozentsatz, wird als (peripherer) Perfusionsindex (Pi) für einen Puls bezeichnet und liegt in der Regel in einem Bereich von 0,02 % bis 20 %. Eine frühere Messung, die so genannte Pulsoximetrie-Plethysmographie (POP), misst nur die "AC"-Komponente und wird manuell aus Monitorpixeln abgeleitet. ⓘ

Der Pleth-Variabilitätsindex (PVI) ist ein Maß für die Variabilität des Perfusionsindex, die während der Atemzyklen auftritt. Mathematisch wird er berechnet als (Pi_max - Pi_min)/Pi_max × 100%, wobei die maximalen und minimalen Pi-Werte aus einem oder mehreren Atemzyklen stammen. Es hat sich gezeigt, dass er ein nützlicher, nichtinvasiver Indikator für die kontinuierliche Flüssigkeitsreaktion bei Patienten ist, die sich einem Flüssigkeitsmanagement unterziehen. Die plethysmographische Pulsoxymetrie-Wellenform-Amplitude (ΔPOP) ist eine analoge frühere Technik zur Anwendung auf den manuell abgeleiteten POP, berechnet als (POP_max - POP_min)/(POP_max + POP_min)×2. ⓘ

Geschichte

1935 entwickelte der deutsche Arzt Karl Matthes (1905-1962) das erste O₂-Sättigungsmessgerät für das Ohr mit zwei Wellenlängen und roten und grünen Filtern (später roten und infraroten Filtern). Es war das erste Gerät zur Messung der O₂-Sättigung. ⓘ

Das ursprüngliche Oximeter wurde in den 1940er Jahren von Glenn Allan Millikan entwickelt. Im Jahr 1943 (die Jahreszahl 1943 ist angegeben) und wie 1949 veröffentlicht, fügte Earl Wood eine Druckkapsel hinzu, um das Blut aus dem Ohr zu pressen und so einen absoluten O₂-Sättigungswert zu erhalten, wenn das Blut wieder aufgenommen wurde. Das Konzept ähnelt der heutigen konventionellen Pulsoximetrie, war aber wegen instabiler Fotozellen und Lichtquellen schwierig umzusetzen; heute wird diese Methode klinisch nicht mehr verwendet. 1964 baute Shaw das erste absolut messende Ohr-Oximeter, das mit acht Lichtwellenlängen arbeitete. ⓘ

Die erste Pulsoximetrie wurde 1972 von den japanischen Bioingenieuren Takuo Aoyagi und Michio Kishi beim japanischen Hersteller für medizinische Elektronikgeräte Nihon Kohden entwickelt, wobei das Verhältnis zwischen der Absorption von rotem und infrarotem Licht der pulsierenden Komponenten an der Messstelle verwendet wurde. Nihon Kohden stellte das erste Pulsoximeter her, das Ear Oximeter OLV-5100. Der Chirurg Susumu Nakajima und seine Mitarbeiter testeten das Gerät erstmals an Patienten und berichteten 1975 darüber. Nihon Kohden stellte jedoch die Entwicklung der Pulsoxymetrie ein und meldete nur in Japan ein grundlegendes Patent für die Pulsoxymetrie an. Im Jahr 1977 brachte Minolta das erste Fingerpulsoximeter OXIMET MET-1471 auf den Markt. In den USA wurde es 1980 von Biox auf den Markt gebracht. ⓘ

Bis 1987 gehörte die Pulsoximetrie zum Standard bei der Verabreichung von Vollnarkosen in den USA. Vom Operationssaal aus verbreitete sich der Einsatz der Pulsoximetrie rasch im gesamten Krankenhaus, zunächst in den Aufwachräumen und dann auf den Intensivstationen. Besonders wertvoll war die Pulsoximetrie auf der Neugeborenenstation, wo die Patienten nicht mit unzureichender Sauerstoffzufuhr gedeihen, sondern zu viel Sauerstoff und Schwankungen der Sauerstoffkonzentration zu Sehstörungen oder Erblindung durch Frühgeborenen-Retinopathie (ROP) führen können. Darüber hinaus ist die Entnahme eines arteriellen Blutgases bei einem Neugeborenen für den Patienten schmerzhaft und eine der Hauptursachen für eine neonatale Anämie. Bewegungsartefakte können die Überwachung der Pulsoximetrie erheblich einschränken und zu häufigen Fehlalarmen und Datenverlusten führen. Dies liegt daran, dass viele Pulsoximeter bei Bewegung und geringer peripherer Durchblutung nicht zwischen pulsierendem arteriellem Blut und sich bewegendem venösem Blut unterscheiden können, was zu einer Unterschätzung der Sauerstoffsättigung führt. Frühe Studien über die Leistung der Pulsoximetrie bei Bewegung machten die Anfälligkeit herkömmlicher Pulsoximetrietechnologien für Bewegungsartefakte deutlich. ⓘ

1995 führte Masimo die Signalextraktionstechnologie (SET) ein, die durch die Trennung des arteriellen Signals von den venösen und anderen Signalen eine genaue Messung bei Bewegung des Patienten und geringer Perfusion ermöglicht. Seitdem haben die Hersteller von Pulsoximetern neue Algorithmen entwickelt, um einige Fehlalarme während der Bewegung zu reduzieren, z. B. durch Verlängerung der Mittelungszeiten oder Einfrieren der Werte auf dem Bildschirm, aber sie erheben nicht den Anspruch, veränderte Bedingungen während der Bewegung und bei niedriger Perfusion zu messen. Es gibt also immer noch große Unterschiede in der Leistung von Pulsoximetern unter schwierigen Bedingungen. Ebenfalls 1995 führte Masimo den Perfusionsindex ein, der die Amplitude der Wellenform des peripheren Plethysmographen quantifiziert. Der Perfusionsindex hilft Klinikern nachweislich bei der Vorhersage des Schweregrads einer Erkrankung und früher negativer respiratorischer Folgen bei Neugeborenen, bei der Vorhersage eines geringen Flusses in der oberen Hohlvene bei Säuglingen mit sehr niedrigem Geburtsgewicht, als Frühindikator für eine Sympathektomie nach Epiduralanästhesie und zur besseren Erkennung kritischer angeborener Herzfehler bei Neugeborenen. ⓘ

Veröffentlichte Arbeiten haben die Signalextraktionstechnologie mit anderen Technologien der Pulsoximetrie verglichen und durchweg positive Ergebnisse für die Signalextraktionstechnologie gezeigt. Die Leistung der Pulsoximetrie mit der Signalextraktionstechnologie trägt nachweislich dazu bei, dass Kliniker die Ergebnisse für ihre Patienten verbessern können. In einer Studie konnte die Frühgeborenen-Retinopathie (Augenschäden) bei Neugeborenen mit sehr niedrigem Geburtsgewicht in einem Zentrum, das die Signalextraktionstechnologie einsetzte, um 58 % gesenkt werden, während in einem anderen Zentrum, in dem dieselben Kliniker dasselbe Protokoll, aber keine Signalextraktionstechnologie verwendeten, kein Rückgang der Frühgeborenen-Retinopathie zu verzeichnen war. Andere Studien haben gezeigt, dass die Pulsoximetrie mit Signalextraktionstechnologie zu weniger arteriellen Blutgasmessungen, einer schnelleren Sauerstoffentwöhnung, einer geringeren Sensorauslastung und einer kürzeren Aufenthaltsdauer führt. Die Fähigkeit zur Messung durch Bewegung und bei geringer Perfusion ermöglicht auch den Einsatz in bisher nicht überwachten Bereichen wie der allgemeinen Etage, wo es bei der herkömmlichen Pulsoximetrie zu Fehlalarmen kam. Als Beweis dafür wurde 2010 eine bahnbrechende Studie veröffentlicht, die zeigte, dass Kliniker am Dartmouth-Hitchcock Medical Center durch den Einsatz der Pulsoximetrie mit Signalextraktionstechnologie auf der allgemeinen Etage in der Lage waren, die Anzahl der Aktivierungen des Krisenreaktionsteams, der Verlegungen auf die Intensivstation und der Tage auf der Intensivstation zu verringern. Im Jahr 2020 zeigte eine retrospektive Folgestudie in derselben Einrichtung, dass es in den zehn Jahren, in denen die Pulsoximetrie mit Signalextraktionstechnologie in Verbindung mit einem Patientenüberwachungssystem eingesetzt wurde, keine Todesfälle gab und kein Patient durch opioidinduzierte Atemdepression geschädigt wurde, während die kontinuierliche Überwachung im Einsatz war. ⓘ

Im Jahr 2007 führte Masimo die erste Messung des Pleth-Variabilitäts-Index (PVI) ein, der, wie mehrere klinische Studien gezeigt haben, eine neue Methode zur automatischen, nicht-invasiven Bewertung der Fähigkeit eines Patienten darstellt, auf Flüssigkeitszufuhr zu reagieren. Angemessene Flüssigkeitsmengen sind für die Verringerung postoperativer Risiken und die Verbesserung der Patientenergebnisse von entscheidender Bedeutung: Zu niedrige (Unterhydratation) oder zu hohe (Überhydratation) Flüssigkeitsmengen beeinträchtigen nachweislich die Wundheilung und erhöhen das Risiko von Infektionen oder kardialen Komplikationen. Kürzlich haben der National Health Service im Vereinigten Königreich und die französische Gesellschaft für Anästhesie und Intensivpflege die PVI-Überwachung als Teil ihrer empfohlenen Strategien für das intraoperative Flüssigkeitsmanagement aufgeführt. ⓘ

Im Jahr 2011 empfahl eine Expertenarbeitsgruppe ein Neugeborenenscreening mit Pulsoximetrie, um die Erkennung kritischer angeborener Herzfehler (CCHD) zu verbessern. Die CCHD-Arbeitsgruppe berief sich auf die Ergebnisse von zwei großen, prospektiven Studien mit 59.876 Probanden, die ausschließlich die Technologie der Signalextraktion einsetzten, um die Identifizierung von CCHD mit minimalen falsch-positiven Ergebnissen zu erhöhen. Die CCHD-Arbeitsgruppe empfahl, das Neugeborenen-Screening mit einer bewegungstoleranten Pulsoximetrie durchzuführen, die auch bei geringer Perfusion validiert wurde. Im Jahr 2011 nahm der US-Gesundheitsminister die Pulsoximetrie in das empfohlene einheitliche Screening-Panel auf. Bevor die Evidenz für das Screening mittels Signalextraktionstechnologie vorlag, wurden weniger als 1 % der Neugeborenen in den Vereinigten Staaten gescreent. Heute hat die Newborn Foundation dokumentiert, dass das Screening in den Vereinigten Staaten nahezu flächendeckend durchgeführt wird, und auch auf internationaler Ebene wird das Screening rasch ausgeweitet. Im Jahr 2014 zeigte eine dritte große Studie mit 122.738 Neugeborenen, die ebenfalls ausschließlich die Signalextraktionstechnologie verwendete, ähnliche positive Ergebnisse wie die ersten beiden großen Studien. ⓘ

Die hochauflösende Pulsoximetrie (HRPO) wurde für das häusliche Schlafapnoe-Screening und für Tests bei Patienten entwickelt, bei denen eine Polysomnographie nicht durchführbar ist. Es speichert und zeichnet sowohl die Pulsfrequenz als auch den SpO₂ in 1-Sekunden-Intervallen auf und hat in einer Studie gezeigt, dass es hilft, Schlafstörungen bei chirurgischen Patienten zu erkennen. ⓘ

Das optische Messprinzip der Sauerstoffsättigung des Blutes wurde erstmals 1935 von Karl Matthes in Leipzig am menschlichen Ohrläppchen beschrieben. Es folgten in den 1940er Jahren Arbeiten von Glenn Allan Millikan, der das erste optische Oxymeter entwickelte. Zur damaligen Zeit waren die technischen Voraussetzungen für eine praktische Umsetzung aber noch nicht gegeben, als optische Empfänger standen beispielsweise nur vergleichsweise voluminöse Photozellen zur Verfügung, weshalb eine praktische Weiterentwicklung zur einfachen klinischen Anwendbarkeit zunächst nicht stattfand. Erst 1972 baute Ingenieur Takuo Aoyagi von Nihon Kohden ein praktikables, nicht-invasives Modell, das am Ohrläppchen befestigt wurde und 1975 in die klinische Erprobung kam. Minolta stellte 1977 ein Modell vor, welches am Finger befestigt wurde. In einer parallelen Eigenentwicklung fand dieses Verfahren in Deutschland unter der Bezeichnung Photoplethysmographie erstmals 1976 Anwendung in der psychophysiologischen Forschung in einem Migräne-Forschungsprojekt, konstruiert und angewandt von Christian-Peter Bernhardt, veröffentlicht im Juni 1978 an der Universität Hamburg. Der nächste Schritt kam 1980 durch die US-amerikanische Firma Biox, welche LED als Leuchtmittel benutzte. Von der Pionierarbeit durch Aoyagi erfuhr die Welt allerdings erst 1987 durch John Severinghaus, welcher dessen Messverfahren in Englisch veröffentlichte. ⓘ

Ende der 1990er Jahre wurde die Klinik für Anästhesiologie der Medizinischen Universität zu Lübeck das europaweit führende Referenzzentrum für die Entwicklung und Validierung von Pulsoximetriegeräten. ⓘ

CO-Oxymeter

CO-Oxymeter mit abgesetztem Fingerclip ⓘ

Da neben Sauerstoff an Hämoglobin auch andere Moleküle wie das giftige Kohlenmonoxid (CO) gebunden sein können, kann es bei einfachen Pulsoxymetern, welche nur mit zwei Wellenlängen arbeiten, zu Fehlmessungen kommen und eine Kohlenmonoxidvergiftung nicht von einer ausreichenden Sauerstoffsättigung unterschieden werden. Erweiterte Pulsoxymeter, auch als CO-Oxymeter bezeichnet, können auch die Bindung mit Kohlenmonoxid von der Bindung mit Sauerstoff optisch unterscheiden. Dabei werden, bei identischem Messprinzip, mehrere Absorptionswerte bei vier bis sieben unterschiedlichen Wellenlängen bestimmt und zueinander in Bezug gesetzt. ⓘ

Die mit CO-Oxymetern ermittelte erweiterte fraktionelle Sauerstoffsättigung ist:

$S_{\mathrm {p} }O_{\mathrm {2} }={\frac {HbO_{\mathrm {2} }}{HbO_{\mathrm {2} }+Hb+COHb+MetHb}}$ ⓘ

mit dem prozentualen Anteil des im Blut mit Kohlenmonoxid belegten Hämoglobin COHb und MetHb für Methämoglobin, eine funktionsgestörte Form des Hämoglobins, welche zwar noch Sauerstoff in der Lunge aufnehmen, aber im Gewebe nicht mehr abgeben kann. ⓘ

Praktische Anwendung der Pulsoxymetrie

Pulsoxymetrische Darstellung mit Plethysmogramm (3. Kurve von oben, zweiter Messwert von oben) ⓘ

Im Rettungsdienst und auf Intensivstationen sowie in der Anästhesie ist die Pulsoxymetrie Teil des Standardmonitorings des Patienten. Bei Frühgeburten wird zur weiteren häuslichen Überwachung oft ein Überwachungsmonitor eingesetzt, der die Atemfrequenz, die Sauerstoffsättigung und den Puls anzeigt. ⓘ

Bei allen Neugeborenen in Deutschland ist seit dem 28. Januar 2017 ein Pulsoxymetrie-Screening auf kritische angeborene Herzfehler vorgeschrieben. Dabei wird im Alter von 24 bis 48 Stunden nach der Geburt ein Wert an einem Fuß des Neugeborenen gemessen und bei auffälligen Werten eine weitere Abklärung veranlasst. ⓘ

Bei der Überwachung von Frühgeborenen in der neonatalen Intensivmedizin kommt häufig auch die duale Pulsoxymetrie (rechts/links) zum Einsatz, um bei diagnostiziertem persistierenden Ductus arteriosus den Unterschied zwischen präduktaler und postduktaler Sauerstoffsättigung im zeitlichen Verlauf zu erfassen. ⓘ

In der Schlafmedizin ist die Pulsoxymetrie ein wichtiges Messverfahren zur Erkennung von Schlafapnoe. ⓘ

Die Pulsoxymetrie wird in der Sportfliegerei bei Flügen in große Höhen eingesetzt, um so durch Selbstkontrolle einer Hypoxie vorbeugen zu können. ⓘ

Beim Höhenbergsteigen werden immer öfter Pulsoxymeter verwendet, um frühzeitig Hinweise auf eine drohende Höhenkrankheit zu erhalten. ⓘ

Auch im privaten Bereich werden häufiger im Rahmen der Quantified-Self-Bewegung Pulsoxymeter oder Wearables mit integrierten Pulsoxymetern verwendet. ⓘ

Im Zuge der COVID-19-Pandemie empfahl der Notfallmediziner Richard Levitan in der New York Times die Verwendung von Pulsoxymetern zur Überwachung von Infizierten in ihren Häusern und Wohnungen, um rechtzeitig feststellen zu können, wann eine stationäre Behandlung angezeigt ist. Als Begründung führte Levitan aus, dass die Lungen der Patienten auch bei schwerem Krankheitsverlauf trotz sinkendem Sauerstoffgehalt noch eine Zeit lang Kohlendioxid abführten, so dass die Patienten noch keine Atemnot verspürten, obwohl eine Behandlung im Krankenhaus bereits nötig sei. ⓘ

Zerebrale Oxymetrie

Spezielle Geräte sind in der Lage, die Sauerstoffsättigung nicht nur durch die Haut, sondern auch durch den Schädelknochen hindurch zu messen. Bei der sog. zerebralen Oxymetrie können Lichtsender und Lichtempfänger nicht in einer Linie hintereinander angebracht werden. Der Sender und die Empfänger sind wenige Zentimeter voneinander entfernt an der Stirn befestigt. Geringe Mengen des Infrarotlichts gelangen durch den Knochenschädel und das Gehirn und werden dort in einer Tiefe von bis zu 2,5 cm gestreut. Durch die Streuung wird das Licht in alle Richtungen verteilt und gelangt somit auch zu den Empfängern auf der Haut. Die beiden Empfänger messen die Sättigung in einer bestimmten Entfernung voneinander. Auf diese Weise kann durch die beiden leicht unterschiedlichen Messwerte bei bekanntem Streuungswinkel die Sauerstoffsättigung des Blutes im schädelnahen Gehirn abgeschätzt werden. Bei jungen gesunden Patienten, die normale Luft atmen, beträgt die Sättigung in diesem kapillarähnlichen Bereich ca. 60–70 %. Bei älteren oder kranken Patienten kann dieser Ausgangswert auch niedriger sein. Kommt es zu einem Sauerstoffmangel im Gehirn, z. B. durch eine Unterversorgung mit Blut, fällt dieser Wert ab. Nach Schätzungen sind 50 % als der absolute untere Grenzwert anzusehen, bei dem Hirnschäden entstehen können. ⓘ

Zur Anwendung kommt die zerebrale Oxymetrie bei Operationen an den hirnversorgenden Gefäßen, z. B. der Arteria carotis. Bei diesen Operationen muss teilweise die Blutversorgung des Gehirns auf einer Seite kontrolliert unterbrochen werden. Durch Messung der zerebralen Sauerstoffsättigung kann abgeschätzt werden, wie lange das Gehirn mit der eingeschränkten Blutversorgung auskommen kann. Kommt es zum Abfall der Sättigung, kann es notwendig werden, die Operation an der Arterie zu unterbrechen und zum Beispiel einen provisorischen Shunt einzulegen, der die Blutversorgung wieder herstellt. ⓘ

Interpretation

• Normoxämie: 95–99 % S_pO₂
• Mäßige Hypoxämie: 90–94 % S_pO₂
• Mittelgradige Hypoxämie: 85–89 % S_pO₂
• Hochgradige Hypoxämie: <85 % S_pO_{2 ⓘ}