Wearable-Medizintechnik Lichtsensoren für die Selbstvermessung

Mit Wearable Gadgets zeichnen immer mehr Menschen Daten über ihr körperliches Befinden auf. Für Messungen des Pulses und der Sauerstoffsättigung des Bluts bieten sich optische Sensoren an. Wie sich Selbstvermessungslösungen für den Endverbraucher realisieren lassen, lesen Sie im folgenden Beitrag.

Angefangen hat es mit Armbändern zur Aufzeichnung der Schrittfrequenz. Mittlerweile messen viele Aktivitäts-Tracker wie Fitnessarmbänder oder Smartwatches auch die Herzfrequenz und andere Gesundheitsparameter oder beobachten die Schlafqualität. Die neuen Möglichkeiten zur Beobachtung des eigenen Körpers haben viele gepackt und die sogenannte Quantified-Self-Bewegung wächst. Nach Angaben des Branchenverbands Bitkom verwendeten im April 2014 schon knapp 13 Prozent der Deutschen – das sind gut zehn Millionen Menschen – Fitness-Tracker. Und große Anbieter wie Samsung, Apple oder Google steigen mit entsprechenden Apps, Smartwatches und Smart­phones in diesen Markt ein.

Während Schrittzähler Beschleunigungssensoren nutzen, finden mit Puls- und Blutsauerstoffmessung optische Messverfahren aus der Medizintechnik Eingang in den Endverbrauchermarkt. In der Medizin sind die Sensoren meist in Ohr- oder Fingerclips eingebaut. Die Smartwatch Mio Alpha war 2013 das erste Armband, das über einen optischen Sensor den Puls am Handgelenk maß – ein deutlicher Fortschritt gegenüber dem bei Sportlern verwendeten Brustgurt, den kaum jemand über längere Zeit tragen möchte. Auch Smartphones bieten die Möglichkeit, am Finger den Puls zu messen. Mittlerweile gibt es erste Fitnessarmbänder, bei denen Nutzer den Finger auf ein Fenster auflegen können, um den Sauerstoffgehalt des Bluts zu prüfen. Diese Eigenschaft ist beispielsweise spannend für Personen, die in großer Höhe unterwegs sind, also für Höhenbergsteiger und Drachen- oder Segelflieger, sowie für Personen mit Herz- oder Lungenpro­blemen.

Die Fitnesswerte optisch messen

Als Grundlage der Sensoren für Puls und Blutsauerstoffsättigung dient das Verfahren der Photoplethysmographie (PPG), bei der die Änderung des Blutvolumens in den Blutgefäßen optisch gemessen wird. Die Methode nutzt aus, dass sich die Blutmenge, die in den Arterien transportiert wird, mit dem Herzzyklus ändert. Das Herz wirft rhythmisch abwechselnd Blut aus (Systole) und saugt es ein (Diastole). Entsprechend fließt während der Systole mehr Blut durch die Arterie, während der Diastole weniger. Misst man die Änderung des Blutvolumens an einer Körperstelle, lässt sich aus der Periodizität des Messignals der Puls ableiten.

Die Messung des Blutvolumens basiert auf der Lichtabsorption des im Blut enthaltenen Hämoglobins (Bild1). Der Sensor, bestehend aus nebeneinander angeordneter Lichtquelle und Detektor, sitzt direkt an der Haut. Das abgestrahlte Licht durchdringt Haut, Gewebe sowie Blutgefäße und wird absorbiert, transmittiert oder reflektiert. Die Menge des vom Detektor registrierten, reflektierten Lichts verändert sich mit der veränderlichen Blutmenge, die die Arterien durchströmt. In Bild 2 ist dargestellt, wie das Detektorsignal bei der PPG-Messung entsteht. Das auf die Haut eingestrahlte Licht (I0) wird von Gewebe, venösem Blut und arteriellem Blut absorbiert oder auf den Detektor zurückreflektiert. Der veränderliche Signalanteil entspricht der mit dem Herzschlag pulsierenden Blutmenge in den Arterien. Aus der Periodizität dieses Signals ergibt sich der Puls. Das Verhältnis von minimalem zu maximalem Detektorsignal (Photostrom Imin/Imax) ist maßgeblich für die Ermittlung der Sauerstoffsättigung des Bluts. Die geeignete Wellenlänge für diese Messung hängt von der Körperstelle ab. Am Handgelenk liefert grünes Licht die besten Ergebnisse, am Finger wird üblicherweise mit rotem und infrarotem Licht gemessen.

Aus einer Messung mit infrarotem und rotem Licht lässt sich zudem die Sauerstoffsättigung des arteriellen Bluts ermitteln. Diese sogenannte Pulsoxymetrie ist die einzige Methode, um die Blutsauerstoffsättigung nichtinvasiv, also ohne die Entnahme einer Blutprobe, zu bestimmen. Pulsoxymetrie nutzt die Tatsache, dass sauerstoffarmes und sauerstoffreiches Blut Licht unterschiedlich absorbiert. Der Sauerstofftransport im Blut erfolgt über das Molekül Hämoglobin (Hb). Bindet das Molekül Sauerstoff (Oxyhämoglobin HbO2), verändert sich sein Absorptionsverhalten (Bild 3). Aus den Konzentrationen der beiden Hämoglobinmoleküle im Blut (cHbO2 und cHb) ergibt sich die Sauerstoffsättigung des Bluts SpO2: SpO2= cHbO2/(cHbO2 + cHb).

Die Konzentration einer lichtabsorbierenden Sub­stanz in einem durchstrahlten Medium ergibt sich aus dem Maß der Absorption. Für die zuverlässige Bestimmung von cHbO2 bzw. cHb aus PPG-Messungen werden zwei verschiedene Wellenlängen eingesetzt [1]. Sehr gut geeignet sind rotes Licht mit 660 nm Wellenlänge und in­frarotes Licht mit 940 nm, weil hier das Absorptionsverhalten der beiden Hämoglobinvarianten Hb und HbO2 die größten Unterschiede aufweist. Um die Sauerstoffsättigung des arteriellen Bluts zu ermitteln, betrachtet man die Absorption des pulsierenden Signalanteils (Bild 2). Die Sauerstoffsättigung SpO2 lässt sich als Funktion des Verhältnisses der minimalen und maximalen Detektorsignale Imin/Imax bei der jeweiligen Wellenlänge ausdrücken [1].