Welche Rolle spielen Fotodioden in Pulsoximetern? – Mechanismus, Auswahlkriterien und tragbare Anwendungen erklärt

Die neuartige Coronavirus-Krankheit (COVID-19), die die Welt ab Ende 2019 über drei Jahre lang beeinträchtigte, führte zu einem weitverbreiteten Einsatz bestimmter medizinischer Geräte zur Patientenüberwachung. Ein solches Gerät ist das Pulsoximeter. Während der Pandemie erhielten einige Personen möglicherweise ein Pulsoximeter leihweise von ihren Kommunen, während sie sich zu Hause erholten.

Funktionsweise von Pulsoximetern und Prinzipien der Sauerstoffsättigungsmessung

Pulsoximeter gehören zu den am häufigsten verwendeten Diagnosegeräten im medizinischen Bereich. Eine klammerartige Sonde wird an der Fingerspitze angebracht, um den Zustand des Hämoglobins und seine Sauerstoffbindungskapazität anhand von Unterschieden in der Lichtabsorption zu bestimmen. Aus diesen Messungen berechnet und zeigt das Gerät die Sauerstoffsättigung (SpO₂) an, die den prozentualen Sauerstoffgehalt im arteriellen Blut angibt, sowie die Pulsfrequenz.

Die Messung der Sauerstoffsättigung ist ein wichtiger Indikator, um festzustellen, ob Organe und Gewebe im gesamten Körper ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden. Da die Messung nicht-invasiv durch Anbringen des Geräts an einer Fingerspitze oder einem Ohrläppchen erfolgen kann, bietet die Pulsoximetrie einen hohen Komfort. Daher hat sich ihr Einsatzbereich über Privathaushalte und Krankenhäuser hinaus auf die häusliche Pflege, Notfallversorgung und tragbare Geräte ausgeweitet.

In Krankenhäusern werden Pulsoximeter zur Überprüfung der Vitalfunktionen von Notfallpatienten, beispielsweise nach Unfällen, sowie von Patienten mit rascher Verschlechterung des Zustands eingesetzt. Während Operationen überwachen sie kontinuierlich die Sauerstoffsättigung im Blut, um die lebensnotwendige Sauerstoffversorgung sicherzustellen. Pulsoximeter werden auch bei stationären und ambulanten Patienten im Rahmen von Routineuntersuchungen verwendet. Insbesondere Menschen mit Atemwegs- oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen, ältere Erwachsene und Raucher neigen eher zu einer verminderten Sauerstoffsättigung, weshalb eine regelmäßige Überwachung empfohlen wird. Darüber hinaus sind Pulsoximeter nützlich zur Diagnose von Schlafapnoe und zur Überwachung des körperlichen Zustands in großen Höhen.

Eine Schlüsselkomponente, die es Pulsoximetern, die für medizinische Diagnostik unerlässlich sind, ermöglicht, die Sauerstoffsättigung im Blut mit hoher Genauigkeit zu messen, ist die Photodiode, eine Art optoelektronischer Halbleiter.

Grundprinzipien von Pulsoximetern – Die Beziehung zwischen Licht und Fotodioden

Pulsoximeter senden zwei Arten von Licht aus einem kompakten Gehäuse auf die Fingerspitze und analysieren das durch das Gewebe transmittierte Licht, um den Sauerstoffgehalt im Blut zu bestimmen. Konkret nutzen sie sichtbares rotes Licht (ca. 660 nm) und Nahinfrarotlicht (ca. 940 nm), das für das menschliche Auge unsichtbar ist.

Hämoglobin, ein Protein in roten Blutkörperchen, ist dafür verantwortlich, Sauerstoff im Blut zu transportieren. Es gibt zwei Arten von Hämoglobin: sauerstoffhaltiges Hämoglobin, das an Sauerstoff gebunden ist, und sauerstoffarmes Hämoglobin, das Sauerstoff freigesetzt hat. Jede Art absorbiert Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen. Ein Pulsoximeter lenkt zwei Lichttypen auf die Fingerspitze und misst, wie viel Licht absorbiert und durchgelassen wird. Basierend auf Unterschieden in der Lichtdurchlässigkeit berechnet es genau den Anteil des Sauerstoffs im Blut, oder SpO₂. LEDs werden verwendet, um das Licht zu senden, und eine Photodiode, eine Art optoelektronischer Halbleiter, erkennt das durchgelassene Licht. Durch präzise Erfassung der Lichtintensität ermöglicht die Photodiode zuverlässige Messergebnisse.

Rolle und Auswahlkriterien für Fotodioden in Pulsoximetern

Im Sensorbereich eines Pulsoximeters passieren rotes Licht bei 660 nm und nahe Infrarotlicht bei 940 nm, das von LEDs ausgestrahlt wird, durch die Fingerspitze, und das durchgesendete Licht wird von einer Photodiode detektiert. Bei tragbaren Geräten wie Smartwatches ist eine transmissionsbasierte Messung an der Fingerspitze nicht möglich, daher werden die Messungen mit reflektiertem Licht an anderen Stellen, wie dem Handgelenk, durchgeführt. Die Photodiode ist nicht nur ein Photodetektor. Es ist eine Kernkomponente, die die Messgenauigkeit direkt beeinflusst. Die folgenden Eigenschaften sind für Photodioden in Pulsoximetern erforderlich.

• Spektrale Empfindlichkeit: Hohe Empfindlichkeit bei beiden Wellenlängen nahe 660 nm und 940 nm.
  
• Geringer Dunkelstrom: Minimierung des Rauschens (Dunkelstroms) bei fehlendem Licht, wodurch eine genaue Erfassung schwacher optischer Signale ermöglicht wird.
  
• Hohes Signal-Rausch-Verhältnis: Detektiert deutlich schwaches, durch den Körper hindurchtretendes Licht und liefert ein für die Signalverarbeitung geeignetes Ausgangssignal.
  
• Reaktionsgeschwindigkeit: Ausreichende Reaktionsfähigkeit gewährleisten, um Impulswellenformen in Echtzeit zu erfassen.
  
• Kompakte Größe und geringer Stromverbrauch: Ermöglichen ein platzsparendes Design und eine lange Betriebsdauer, die sich für Anwendungen mit tragbaren Geräten eignen.

Die Auswahl einer Photodiode, die diese Anforderungen erfüllt, ist ein wichtiger Aspekt für Konstrukteure.

Optoelektronische Technologien von Dexerials –LED Module und Fotodiode

Wir bieten LED Module als Lichtquellen und eine Reihe von Fotodioden für Pulsoximeter an.

KED691DS3 Dual-Wellenlängen LED Modul

Dieses kompakte SMD-LED Modul (3,5 mm x 2,7 mm) integriert zwei LEDs – eine für rotes Licht (660 nm) und eine für Nahinfrarotlicht (940 nm) – in einem einzigen Gehäuse. Es ermöglicht die kompakte Integration der beiden für Pulsoximeter benötigten Wellenlängen.

KPD30S Silizium-Fotodiode

Dies ist eine großflächige Photodiode, die einen Detektionswellenlängenbereich von 400 bis 1.100 nm abdeckt, was sie gut für Transmissionssensoren in Pulsoximetern geeignet macht. Sein breiter Lichtempfangsbereich fängt schwaches Licht, das durch die Fingerspitze hindurchströmt wird, effizient ein.

Zweiwellenlängen-Fotodiode

Diese Photodiode ist für die beiden Wellenlängen 660 nm und 940 nm optimiert, was zu einer verbesserten Messgenauigkeit in Pulsoximetern beiträgt.

Die Bedeutung von Pulsoximetern während der COVID-19-Pandemie hervorgehoben

Während der COVID-19-Pandemie, die ab 2020 mehrere Jahre andauerte, litten viele Patienten aufgrund einer eingeschränkten Atemfunktion unter einer sogenannten stillen Hypoxie oder asymptomatischen Hypoxämie. Stille Hypoxie bezeichnet einen Zustand, in dem der Sauerstoffgehalt im Blut ohne erkennbare Symptome wie Atemnot gefährliche Werte erreicht. Selbst ohne Symptome belasten anhaltend niedrige Sauerstoffwerte die Organe und bergen das Risiko schwerwiegender Schäden, insbesondere an Gehirn und Herz. Daher wurde die Überwachung der Sauerstoffsättigung im Blut unerlässlich. Der Einsatz von Pulsoximetern ermöglicht die Früherkennung von Auffälligkeiten und unterstützt ein rechtzeitiges medizinisches Eingreifen. Aus diesem Grund verbreitete sich die Pulsoximetrie-Messung während der Pandemie in vielen Haushalten, was zu einem rasanten Anstieg der weltweiten Nachfrage führte.

Die Zukunft des Pulsoximeter-Marktes – Tragbare Geräte und Fortschritte in der Optoelektronik

Obwohl sich der Nachfrageanstieg während der COVID-19-Pandemie stabilisiert hat, wird für den Markt für Pulsoximeter weiterhin ein stetiges Wachstum erwartet. Angesichts der zunehmenden Alterung der Bevölkerung steigt der Bedarf an häuslicher Pflege und Telemedizin, wodurch Pulsoximeter als Instrumente zur täglichen Gesundheitsüberwachung an Bedeutung gewinnen. Ein weiterer wichtiger Trend ist die Integration von Pulsoximeterfunktionen in Wearables wie Smartwatches und Fitness-Tracker. Viele Wearables, darunter Smartwatches mit einem bedeutenden Marktanteil, messen bereits die Blutsauerstoffsättigung. Die kontinuierliche 24-Stunden-Überwachung macht die kontinuierliche Gesundheitsüberwachung zugänglicher. Mit der zunehmenden Verbreitung von Wearables rücken Miniaturisierung, geringer Stromverbrauch und hohe Genauigkeit in der Produktentwicklung in den Vordergrund. Insbesondere batteriebetriebene Wearables benötigen ein energieeffizientes Design für lange Betriebszeiten. Gleichzeitig erfordert die Gewährleistung hoher Messgenauigkeit an Stellen wie dem Handgelenk hochempfindliche Fotodioden und effizientere Signalverarbeitungstechnologien.

Dexerials treibt die Produktentwicklung voran, um diesen Marktbedürfnissen durch Innovationen in optoelektronischen Halbleitertechnologien gerecht zu werden und so zu weiteren Fortschritten in der Medizin- und Gesundheitstechnologie beizutragen.