Wie funktioniert eigentlich…. die Pulsoxymetrie?

Die PulsoxymetriePulsoxymetrie
Die Pulsoxymetrie misst nichtinvasiv die arterielle Sauerstoffsättigung (SpO₂) mithilfe von Infrarotlicht. Sie dient der Überwachung der Oxygenierung während Narkose, Sedierung und postoperativ. Werte unter 90 % erfordern ärztliches Eingreifen.
[Zum Glossareintrag] ist ein optisches Messverfahren. Es misst nicht direkt den Sauerstoff im Blut, sondern schätzt die arterielle SauerstoffsättigungSauerstoffsättigung
Die Sauerstoffsättigung (SpO₂/SaO₂) beschreibt den prozentualen Anteil des Hämoglobins, der mit Sauerstoff beladen ist. Normalwerte liegen meist bei 95–100 %. Sie ist ein zentraler Parameter im Anästhesie-Monitoring zur Beurteilung der Oxygenierung.
[Zum Glossareintrag] anhand der Lichtabsorption im durchbluteten Gewebe. Das Ergebnis wird als SpO₂ angezeigt.

Das Grundprinzip ist denkbar einfach: Ein Sensor sendet Licht durch Gewebe – typischerweise durch einen Finger. Ein gegenüberliegender Empfänger misst, wie viel Licht ankommt. Aus der Abschwächung berechnet das Gerät die Sauerstoffsättigung.

Aufbau eines Pulsoxymeters

Ein klassischer Pulsoxymeter-Sensor besteht aus drei Bauteilen: einer roten LED, einer infraroten LED und einem Fotodetektor. Die LEDs senden Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen aus – typisch sind rotes Licht um 660 nm und infrarotes Licht um 940 nm. Der Fotodetektor misst, wie stark diese Lichtanteile nach dem Durchtritt durch das Gewebe abgeschwächt wurden.

Bei einem Fingerclip liegen Sender und Empfänger einander gegenüber. Das Licht durchdringt dabei Haut, Gewebe, venöses Blut, arterielles Blut und Knochenanteile. Das Gerät muss aus diesem gemischten Signal den Anteil herausfiltern, der tatsächlich vom pulsatilen arteriellen Blut stammt.

Im Betrieb wechseln die beiden LEDs rasch ab – rote LED an, infrarote LED an, dann beide aus. Dieser dritte Zustand dient dazu, das Umgebungslicht zu messen und herauszurechnen. Der Fotodetektor registriert in jedem dieser Zustände die ankommende Lichtintensität, das Gerät zieht den Umgebungslichtanteil ab.

Warum zwei Lichtfarben?

Hämoglobin verändert seine optischen Eigenschaften abhängig davon, ob Sauerstoff gebunden ist oder nicht – und genau das macht die PulsoxymetriePulsoxymetrie
Die Pulsoxymetrie misst nichtinvasiv die arterielle Sauerstoffsättigung (SpO₂) mithilfe von Infrarotlicht. Sie dient der Überwachung der Oxygenierung während Narkose, Sedierung und postoperativ. Werte unter 90 % erfordern ärztliches Eingreifen.
[Zum Glossareintrag] möglich.

Desoxygeniertes Hämoglobin absorbiert rotes Licht (660 nm) deutlich stärker als oxygeniertes. Daher erscheint venöses Blut dunkelrot, arterielles Blut dagegen hellrot. Bei infrarotem Licht (940 nm) kehrt sich das Verhältnis um: Oxygeniertes Hämoglobin absorbiert in diesem Bereich etwas stärker als desoxygeniertes.

Das Pulsoxymeter vergleicht daher, wie stark rotes und infrarotes Licht jeweils abgeschwächt werden. Aus diesem Verhältnis lässt sich abschätzen, welcher Anteil des Hämoglobins mit Sauerstoff beladen ist.

Das Kernproblem: arterielles Signal aus dem Rauschen isolieren

Ein Pulsoxymeter misst zunächst alles, was im Messbereich Licht absorbiert – Haut, Gewebe, Knochen, venöses Blut, kapilläres Blut und arterielles Blut. Für die SauerstoffsättigungSauerstoffsättigung
Die Sauerstoffsättigung (SpO₂/SaO₂) beschreibt den prozentualen Anteil des Hämoglobins, der mit Sauerstoff beladen ist. Normalwerte liegen meist bei 95–100 %. Sie ist ein zentraler Parameter im Anästhesie-Monitoring zur Beurteilung der Oxygenierung.
[Zum Glossareintrag] interessiert aber ausschließlich das arterielle Blut.

Die Lösung liegt im PulsHerzfrequenz
Die Herzfrequenz ist die Anzahl der Herzschläge pro Minute und ein zentraler Vitalparameter. Veränderungen können auf Schmerz, Volumenmangel, Rhythmusstörungen oder Medikamentenwirkungen hinweisen und müssen im perioperativen Monitoring immer im Kontext beurteilt werden.
[Zum Glossareintrag] selbst: Mit jedem Herzschlag steigt das arterielle Blutvolumen im Messgebiet kurz an und fällt dann wieder ab. Dadurch schwankt die Lichtabsorption rhythmisch. Nicht pulsierende Strukturen – Gewebe, Knochen, der größte Teil des venösen Blutes – bleiben dagegen annähernd konstant.

Das Gerät trennt deshalb zwei Signalanteile: einen konstanten Anteil (DC) und einen pulsierenden Anteil (AC). Für die SpO₂-Berechnung ist der pulsierende Anteil entscheidend, weil er fast ausschließlich vom arteriellen Blut stammt.

Photoplethysmographie: die Grundlage der Pulskurve

Was dabei entsteht, ist ein photoplethysmographisches Signal – Licht wird genutzt, um Volumenänderungen im Gewebe zu erfassen. Wenn in der SystoleSystole
Die Systole ist die Kontraktionsphase der Herzkammern, in der Blut in die großen Arterien ausgeworfen wird. Der systolische Blutdruck ist ein wichtiger Parameter im hämodynamischen Monitoring.
[Zum Glossareintrag] mehr Blut in den Finger gelangt, wird mehr Licht absorbiert. In der DiastoleDiastole
Die Diastole ist die Entspannungs- und Füllungsphase des Herzens, in der die Ventrikel mit Blut gefüllt werden. Besonders die Koronararterien werden vorwiegend in der Diastole durchblutet, sodass eine zu kurze Diastolendauer, etwa bei Tachykardie, die myokardiale Sauerstoffversorgung verschlechtern kann.
[Zum Glossareintrag] nimmt dieser Anteil wieder ab. Das ergibt eine Kurve, die der arteriellen Pulswelle entspricht.

Diese sogenannte Pleth-Kurve zeigt nicht direkt den BlutdruckBlutdruck
Blutdruck ist der Druck des Blutes in den Arterien. In der Anästhesie ist die kontinuierliche Überwachung entscheidend, um Hypo- oder Hypertonie rechtzeitig zu erkennen.
[Zum Glossareintrag], sondern die optisch gemessene pulssynchrone Volumenänderung im Gewebe. Sie ist gleichzeitig die Grundlage für die Pulsfrequenzberechnung: Das Gerät zählt einfach die Schwankungen pro Minute.

Wie aus Lichtabsorption ein SpO₂-Wert wird

Für beide Wellenlängen wird der pulsierende Anteil ins Verhältnis zum konstanten Anteil gesetzt. Anschließend werden diese beiden Verhältnisse miteinander verglichen:

R = (AC rot / DC rot) ÷ (AC infrarot / DC infrarot)

Dieses sogenannte „Ratio of Ratios“ wird mit einer im Gerät hinterlegten Kalibrierungskurve verglichen, die auf empirischen Messungen an freiwilligen Probanden basiert. Daraus berechnet der Pulsoxymeter den angezeigten SpO₂-Wert.

Daraus folgt: SpO₂ ist kein direkt gemessener Laborwert, sondern eine berechnete Schätzung – mit einer typischen Messgenauigkeit von ±2 % im Bereich von 70–100 % SaO₂. Zudem basiert die Kalibrierung historisch auf Daten, die überwiegend an hellhäutigen Probanden erhoben wurden. Bei Personen mit dunklerer Hautfarbe kann das zu systematischen Überschätzungen führen, ein Problem, das in der medizinischen Literatur zunehmend diskutiert wird.

Signalverarbeitung im Gerät

Ein Pulsoxymeter zeigt nicht den Rohwert der Lichtmessung an. Das Signal durchläuft mehrere Verarbeitungsschritte: LEDs wechseln sich ab, Umgebungslicht wird abgezogen, konstante und pulsierende Anteile werden getrennt, Bewegungsartefakte gefiltert. Schließlich wird die Pulswelle erkannt, der SpO₂-Wert berechnet und über mehrere Sekunden geglättet.

Deshalb reagiert ein Pulsoxymeter nicht sofort auf Veränderungen. Der angezeigte Wert ist ein Mittelwert und kann der tatsächlichen Entwicklung einige Sekunden hinterherlaufen. Bei raschen Entsättigungen ist das klinisch relevant.

Transmissions- und Reflexionsmessung

Es gibt zwei technische Messprinzipien. Bei der Transmissionsmessung liegen Lichtquelle und Fotodetektor einander gegenüber; das Licht durchdringt das Gewebe. Dieses Prinzip kommt klassischerweise am Finger, Zeh oder Ohrläppchen zum Einsatz.

Bei der Reflexionsmessung befinden sich Sender und Detektor auf derselben Seite – gemessen wird zurückgestreutes Licht. Stirnsensoren, bestimmte Sensorpflaster und Wearables arbeiten nach diesem Prinzip. Beide Verfahren nutzen dieselbe Grundlage: unterschiedliche Lichtabsorption der Hämoglobinformen und Auswertung des pulsatilen Blutanteils.

Was die Methode gut kann

Die Stärke der Pulsoxymetrie liegt in der kontinuierlichen, nichtinvasiven ÜberwachungMonitoring
Kontinuierliche Überwachung physiologischer Parameter wie EKG, Blutdruck, SpO₂, Atemfrequenz, Kapnographie und Temperatur während Anästhesie oder Intensivtherapie, um kritische Veränderungen frühzeitig zu erkennen.
[Zum Glossareintrag] von Trends: Sie erkennt, ob die Sauerstoffsättigung stabil bleibt, steigt oder fällt – ohne BlutentnahmeBlutentnahme
Blutentnahmen liefern Laborparameter wie Hb, Elektrolyte oder Gerinnung. Präoperative Werte beeinflussen Planung und Risikoeinschätzung.
[Zum Glossareintrag], ohne Wartezeit, ohne aufwändige Bedienung. Gleichzeitig liefert sie eine optische Pulskurve und die Pulsfrequenz.

Wo die Technik an ihre Grenzen stößt

Die Pulsoxymetrie ist störanfällig, sobald das optische Signal schlecht ist oder externe Faktoren die Lichtabsorption beeinflussen. Häufige Ursachen sind:

• Bewegungsartefakte durch Unruhe oder Zittern des Patienten
• schlechte periphere Durchblutung, Vasokonstriktion oder SchockSchock
  Ein Schock ist ein lebensbedrohlicher Zustand kritischer Gewebeminderperfusion, meist durch absoluten oder relativen Volumenmangel bzw. Pumpversagen. Folgen sind Zellschädigung, Laktatazidose und Organversagen. Therapie: rasche Volumengabe, Katecholamine und Beseitigung der Ursache.
  [Zum Glossareintrag]
• kalte Extremitäten
• starkes Umgebungslicht oder falsch sitzender Sensor
• Nagellack oder künstliche Nägel
• venöse Pulsationen (z. B. bei Trikuspidalinsuffizienz)
• sehr schwaches Pulssignal (niedriger Perfusionsindex)

Ein besonders kritischer Fall ist die Kohlenmonoxid-Vergiftung: CO-Hämoglobin absorbiert rotes Licht ähnlich wie oxygeniertes Hämoglobin. Ein Standard-Pulsoxymeter kann beide Formen nicht unterscheiden und zeigt daher fälschlicherweise hohe SpO₂-Werte – oft 99–100 % – an, obwohl der Patient schwer hypoxisch ist. Ähnliches gilt für Methämoglobin. Zur Differenzierung ist ein Mehrwellenlängen-Pulsoxymeter oder eine Co-Oximetrie aus Blutgas notwendig.

SpO₂ ist nicht dasselbe wie SaO₂

SpO₂ ist die per Pulsoxymetrie geschätzte periphere Sauerstoffsättigung. SaO₂ ist die arterielle Sauerstoffsättigung aus einer invasiven BlutgasanalyseBGA
Die Blutgasanalyse (BGA) misst pH, pCO₂, pO₂, Elektrolyte und Laktat. Sie ist essenziell zur Beurteilung von Oxygenierung und Ventilation sowie des metabolischen Status.
[Zum Glossareintrag]. Der Unterschied ist klinisch bedeutsam:

• SpO₂ ist ein berechneter Näherungswert, SaO₂ ein direkt gemessener Laborwert.
• Die Pulsoxymetrie liefert keine Aussage über pH, pCO₂, Bikarbonat oder Laktat.
• Ein Patient kann trotz guter SpO₂ eine ventilatorische oder metabolische Störung haben.

Die Pulsoxymetrie beantwortet technisch nur eine einzige Frage: Wie stark ist das pulsatile arterielle Hämoglobin im Messgebiet wahrscheinlich mit Sauerstoff gesättigt? Alles, was über diese Frage hinausgeht, erfordert weiterführende Diagnostik.

Pulsoxymetrie ist ein elegantes Messprinzip: Zwei Lichtfarben, ein Fotodetektor, und der Puls macht die Arbeit – indem er das arterielle Signal aus dem Hintergrundrauschen heraushebt. Die Stärke liegt in der einfachen, kontinuierlichen Überwachung. Die Grenze liegt darin, dass das Verfahren im Kern eine optische Schätzung ist und – wie jede Schätzung – unter bestimmten Bedingungen daneben liegen kann. Wer das versteht, kann den SpO₂-Wert richtig einordnen.