Senzor založený na fluorescenci měří obsah kyslíku v dechu lidí přímo, přesně a v reálném čase. Pomůže tak lépe ochránit zdraví a životy.
Neinvazivní miniaturní senzor lze začlenit do stávajícího ventilačního zařízení pomocí T-konektoru © Fraunhofer IPM
Lidské tělo potřebuje ke správnému fungování dostatečnou koncentraci kyslíku. Zdravé tělo reguluje koncentraci kyslíku v krvi prostřednictvím dýchacího systému. Pokud jsou hodnoty pacienta příliš nízké nebo příliš vysoké, znamená to, že se něco pokazilo s jeho dýcháním. Z tohoto důvodu jsou spolehlivá měření koncentrací kyslíku v krvi obzvláště důležitá při péči o pacienty s dýchacími problémy, kteří dostávají umělé dýchání.
V současnosti je nejběžnější metodou stanovení hypoxie – když jsou hladiny kyslíku příliš nízké – neinvazivní metoda známá jako pulzní oxymetrie. Malé zařízení zvané pulzní oxymetr je připevněno k pacientovu prstu, aby se zobrazila koncentrace O2 v krvi. Problém je v tom, že měření nejsou přesná. Jediný způsob, jak získat spolehlivější hodnoty, je odebrat vzorek arteriální krve a následně provést rozbor krevních plynů, což je pro pacienta nepříjemný a někdy až bolestivý zákrok.
Fraunhoferův IPM ve Freiburgu proto ve snaze umožnit v budoucnu bezbolestná a přitom ultrapřesná měření vyvinul neinvazivní senzor. Po připojení k dýchací masce nebo hadici ventilátoru překoná současný stav technologického pokroku z hlediska přesnosti a hospodárnosti a nahradí stávající měřicí systémy.
Senzor měří obsah kyslíku v dechu lidí, což umožňuje extrapolovat na koncentraci kyslíku v krvi. Využívá přitom tzv. zhášecí efekt, který vědci vyvinuli. Při této metodě je fluorescenční povlak nanesený na hliníkovém substrátu vystaven krátkovlnnému světlu, které způsobí, že vrstva září. Vyzařované světlo má delší vlnovou délku než světlo, které fluorescenční látku „vzrušuje“, což znamená, že má nižší energii. Poté, co se molekuly kyslíku dostanou do kontaktu s povlakem, fluorescenční světlo se výrazně sníží. Čím slabší světlo, tím vyšší koncentrace kyslíku.
Popisovaná metoda měření je tak rychlá a přesná, že dokáže měřit koncentrace kyslíku až na úroveň jednotlivých dechů.
Nová metoda v lékařském inženýrství
Pro vývoj fluoroforového povlaku vědci z Fraunhoferova IPM studovali různé fluorescenční chemické sloučeniny s optimálními vlastnostmi, pokud jde o dobu odezvy, intenzitu signálu a dlouhodobou stabilitu. Nakonec si vybrali typ pyrenu. K vytvoření vrstvy musel být fluorofor zapuštěn do vhodné matrice, což představuje je složitý proces.
Princip se již používá ke stanovení koncentrace rozpuštěného kyslíku v kapalinách v odvětvích, jako je potravinářský průmysl, a například v čistírnách vod a odpadních vod. V lékařském inženýrství je však tato metoda nová.
Výhodou tohoto principu je, že senzor umožňuje kontinuální měření koncentrace kyslíku po celý den, zatímco invazivní odběry arteriální krve se běžně provádějí pouze jednou denně, u kritických pacientů na jednotce intenzivní péče několikrát denně. V mezidobí však nemají lékaři k dispozici žádné údaje o změnách zdravotního stavu pacienta.
Miniaturní senzor má v průměru pouhých 26 mm. Může být tedy připojen k jakémukoli T-konektoru, standardizovanému adaptéru, který je pak připojen k dýchací masce nebo ventilační trubici. Senzorová hlava s integrovanou optikou obsahuje LED světelný zdroj, detektor, dvě safírové čočky a vzorek s fluoroforovým povlakem, který musí nemocniční personál pravidelně měnit. Vzorek musí být uchováván ve sterilním a plynotěsném skladu, stejně jako obvazy.
Výzkumníci v současné době zkoumají, zda existují křížové citlivosti na jiné plyny, jako je CO2, které by mohly signál měření kyslíku senzoru zhoršit. Studují také vliv parametrů, jako je vlhkost a teplota na signál, dlouhodobá stabilita systému a různé možnosti sterilního skladování.
Hana Kovářová a Michael Málek