Bestimmung optischer Eigenschaften von humanem Vollblut in Abhängigkeit von verschiedenen physiologischen und biochemischen Zustandsparametern

Ungeachtet ihrer Bedeutung für zahlreiche diagnostische und therapeutische Verfahren in der Medizin lagen bis jetzt keine umfassenden Daten für die optischen Eigenschaften von Blut vor, mit deren Hilfe die Lichtausbreitung und Lichtverteilung in diesem Medium berechnet werden kann. Die systematische und unabhängige Bestimmung der aus der Strahlungstransporttheorie abgeleiteten optischen Parameter Absorptionskoeffizient µa, Streukoeffizient µs und Streuphasenfunktion bzw. Anisotropiefaktor g in einem relevanten Spektralbereich unter gleichzeitiger Erfassung des Einflusses relevanter physiologischer und biochemischer Zustandsparameter stand bisher aus.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden grundlegende Messungen dieser optischen Parameter von Vollblut, das sich aus Erythrozyten, Thrombozyten, Leukozyten und Blutplasma zusammensetzt, im Hämatokritbereich von 0,8% bis 42% im Spektralbereich 250 1100 nm angestellt. Berücksichtigt wurden hierbei die physiologischen und bio-chemischen Zustandsparameter Hämatokrit, Hämolyse, Sauerstoffsättigung, Blutplasma-osmolarität und die blutströmungsabhängige Scherspannung sowie die Konzentration von Leukozyten und Thrombozyten. Ebenso wurde der Einfluss der biologischen Varianz der Blutzelleigenschaften auf das optische Verhalten untersucht.
Zur Bewältigung dieser Aufgabe wurde als iteratives Verfahren zur Lösung der Strahlungstransportgleichung eine hochgenaue Monte-Carlo-Simulation verwendet. Bei diesem Verfahren besteht die Problematik in der Auswahl einer passenden effektiven Streuphasenfunktion, da diese einen erheblichen Einfluss auf die Bestimmung der Streuparameter µs und g hat. Bis dahin unternommene Bestimmungen der Streuphasenfunktion durch goniometrische Messungen an Einzelzellen oder extrem verdünnten Zellsuspensionen berücksichtigten nicht die extrem hohe physiologische Zellkonzentration wie auch unter Strömung auftretende Zellverformungs- und Anordnungsphänomene. Durch ein neuartiges Simulationsverfahren konnten geeignete effektive Streuphasenfunktionen gefunden werden, die es ermöglichen, auch in der Strahlungstransportgleichung nicht berücksichtigte Effekte wie Kollektivstreuung, Interferenz oder Formeinflüsse der Streupartikel zu beschreiben. Darüber hinaus wurden auf der Basis der Messung des wellenlängenabhängigen komplexen Brechungsindexes von Hämoglobin-lösungen zum Vergleich Untersuchungen zum Gültigkeitsbereich der Mie-Theorie für die Berechnung des optischen Verhaltens von Blut angestellt.
Mit den vorliegenden Ergebnissen wurde ein umfassendes physikalisches Verständnis des optischen Verhaltens von humanem Vollblut gewonnen, so dass es nunmehr möglich ist, für ein Blut von verschiedenster Zusammensetzung und Beschaffenheit einen Satz gültiger optischer Parameter anzugeben. Diese Kenntnis des optischen Verhaltens ermöglicht die Simulation der Lichtausbreitung in Blut und die gezielte Entwicklung und Konstruktion von Sensoren und Messgeräten für verschiedene klinische Anwendungen und Untersuchungen. Die Lichtausbreitung in Geweben, die von Blutgefäßen durchsetzt sind, kann bezüglich des optischen Einflusses des Blutes korrigiert werden. Die Möglichkeit, aus den optischen Parametern oder im speziellen Fall aus Remissions- und Transmissionsspektren Rückschlüsse auf klinisch relevante Parameter wie Hämatokrit, Sauerstoffsättigung oder Hämolyse zu gewinnen, wurde in zahlreichen weiterführenden Arbeiten untersucht und zum Teil bereits in funktionsfähige Prototypen umgesetzt.