Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Annemarie Zegers
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/2004/artikel.pag?objectnumber=26776
16 juli 2004, 2004/10

Nieuwe methode om zuurstofgehalte in bloed nauwkeurig te bepalen

Onderzoekers van de Stichting FOM, het Academisch Medisch Centrum in Amsterdam, de Duke University in de Verenigde Staten en de Universiteit Twente hebben een nieuwe betrouwbare methode ontwikkeld om de verstrooiing van licht aan rode bloedcellen nauwkeurig te bepalen. Dit is van belang voor het bepalen van de hoeveelheid zuurstof in het bloed van patiënten op bijvoorbeeld de afdelingen intensive care en neonatologie of van kankerpatiënten. De onderzoekers publiceerden de resultaten van het onderzoek op 9 juli 2004 in het tijdschrift Physical Review Letters.
vergroten Figuur 1: Brekingsindex. De verstrooiingseigenschappen van een rode bloedcel zijn uit te rekenen als de brekingsindex van de cel, die met name bepaald wordt door het aanwezige hemoglobine, bekend is. Deze brekingsindex van (geoxygeneerd) hemoglobine berekenen de onderzoekers met behulp van de zogenaamde Kramers Kronig-relaties uit de absorptiespectra van beide moleculen. Nauwkeurige metingen van de brekingsindex bij achthonderd nanometer leveren een ijkpunt voor deze spectra.
vergroten Figuur 2: Verstrooiingscoëfficiënt. Na het bepalen van de complexe brekingsindex van (geoxygeneerd) hemoglobine, gebruiken de wetenschappers de resultaten om de verstrooiingscoëfficiënt van onverdund (geoxygeneerd) bloed te berekenen met behulp van Mie-theorie.

Zuurstof in bloed

In ons lichaam vervoert bloed zuurstof van de longen naar alle weefsels. Tijdens dit transport binden de hemoglobinemoleculen (Hb), die in rode bloedcellen aanwezig zijn, de zuurstofmoleculen (O2 ). Eén molecuul hemoglobine kan vier zuurstofmoleculen meenemen op transport. Als de zuurstofmoleculen zijn afgeleverd kan hemoglobine opnieuw zuurstof binden en transporteren.

Om te bepalen hoeveel zuurstof het bloed van een patiënt bevat hebben artsen een aantal optische methoden tot hun beschikking. Daarmee bepalen zij de zogenaamde zuurstofverzadiging, de fractie hemoglobine met zuurstof (geoxygeneerd hemoglobine, HbO2) ten opzichte van de totale hoeveelheid hemoglobine. Om deze verhouding te kunnen bepalen is het dus van belang hemoglobine met zuurstof te onderscheiden van 'gewoon' Hb.

Interactie met licht
Methoden die wetenschappers en artsen op dit moment gebruiken voor het bepalen van de zuurstofverzadiging zijn gebaseerd op de interactie van licht met bloed. De absorptie van licht hangt namelijk af van de zuurstofverzadiging van bloed. Deze optische methoden hebben als voordeel dat artsen het verloop van de zuurstofverzadiging continue kunnen volgen zonder dat ze in het lichaam van de patiënt hoeven te snijden of prikken.

Er zitten echter ook nadelen aan optische methoden. Deze technieken meten een 'verlies' aan licht. Behalve door absorptie treedt ook verlies op omdat rode bloedcellen licht verstrooien. Kennis van verstrooiing ontbreekt en daarom houden de huidige methoden ook geen rekening met dit verlies. De mate van verstrooiing en de invloed ervan op het bepalen van de verzadiging zijn experimenteel lastig vast te stellen omdat het meeste licht verstrooid wordt in de richting van de lichtstraal en dus moeilijk te onderscheiden is van onverstrooid licht. Daarnaast is de weglengte die gedetecteerd licht heeft afgelegd in weefsel of bloed onbekend en verschilt de verstrooiing per weefsel type en per persoon. Een betrouwbare kwantitatieve bepaling van de zuurstofverzadiging is daarom niet mogelijk.

Recent ontwikkelde technieken zoals optische coherentietomografie (OCT) maken het mogelijk om de optische weglengte van licht te bepalen en dus iets te zeggen over de verstrooiing aan bloedcellen. OCT is een techniek waarmee onderzoekers afbeeldingen van weefsel op micrometerschaal kunnen maken, vergelijkbaar met echografie. Voor een kwantitatieve bepaling van de zuurstofverzadiging is het echter nodig de verstrooiing van licht door rode bloedcellen precies te bepalen.

Verstrooiing aan rode bloedcellen
FOM-oio Dirk Faber, prof. Ton van Leeuwen en hun collega’s hebben een methode ontwikkeld om de verstrooiing aan bloed te achterhalen: de verstrooiingseigenschappen van een rode bloedcel zijn uit te rekenen als de brekingsindex van de cel, die met name bepaald wordt door het aanwezige hemoglobine, bekend is. Deze complexe brekingsindex van (geoxygeneerd) hemoglobine berekenen zij met behulp van de zogenaamde Kramers Kronig-relaties uit de absorptiespectra van beide moleculen. Omdat deze twee spectra slechts in een klein golflengtegebied te meten zijn, is een ijkmeting van de brekingsindex noodzakelijk. De onderzoekers hebben bij een golflengte van 800 nanometer (één nanometer is een miljoenste millimeter) de brekingsindices bepaald met behulp van een laag-coherente interferometrie-opstelling. Hiermee hebben zij nauwkeurig de optische dikte van een cuvet gevuld met (geoxygeneerd) hemoglobine bepaald. De verhouding tussen de optische dikte en de werkelijke dikte is gelijk aan de brekingsindex. Vervolgens gebruikten zij deze brekingsindices om met Mie-theorie de verstrooiingseigenschappen van een rode bloedcel uit te rekenen. Wetenschappers gebruiken Mie-theorie om de verstrooiingseigenschappen van homogene bolletjes te berekenen. Metingen hebben aangetoond dat de resultaten goed bruikbaar zijn voor rode bloedcellen, ook al zijn dit geen homogene bolletjes.

Resultaten
Uit de resultaten van Faber en zijn collega's blijkt dat de verstrooiing aan bloed zowel afhangt van de golflengte van het licht als van de zuurstofverzadiging. Om kwantitatieve metingen van de zuurstofverzadiging van weefsels mogelijk te maken zal men met deze eigenschappen rekening moeten houden. Dit is zeker van belang in recent ontwikkelde technieken die zeer kleine en nauwkeurig gelocaliseerde meetvolumes mogelijk maken. Dit kan bijvoorbeeld van belang zijn op de intensive care en de neonatologie, en in onderzoek naar kanker. Mede op basis van dit onderzoek kunnen nieuwe apparaten worden ontwikkeld waarbij de weglengte van het licht bekend is, en de verstrooiingseigenschappen gebruikt worden om kwantitatieve metingen van zuurstofverzadiging mogelijk te maken.

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Connie Engelberts of Andrea Hijmans, afdeling Voorlichting van het Academisch Medisch Centrum in Amsterdam, telefoon (020) 566 29 29.

Het artikel is hier te vinden.