Bericht

„Inflight“-Messungen der Sauerstoffsättigung bei Höhenflügen im Himalaya und den französischen Alpen im Rahmen des “Mountain Wave Project” (MWP)

Inflight measurements of oxygen saturation during “Mountain Wave Project” (MWP) high-altitude glider flights in the Himalayan region and
the French Alps

Aus der Fachabteilung I, Fürstenfeldbruck (Kommissarischer Leiter: Oberstarzt Dr. A. Grove) des Zentrums für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luftwaffe, Köln (Generalarzt der Luftwaffe: Oberstarzt Prof. Dr. R. Schick)

Carla Ledderhos, René Heise, Christine Gammel, André Gens

WMM, 59. Jahrgang (Ausgabe 09-10/2015; S. 286-292)

Originalarbeit

Zusammenfassung

Einleitung: Vorfälle bei der amerikanischen F-22-Flotte aus der jüngsten Zeit haben sehr eindrucksvoll belegt, dass auch heute noch die Gefahr eines unbemerkten Sauerstoffmangels bei Flügen in größeren Höhen besteht.

Gegenwärtig werden Luftfahrzeugführer weltweit in Höhensimulationsanlagen trainiert, um dort ihre individuelle Sauerstoffmangelsymptomatik kennenzulernen, damit sie diese während eines potenziellen Notfalls im realen Flug auch wiedererkennen. Warnsensoren zur Erkennung eines Sauerstoffdefizits „inflight“ sind bis heute in praxi immer noch nicht etabliert.

Voruntersuchungen unserer Arbeitsgruppe in der Unterdruckkammer, auf Vibrationsplattformen und im realen Flugbetrieb zeigten, dass Präzision und Signalqualität verschiedener Pulsoxymeter ausreichend hoch sind, um sie als Warnsensoren für einen Sauerstoffmangel bei Piloten in Betracht zu ziehen. Photo Abb. 1: 3100 WristOxTM -Pulsoximeteruhr (roter Pfeil) mit Stirnsensor 8 000R (blauer Pfeil) und Sensorhalter (gelber Pfeil)

Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen war es, die Ausfall- und Fehlerrate dieser Systeme bei Anbringung an verschiedenen Messorten (Stirn, Brust- und Schienbein) im Rahmen von  Wellen-Höhenflügen mit ausgeprägten Temperaturschwankungen und Turbulenzen zu analysieren und durch Vergleiche den optimalen Messort für eine „in-flight“-Messung zu bestimmen. Darüber hinaus sollten die Messergebnisse den Piloten als Leitlinie für die Effektivität ihrer Sauerstoffsubstitution bei den Flügen, die in ein, bisher für Motorsegler und Segelflugzeuge extremes Höhenband von 7 000 m bis ca. 9 200 m (FL[1] 290) bis über den Mount Everest gingen, dienen.

Methodik: Bei 28 Höhensegelflügen im Himalaya und den französischen Alpen wurde die Ausfallrate pulsoxymetrischer Messungen bei insgesamt sieben Versuchspersonen an drei verschiedenen Messorten (Stirn, Brustbein, Schienbein) bestimmt und miteinander verglichen. Es wurden nach dem Reflexionsprinzip arbeitende 2-Wellenlängensensoren der Firma NONIN benutzt, die mit den zugehörigen 3 100 WristOxTM Messuhren Sauerstoffsättigung (psO2) und Pulsrate im Sekundenabstand aufzeichneten. Zusätzlich wurde die Flughöhe mitgeloggt.

Ergebnisse: Insgesamt konnten 19 vollständige Datensätze mit Messungen an allen drei Messorten erhoben werden. Die an den verschiedenen Orten gemessenen Sauerstoffsättigungen zeigten deutlich unterschiedliche Werte. Am höchsten waren die Werte mit 95,39 + 2,11 % (MW + SD) an der Stirn, am geringsten am Brustbein (Sternum) (84,38 + 6,74 %). Hier waren auch die häufigsten Ausfälle (Ausfallrate: 26,51 + 18,56 % der Messzeit) zu verzeichnen. Am Schienbein betrug die mittlere Sauerstoffsättigung 93,93 + 4,24 % und die Ausfallrate 11,67 + 19,74 % der Messzeit. Am stabilsten erschienen die Messungen an der Stirn (Ausfallrate: 3,28 + 6,29 % der Messzeit). Die mittlere Dauer der Ereignisse betrug 12,8 + 4,7 s an der Stirn, 15,5 + 12,8 s am Sternum und 13,7 + 11,0 s am Schienbein. 

Schlussfolgerungen: Diese Ergebnisse zeigen sehr deutlich die Schwierigkeiten auf, die noch überwunden werden müssen, um bei „inflight“-Messungen robuste Messsignale und verlässliche Daten für die Sauerstoffsättigung mittels Pulsoxymetrie zu erhalten. Von den betrachteten Messorten und im Hinblick auf die Ausfallrate scheint die Stirn am ehesten für derlei Messungen geeignet zu sein.

Schlagworte: Pulsoxymetrie, Sauerstoffsättigung, „inflight“-Messungen der Sauerstoffsättigung, Hypoxieerkennung „inflight“

Summary

Background: Recent F-22 fleet incidents show that unnoticed oxygen deprivation is still an issue during high-altitude flights. Currently, aircrews are trained in altitude simulation set-ups to recognize their individual symptoms, hoping that they would recognize them in a real-life scenario. Oxygen deficiency sensors are not commonly used.

Earlier work of our group showed that various pulse oximeters are accurate enough to be used as warning systems for oxygen deprivation in pilots and that the sensors’ signal quality degrades only negligibly in tests on vibration platforms and in flight.

The objective of this study was to evaluate the failure rate of these systems at different measuring points (forehead, sternum, shin) in high-altitude flights with heavy turbulences and wide-ranging ambient temperatures and to optimize the crew’s oxygen management.

Methods: In 28 high-altitude glider flights (up to FL 290) in the Himalaya and the French Alps, the signal failure rate of pulse oximetry sensors fitted at three measuring points was determined in seven individuals. A Nonin, bicolor reflectance sensor was used with a WristOxTM 3 100 psO2, heart rate and altitude values were recorded.

Results: 19 complete data sets were gathered. The psO2 values recorded at different measuring points showed distinct differences: the highest values were observed at the forehead (95.39 + 2.11 %) (M + STD), the lowest values were detected at the sternum (84.38 + 6.74 %). Furthermore, the failure rate was highest at the sternum (26.51 + 18.56 % of the measuring time). At the shin, the mean psO2 was 93.93 + 4.24 % with a failure rate of 11.67 + 19.74 % of measuring time. Measurements at the forehead were most robust, showing a failure rate of 3.28 + 6.29 % of measuring time. The mean duration of failures was 12,8 + 4,7 s at the forehead, 15,5 + 12,8 s at the sternum and 13,7 + 11,0 s at the shin.

Conclusions: The results clearly reveal the difficulties of obtaining signals that reliably reflect inflight blood oxygen saturation. Among the measuring points tested, the forehead appears to be most suitable.

Keywords: pulse oximetry, oxygen saturation, inflight measurement of oxygen saturation, detection of hypoxia inflight.

Einführung

Sauerstoffmangel im Flugbetrieb, der plötzlich, unerwartet und unerkannt auftritt, ist kein Relikt der Vergangenheit, sondern nach wie vor eine ernsthafte Bedrohung für Piloten und Flugsicherheit gleichermaßen. Dies ist jüngst sehr eindrucksvoll durch die Vorfälle bei den F-22 Raptor Kampfjets in den USA, die zum „Grounding“ der gesamten F-22 Flotte geführt haben, demonstriert  worden. Da eine Hypoxiedetektion mittels Pulsoxymetrie aus der medizinischen Diagnostik bei Patienten nicht mehr wegzudenken ist, ist es umso verwunderlicher, dass speziell für die besonderen Bedingungen des realen Fluges entwickelte Frühwarnsensoren zur Erkennung eines Sauerstoffmangels bei Piloten bis dato nicht genutzt werden, obwohl es sogar bereits Patente hierfür gibt [3, 8]. Soweit überhaupt Untersuchungen zur Hypoxiedetektion im Flugbetrieb durchgeführt wurden, konzentrierten sie sich auf die Anwendung der Pulsoxymetrie beim Patiententranpsort in Hubschraubern [4, 17,18]. Erst mit der Einführung der Hochleistungsflugzeuge der 5. Generation (F-22, Joint Strike Fighter F-35) ist dieses Thema wieder mehr in den Fokus der Flugmedizin gerückt [1, 16]. Das erste physiologische Monitoring-System, das in den Pilotenhelm integriert ist, soll noch in diesem Jahr kommerziell verfügbar sein [5]. Dessen ungeachtet werden Piloten weltweit in Unterdruckkammern oder Simulationsanlagen, die eine normobare Hypoxie generieren (Reduced Oxygen Breathing Device (ROBD), GO2Altitude Hypoxicator) trainiert, um ihre subjektiven Sauerstoffmangelerscheinungen kennenzulernen. Dieses Vorgehen ist von der Hoffnung getragen, dass sie diese, am eigenen Körper selbst erlebten Symptome bei einem eventuell auftretenden Notfall auch im realen Flug (wieder)erkennen werden.  

Photo Aufgrund dessen beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe seit geraumer Zeit auch mit dieser Problematik. In diesem Kontext ergab sich für uns die Gelegenheit, bei Wellen-Höhenflügen, die im Rahmen des „Mountain Wave Projects“ (MWP) im Himalaya und den französischen Alpen durchgeführt wurden, wichtige Teilaspekte dieser Thematik zu untersuchen.

Das MWP ist ein Fachprojekt des wissenschaftlichen und meteorologischen Panels der OSTIV (Organisation Scientifique et Technique Internationale du Vol à Voile), das auch vom Weltluftsportverband FAI (Fédération Aéronautique Internationale) gefördert wird. Es wurde 1998 in Serres/Frankreich von Klaus Ohlmann und René Heise ins Leben gerufen und betreibt wissenschaftliche Flüge in Schwerewellen (sog. mountain waves), die auf der windabgewandten Seite (Leeseite) großer Gebirgszüge entstehen und für die Passagierluftfahrt ebenso wie für die militärische und  allgemeine Luftfahrt zu einem Flugsicherheitsrisiko werden können. Als Forschungsplattform dient dabei ein Hightechmotorsegler vom Typ Stemme S10-VTX, der, ausgestattet mit entsprechender Sensorik für hochauflösende Messungen atmosphärischer Parameter (3D-Wind, Vertikalprofile von Druck, Temperatur, Feuchte), Turbulenzforschung auf höchstem Niveau erlaubt. Nach sehr erfolgreichen Expeditionen in den argentinischen Anden mit luftsportlichen Weltrekorden und den ersten wissenschaftlichen Turbulenzmessungen in diesem Raum, die bis zum unteren Rand der Stratosphäre (12 500 m Höhe) reichten, hat sich das MWP in den letzten Jahren der Untersuchung der Schwerewellen im Himalaya zugewandt.

Bei der in Nepal durchgeführten Messkampagne des MWP im Zeitraum 2013/2014 wurde jedoch ein wesentlich umfangreicherer, multidisziplinärer Ansatz verfolgt, in den mehrere Arbeitsgruppen aus verschiedenen wissenschaftlichen Einrichtungen Deutschlands mit den nachfolgend aufgeführten separaten Einzelprojekten integriert waren:

  1. Pionierflüge in Schwerewellen in der Himalaya- und Mount Everest Region (Piloten des Mountain Wave Projektes);
  2. Bereitstellung des Experimental-Hightech-Motorseglers Stemme S10-VTX (Fachhochschule Aachen);
  3. Luftbildaufnahmen mittels modularer Luftbildkamera MACS (Modular Aerial Camera System; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für optische Sensorsysteme, Berlin-Adlershof);
  4. Umwelt-Monitoring mittels Aerosolmessanlage (Karlsruher Institut für Technologie (KIT));
  5. Höhenphysiologische „inflight“-Messungen der Sauerstoffsättigung (Zentrum für Luft- und Raumfahrtmedizin  der Luftwaffe, Fürstenfeldbruck).

Weitere Informationen sind auf der Webseite des Mountain Wave Projektes, www.moutain-wave-project.com, zu finden.  Das wissenschaftliche Team beim Teilprojekt „Höhenphysiologie“ des Zentrums für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luft-waffe war für die flugmedizinischen Aspekte dieser Expedition mit spezieller Ausrichtung auf die frühzeitige Erkennung eines Sauerstoffmangels im Flug unter diesen einmalig extremen Umweltbedingungen (Höhe, Kälte, Turbulenzen) verantwortlich. Zum einen interessierte dabei der Aspekt der Ausfallhäufigkeit von „inflight“-Messungen der Sauerstoffsättigung an verschiedenen Messorten am Körper, um daraus Aussagen für eine optimale Positionierung eines Sauerstoffmangelsensors für derartige Messungen abzuleiten. Zum anderen sollte den Piloten aber auch eine Rückmeldung zur Effektivität ihrer ergänzenden Sauerstoffgaben (Electronic Oxygen Delivery System (EDS) und Diluter Demand System) bei den Höhenflügen gegeben werden, um Sauerstoffmangelsituationen mit Abfällen der Sauerstoffsättigung unter 90 % möglichst zu verhindern oder auf ein Minimum (sowohl im Hinblick auf die Zahl, als auch die Dauer) zu begrenzen. Photo Abb. 3: Summe der Ausfallzeiten der Sensoren an den 3 Messorten (rot) als Anteil an der Gesamtflugzeit (GFZ) (69,86 h) in %.

Für die Messungen kamen kommerziell verfügbare, nach dem Reflexionsprinzip arbeitende Pulsoxymetriesensoren der Firma NONIN zum Einsatz. Aus vorangegangenen Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe war bekannt, dass ihre Präzision in den zu erwartenden Höhenbereichen ausreichend hoch ist, um sie als Warnsensoren für einen Sauerstoffmangel einsetzen zu können [6, 12].

Methoden

Alle sieben im Rahmen des MWP agierenden Piloten/Besatzungsmitglieder hatten sich bereit erklärt, an den Messungen teilzunehmen und nach erfolgter Aufklärung eine schriftliche Einverständniserklärung abgegeben. Insgesamt führten sie 28 Höhensegelflüge im Himalaya und den französischen Alpen durch; bei 19 dieser Flüge konnte die Ausfallrate pulsoxymetrischer Messungen simultan an den drei verschiedenen Messorten (Stirn, Sternum, Schienbein) bestimmt und miteinander verglichen werden.

Pulsoxymetrische Messungen der Sauerstoffsättigung
Pulsrate und psO2 der Probanden wurden mit einer Aufzeichnungsrate von 1/s gemessen und aufgezeichnet. Dafür fanden die Stirnsensoren 8000R der Firma NONIN Medical Inc. (Plymoth, Minnesota, USA) mit den zugehörigen 3 100 WristOxTM Messuhren (Abbildung 1), die als Anzeige- und Speichereinheit fungieren, Verwendung. Die nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden 2-Wellenlängensensoren (660 und 910 nm) wurden mit Hilfe des speziell dafür entwickelten Reflexionssensorhalters und der zugehörigen, beidseitig haftenden Kleberinge auf der Haut fixiert.

Positionierung der Sensoren
Die Sensoren wurden in immer gleicher Art und Weise an den drei verschiedenen Messorten (Stirn, Sternum und Schienbein) fixiert:

Der Stirnsensor wurde stets so geklebt, dass die Kabelführung über das linke Ohr zum linken Arm des Probanden erfolgte. Die Befestigung der Sensoren an Brustbein (Sternum) und Schienbein erfolgte mit der Kabelführung nach oben. Das Sensorkabel am Sternum wurde so um den Hals geführt, dass es mit der am rechten Handgelenk des Probanden befestigten WristOxTM-Uhr verbunden werden konnte. Der Sensor am Schienbein wurde mit der am Hosengürtel des Probanden befestigten Aufzeichnungseinheit verbunden. Darüber hinaus sorgte eine mehrfache Sicherung sowohl der Sensoren, als auch der von ihnen abgehenden Kabel mit Pflaster dafür, dass es nicht zur Bewegungseinschränkung von Armen und Beinen kam und Bewegungsartefakte minimiert wurden.Photo Abb. 4: Vergleich der Häufigkeiten der Störungen an Stirn, Sternum und Schienbein nach Kategorien entsprechend der Dauer des Ausfalls geordnet

Sobald die Testpersonen im Flugzeug saßen, alle Vorbereitungen für den Flug abgeschlossen waren und danach sofort gestartet werden konnte, erfolgte durch Verbindung der Sensoren mit der Messuhr der Start des Aufzeichnungsprozesses.

Datenerfassung und -auswertung

Die jeweils drei gleichzeitig eingesetzten Pulsoxymeter wurden mittels der Funktion „sync“ der zum WristOx gehörenden Software nVISION® (Version 5.0) zeitlich synchronisiert. Zusätzlich wurden die Daten des Global Positioning System (Globales Positionsbestimmungssystem – GPS) des Flugweges mitgeloggt, um daraus die Flughöhe zu ermitteln. Über das Zeitsignal konnten die GPS-Daten mit denen der Sauerstoffsättigung synchronisiert werden. 

Nach jedem Flug wurden die erhobenen Messwerte ausgelesen, gesichert und mit der Software nVision®ausgewertet. Nach Import in die Tabellenkalkulation MS EXCEL™ konnte das Verhältnis der vom Pulsoxymeter als unplausibel ausgegebenen Werte (hierfür vergibt das Gerät den Wert „500“) zur gesamten Messzeit (=Flugzeit) berechnet und diese Werte weiter kategorisiert werden.

In Abhängigkeit von der Ausfallzeit wurden die registrierten Störungen hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Konsequenzen für den Flugbetrieb in verschiedene Kategorien eingeteilt:

1. Ausfälle ≤ 9 s:

Diese Störungen des Signals, wie sie durch nur kurzzeitig anhaltende Bewegungsartefakte, wie zum Beispiel bei Kopfbewegungen, Stirnrunzeln, Sensorberührungen und so weiter, zustande kommen können, sind im normalen Flugbetrieb nicht wirklich relevant und können weitgehend ignoriert werden.

2. Ausfälle ≥ 10 und ≤ 29 s:

Zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung benutzt das WristOx™ einen Algorithmus, der etwa alle 10 s ein „sauberes“ Photoplethysmogramm braucht. Kann dieses nicht registriert werden, erscheint ein Warnsymbol auf dem Display. Damit können Ausfälle ab einer Dauer von 10 s als Grenze für eine fehlerfreie Funktion des Gerätes angesehen werden. Im Hinblick auf den Flugbetrieb jedoch sind auch diese Ausfälle, von der möglichen kurzzeitigen falschen – meist zu niedrigen – Angabe der Sättigung einmal abgesehen, noch ohne wirkliche Relevanz, sobald danach wieder ein intaktes Signal empfangen wird.

3. Ausfälle ≥ 30 s:

Bei Ausfällen, die länger als 30 s andauern, fällt die Displayanzeige vollständig aus. Da dem Piloten dann keine Angabe zu seinem Oxygenierungsgrad und der Effektivität seiner Sauerstoffsupplementierung mehr zur Verfügung steht, muss diese Gerätefehlfunktion als kritisch für den Flugbetrieb bewertet werden.

Ergebnisse

Insgesamt konnten bei 19 Flügen vollständige Datensätze mit simultanen Messungen an Stirn, Sternum und Schienbein erhoben werden. Dabei wurden insgesamt jeweils 251 496 Einzeldaten von Sauerstoffsättigung und Pulsrate an jedem der drei Messorte aufgezeichnet und ausgewertet. Photo Abb. 5: Häufigkeit der bei den einzelnen Flügen aufgetretenen Störungen am Stirnsensor nach Kategorien entsprechend der Dauer des Ausfalls geordnet

Erwartungsgemäß unterschieden sich die in Nepal und Frankreich durchflogenen Höhenbänder. So wurden in Nepal Peakhöhen zwischen 1 700 m und 9 200 m, bei sieben der zehn Flüge solche von mehr als 5 500 m erreicht. Die mittlere Höhe während der Flüge variierte zwischen 1 100 m und 6 200 m. In Frankreich lagen die maximal erreichten Höhen zwischen 1 100 m und 5 000 m, 4 der 10 Flüge erreichten Gipfelhöhen von mehr als 4 500 m. Die mittlere Höhe während der Flüge lag dort zwischen 850 m und 2 900 m. Die thermische und dynamische Turbulenz durch Schwerewellen war bei den Flügen in Südfrankreich durch die teilweise bestehende Mistral-Starkwindlage im Vergleich zu den Flügen in Nepal stärker.

Vergleich der erhobenen Sauerstoffsättigungswerte an Stirn, Sternum und Schienbein

An den verschiedenen Messorten wurden deutlich unterschiedliche Sauerstoffsättigungen registriert (Abbildung 2). Mit 95,39 + 2,11 % (MW + SD) waren sie an der Stirn am höchsten und am Sternum am geringsten (84,38 + 6,74 %). Hier konnten auch die häufigsten Ausfälle (Ausfallrate: 26,51 + 18,56 % der Mess-zeit) verzeichnet werden. Am Schienbein betrug die mittlere Sauerstoffsättigung 93,93 + 4,24 % und die Ausfallrate 11,67 + 19,74 % der Messzeit. Am robustesten erschienen die Messungen an der Stirn (Ausfallrate: 3,28 + 6,29 % der Messzeit). Die mittlere Dauer der Ausfälle betrug 12,8 + 4,7 s an der Stirn, 15,5 + 12,8 s am Sternum und 13,7 + 11,0 s am Schienbein.

Anteil der Ausfälle an der Gesamtflugzeit
Während der betrachteten Gesamtflugzeit (GFZ) von 69,86 h wurden an Stirn, Sternum und Schienbein insgesamt 6 368 Fehlmessungen registriert, 520 entfielen auf die Stirn, 4 338  auf das Sternum und 1 510 auf das Schienbein. Dies machte 1,71 h (= 2,44 % der GFZ) an der Stirn und 5,82 h (= 8,33 % der GFZ) am Schienbein aus. Mit 18,70 h (= 26,77 % der GFZ) traten die meisten Fehlmessungen am Sternum auf. Dort war mehr als ein Viertel der GFZ durch Fehlmessungen geprägt (Abbildung 3).

Durchschnittliche Dauer der Ausfälle
Kurzzeitige Ausfälle, mit einer Dauer von weniger als 10 s, waren an allen Messorten am häufigsten. Sie machten an der Stirn 75,8 %, am Sternum 55,2 % und am Schienbein 72,7 % aller Ausfälle aus. Störungen mit einer Länge zwischen 10 und 29 s waren an Stirn und Schienbein in etwa 21% und am Sternum in 29 % vertreten. Über 30 s andauernde Störungen traten an allen Messorten am seltensten auf. Ihr Anteil an den Gesamtausfällen betrug 3,8 % an der Stirn und 6,2 % am Schienbein. Am Sternum schlugen sie mit 15,8 % zu Buche (Abbildung 4). Beispielhaft sind in Abbildung 5 die Verhältnisse bei den einzelnen Flügen an der Stirn gegeben. Abgesehen vom ersten Flug traten über 30 s anhaltende Störungen hier nur äußerst selten, in elf der 19 Flüge gar nicht auf.

Effektivität der Sauerstoffsupplementierung während der Flüge
Abbildung 6 gibt die vom Stirnsensor registrierte Sauerstoffsättigung eines Piloten entlang des Flugweges am Mount Everest wieder. Das abgebildete 3D-Modell wurde aus den mit der MACS-Kamera des DLR während des Fluges erstellten Aufnahmen des überflogenen Areals in hoher Auflösung erstellt. Aus den Daten für die Sauerstoffsättigung wird ersichtlich, dass das Sauerstoffmanagement, selbst bei diesem für einen Motorsegler als extrem zu bezeichnenden Flug mit einer Peakhöhe von 9 200 m, befriedigend war, was sich in den vorwiegend grün codierten Sauerstoffsättigungswerten niederschlägt. Nur vorübergehend zeigten sich Sättigungswerte unter 90 %. Während des gesamten Fluges lag die Sauerstoffsättigung bei beiden Piloten im Mittel bei 97 %.

Diskussion

Ziel der vorliegenden Studie war es zu prüfen, inwieweit bei Höhenflügen auftretende Sauerstoffmangelerscheinungen bei Piloten mit derzeit kommerziell verfügbaren Sensoren aus der klinischen Praxis ausreichend verlässlich objektivierbar sind. Dazu sollte die Ausfallhäufigkeit von Messungen der Sauerstoffsättigung erfasst und vergleichend an verschiedenen Körperstellen untersucht werden, um eine optimale Positionierung derartiger Sensoren bei „in-flight“-Messungen zu ermitteln. Die Höhenflüge im Himalaya und den französischen Alpen mit ihren extremen Bedingungen boten für derartige Messungen die denkbar besten Voraussetzungen.

Photo Abb. 6: Exemplarische Darstellung des Sauerstoffmanagements am Beispiel des Mount Everest Fluges; grüne Anteile der Kurve entsprechen einer psO2 von mehr als 90 %, gelbe Anteile entsprechen einer psO2 von 86 - 89 %, rote Anteile (Pfeile) entsprechen einer psO2 von = 85 %. Zur Aufdeckung von während des Fluges auftretenden Sauerstoffmangelerscheinungen bei Piloten war es Millikan auf der Grundlage von Vorarbeiten Kurt Kramers schon im 2. Weltkrieg gelungen, ein leichtgewichtiges Ohr-Oxymeter für die Luftfahrt der Kriegsjahre zu entwickeln [10]. In der Flugmedizin erlosch das Interesse an diesem Messverfahren nach Kriegsende, jedoch griffen es andere Teilgebiete der Medizin, insbesondere die Anästhesie, auf. Den eigentlichen Durchbruch erreichte Takuo Aoyagi, als es ihm 1972 schließlich gelang, mit einem Pulsoxymeter die Sauerstoffsättigung des Blutes relativ unabhängig von Vorkalibration, Gewebedicke, Hautpigmentation, Hämoglobingehalt und Lichtintensität zu messen [2, 13 - 15]. Allerdings ermöglichte erst die Einführung kommerzieller pulsoxymetrischer Systeme in die klinische Diagnostik in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts die einfache, und vor allem nicht invasive Bestimmung der Sauerstoffsättigung bei Patienten. Während diese Methode zur Aufdeckung von Sauerstoffmangelerscheinungen aus der klinischen Routine heute nicht mehr wegzudenken ist, hat sie in die Fliegerei lediglich im Freizeitflugbetrieb bei Piloten von Segel- und Motorseglern, nicht aber in die Berufs- und Militärfliegerei Einzug gehalten.

Für den Einsatz des nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden Pulsoxymeters 3 100 WristOxTM mit den zugehörigen Stirnsensoren 8 000R der Fa. NONIN Medical Inc. gab es mehrere Gründe. Zum einen sind die üblicherweise im klinischen Einsatz befindlichen Transmissionspulsoxymeter für den Flugbetrieb eher nicht geeignet, da die entsprechenden Messorte, wie Finger, Zeh oder Ohrläppchen, bei Piloten entweder nicht zur Verfügung stehen, weil Helm sowie Handschuhe getragen werden müssen, sie für die Messungen aufgrund der häufig auftretenden missionsbedingten Bewegungen von Fingern und Hand nicht in Frage kommen, oder sie diese selbst einschränken oder gar behindern. Auch führen Verminderungen der peripheren Perfusion, zum Beispiel aufgrund von Kälte oder ähnlichem, zu häufigen Fehlmessungen.

Zum anderen konnte unsere Arbeitsgruppe bereits auf die Ergebnisse einer Unterdruckkammerstudie, die die Präzision des oben genannten, nach dem Reflexionsprinzip, und eines weiteren nach dem Transmissionsprinzip arbeitenden Pulsoxymeters im Vergleich zum Goldstandard, der „blutigen“ Messung der Sauerstoffsättigung, geprüft hatte, zurückgreifen. Aus den dort erzielten Ergebnissen konnte abgeleitet werden, dass die Präzision bei beiden geprüften Geräten ausreichend hoch war, um als Sauerstoffmangelsensor im fliegerischen Bereich in Betracht gezogen zu werden [6, 12]. In einer Anschlussstudie wurde dann die prinzipielle Tauglichkeit des oben genannten  Reflexionssensors bei realen Hubschrauberflügen geprüft und dabei demonstriert, dass die Ausfallrate bei Messungen am Kopf unter den Bedingungen ruhiger Flüge durchaus im vertretbaren Bereich liegt [7].

Für die Benutzung dieses Sensors sprachen aber nicht zuletzt auch die vom Hersteller angegebenen Einsatzgrenzen des Gerätes hinsichtlich seines Messbereiches (psO2 0 - 100 % und Puls 18 - 300/min) und in Bezug auf Höhe (bis 40 000 ft), Luftdruck (bis 4 Atmosphären) und Luftfeuchtigkeit (10 bis 90 %), die ausreichend Spielraum für einen fliegerischen Einsatz boten. Ebenso sorgten die Speichermöglichkeiten von bis zu 33 h bei einer Aufzeichnungsrate von 4 s für die notwendige Flexibilität beim Gebrauch im Flugbetrieb. Lediglich der angegebene Temperaturbereich (0 bis 50 °C) ließ unter extremen Bedingungen Spielraum für denkbare Einschränkungen beim Einsatz. Allerdings waren temperaturbedingte Ausfälle bei den Messungen in der vorliegenden Studie nicht zu verzeichnen. Bei der Nähe der Sensorik zum Körper ist dies aber selbst unter widrigen Bedingungen auch kaum zu erwarten.

Bei der Analyse der in der vorliegenden Studie erhobenen Daten fielen zunächst die deutlich ungleichen Sauerstoffsättigungswerte an den drei Messorten (Abbildung 2) auf, wobei die Werte zwischen Stirn und Sternum und zwischen Sternum und Schienbein, nicht aber die zwischen Stirn und Schienbein statistisch gesichert different waren (One-Way ANOVA on ranks, p < 0,01). Ohne Zweifel trugen die unterschiedlichen Ausfallszeiten (Abbildung 3) an den betrachteten Applikationsorten der Sensoren zu diesen differenten Werten bei der Sauerstoffsättigung bei, da sich mit ihrer Länge auch die Zahl verfälschter, üblicherweise erniedrigter Einzelmessungen vergrößert, und sich dies dann letztlich in den über die GFZ errechneten Mittelwerten niederschlägt

Ausfälle traten am häufigsten am Sternum und am seltensten an der Stirn auf (Abbildung 3). Als wesentliche Ursache von Fehlmessungen müssen Schwierigkeiten bei der Applikation des Sensors gesehen werden. Seine richtige Positionierung ist die Voraussetzung für korrekte Messergebnisse schlechthin. Überdies ist auch eine gute Fixierung des Sensorkabels wichtig, um dessen Bewegungen als Ursache von Störungen zu verhindern. Ungünstige Verhältnisse an der Applikationsstelle, aber auch Zeitdruck, wie er in einem Einsatzgeschehen vorkommt, sowie eine nicht ausreichende Sorgfalt beim Befestigen der Sensoren können so störungsfreie Messungen behindern. Daneben tragen natürlich auch die der Messmethode selbst inhärenten Einschränkungen (Bewegungsartefakte, Vibrationen, Minderdurchblutung beziehungsweise Zentralisation, Streulicht und so weiter) zu einer erhöhten Fehlerquote bei. Bewegungen gelten sogar als häufigste Ursache von Ausfällen und Falschanzeigen [11, 15]. In welchem Umfang körperliche Aktivität die Fehlerquote von pulsoxymetrischen Messungen erhöht, wurde gerade kürzlich durch die Arbeit von Lechner et al. [9] demonstriert.

In der vorliegenden Studie waren die Verhältnisse insbesondere am Sternum immer wieder schwierig. Zum einen ließ die dort stark variierende individuelle Anatomie ohne ausreichend plane Auflagefläche für den Sensor und den Sensorhalter eine sichere Befestigung nicht durchgängig zu. Daneben sorgte die in diesem Gebiet vorhandene reichliche Schweißproduktion (Schweißrinne) häufig für eine frühzeitige Ablösung, und nicht immer waren Interaktionen des Sensors mit dem Gurt des Flugzeuges sicher zu verhindern. Auch die mitunter reiche Behaarung im Applikationsgebiet kann trotz vorheriger Rasur zu einer Malpositionierung des Sensors beigetragen haben.

Wie aus Abbildung 4 hervorgeht, waren die kurzfristigen Ausfälle (< 10 s) an allen Messorten die mit Abstand häufigsten. Vernachlässigt man diese, da sie die Sättigungsmessung eigentlich nicht verfälschen dürften, würde dies bedeuten, dass an der Stirn über mehr als 99 % und am Schienbein über etwa 97 % der GFZ eine verwertbare Anzeige zu verzeichnen war. Lediglich am Sternum war diese Zeit mit nur etwa 87 % der GFZ unakzeptabel. Damit erhielten die Piloten vom Sensor an der Stirn über nahezu 98 % der GFZ störungsfreie (Abbildung 3) und über mehr als 99 % der GFZ (ergibt sich aus Abbildung 4) ausreichend verlässliche Richtwerte für die Effektivität ihrer Sauerstoffsupplementierung bei den Höhenflügen.

Schlussfolgerungen

Die alleinige subjektive Erkennung eines Sauerstoffdefizits im Flugbetrieb, wie sie bisher sowohl in der Berufs-, als auch in der Militärfliegerei praktiziert wird, muss durch eine automatisierte Überwachung der Sauerstoffsättigung des Piloten ersetzt werden. Dies würde der Flugsicherheit dienen und Freiraum für die Konzentration auf die eigentliche fliegerische Aufgabe und, mit Blick auf den militärischen Flugbetrieb, den Einsatzauftrag schaffen.

Im Hinblick auf die betrachteten Messorte und deren Ausfallrate scheint die Stirn dabei am ehesten für die Überwachung im fliegerischen Bereich geeignet zu sein. Dennoch gilt es noch eine Reihe von Schwierigkeiten zu überwinden, um bei „in-flight“-Messungen mittels Pulsoxymetrie stabile Messsignale und verlässliche Daten zu erhalten.

Hinsichtlich des Designs eines zukünftigen Systems sollte beachtet werden, dass es einfach, schnell, sicher und möglichst ohne fremde Hilfe positionierbar sein und die der Methode inhärenten Einschränkungen, wie Bewegungsartefakte und Streulicht, minimiert werden sollten. Im Hinblick auf den militärischen Flugbetrieb und die Integration eines solchen Systems in die Fliegersonderbekleidung, aber nicht nur dort, wäre ein kabelloses dem hier erprobten System deutlich vorzuziehen. Damit könnten durch Kabelbewegungen bedingte Ausfälle ausgeschlossen, Einschränkungen der Beweglichkeit durch Kabelführung verhindert und das Hängenbleiben am Kabel als Gefahrenquelle im Cockpit abgewendet werden.

Literatur

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Danksagung

Wir danken der Deutschen Akademie für Flug- und Reisemedizin für die Bereitstellung der Mittel zur Beschaffung redundanter Messtechnik für simultane Messungen an den verschiedenen Messorten. Damit wurde das Projekt überhaupt erst möglich.

Bildquellen: Zentrum für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luftwaffe

Originalarbeit

Manuskriptdaten:

Eingereicht: 13.07.2015
Revidierte Fassung angenommen: 24.08.2015

Zitierweise:

Ledderhos C, Heise R, Gammel C, Gens A: „Inflight“-Messungen der Sauerstoffsättigung bei Höhenflügen im Himalaya und den französischen Alpen im Rahmen des “MOUNTAIN WAVE PROJECT (MWP)”. Wehrmedizinische Monatsschrift 2015; 59(9-10): 286-292


[1] FL = Flugfläche (engl. flight level FL) Die Flugfläche gibt die Höhe in 100 Fuß (ft) über derjenigen Höhe an, in der theoretisch Normaldruck (1013,25 hPa) besteht. FL 290 entspricht einer Flughöhe von 29 000 ft

Datum: 13.11.2015

Quelle: Wehrmedizinische Monatsschrift 2015/9-10