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.

English:

In spite of the many diagnostic and therapeutic methods in medicine, until recently there has been a lack of data concerning the optical properties of blood which are necessary to calculate the distribution and propagation of light in this medium. The optical parameters absorption coefficient µa, scattering coefficient µs and scattering phase function or anisotropy factor g are derived from the radiation transport theory and can be used to calculate light propagation in turbid media. A systematic and independent determination of these parameters for blood, dependent on important physiological and biochemical parameters and in the relevant spectral range, has so far not been available.

In this work, fundamental measurements of the optical parameters of human whole blood, consisting of red blood cells, platelets, leucocytes and blood plasma, were performed in the spectral range 250-1100 nm, using hematocrit values ranging from 0.8 to 42%. The dependence of the following physiological and biochemical parameters were also investigated: hemolysis, oxygen saturation, osmolarity of the blood plasma and the blood flow dependent shear stress. Finally, the influence of the concentration of leucocytes and platelets on the optical behavior was examined. For the determination of the optical parameters, a high precision Monte-Carlo simulation was used as an iterative procedure for solving the radiation transport equation. One of the main problems using Monte-Carlo simulations is the selection of an appropriate effective phase function because of the substantial influence of the phase function on the determination of the scattering parameters, µs and g. The frequently used determination of the scattering phase function by goniometric measurements of single cells, or extremely diluted cell suspensions, does not consider the physiologically extremely high cell concentration, and the cell deformation or cell alignment phenomena due to blood flow. Using a new simulation procedure, appropriate effective phase functions were found which even consider effects not included within the radiation transport theory, such as collective scattering, light interference phenomena or the influence of the shape of the scattering particle.
Additional measurements of the wavelength-dependent refractive index of hemoglobin solutions were carried out to compare the results of the Monte-Carlo simulations with calculations made according to the Mie theory. These were used to elucidate the range of validity for this theory which is often used for calculating the optical behavior of blood.

The results presented here provide a broad, physical understanding of the optical behavior of human blood. It is possible to give a set of valid optical parameters for blood of different composition and in a distinct physiological and biochemical state. This knowledge of the optical behavior makes it possible to simulate the light propagation in blood which in turn enables the efficient development and design of sensors and measuring devices for a range of clinical appliances and investigations. Light propagation in tissues having a large number of blood vessels can be corrected with regard to the optical influence of the blood. The possibility of extracting relevant clinical parameters such as hematocrit, oxygen saturation or hemolysis from the remission or transmission spectra has been investigated in several other studies and has already, in part, been implemented in working prototypes.