In vitro-Untersuchungen zum Einfluss nicht-pulpaler Signalquellen und unterschiedlicher Blutflussbedingungen auf an Zähnen gemessene Photoplethysmographie-Signale bei physiologischer Durchblutungsrate
Basierend auf den vorangehenden Arbeiten der DFG-Projektgruppe (SCHM 386/3, GA 501/10, MO 2196/1), führte die vorliegende Arbeit die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verfeinerung der PPG-Messtechnik am in vitro-Modell fort, um die Entwicklung einer objek¬tiven und zuverlässig in vivo einsetzbaren PPG-Methode zur Vitalitätsprüfung an Zähnen zu ermöglichen. Im ersten Versuchsteil wurden in ...
Abstract (German)
Basierend auf den vorangehenden Arbeiten der DFG-Projektgruppe (SCHM 386/3, GA 501/10, MO 2196/1), führte die vorliegende Arbeit die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verfeinerung der PPG-Messtechnik am in vitro-Modell fort, um die Entwicklung einer objek¬tiven und zuverlässig in vivo einsetzbaren PPG-Methode zur Vitalitätsprüfung an Zähnen zu ermöglichen. Im ersten Versuchsteil wurden in einen bestehenden Versuchsaufbau, der eine unabhängige Simulation der Zahn- und Gingivadurchblutung ermöglichte, neue Mess¬komponenten zur Verbesserung der Signalqualität und Steigerung der Signalstärke integriert, angepasst und evaluiert. Sie konnten im Vergleich zum bisherigen Messsystem bei reduzierter Intensität des eingestrahlten Lichts mit 625 nm und 940 nm Wellenlänge für alle Versuchsanordnungen signifikant höhere Amplituden ΔU des pulssynchron modulierenden Spannungssignals detektieren. Um bei Verwendung der empfindlicheren Messkomponenten andere Signalquellen als den gepulsten Fluss des Erythrozytenkonzentrates ausschließen zu können, wurden Kontrollmessungen ohne Blutfluss, mit Abschaltung der Schlauchpumpen während der Messung und Messungen mit konstantem, ungepulstem Fluss durchgeführt. In keiner der Stichproben konnten periodische Modulationen der aufgezeichneten Spannungs- und Drucksignale festgestellt werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass zur Detektion eines auswertbaren PPG-Signals ein gepulster Blutfluss notwendig ist. Mit der Entwicklung eines neuen in vitro-Modells mit einer Glaspulpa und der Anpassung des restlichen Ver¬suchsaufbaus wurde im zweiten Studienteil die weiteste im Rahmen dieser Studie mögliche Annäherung an in vivo-Größenverhältnisse und -Blutflussraten umgesetzt. Messungen mit jeweils selektivem und kombinierten, gepulstem Blutfluss in Zahn- und Gingivakreislauf bei 625 nm und 940 nm zeigten, mit Ausnahme der selektiven Gingivadurchblutung bei 940 nm, pulssynchron modu¬lierende Spannungssignale, aus denen eine Spannungsamplitude ΔU bestimmt werden konnte. Auch am neuen Modell zeigten sich in Kontrollmessungen nach Pumpenabschaltung keine strukturierten Modulationen. Es gelang, im Rahmen dieser in vitro-Studie einen neu entwickelten Versuchsaufbau zu etablieren und den Einfluss der Durchblutung zahn¬umgebender Gewebe auf Messungen der Pulpadurchblutung mittels PPG in vitro zu belegen. Die präsentierten Ergebnisse belegen die Notwendigkeit der kritischen Bewertung in vivo detektierter PPG-Signale, auf deren Basis die Vitalität von Zähnen bestimmt werden soll.
Translation of the abstract (English)
Based on the previous work of the DFG-project group (SCHM 386/3, GA 501/10, MO 2196/1) from which an experimental setup, allowing the simulation of an independent perfusion of the tooth and the gingiva, was carried over, this study leads on the continuing development and refinement of the photoplethysmography (PPG) measuring technology on an in vitro model aiming at the development of an ...
Translation of the abstract (English)
Based on the previous work of the DFG-project group (SCHM 386/3, GA 501/10, MO 2196/1) from which an experimental setup, allowing the simulation of an independent perfusion of the tooth and the gingiva, was carried over, this study leads on the continuing development and refinement of the photoplethysmography (PPG) measuring technology on an in vitro model aiming at the development of an objective and reliable in vivo PPG-method for vitality testing of teeth.
In the first part of the study new measuring components were integrated into the existing experimental setup and evaluated, in order to improve the quality and strength of the obtained signal. Compared to the previously used measurement system, they could detect significantly higher amplitudes ΔU of the voltage signal, which modulated synchronously to the pulse, while the intensity of the incident light with 625 nm and 940 nm wavelength was reduced. In order to exclude the possibility of other sources than the pulsed flow of the erythrocyte concentrate, when using the more sensitive measuring components, control measurements without blood flow, with a shutdown of the peristaltic pumps during measurements and measurements with a constant, non-pulsed flow were carried out. In none of these samples periodic modulations of the recorded voltage and pressure signals were observed. Thus it could be shown that for the detection of an analysable PPG signal a pulsed blood flow is necessary. By developing a new in vitro model with a glass pulp and adapting the rest of the experimental setup in the second part of the study, the best approach possible within the limitations of this work towards in vivo proportions of size and blood flow rates was realized. Measurements with a pulsed blood flow of the dental and gingival circulation, separately and combined, at 625 nm and 940 nm showed voltage signals synchronously modulating to the pulse, from which an amplitude ΔU could be derived, except for the selective perfusion of the gingiva at 940 nm. Control measurements with the new model also showed no structured modulations after pump shutdown.
With this in vitro study, it was possible to establish a newly developed experimental setup and to prove the influence of the perfusion of dental surrounding tissues on PPG measurements of pulp perfusion in vitro. The presented results show the need for a critical interpreting of PPG signals, detected in vivo, based on which the vitality of teeth is to be determined.
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