Was sieht der Sensor des Blutdruckmessgeräts? Wie die 'Amplitude' aus einem einzigen Pulsschlag extrahiert wird

8. März 2026

Im vorherigen Artikel “Die oszillometrische Methode in Zahlen erleben” haben wir simuliert, wie der Algorithmus den systolischen (SBP) und diastolischen Blutdruck (DBP) basierend auf den „Amplituden-Zahlendaten“ bestimmt, die für jeden Manschettendruck ermittelt werden.

Aber als Sie sich die Simulationstabelle noch einmal angesehen haben, haben Sie sich da nicht gefragt:

“Da steht: ‘Bei einem Manschettendruck von 120 mmHg betrug die Amplitude 0,95 mmHg’, aber wie genau wurden diese ‘0,95 mmHg’ gemessen?”

In diesem Artikel zoomen wir vom Makro-Blutdruckberechnungsalgorithmus einen Schritt weiter hinein und sezieren aus einer Mikroperspektive minutiös, welche physikalischen Phänomene im Arm ablaufen und welche Art von Signalverarbeitung im Inneren des Blutdruckmessgeräts während der lediglich 1 Sekunde (1 Pulsdauer), in der der Manschettendruck bei etwa 120 mmHg liegt, durchgeführt wird.

1. Die wahre Identität der vom Sensor erfassten “Rohdaten”

Im Inneren eines elektronischen Blutdruckmessgeräts befindet sich ein einziger Drucksensor, der den Luftdruck in der Manschette misst.

Die Werte (Rohdaten/Raw Signal), die dieser Drucksensor in Echtzeit während des langsamen Luftablassens bei voll aufgepumpter Manschette erfasst, sind nicht genau die „Pulswellen“, die wir uns vorstellen.

Die Rohdaten setzen sich hauptsächlich aus den folgenden zwei Komponenten zusammen:

DC-Komponente (Gleichstromkomponente): Der Druck der Manschette selbst. Es ist ein massiver, sanfter Druckabfall, der im Laufe der Zeit mit einer von der AHA (American Heart Association) empfohlenen Rate von 2-4 mmHg/Sekunde allmählich abnimmt.
AC-Komponente (Wechselstromkomponente): Minimiere Druckschwankungen (Pulswellen), die mit dem Herzschlag auftreten. Die Größe dieser AC-Komponente liegt typischerweise bei etwa 1-4 mmHg (Drzewiecki et al., 1994) und reitet wie kleine Wellen auf dem massiven Abwärtstrend der DC-Komponente.

Das obige Diagramm simuliert die Rohdaten, die erfasst werden, wenn der Manschettendruck über etwa 4 Sekunden von ca. 122 mmHg auf 110 mmHg sinkt. Sie können die kleinen gezackten Linien (AC-Komponente) sehen, die bei jedem Herzschlag auf der massiven Ablasskurve (DC-Komponente, gepunktete Linie) reiten.

Bei der oszillometrischen Methode möchten wir eigentlich nur diese “kleinen gezackten Linien (AC-Komponente)” sehen.

2. Physikalische Mikrophänomene, die in einem einzigen Schlag auftreten

Warum treten diese kleinen Zacken (winzige Druckanstiege) auf?

Lassen Sie uns Bild für Bild die physikalischen Phänomene betrachten, die im Inneren des Arms (Arteria brachialis) in dem Moment auftreten, in dem der Manschettendruck auf 120 mmHg fixiert ist. Nehmen wir an, der tatsächliche Blutdruck dieses Probanden beträgt 120/80 mmHg.

① Diastole (Wenn das Herz ruht: Blutdruck 80 mmHg)

Während der Diastole, wenn kein Blut vom Herzen gepumpt wird, sinkt der Druck in der Arterie auf 80 mmHg. Da die Manschette von außen mit einer Kraft von 120 mmHg drückt, wird die Arterie komplett flachgedrückt, und der Blutfluss stoppt. Zu diesem Zeitpunkt gibt es keine Veränderung im Armvolumen und der Drucksensor in der Manschette bleibt ruhig.

② Systole (Wenn das Blut hineinschießt: Blutdruck 120 mmHg)

Wenn sich das Herz zusammenzieht und eine Blutwelle hineinschießt, steigt der Druck in der Arterie plötzlich auf 120 mmHg an. In diesem Moment wirkt der Druck von innen (120) dem Manschettendruck von außen (120) kurzzeitig entgegen, und die flache Arterie wird leicht aufgedrückt.

③ Umwandlung der arteriellen Expansion in “Erhöhung des Manschetteninnendrucks”

Hier geschieht die Magie. Dass sich die Arterie leicht ausdehnt, bedeutet, dass das “Volumen des Arms” in diesem Moment leicht zunimmt.

Der Stoff der Manschette, die um den Arm gewickelt ist, dehnt sich nicht aus oder schrumpft nicht. Wenn das Volumen des Arms zunimmt, während sich der Stoff nicht dehnen kann, hat die “Luft” in der Manschette weniger Platz und wird komprimiert.

Gemäß dem Boyle-Mariotte-Gesetz (Druck steigt, wenn das Volumen sinkt) führt die Kompression der Luft dazu, dass der Druck in der Manschette “hüpft”. Dies wird vom Drucksensor erfasst, was die wahre Identität der zuvor erwähnten “kleinen gezackten Linien (AC-Komponente)” ist.

3. Welche Form hat die Pulswelle?

Die winzige gezackte Form, die als AC-Komponente sichtbar ist, ist keine einfache Dreiecks- oder Sinuswelle. Die tatsächliche arterielle Pulswelle hat eine charakteristische Form, die durch den Auswurf des Herzens und Reflexionen im arteriellen System verursacht wird.

In physiologischen Studien (Baruch et al., 2011; Rubins, 2008) hat sich eine Methode zur mathematischen Modellierung der Pulswelle eines einzigen Schlags als Überlagerung von drei Gauß-Funktionen (Pulse Decomposition Analysis: PDA) etabliert.

Komponentenname	Physiologischer Ursprung	Position auf der Wellenform
P₁ (Systolische Welle)	Die vorwärts wandernde Welle beim Auswurf des Blutes aus dem linken Ventrikel	Steiler Anstieg → höchster Peak
P₂ (Reflexionswelle / Tidal Wave)	Die von peripheren Gefäßverzweigungen usw. zurückkehrende reflektierte Welle	Die Schulter direkt nach P₁ ~ die kleine Wölbung der zweiten Stufe
P₃ (Dikrotische Welle)	Der Druck-Rebound im Zusammenhang mit dem Schließen der Aortenklappe (der Druckabfall direkt davor ist die “dikrotische Kerbe”)	Eine kleine Erhebung in der frühen Diastole

P(t) = P_1(t) + P_2(t) + P_3(t) = \sum_{i=1}^{3} A_i \cdot \exp\!\left(-\frac{(t - \mu_i)^2}{2\sigma_i^2}\right)

Jedes Diagramm in diesem Artikel generiert Wellenformen basierend auf diesem 3-Gauß-Zerlegungsmodell. Die Parameter für Amplitude ( $A_i$ ), Zentralzeit ( $\mu_i$ ) und Breite ( $\sigma_i$ ) jeder Gauß-Funktion werden in Anlehnung an die in der obigen Literatur berichteten Werte eingestellt.

Warum die Form wichtig ist: In jüngsten Studien erregt die “Pulswellenanalyse (PWA)” Aufmerksamkeit, die Informationen über arterielle Steifigkeit und Herzfunktion nicht nur aus der Amplitude (P-P-Wert), sondern auch aus der Kontur der Pulswelle selbst extrahiert. In den letzten Jahren hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass die mit der oszillometrischen Methode erfassten Manschettendruckschwankungen praktisch die arterielle Pulswelle selbst sind (Baruch et al., 2011).

4. Von Analog zu Digital: Der Prozess der Amplitudenextraktion

Der vom Sensor erfasste physische “minimale Druckanstieg” durchläuft mehrere digitale Signalverarbeitungsschritte im Mikrocontroller, bevor er in einen einzigen Zahlenwert (Amplitude: 0,95 mmHg) umgewandelt wird.

Schritt 1: Abtastung (A/D-Wandlung)

Reale Druckänderungen sind kontinuierliche analoge Wellenformen, aber der Mikrocontroller kann sie so nicht verarbeiten. Daher wird der Druck mit einer Häufigkeit von z. B. 100 Mal pro Sekunde gemessen (Abtastrate 100 Hz) und als Sammlung digitaler Punkte aufgezeichnet.

Schritt 2: Hochpassfilterung (Entfernung der DC-Komponente)

Wie im früheren Diagramm zu sehen ist, ist die Pulswelle (AC-Komponente) dem steil abfallenden Manschettendruck (DC-Komponente) überlagert. So können wir die Höhe der Welle nicht genau messen. Daher wird ein Filter (Bandpassfilter, Durchlassbereich ca. 0,5 bis 20 Hz) basierend auf IEEE/AAMI-Standards angewendet, um langsame Änderungen (DC-Komponente, unter 0,5 Hz) zu entfernen und gleichzeitig hochfrequentes Rauschen (über 20 Hz) herauszufiltern.

Als Ergebnis wird nur die reine Pulswelle (AC-Komponente) mit der horizontalen Linie von 0 mmHg als Referenz (Basislinie) extrahiert.

Im obigen Diagramm ist die DC-Komponente vollständig entfernt und die Eigenschaften der Pulswelle, die aus den drei Gauß-Funktionen besteht, sind deutlich sichtbar. Bei jedem Herzschlag wiederholt sich das Muster: steiler Anstieg (P₁: Systolische Welle) → geschulterte Wölbung (P₂: Reflektierte Welle) → kleiner Rebound (P₃: Dikrotische Welle) → Stille der Diastole.

Schritt 3: Berechnung der Peak-to-Peak (P-P) Amplitude

Aus der gefilterten Wellenform wird der “einzige repräsentative Wert” ermittelt, der für die Blutdruckberechnung verwendet wird. Bei der oszillometrischen Methode wird üblicherweise die Methode der Peak-to-Peak (P-P) Amplitude verwendet.

Die Wellenform eines einzelnen Schlags (ca. 0,83 Sekunden bei einer Herzfrequenz von 72) wird extrahiert und folgende Berechnung wird durchgeführt:

Finde den “höchsten Punkt (Peak)” in diesem Schlag.
Finde den “tiefsten Punkt (Trough)” in diesem Schlag.
Subtrahiere die Tiefe des Tals von der Höhe des Berges (Peak - Trough).

Das Diagramm oben vergrößert die Wellenform für einen Schlag (die horizontale Achse ist in Millisekunden). Die Differenz zwischen der Spitze (Peak) von P₁ (systolische Welle) und dem tiefsten Punkt in der späten Diastole (Trough) ist die Peak-to-Peak (P-P) Amplitude. Genau das ist die wahre Identität des Datenpunkts im Simulationsartikel: “Die Oszillationsamplitude bei einem Manschettendruck von 120 mmHg beträgt 0,95 mmHg”.

5. Rückkehr zur Makroperspektive: Von einer einzigen Amplitude zur Hüllkurve

Fassen wir die Mikroprozesse bisher zusammen:

Physikalisches Phänomen: Die Arterie öffnet sich momentan leicht, wodurch das Armvolumen zunimmt, die Luft in der Manschette komprimiert und ein winziger Druckanstieg verursacht wird.
Signalverarbeitung: Die Rohdaten des Sensors werden abgetastet und ein Bandpassfilter (0,5-20 Hz) wird verwendet, um die DC-Komponente und das Rauschen zu entfernen, wodurch eine reine Pulswelle (AC-Komponente) extrahiert wird.
Quantifizierung: Die “Höhe von der Spitze bis zum Tal (Peak-to-Peak)” einer einzelnen Wellenform wird als “ein Amplitudenwert” berechnet.

Das elektronische Blutdruckmessgerät wiederholt diese Berechnung endlos: “Welle extrahieren → Filtern → P-P-Amplitude extrahieren”, jedes Mal wenn ein Puls auftritt (über dutzende Male), während der Manschettendruck gesenkt wird.

Die extrahierten “einzelnen Amplitudenpunkte (0,95 mmHg, 1,30 mmHg, 1,65 mmHg…)” werden für jeden Manschettendruck aufgetragen und mit einer glatten Kurve verbunden, um die “Oszillometrische Hüllkurve (Envelope)” zu bilden, die im vorherigen Artikel gezeigt wurde.

Eine Ansammlung von Punkten, die aus der Höhe der Wellen in den Rohdaten (Mikroperspektive) extrahiert wurden, bildet eine Hüllkurve (Makroperspektive), aus der letztendlich die endgültigen Blutdruckwerte, SBP (systolischer Blutdruck) und DBP (diastolischer Blutdruck), berechnet werden — das ist das Gesamtbild der grandiosen Informationsweitergabe, die im Inneren des Blutdruckmessgeräts stattfindet.

Literatur

Geddes LA, Voelz M, Combs C, Reiner D, Babbs CF. “Characterization of the oscillometric method for measuring indirect blood pressure.” Annals of Biomedical Engineering 10:271-280, 1982.
Drzewiecki G, Hood R, Apple H. “Theory of the oscillometric maximum and the systolic and diastolic detection ratios.” Annals of Biomedical Engineering 22:88-96, 1994.
Baruch MC, Warbritton DER, Babb AR, Shaltis PA, Ring R. “Pulse Decomposition Analysis of the digital arterial pulse during hemorrhage simulation.” Nonlinear Biomedical Physics 5:1, 2011.
Rubins U. “Finger and ear photoplethysmogram waveform analysis by fitting with Gaussians.” Medical & Biological Engineering & Computing 46:1271-1276, 2008.