Oxygen in the human circulatory system
The human body has two interconnected blood systems:
- Der Körperkreislauf bringt über Arterien sauerstoffreiches Blut vom Herzen in sämtliche Gewebe des Körpers und führt über die Venen das jetzt sauerstoffarme Blut zum Herzen zurück.
- Der Lungenkreislauf führt dieses sauerstoffarme Blut vom Herzen zur Lunge, wo es wieder mit Sauerstoff versorgt wird, und dann zurück zum Herzen, wo es in den Körperkreislauf eingespeist wird.
Beim Atmen füllt sich die menschliche Lunge bis in die Lungenbläschen, die sogenannten Alveolen, mit Luft. In der Luft befinden sich hauptsächlich Wasserdampf und drei Gase: Sauerstoff (O2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N).
On the side of the body, the alveoli are bordered by capillaries, i.e. tiny blood vessels that are part of the pulmonary circulation and carry oxygen-poor blood. Gas exchange now takes place via the thin membranes of the pulmonary alveoli and the capillaries. Oxygen passes from the air sacs into the blood, while the blood releases carbon dioxide into the air in the air sacs.
The now oxygenated blood is now distributed in the body. How much blood arrives in an organ or tissue depends on the blood flow. This can be regulated by the body via the vascular size and adapted to the organ’s oxygen requirements. The cells convert the oxygen into energy in order to maintain their structure and function. This produces carbon dioxide, which is released from the tissue into the blood and later exhaled through the lungs.
How does the oxygen transport in the blood work?
In principle, gases such as oxygen can dissolve in liquids and be transported in this way. How much gas can be released depends on its proportion in the air, on its partial pressure.  On Earth, the amount of oxygen dissolved in this way in the blood would not be sufficient to supply the human body with enough oxygen. Therefore, there is another transport mechanism.
The blood contains the erythrocytes , the red blood cells. They carry a certain amount of red blood pigment ( hemoglobin ) with them. This hemoglobin is able to bind oxygen molecules and release them again. The maximum amount of oxygen that can be bound depends on the amount of hemoglobin in the blood. One speaks of the O 2 capacity.
Depending on the external conditions – such as temperature, pH value of the blood and partial pressure of the oxygen – oxygen binds to the hemoglobin with varying degrees of strength and strength; the so-called O 2 affinity  changes.
What does oxygen saturation say?
Under normal circumstances, not all hemoglobin particles are loaded with oxygen. The oxygen saturation indicates which part of the hemoglobin transports oxygen, i.e. the oxygen content in the blood. Since the oxygen content in freshly oxygenated blood is higher than in the deoxygenated blood that is on the “way back” to the heart, the values ​​vary depending on the measuring location. In the large arteries, the oxygen saturation is around 97 percent, while in the veins it is only 75 percent. The remaining oxygen was delivered to the tissue.
O 2 utilization can also be assessed via venous saturation  . This means how much of the oxygen in the blood is delivered to the tissue and used up there. Utilization increases when either the tissue has an increased oxygen requirement or the oxygen supply is too low. From the utilization it can also be concluded whether the heart is pumping a sufficient amount of blood in a certain time (cardiac output).
Measuring oxygen saturation
There are several methods to measure oxygen saturation. Blood can be taken from different vessels via catheters and the oxygen content can be determined via a blood gas analysis . The oxygen partial pressure (pO 2 ) is usually given in the blood gas analysis. This partial pressure is directly related to oxygen saturation.
The most common use of a pulse oximeter is to measure oxygen saturation. This is a clip that is usually clamped to the fingertip or earlobe. There, the light absorption of the blood, i.e. the weakening of the light intensity by the blood, is used to determine which proportion of the hemoglobin is loaded with oxygen.
Der Messwert der Sauerstoffsättigung wird in Prozent angegeben.
Die Abkürzung, mit der die Sauerstoffsättigung angegeben wird, hängt vom Messort ab:
- sO2: Sauerstoffsättigung allgemein
- SaO2: arteriell
- SpO2: pulsoxymetrisch
- SvO2: venös
- SzvO2: zentralvenös
- SgvO2: gemischt-venös
- O2-sat: eher im englischen Sprachraum gebräuchliche Abkürzung für die Sauerstoffsättigung im Allgemeinen
Wie sinnvoll ist ein Pulsoximeter für zu Hause?
Im medizinischen Gebrauch ist ein Pulsoximeter sehr sinnvoll. Es wird sowohl im Rettungsdienst als auch in der ambulanten und stationären Diagnostik, der Narkose und der stationären Überwachung von Patient*innen eingesetzt.
Außerdem nutzen Sportler*innen und Pilot*innen Pulsoximeter, wenn sie in großen Höhen unterwegs sind. So sind sie gewarnt, wenn bei ihnen eine Höhenkrankheit beginnt, die durch das geringe Sauerstoffangebot ausgelöst wird.
Ein Einsatz zu Hause für Asthmapatient*innen hat in Studien keinen Nutzen gezeigt.*
Wie hoch ist die normale Sauerstoffsättigung?
Die Normalwerte der Sauerstoffsättigung im Rahmen einer Blutgasanalyse oder mit dem Pulsoximeter gemessen liegen zwischen 94 und 98 Prozent. Eine hundertprozentige Sättigung wird in der Regel nicht erreicht, da es Direktverbindungen, sogenannte Shunts, gibt, die die Lungenkapillaren umgehen, weshalb ein kleiner Teil des sauerstoffarmen Blutes nicht am Gasaustausch teilnimmt.
Wert zu niedrig: Wann ist eine Sauerstoffsättigung kritisch?
Ist die Sauerstoffsättigung zu niedrig, spricht man von einer Hypoxygenation. Sie geht mit einer sogenannten Hypoxämie, der Abnahme des Sauerstoffgehaltes im Blut, einher. Auch der Sauerstoffpartialdruck im Blut und Gewebe kann dadurch sinken. In diesem Fall spricht man von einer Hypoxie. Ist gar kein Sauerstoff vorhanden, handelt es sich um eine Anoxie.
Es werden verschiedene Schweregrade der Hypoxygenation eingeteilt:
- Mäßig: 90 – 93 Prozent
- Mittelgradig: 85 – 89 Prozent
- Hochgradig: < 85 Prozent
Das Problem an einer zu niedrigen Sauerstoffsättigung ist, dass dabei der Sauerstoffbedarf der Körperzellen das Sauerstoffangebot übersteigt. Die Zellen benötigen Sauerstoff jedoch, um ihre Funktion und Struktur aufrecht erhalten zu können.
Die meisten Zellen sind nur wenige Sekunden in der Lage, ohne Sauerstoff zu arbeiten. Je nach Gewebe behalten sie jedoch wenige Minuten bis Stunden ihre Form bei und können daher ihre Funktion wieder aufnehmen, wenn erneut Sauerstoff zur Verfügung steht. Ausgerechnet die Gehirn- und Herzmuskelzellen sind jedoch besonders anfällig für einen Sauerstoffmangel und sterben bei einer Gewebshypoxie sehr schnell ab.
Wie entsteht eine niedrige Sauerstoffsättigung?
Hypoventilation, i.e. breathing that is too shallow, can be responsible for too low saturation values. As a result, there is not enough oxygen in the pulmonary alveoli for gas exchange. The blood flow in the lungs can also be disturbed, which means that not enough blood can participate in gas exchange.
 Oxygen saturation can also be reduced in the case of pneumonia . The inflammation  causes the walls of the air sacs in the lungs to thicken. This increases the distance between the air and the blood in the capillaries, which limits the transfer of oxygen and carbon dioxide particles. Less oxygen passes from the pulmonary alveoli into the blood and oxygen saturation decreases.
Andere Erkrankungen, die mit einer erniedrigten Sauerstoffsättigung einhergehen, sind:
Eine schlechte Gewebsdurchblutung oder eine Blutarmut können sich ebenfalls in einer Hypoxie äußern. Hierbei ist das Hämoglobin zwar gut mit Sauerstoff gesättigt, allerdings steht aufgrund der schlechten Durchblutung oder des Mangels an roten Blutkörperchen insgesamt weniger Hämoglobin und entsprechend weniger Sauerstoff zur Verfügung. Das Blut wird deshalb stärker entsättigt, sodass die venöse Sättigung niedriger ist als normal.
Bei kalten Fingern ist die Durchblutung schlecht. In diesem Fall zeigt das Pulsoximeter bei einer Messung am Finger fälschlicherweise zu niedrige Werte an. Eine Messwiederholung an einem wärmeren Finger ist sinnvoll.
Außerdem ist bei Rauchern die Sauerstoffsättigung leicht erniedrigt.
Symptome einer zu niedrigen Sauerstoffsättigung
Die Leistungsfähigkeit des Körpers ist stark abhängig von einem ausreichend großen Angebot an Sauerstoff. Ist dieses nicht gegeben, zeigt sich das durch folgende Symptome:
- geringe Belastbarkeit
- Kurzatmigkeit
- Müdigkeit und Abgeschlagenheit
- bläulich verfärbte Lippen und Haut (Zyanose)
- Schwächeanfälle und Ohnmacht
Wie kann man die Sauerstoffsättigung im Blut verbessern?
It is important to know the cause of the low oxygen saturation so that it can be treated. In the event of an acute lack of oxygen, it may be useful to give oxygen via a mask or nasal cannula. This increases the oxygen partial pressure in the alveoli and facilitates the transition from the lungs to the blood. This increases the oxygen saturation.
Anyone who wants to do something for a good supply of oxygen to their own body and want to increase it can  keep fit with physical training and breathing exercises . The body adapts to the stress on many levels, the circulation in the muscles and lungs is promoted, the heart is strengthened, blood pressure drops and the maximum oxygen uptake through the lungs can be significantly increased.
Too high oxygen saturation – is that possible?
Oxygen saturations cannot exceed 100 percent, and even that is not reached under normal circumstances. However, giving oxygen when the oxygen saturation was previously within a normal range can be harmful. On the one hand, the carbon dioxide content in the blood, which is responsible for the respiratory drive, decreases with increasing oxygen content. On the other hand, oxygen can form so-called radicals that can damage the cells and trigger mutations.
 Too much oxygen is also harmful during a heart attack . Therefore, oxygen is only given when the saturation is below 90 percent.
With hyperventilation , i.e. increased breathing, the oxygen and carbon dioxide levels in the blood also change as described. However, carbon dioxide levels are more strongly influenced by respiration. The effect on oxygen saturation is rather small.
oxygen saturation during sleep
Normalerweise bleibt die Sauerstoffsättigung im Schlaf gleich. Beim obstruktiven Schlafapnoe Syndrom (OSAS) wird der Rachenraum während des Schlafens jedoch nicht wie normal durch die Muskulatur offengehalten. Dadurch wird der Eingang zur Luftröhre verschlossen und eine Atmung ist nicht mehr möglich. Diese Atempausen halten über zehn Sekunden an. Dadurch kommt es zu einem deutlichen Abfall der Sauerstoffsättigung. Eine Therapie ist unter anderem mit einem Gerät möglich, das nachts die Atmung über eine Maske unterstützt.
Sauerstoffsättigung im Kindesalter
Bei der Geburt stellt sich der Kreislauf des Babys um. Zuvor erhielt es den Sauerstoff über den Mutterkuchen – die Plazenta – von der Mutter. Nun muss es selbst atmen. Es dauert in der Regel einige Minuten, bis die Atmung des Neugeborenen ausreicht, um eine gute Sauerstoffsättigung zu erreichen. Hält eine Hypoxie länger an, muss nach Ursachen gesucht werden, zum Beispiel nach Herzfehlern, Infektionen, Lungenfehlbildungen oder Hirnschäden.
In den ersten sechs Lebensmonaten kann es sein, dass Babys unregelmäßig atmen und daher kurzfristig niedrige Sauerstoffsättigungen (bei 90 Prozent) haben. Dies ist meist nicht besorgniserregend und fällt häufig auch nicht auf.
Beim älteren Kind ist die Sauerstoffsättigung wie beim Erwachsenen und sollte in den entsprechenden Grenzbereichen liegen.
