CH670374A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Einrichtungen werden zum Beispiel benutzt, um bei Patienten mit durch Krankheiten und/oder chirurgische Operationen verursachten Störungen der Sauerstoffversorgung und bei sportärztlichen Untersuchungen die Sauerstoffsättigung des Bluts auf nicht-invasive Weise, d.h. ohne die Haut oder sonstige Körperoberfläche durchdringende Instrumente zu ermitteln.

Das Verfahren zur optischen, nicht-invasiven Messung der Sauerstoffsättigung von Blut beruht darauf, dass das im Blut vorhandene sauerstoffhaltige Hämoglobin, das Oxyhä-moglobin, und das sauerstofflose oder -arme Hämoglobin, das Desoxyhämoglobin, verschiedene Farben und dementsprechend verschiedene Absorptionsspektren haben. Zur Messung wird Licht mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen in Blutgefässe und insbesondere Kapillargefässe aufweisende Körperbereiche eingestrahlt und für die verschiedenen Lichtwellenlängen die Stärke des den betreffenden Körperbereich, zum Beispiel ein Ohrläppchen, die Zunge oder einen Finger, durchdringenden oder des aus dem betreffenden Körperbereich, insbesondere dessen Haut, zurückgestrahlten Lichts ermittelt.

Informationen über die allgemeinen Grundlagen des Messprinzips sind zum Beispiel aus der Publikation «Noninvasive Transcutaneous Monitoring of Arterial Blood Gases» von Y. Mendelson und R. A. Peura, in IEEE Transactions on Biomedicai Engineering, Vol. BME-31, No. 12,1984, Seite 792, bekannt. Eine in dieser Publikation beschriebene Einrichtung besitzt einen zum Anordnen an einer Stelle der Körperoberfläche bestimmten Messkopf, der Leuchtdioden zum Einstrahlen von rotem und infrarotem Licht in einem Körperbereich, eine Fotodiode zum Empfangen von aus dem Gewebebereich zurückgestrahlten Licht und eine Heizvorrichtung mit einem Kupferring aufweist. Beim Messen der Sauerstoffsättigung liegt der Kupferring mit seiner einen Stirnfläche an der Hautoberfläche an und führt der Haut mit der Heizwicklung erzeugte Wärme zu. Durch Erwärmen eines Blutgefässe aufweisenden, für die optische Messung der Sauerstoffsättigung im Blut vorgesehenen Haut- oder eventuell sonstigen Körperbereichs kann dessen Durchblutung bis auf das Zwanzig- bis Dreissigfache verstärkt werden, was die Messgenauigkeit verbessert oder die Messung überhaupt ermöglicht. Aus der genannten Publikation geht ferner hervor, dass die Temperatur des bei der Messung benutzten Körperbereichs etwa 41 °C betragen sollte.

Es ist ferner bekannt, dass die Hautteile und insbesondere deren Zellen sowie auch Zellen tiefer liegender Gewebe durch mehr als etwa 42 °C betragende Temperaturen geschädigt werden, wobei die Überlebensdauer der Zellen oberhalb 42 °C mit wachsender Temperatur stark abnimmt. Die aus2

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sen am Körper vorhandene Haut kann in die äussere Epidermis und die innere Dermis unterteilt werden, wobei erst die letztere Blutgefässe aufweist, während bei der Epidermis unter deren lebloser Hornhaut lebende Zellen, aber keine Blutgefässe vorhanden sind. Wenn die Blutgefässe aufweisende Dermis durch Wärmeleitung von der Hautoberfläche her erwärmt wird, entsteht in der Haut ein Temperaturgefälle von aussen nach innen. Zudem hat die Hornhaut bei den verschiedenen Körperstellen stark unterschiedliche, typischerweise ungefähr von 0,2 mm bis 2 mm ändernde Dicken, wobei die Hornhautdicke natürlich auch noch vom Alter und den Lebensverhältnissen der untersuchten Person abhängig ist. Man muss daher im allgemeinen anhängig von der Grösse der mit der Heizvorrichtung an der Hautoberfläche erzeugten Temperatur in Kauf nehmen, dass entweder die Blutgefässe aufweisende Hautgewebeschicht nicht bis auf eine günstige Messbedingungen ergebende Temperatur erwärmt wird oder gewisse Hautteile Schäden verursachende Temperaturen erreichen.

Aus der DE-U-8 008 137 sind Messeinrichtungen zur fortlaufenden in-vivo Bestimmung der Konzentration von nicht-gasförmigen Stoffwechselprodukten, wie Enzymen, Säuren, Basen, im lebenden, insbesondere menschlichen Körper bekannt. Die Einrichtungen können zur Förderung der Durchblutung dienende, nicht näher beschriebene, optische Stimulatoren und ebenfalls nicht näher beschriebene, optische Sensoren aufweisen. Wie bereits erwähnt, dienen diese vorbekannten Einrichtungen also abweichend vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht zur Messung der Sauerstoffsättigung sondern zur Messung eines nicht gasförmigen Stoffwechselprodukts. Wenn die eigentliche Messung optisch mit mindestens einem Lichtempfänger stattfindet, kann zudem die Einstrahlung von zur Förderung der Durchblutung dienendem Licht die Messung stören.

Aus der DE-A-2 530 834 ist ferner eine Einrichtung zur Messung der Perfusionseffizienz in einem durchbluteten Gewebe bekannt. Die Einrichtung weist einen Hochfrequenzgenerator und elektrisch mit diesem verbundene Strahlungsmittel auf, um elektromagnetische Hochfrequenzwellen in das Gewebe einzustrahlen und dieses dadurch zu erwärmen. Ferner sind Mittel zum Messen des durch die Haut hindurch aus dem Gewebe austretenden Blutsauerstoffs vorhanden. Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, dass der zum Erwärmen des Gewebes dienende Hochfrequenzgenerator und übrigens auch die Mittel zum Erfassen und Messen des aus dem Gewebe austretenden Gases verhältnismässig aufwendig und kompliziert sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die ermöglicht, einen Blutgefässe aufweisenden Haut- und/oder eventuell anderen Körperbereich eines Lebewesens auf eine für eine genaue Messung der Sauerstoffsättigung von diesen Körperbereich durströmendem Blut ausreichende und günstige Temperatur zu erwärmen, ohne den genannten Körperbereich und/oder diesem benachbarte Körperbereiche durch Überhitzung zu schädigen und ohne die optisch erfolgende Messung der Sauerstoffsättigung zu stören, wobei die Einrichtung einfach und kostengünstig herstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung der einleitend genannten Art gelöst, wobei die Einrichtung erfin-dungsgemäss durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Der Erfindungsgegenstand wird nun anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung zeigt die Figur 1 einen Körperteil und eine schematisierte Ansicht einer Einrichtung zur Messung der Sauerstoffsättigung von Blut,

die Figur 2 einen schematischen Schnitt durch ein Hautstück und einen an diesem anliegenden Messkopf der Einrichtung, in grösserem Massstab,

die Figur 3 eine Draufsicht auf die zum Anliegen an der Haut bestimmte Seite eines Messkopfes der Einrichtung, in kleinerem Massstab als die Figur 2,

die Figur 4 ein Blockschema der Einrichtung,

die Figur 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs der von einem Lichtempfänger der Einrichtung für Licht mit einer bestimmen Wellenlänge erzeugten Signale,

die Figur 6 einen Schnitt durch eine andere Halterungsvorrichtung,

die Figur 7 einen Schnitt durch noch eine andere Halterungsvorrichtung,

die Figur 8 einen Schnitt durch eine weitere Halterungsvorrichtung,

die Figur 9 eine der Figur 3 entsprechende Draufsicht auf eine Variante eines Messkopfes und die Figur 10 einen schematisierten Schnitt einer weiteren Variante eines Messkopfes.

In der Figur 1 sind schematisch ein menschlicher Körperteil 1, etwa ein Ohrläppchen, und eine Einrichtung zum Messen der Sauerstoffsättigung von den Körperteil 1 durchströmendem Blut dargestellt. Zur Einrichtung gehört mindestens eine Halterungsvorrichtung 11, die als Hauptbestandteil einen gummielastischen Block 13 mit zwei zumindest ungefähr zueinander parallelen, durchgehenden Löchern 13a aufweist. In jedem von diesen steckt satt ein länglicher, armartiger, hohler, im Querschnitt viereckiger Träger, wobei auch noch die Einstecktiefe festlegende Anschlagmittel vorhanden sein können. Der Block 13 hat zwischen den beiden Löchern 13a in der Nähe seines einen Randes ein rechtwinklig zu den Löchern 13a verlaufendes Durchgangsloch 13b. Ein Verstellorgan 15 besitzt eine Schraube mit einem Kopf, einem das Durchgangsloch 13b durchdringenden Schaft und eine auf den Gewindeteil der Schraube aufgeschraubte Mutter.

An dem der Halterungsvorrichtung 11 abgewandten Endabschnitt jedes Trägers 21 ist ein auf dessen einer Längsseite herausragender Messkopf 23 befestigt. Die beiden Messköpfe sind zumindest im wesentlichen identisch ausgebildet und bei der in der Figur 1 dargestellten Anordnung einander abgewandten Seiten des Körperteils 1 zugewandt. Der Block 13 kann mittels des Verstellorgans 15 mehr oder weniger stark zusammengedrückt und deformiert werden, wobei die beiden bei undeformiertem Block beispielsweise parallel zueinander verlaufenden Träger 21 ihre Richtungen bezüglich einander ändern. Die Abstände der beiden Messköpfe 23 können daher mittels des Verstellorgans 15 innerhalb gewisser Grenzen an die Dicke des für die Durchführung einer Messung zwischen den beiden Messköpfen anzuordnenden Körperteils 1 angepasst werden, so dass die beiden Messköpfe beim Messen auf einander abgewandten Seite des Körperteils 1 an diesen anliegen.

In der Figur 2 ist schematisiert ein Stück der die äussere Bedeckung des Körperteils 1 bildenden, mehrere Schichten aufweisenden Haut 3 mit einer Epidermis 5 und einer Dermis 7 ersichtlich. Die Epidermis besteht aus der sich zu äusserst befindenden, blutgefäss- und leblosen Hornhaut 5a und der ebenfalls blutgefasslosen, aber lebende Zellen aufweisenden Keimschicht 5b. Die Epidermis ist auf der Innenseite durch eine im Querschnitt wellenförmige Grenzfläche gegen die Dermis 7 abgegrenzt, die lebende Zellen und Blutgefässe 9, insbesondere schleifenförmige Kapillaren besitzt. An die

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Dermis 7 schliesst innen ohne scharfe Abgrenzung das subcutane Gewebe an, das selbstverständlich auch lebende Zellen und Blutgefässe besitzt.

Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, besitzt der Messkopf 23 einen Support 25 mit einem ringförmigen, nämlich kreiszylindrischen, formfesten Mantel 25a. Dieser ist an seinem aus dem Träger 21 herausragenden Rand mit einer Dichtung 27 versehen, die etwa aus einem gummielastischen Material, etwa einem Schaumgummi besteht. Im axialen Bereich des Mantels 25a ist am Support 25 eine Hülse 29 befestigt, deren zylindrischer Mantel am freien Rand vorzugsweise ebenfalls mit einer Dichtung 31 versehen ist. Die freien Ränder der beiden Dichtungen 27, 31 liegen in der gleichen, zur Längsrichtung des Trägers 21 parallelen Ebene und können bei der Benutzung der Einrichtung zum dichten Anliegen an der Oberfläche der Haut 3 gebracht werden. In der Hülse 29 ist ein fotoelektrischer Lichtempfänger 33, zum Beispiel ein Silizium-Fotoelement oder eine Fotodiode, befestigt. Im Mantel 25 sind in der Figur 3 ersichtliche Lichtquellen 35, 37, nämlich Gallium-Aluminium-Arsenid-Leuchtdioden, paarweise symmetrisch zur Achse des Mantels 25 und des Lichtempfängers 33 angeordnet. Des weitem enthält der Innenraum des Mantels 25a mindestens einen Ultraschall-Strahler 39, nämlich zwei symmetrisch zur Achse des Mantels 25a des Lichtempfangers 33 angeordnete Ultraschall-Strahler 39. Jeder der letzteren besteht aus einem piezoelektrischen, plätt-chenförmigen, kreisrunden Element, das in einer am Support 25 befestigten Hülse 41 gehalten und mit einer ringförmigen Dichtung 43, einem O-Ring, abgedichtet ist. Der im Innenraum des Mantels 25a zwischen dessen Innenfläche und der Hülse 29 und der der Haut 3 zugewandten Seite der Strahler 39 vorhandene Hohlraum ist mit einem Ultraschall-Übertrager 45 versehen, der aus einer für sichtbares und infrarotes Licht durchlässigen, gallertartigen, aus Polyäthylenglykol bestehenden Füllmasse besteht, die auch die beim Messen der Haut zugewandten Abstrahlungseiten der Lichtquellen 35, 37 bedeckt.

Die elektrischen Elemente, d. h. die Lichtempfanger 33, die Lichtquellen 35,37 und die Ultraschall-Strahler 39 sowie der gemeinsame Massenanschluss des Messkopfes 23 sind elektrisch durch Leiter 47 und ein Kabel 49 mit dem schematisiert in der Figur 1 dargestellten, elektronischen Gerät 61 verbunden, wobei die Kabel 49 vorzugsweise an einem Ende Stecker 51 aufweisen, so dass sie von den Messköpfen 23 bzw. den diese haltenden Trägern 21 und/oder dem Gerät 61 trennbar sind. Das Gerät 61 hat elektronische Schaltungsmittel, einen Anzeigeteil 63 zur digitalen Anzeige der Sauer-stoffsättigung des Bluts, nämlich des prozentualen Sauerstoffsättigungsgrads SA, und der Frequenz des Pulses P. Das Gerät besitzt ferner noch verschiedene manuell betätigbare, zum Beispiel Drucktasten aufweisende Schalter, nämlich einen Ein-/Aus-Schalter 65, einen zum Testen und Eichen des Geräts dienenden Test-Schalter 67, einen Alarm-Schalter 69 zum Aktivieren eines Alarmgebers und möglicherweise noch weitere, nicht dargestellte Schalter.

Die elektronischen Schaltungsmittel des Geräts 61 weisen für jeden Lichtempfänger 33 einen Verstärker 81 auf, der den betreffenden Lichtempfanger 33 mit einer Auswerte-, Steuer- und Regelvorrichtung 83 verbindet. Diese besitzt unter anderem Schaltungsmittel zur analogen Signalverarbeitung, Analog/Digital-Wandler zur Umwandlung der von den Verstärkern 81 kommenden, elektrischen Analog-Signa-le in digitale Signale, einen Taktgeber und einen digital arbeitenden Rechner, beispielsweise einen Mikroprozessrech-ner. Die die Lichtquellen 35 bildenden Leuchtdioden und die die Lichtquellen 37 bildenden Leuchtdioden sind mit entgegengesetzten Polaritäten parallel geschaltet und mit einer dem betreffenden Messkopf zugeordneten Lichtquellen-

Speisevorrichtung 85 verbunden, wobei anstelle der zwei separaten Speisevorrichtungen 85 eine für beide Messköpfe 21 gemeinsame Speisevorrichtung vorhanden sein könnte. Jeder Ultraschall-Strahler 39 ist mit einem Ultraschall-Generator 87 verbunden. Die Speisevorrichtungen 85 und Generatoren 87 sind mit der Auswerte-, Steuer- und Regelvorrichtung 83 verbunden und in noch erläuterter Weise durch diese steuer-bzw. regelbar. Die Vorrichtung 83 ist ferner mit dem Anzeigeteil 63, den Schaltern 67, 69 und einem in das Gerät eingebauten, akustischen Alarmgeber 89 verbunden, wobei zusätzlich zum letzteren oder anstelle von diesem auch ein in das Gerät eingebauter optischer und/oder ein externer akustischer und/oder optischer Alarmgeber vorhanden sein könnte. Das Gerät 61 besitzt ferner einen zur Erzeugung der von den verschiedenen elektronischen Schaltungen und Vorrichtungen des Geräts 61 benötigten, elektrischen Gleichspannungen dienenden, mit dem Ein-Aus-Schalter 65 verbundenen Spannungsversorgungsteil 91, der beispielsweise mit mindestens einer Batterie und/oder einem Netzanschluss versehen ist.

Nun soll die Arbeitsweise der Einrichtung erläutert werden, wobei angenommen wird, dass ein Körperteil 1, d. h. ein Ohrläppchen der Person, deren Blut-Sauerstoffsättigung zu messen ist, sich in der in der Figur 1 dargestellten Weise zwischen den beiden Messköpfen 23 befindet, so dass diese mit den Dichtungen 27 und 31 an der Hautoberfläche anliegen. Wenn das Gerät 61 zur Durchführung einer Messung eingeschaltet ist, steuert die Vorrichtung 83 die Lichtquellen-Speisevorrichtungen 85 derart, dass diese eine periodische, elektrische Impulsfolge erzeugen, deren Impulse abwechselnd verschiedene Polaritäten haben, so dass bei den einen elektrischen Impulsen die Lichtquellen 35 und bei den andern elektrischen Impulsen die Lichtquellen 37 Lichtsignale oder -impulse erzeugen. Die Frequenz der Lichtsignale oder -impulse soll wesentlich grösser sein als die menschliche Puls- bzw. Herzschlagfrequenz und zum Beispiel mindestens 70 Hz und höchstens 150 Hz betragen. Die Frequenz der Lichtsignale soll dabei von der üblicherweise 50 oder 60 Hz betragenden Frequenz der im geographischen Anwendungsgebiet der Einrichtung vorhandenen Netz-Wechselspannung und der ganzzahligen Vielfachen dieser Netz-Wechselspannungsfrequenz verschieden sein, um Störungen durch die Netz-Wechselspannung und/oder mit dieser betriebene Lampen gering zu halten. Im übrigen wurden die beiden Speise-Vorrichtungen 85 beispielsweise derart gesteuert, dass die von ihnen erzeugten Impulsfolgen nicht nur synchron, sondern auch phasengleich zueinander sind, so dass jeweils alle Lichtquellen 35 beider Messköpfe gleichzeitig Lichtsignale erzeugen und das Entsprechende auch für die Lichtquellen 37 gilt.

Das von den Lichtquellen 35,37 erzeugte Licht ist sichtbares und/oder im nahen Infrarotbereich liegendes Licht. Die Lichtquellen 35 können zum Beispiel Licht erzeugen, dessen Wellenlänge in der Nähe des sogenannten isobesti-schen Punktes liegt, bei dem die Absorptionskurven von sauerstoffhaltigem und sauerstofflosem Hämoglobin einander kreuzen und die im folgenden als isobestische Wellenlänge bezeichnete Wellenlänge ungefähr 805 nm beträgt. Die anderen Lichtquellen 37 können beispielsweise Licht erzeugen, dessen Wellenlänge um beispielsweise 50 bis 300 nm grösser oder kleiner ist.

Wenn von einer der Lichtquellen 35, 37 erzeugtes Licht in den Körperteil 1 eindringt, kann Licht absorbiert oder in verschiedene Richtungen, insbesondere ungefähr nach vorne oder hinten, gestreut werden, wobei ein Teil des Lichtes ohne Ablenkung gerade durch den Körperteil 1 hindurch dringen kann.

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Wenn sich die beiden Messköpfe gemäss der Figur 1 gegenüberstehen, kann jeder Lichtempfänger 33 sowohl von den Lichtquellen 35, 37 des ihn haltenden Messkopfes 21 erzeugtes und vom Körperteil 1 infolge Streuung zurück gestrahltes als auch von den Lichtquellen 35, 37 des jeweils andern Messkopfes 21 erzeugtes Licht empfangen, das den Körperteil 1 durchdrungen hat. Im folgenden wird das von den Lichtquellen des gleichen Messkopfes in einen Lichtempfänger gelangende Licht als Reflexionslicht und das von den Lichtquellen des jeweils anderen Messkopfes in den Lichtempfänger gelangende Licht als Transmissionslicht bezeichnet. Die die Lichtempfänger 33 umschliessenden Hülsen 29 und Dichtungen 31 stellen im übrigen sicher, dass jeder Lichtempfänger nur solches Reflexionslicht empfängt, das zumindest in die Haut 3 des Körperteils 1 eingedrungen war.

Die Lichtempfänger 33 erzeugen bei jedem vom Körperteil 1 her in sie eindringenden Lichtsignal ein elektrisches Signal, nämlich einen Spannungsimpuls, dessen Höhe ein Mass für die Lichtstärke gibt. Dabei addieren sich die Lichtstärken der gleichzeitig in einen Lichtempfänger gelangenden Reflexions- und Transmissionslichtsignale, was relativ grosse Lichtstärken sowie Spannungsimpulse ergibt und sich günstig auf die Messgenauigkeit auswirkt. Die Vorrichtung 83 besitzt durch elektronische Torschaltungen und/

oder sonstige Mittel gebildete, elektronische Weichen, um die ihr von den Lichtempfangern 33 über die Verstärker 81 zugeführten Signale aufgrund ihres zeitlichen Eintreffens zu identifizieren, sortieren und den beiden Lichtwellenlängen zuzuordnen. Der Rechner der Vorrichtung 83 berechnet dann beispielsweise für jeden der beiden Lichtempfanger 33 aufgrund der von diesem kommenden Signalfolgen die Sauerstoffsättigung bildet den Mittelwert und führt dem Anzeigeteil 63 entsprechende Signale zu, sodass dieser den sich aus der Mittelwertbildung über beide Messkanäle ergebende Sauerstoffsättigung anzeigt. Eine solche Mittelwertbildung erhöht die Messgenauigkeit. Es kann jedoch auch vorgesehen werden, dass statt des Mittelwertes oder zusätzlich zu diesem abwechselnd oder eventuell sogar gleichzeitig die sich für jeden einzelnen Messkanal ergebenden Werte der Sauerstoffsättigung angezeigt werden oder dass mittels mindestens eines manuell betätigbaren Schalters eingestellt werden kann, ob die für die beiden Lichtempfänger und zugehörigen Messkanäle gemittelte Sauerstoffsättigung oder die aufgrund der vom einen oder anderen Lichtempfanger kommenden Signale ermittelte Sauerstoffsättigung angezeigt werden soll. Die zeitliche Auswahl der zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung benutzten Signale wird noch näher erläutert.

Es sei hierbei bemerkt, dass das Gerät 61 noch mindestens einen zusätzlichen, zum Wählen der Betriebsart dienenden Schalter, zum Beispiel zwei zusätzliche Tast-Schalter aufweisen könnte, um festzulegen, ob die Einrichtung die Sauerstoffsättigung in der beschriebenen Weise aufgrund von gleichzeitig von den Lichtempfängern empfangenem Reflexions- und Transmissionslicht oder nur aufgrund von Re-flexionslicht oder nur aufgrund von Transmissionslicht ermitteln soll. Falls eine der beiden Betriebsarten gewählt wird, bei der der Sauerstoffgehalt entweder nur aufgrund von Reflexions- oder nur aufgrund von Transmissionslicht errechnet werden soll, kann die Vorrichtung 83 die Licht-quellen-Speisevorrichtungen 85 zumindest bei diesen beiden Betriebsarten derart steuern, dass die von den Lichtquellen des einen Messkopfes 21 erzeugten Lichtsignale in die Lük-ken fallen, die zwischen den von den Lichtquellen des anderen Messkopfes erzeugten Lichtsignalen vorhanden sind. Die Vorrichtung 83 kann dann mittels der bereits erwähnten oder und/oder zusätzlichen, elektronischen Weichen auch die durch Reflexionslicht erzeugten Lichtsignale von den durch Transmissionslicht erzeugten Signale aufgrund ihres zeitlichen Eintreffens unterscheiden und aussortieren.

Die in dem bei der optischen Messung erfassten Bereich des Körperteils 1 im Blut vorhandene Sauerstoffsättigung ändert im Takt des Pulses und erreicht jedes Mal, wenn ein Stoss frisches Blut zugeführt wird, ein Maximum. Die Absorption von zumindest ungefähr die isobestische Wellenlänge aufweisendem Licht ist mindestens näherungsweise unabhängig von dem im Takt des Pulses stattfindenden Schwankungen der Sauerstoffsättigung. Für Licht, dessen Wellenlänge stark von der isobestischen Wellenlänge abweicht und das dementsprechend durch sauerstoffhaltiges und sauer-stoffloses Hämoglobin verschieden stark absorbiert wird, variiert dagegen die Absorption im Takt des Pulses, so dass die Lichtstärke durch die Pulswellen moduliert wird. Je nach der Wellenlänge des Lichtes hat die Absorption dann bei jedem Stoss von frischem, eintreffendem Blut entweder ein Maximum oder ein Minimum und das durchdringende oder zurückgestreute Licht ein Minimum bzw. Maximum. Im folgenden wird angenommen, dass die Lichtquellen 35, wie bereits erwähnt, Licht mit einer in der Nähe der isobestischen Wellenlänge liegenden, zum Beispiel etwa 830 nm betragender Wellenlänge und die Lichtquellen 37 Licht mit einer deutlich unterhalb der isobestischen Wellenlänge liegenden, zum Beispiel etwa 670 nm betragender Wellenlänge erzeugen. Dieses von den Lichtquellen 37 erzeugte Licht wird dann von sauerstoffhaltigem Blut weniger stark absorbiert als das von den Lichtquellen 35 erzeugte Licht. Das in der Figur 5 dargestellte Diagramm, in dem auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen ist, zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Spannung U der impulsförmigen, elektrischen Signale, die einer der beiden Lichtempfänger 33 für dasjenige in ihn eindringende Licht erzeugt, das von den Lichtquellen 37 erzeugt wird. Die Hüllkurve der Signale oder Impulse hat für jede Welle des menschlichen Pulses, d. h. für jeden Herzschlag ein Maximum mit dem Spannungswert Umax und sinkt dazwischen auf ein mehr oder weniger plateauförmiges Minimum mit dem Spannungswert Umin ab. Die Periodendauer des Pulses ist in der Figur 5 mit T bezeichnet. Die, wie bereits erwähnt, im Takt des Pulses variierende Sauerstoffsättigung hat einen ähnlichen zeitlichen Verlauf wie die in der Figur 5 dargestelle Hüllkurve und hat bei den Werten Umax jeweils ein Maximum. Gemäss der üblichen Praxis soll der Anzeigeteil 63 dieses Maximum der Sauerstoffsättigung als Messergebnis anzeigen. Die Vorrichtung 83 weist daher in ihrem analog und/oder digital arbeitenden Teil Mittel auf, um die Signale mit den Spannungswert Umax herauszusortieren und zur Berechnung der Sauerstoffsättigung zu verwerten. Die Vorrichtung 83 kann beispielsweise in der Art einer PLL-Regelschaltung, d. h. einer phasenverriegelten Regelschaltung arbeitende Schaltungsmittel aufweisen, die jeweils in den Zeitpunkten, in denen die Spannung U den Maximalwert Umax erreicht, vorübergehend ein elektronisches Tor öffnet. Die Vorrichtung 83 ist des weitern ausgebildet, um die Periodendauer T zu ermitteln, daraus die Pulsfrequenz zu errechnen und dem Anzeigeteil 63 entsprechenden Signale zuzuführen, sodass dieser die Pulsfrequenz anzeigt. Im übrigen führt die Vorrichtung 83 selbstverständlich eine gewisse Mittelung zum Ausgleichen von Schwankungen der Messwerte aus.

Die Ultraschall-Generatoren 87 führen den piezoelektrischen Ultraschall-Strahlern 39 Energie zu, sodass diese mechanische Schwingungen mit zum Beispiel im Bereich von 0,8 bis 5 MHz liegenden Frequenzen ausführen und Ultraschallwellen abstrahlen. Die Generatoren 87 können zusammen mit dem zugehörigen Strahler 39 einen mit der Resonanzfrequenz des letzteren schwingenden, elektrischen Oszil5

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lator bilden. Falls man wünscht, dass die von den zum gleichen Messkopf gehörenden Ultraschall-Strahlern erzeugten Ultraschallwellen zur Vermeidung von Interferenzen die gleichen Frequenzen und Phasenlagen haben, können die zugehörigen Generatoren 87 in entsprechender Weise durch die Vorrichtung 83 gesteuert und/oder direkt miteinander gekoppelt werden, wobei dann die Strahler 39 unter Umständen mit ein wenig von ihren Resonanzfrequenzen abweichenden Frequenzen schwingen. Im übrigen könnte man zur Reduktion von Interferenzen stattdessen oder zusätzlich die Hohlräume der Messköpfe 23, die die als Ultraschall-Über-träger 45 dienende, gallertartige Füllmasse enthalten, durch Trennwände in je einem der Ultraschall-Strahler 39 zugeordnete Sektoren unterteilen.

Die von den Ultraschall-Strahlern 39 erzeugten Ultraschallwellen werden von den Ultraschall-Übertragern 45 auf den Körperteil 1 übertragen, wobei die Übertrager insbesondere auch zu Anpassung des Wellenwiderstandes des Strahlers an denjenigen des Körperteils 1 dienen. Die Ultraschallwellen dringen in den Körperteil 1 ein und erwärmen diesen. Dadurch können die Blutgefässe besitzende Bereiche der Hautabschnitte, an denen die Messköpfe anHegen, und eventuell auch noch sich unter diesen Hautabschnitten befindende, Blutgefässe aufweisende Gewebeabschnitte auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden, ohne dass die äusser-sten, blutgefasslosen Hautschichten über die genannte Temperatur erwärmt werden und sogar im allgemeinen unter der letzteren liegende Temperaturen haben. Die Erwärmung der Blutgefässe aufweisenden Körperbereiche und Gewebe verstärkt deren Durchblutung, was wiederum die durch das Hämoglobin des Blutes verursachte Beeinflussung des in den Köperteil 1 eingestrahlten Lichts vergrössert.

Die elektronische Auswerte-, Steuer- und Regelvorrichtung 83 steuert nun die Generatoren 87 derart, dass diese impulsweise ein- und ausgeschaltet werden, und regelt die Zeitdauern oder die Breiten dieser Impulse. Die Strahler 39 strahlen die Ultraschallwelle dementsprechend impuls- oder paketweise ab. Die Frequenz dieser Ultraschallwellen-Impulse oder -Pakete ist wesentlich grösser als die Pulsfrequenz und wird durch die Vorrichtung 83 auf einem konstanten, zum Beispiel mindestens 300 Hz und höchstens 1400 Hz betragenden Wert gehalten. Die Vorrichtung 83 regelt die Impulsbreiten der Ultraschallwellen-Impulse und damit die von den Strahlern 39 abgestrahlte Leistung derart, dass die Differenz zwischen den Spannungswerten Umax und Um,n oder das Verhältnis zwischen dieser Differenz und dem Wert von Umi„ oder Umax gleich einem vorgegebenen Sollwert ist oder zumindest in einem Sollwertbereich liegt. Da ja die Lichtempfanger 33 beider Messköpfe elektrische Signale liefern, die Werte von Umax und Umi„ definieren, und die Werte Umax, Umjn der beiden Messkanäle im allgemeinen voneinander abweichen, kann die Vorrichtung 83 zum Beispiel ausgebildet sein, um die aus den von den Lichtempfän-gern der beiden Messköpfe stammenden Signalen ermittelten Differenzen (Umax— Umin) bzw. die Verhältnisse zwischen diesen und Um,-„ oder Umax zu mittein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 83 nur die von einem der beiden Messköpfe stammenden Spannungswert-Diffe-renzen zur Regelung heranzieht. Des weitem besteht die Möglichkeit, das Gerät 61 mit mindestens einem Schalter zu versehen, mit dem einstellbar ist, ob die von beiden Messköpfen kommenden Signale oder nur die von einem oder anderen M esskopf kommenden Signale zur Regelung der Ultraschall-Leistung herangezogen werden sollen. Im weiteren könnte die Regelung statt aufgrund der genannten Span-nungswert-Differenzen oder der genannten Verhältnisse auch aufgrund von andern damit verknüpften Grössen erfolgen, die ein Mass für die Grösse oder Stärke der durch den

Puls bedingten Änderung von aus einem Körperbereich herausgestrahltem Reflexions- und/oder Transmissionslicht geben. Die Regelung könnte zum Beispiel aufgrund von Sauer-stoffsättigung-Werten erfolgen, die für die Maxima der Pulswelle und dazwischen liegende Stellen errechnet werden.

Falls man zur Regelung der Strahlen Licht mit einer oberhalb der isobestischen Wellenlänge liegenden Wellenlänge verwendet würde, hätte die der in der Figur 5 dargestellten Hüllkurve entsprechende Kurve anstelle der durch den pulsbedingten, nach oben ragenden Spitzen nach unten ragende Spitzen.

Wie noch näher erläutert wird, kann die Einrichtung zum Messen der Sauerstoffsättigung an verschiedenen Körperteilen und für verschiedene Arbeitsweisen konzipiert werden. Man kann daher vorsehen, das Gerät mit einem Einstellorgan auszurüsten, mit dem der für die Leistungsregelung benötigte Sollwert an die verschiedenen vorgesehenen Messstellen und Arbeitsweisen angepasst werden kann.

Die beschriebene Regelung der von den Ultraschallstrahlem 39 abgestrahlten Leistung, ermöglicht die für die optische Messung benutzten Körperbereiche auf eine eine ausreichende Messgenauigkeit ergebende Temperatur zu erwärmen, die beispielsweise höchstens oder ungefähr 41 °C betragen kann. Zur Vermeidung von Schädigungen der Zellen im Fall einer Störung des Regelvorganges kann das Gerät 61 mit Mitteln zur Begrenzung der Ultraschall-Leistung auf einen Grenzwert versehen werden.

Wie erwähnt, kann es sich beim Körperteil 1 zum Beispiel um ein Ohrläppchen handeln. Die Einrichtung kann auch verwendet werden, um in analoger Weise die Sauerstoffsättigung vom Blut in anderen Körperteilen, zum Beispiel, der Zunge, der Nase, einer Wange, einem Finger oder einer Zehe zu messen. Da die Dickenachsen dieser Körperteile unter Umständen ausserhalb des Bereiches liegen, in dem der Abstand der einander zugewandten Stirnseiten der beiden Messköpfe 23 mit der Halterungsvorrichtung 11 variiert werden kann, oder weil es sonst vorteilhaft ist, für andere Körperteile andere Halterungsvorrichtungen vorzusehen, kann die Einrichtung mit verschiedenen Abmessungen und/oder Formen aufweisenden Halterungsvorrichtungen ausgerüstet werden, an denen die Träger 21 wahlweise lösbar befestigt werden können. In den Figuren 6 und 7 ist beispielsweise als Körperteile 101 bzw. 121 ein Finger dargestellt, auf dem eine Halterungsvorrichtung 111 bzw. 131 gesteckt ist. Diese besteht im wesentlichen aus einer fingerhutartigen, eventuell mit Längsschlitzen versehenen, und ein wenig federnd ausgebildeten, zum Beispiel aus Kunststoff bestehenden Kappe. An den Halterungsvorrichtungen 111, 131 können die Träger 21 derart lösbar befestigt werden,

dass die zur Lichtabstrahlung und -aufnähme dienenden Stirnseiten der Messköpfe 23 einander analog wie bei der Anordnung gemäss der Figur 1 zugewandt sind. Dementsprechend kann die Messung bei den Anordnungen gemäss den Figuren 6 und 7 ähnlich erfolgen, wie es für die Anordnung gemäss der Figur 1 erklärt wurde.

Die Halterungsvorrichtung 151 gemäss der Figur 8 ist zumindest im wesentlichen durch einen beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Block mit einem Durchgangsloch gebildet, in das die im Querschnitt viereckigen Träger 21 derart satt hineinsteckbar sind, dass ihre den aus ihnen herausragenden Messkopfteilen abgewandten Rückseiten aneinander anliegen. Die zum Ausstrahlen und Aufnehmen von Licht dienenden Stirnseiten der Messköpfe 23 sind dement— sprechend einander abgewandt. Die in solcher Weise angeordneten Träger 21 und Messköpfe können beispielsweise verwendet werden, um eine Messung im Innern einer Körperöffnung durchzuführen. Die Messköpfe können zum Beispiel in den Mund zwischen die Unterseite der Zunge und

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den sich unter dieser befindenden Gaumenbereich oder in den Darmausgang eingeführt werden. Bei einer solchen Anordnung der Messköpfe kann beim Messen selbstverständlich kein Transmissionslicht, sondern nur Reflexionslicht aus den untersuchten Körperbereichen in die Lichtempfänger der Messköpfe gelangen. Die beiden parallel zueinander arbeitenden Messköpfe ergeben aber auch in diesem Fall noch bessere und genauere Messresultate, als es mit einem einzelnen Messkopf der Fall wäre.

Des weiteren besteht noch die Möglichkeit, mit den beiden Messköpfen gleichzeitig an verschiedenen, verhältnismässig weit von einander entfernten Körperstellen, zum Beispiel am Ober- und am Unterarm, Messungen durchzuführen. Solche Messungen geben Information über die Ausbreitung der Pulswellen und dem damit verbundenen Sauerstofftransport. Ferner kann man natürlich auch nur einen der beiden Messköpfe an irgend einem Körperteil anordnen, um dort die Sauerstoffsättigung zu messen. Für derartige Anwendungen sollte der Anzeigeteil dann, wie weiter vorne als Möglichkeit erwähnt wurde, anstelle der für die zwei Lichtempfänger gemittelten Sauerstoffsättigung die für einen oder jeden Lichtempfänger einzeln ermittelte Sauerstoffsättigung anzeigen.

Die beiden Messköpfe 23 können ebenfalls durch modifizierte Messköpfe ersetzt werden. Zum Beispiel können wie beim in der Figur 9 dargestellten Messkopf 223 sechs gleich-mässig auf einem Kreis um einen Lichtempfänger 233 herum verteilte Lichtquellen vorhanden sein, von denen drei Lichtquellen 235 Licht mit einer bestimmten Wellenlänge und die drei Lichtquellen 237 Licht mit einer anderen Wellenlänge erzeugen. Man könnte jedoch für die sechs Lichtquellen auch drei Paare von Licht gleicher Wellenlänge erzeugenden Lichtquellen vorsehen. Die elektronische Auswerte-, Steuer-und Regelvorrichtung könnte in diesem Fall dahingehend modifiziert werden, dass sie die Sauerstoffsättigung aus den Lichtstärken von Lichtsignalen mit drei verschiedenen Wellenlängen ermittelt. Der Messkopf 223 besitzt nur einen einzigen Ultraschall-Strahler 239, der durch ein kreisringförmiges, piezoelektrisches Plättchen gebildet ist, das den Lichtempfänger 233 und die sechs Lichtquellen 235,237 um-schliesst. Der Strahler 239 kann in ähnlicher Weise geregelt werden, wie es für die Strahler 39 erläutert worden ist.

Die Messköpfe könnten statt eines kreisförmigen Umrisses auch eine längliche Form haben, wobei der Lichtempfänger, zwei oder drei Paar Lichtquellen und ein Paar Ultraschall-Strahler eine gerade Reihe bilden könnten, in deren Mitte sich der Lichtempfänger befindet.

In der Figur 10 sind ein Stück Haut 301 und ein an dieser anliegender, beispielsweise einen kreisrunden Umriss besitzender Messkopf 323 ersichtlich. Der Messkopf 323 weist einen Support 325 mit einem zylindrischen Mantel 325a auf, der an seinem hautseitigen Ende mit einer etwa aus flüssigkeitsdichtem Schaumgummi bestehenden Dichtung 327 versehen ist. Im Zentralbereich des Supports 325 ist eine Hülse 329 befestigt, die bei ihrem hautseitigen Ende mit einer vorzugsweise ebenfalls flüssigkeitsdichten Dichtung 331 versehen ist und einen Lichtempfänger 333 enthält. Der Messkopf 323 weist ferner Lichtquellen 335 und Ultraschall-Strahler 339 auf, die zum Beispiel ähnlich angeordnet sein können, wie beim Messkopf 23. Der Messkopf 323 unterscheidet sich jedoch vom Messkopf 23 dadurch, dass er anstelle eines gallertartigen Ultraschall-Übertragers einen durch eine durchsichtige Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, gebildeten Ultraschall-Übertrager 345 aufweist. Die Flüssigkeit kann nach dem flüssigkeitsdichten Anordnen des Messkopfes 323 an der Haut 301 mit einer Pumpe 355 in den an die Haut angrenzenden Hohlraum des Messkopfes hineingepumpt und kontinuierlich durch eine die Flüssigkeitstemperatur konstant haltende Temperaturregelvorrichtung 357 hindurch umgewälzt werden. Wenn die inneren, Blutgefässe aufweisende Bereiche der Haut und eventuell der unter dieser vorhandenen Gewebe während einer Messung durch Einstrahlen von Ultraschallwellen erwärmt werden, kann die Hautoberfläche mittels der durch den genannten Hohlraum gepumpten Flüssigkeit gekühlt und auf einer unterhalb der Temperatur der innern, Blutgefässe aufweisenden und durch Ultraschallwellen erwärmten Körperbereiche liegenden, zum Beispiel ungefähr der normalen Körpertemperatur entsprechenden Temperatur gehalten werden.

Des weitern wäre es möglich, jeden Messkopf mit mehr als einem Lichtempfanger auszurüsten. Man könnte beispielsweise jeden Messkopf mit zwei je nur in einem schmalen Wellenlängenbereich lichtempfindlichen Fotodioden versehen, wobei dann die eine Fotodiode auf Licht mit der von der einen Gruppe Lichtquellen erzeugten Wellenlänge und die andere Fotodiode auf Licht mit der von der anderen Gruppe Lichtquellen erzeugten Wellenlänge ansprechen würde.

Ferner könnte man eventuell jeden Messkopf für jede zum Messen zu erzeugende Licht-Wellenlänge nur mit einer einzigen Lichtquelle ausrüsten.

Zudem könnte man mit den beschriebenen Einrichtungen nicht nur die im Blut von Menschen, sondern auch die im Blut von Tieren vorhandene Sauerstoffsättigung messen.

Falls eine Einrichtung ausschliesslich für Messungen mit Reflexionslicht vorgesehen ist, könnte man sie ferner auch nur mit einem einzigen Messkopf ausrüsten.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

670 374 PATENTANSPRÜCHE

1. Einrichtung zur optischen Messung der Sauerstoffsättigung von Blut in einem Körperbereich, mit zum Erwärmen des letzteren dienenden Mitteln, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel mindestens einen Ultraschall-Strahler (39, 239, 339) zum Einstrahlen von Wellen in den genannten Körperbereich aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zum Anliegen an einem den besagten Körperbereich aufweisenden Körperteil (1, 101,121, 301) bestimmter Messkopf (23, 223, 323) mit einem Support (25,325) vorhanden ist, der mindestens einen Lichtempfän-ger (33,233, 333) sowie Lichtquellen (35, 37,235, 237, 335) zur genannten optischen Messung der Sauerstoffsättigung und den bzw. mindestens einen Ultraschall-Strahler (39,239, 339) hält, wobei der bzw. jeder Messkopf (23,223, 323) vorzugsweise einen Mantel (25a, 325a) aufweist, der den bzw. jeden Lichtempfänger (33,233, 333), die Lichtquellen (35, 37,235,237, 335) und den bzw. die Ultraschall-Strahler (.39, 239, 339) des betreffenden Messkopfs (23,223, 323) um-schliesst und beispielsweise mit einer zum Anliegen am Körperteil (1,101,121,301) bestimmten Dichtung (27, 327) versehen ist.

, 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. jeder Messkopf (23) auf einander abgewandten Seiten des Lichtempfängers (33) angeordnete Ultraschall-Strahler (39) aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. jeder Messkopf (223) einen ringförmigen Ultraschall-Strahler (239) aufweist, der in einer Draufsicht auf die zum Anliegen am genannten Körperteil bestimmten Seite des Messkopfs (223) dessen Lichtempfanger (233) und Lichtquellen (235,237) umschliesst.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit dem bzw. mindestens einem Ultraschall-Strahler (39, 239, 339) versehener Messkopf (23,223, 323) mit einer zum Anliegen an einem den besagten Körperbereich aufweisenden Körperteil (1,101,121,301) bestimmten Seite vorhanden ist und dass der bzw. jeder Messkopf (23,223,323) mit einem zum Übertragen der von dem bzw. jedem zu diesen gehörenden Ultraschall-Strahler (39,239,339) erzeugten Schallwellen zum Körperteil (1, 301) dienender, aus einer gallertartigen Masse, beispielsweise Polyäthylenglykol, oder einer Flüssigkeit gebildeten Ultraschall-Übertrager (45,345) versehen ist, wobei der bzw. jeder Ultraschall-Strahler (39,239, 339) vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Element gebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. jeder Messkopf (323) auf seiner zum Anliegen an einem Körperteil (301) bestimmte Seite einen Hohlraum aufweist und dass eine Pumpe (355) zum Hindurchpumpen einer zur Bildung des Ultraschall-Übertragers (345) dienenden Flüssigkeit durch den Hohlraum vorhanden ist, wobei die Pumpe (355) und der Hohlraum vorzugsweise einen Kreislauf bilden, der vorzugsweise eine Temperaturregelvorrichtung (357) zum Regeln der Flüssigkeitstemperatur aufweist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel zum impulsweisen Betrieb des Strahlers (39,239,339,439) ausgebildet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Regelvorrichtung (83) zum Regeln der Leistung der vom mindestens einen Strahler (39, 239, 339,439) abgestrahlten Wellen.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (83) zur Impulsbreitenregelung ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zur optischen Messung der Sauerstoffsättigung mindestens ein Lichtempfänger (33, 233, 333,433) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (83) ausgebildet ist, um den mindestens einen Strahler (39, 239, 339, 439) derart zu regeln, dass eine ein Mass für die durch den Puls eines Menschen oder eventuell Tieres, an dem die Messung durchgeführt wird, verursachten Änderungen der Stärke von aus dem genannten Körperbereich heraus gestrahltem und vom Lichtempfänger (33,233, 333,433) aufgenommenen Licht gebende Grösse gleich einem Sollwert ist oder zumindest in einem Sollwertbereich liegt.