CH670374A5 - - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a device according to the preamble of claim 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. Such devices are used, for example, to monitor blood oxygen saturation in a non-invasive manner, i.e. in patients with disorders in the oxygen supply caused by diseases and / or surgical operations, and in sports medical examinations. without identifying instruments that penetrate the skin or other surface of the body.
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. The method for the optical, non-invasive measurement of the oxygen saturation of blood is based on the fact that the oxygen-containing hemoglobin present in the blood, the oxyhemoglobin, and the oxygen-free or low-oxygen hemoglobin, the deoxyhemoglobin, have different colors and accordingly different absorption spectra. For the measurement, light with at least two different wavelengths is radiated into blood vessels and, in particular, body areas with capillary vessels, and for the different light wavelengths the strength of the body area in question, for example an earlobe, the tongue or a finger, penetrating or that from the body area in question, in particular its area Skin, reflecting reflected light.
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. Information on the general principles of the measurement principle can be found, for example, in the publication “Noninvasive Transcutaneous Monitoring of Arterial Blood Gases” by Y. Mendelson and R. A. Peura, in IEEE Transactions on Biomedicai Engineering, Vol. BME-31, No. 12,1984, page 792. A device described in this publication has a measuring head which is intended to be arranged at a location on the body surface and which has light-emitting diodes for emitting red and infrared light in a body region, a photodiode for receiving light reflected back from the tissue region and a heating device with a copper ring. When measuring the oxygen saturation, the copper ring lies with its one end face against the skin surface and supplies the skin with the heat generated by the heating coil. By heating a skin or possibly other body area that has blood vessels and is provided for the optical measurement of the oxygen saturation in the blood, its blood circulation can be increased up to 20 to 30 times, which improves the measurement accuracy or enables the measurement at all. The publication also states that the temperature of the body area used in the measurement should be approximately 41 ° C.
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 It is also known that the skin parts and in particular their cells and also cells of deeper tissue are damaged by temperatures of more than about 42 ° C., the survival time of the cells above 42 ° C. decreasing sharply with increasing temperature. The from2
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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. Skin present on the body can be divided into the outer epidermis and the inner dermis, the latter only showing blood vessels, while the epidermis has living cells under its lifeless cornea, but no blood vessels. If the dermis that has blood vessels is heated by heat conduction from the surface of the skin, a temperature gradient arises in the skin from the outside to the inside. In addition, the cornea has very different thicknesses in the different parts of the body, typically changing from about 0.2 mm to 2 mm, the corneal thickness of course also being dependent on the age and living conditions of the person examined. Depending on the size of the temperature generated on the surface of the skin by the heating device, it must therefore be accepted that either the skin tissue layer containing the blood vessels is not heated to a temperature that results in favorable measuring conditions, or that certain parts of the skin reach temperatures causing damage.
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. DE-U-8 008 137 discloses measuring devices for the continuous in-vivo determination of the concentration of non-gaseous metabolic products, such as enzymes, acids, bases, in the living, in particular human body. The devices can have optical stimulators, which are not described in more detail and serve to promote blood circulation, and optical sensors, which are also not described in more detail. As already mentioned, deviating from the subject matter of the present invention, these previously known devices are therefore not used for measuring the oxygen saturation but for measuring a non-gaseous metabolic product. If the actual measurement takes place optically with at least one light receiver, the irradiation of light serving to promote blood circulation can also interfere with the measurement.
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. From DE-A-2 530 834 a device for measuring the perfusion efficiency in a perfused tissue is also known. The device has a high-frequency generator and radiation means electrically connected to it in order to radiate electromagnetic high-frequency waves into the tissue and thereby heat it. Means are also provided for measuring the blood oxygen exiting the tissue through the skin. This known device has the disadvantage that the high-frequency generator used to heat the tissue and, incidentally, also the means for detecting and measuring the gas emerging from the tissue are relatively complex and complicated.
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. The invention is therefore based on the object of providing a device which makes it possible to heat a skin and / or possibly other body region of a living being which has blood vessels to a temperature which is sufficient and favorable for an accurate measurement of the oxygen saturation of this body region without, without to damage said body area and / or body areas adjacent to it by overheating and without interfering with the optical measurement of oxygen saturation, the device should be simple and inexpensive to manufacture.
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. This object is achieved by a device of the type mentioned in the introduction, the device according to the invention being characterized by the characterizing part of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Advantageous refinements of the device emerge from the dependent claims.
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, The subject of the invention will now be explained with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. 1 shows a body part and a schematic view of a device for measuring the oxygen saturation of blood,
die Figur 2 einen schematischen Schnitt durch ein Hautstück und einen an diesem anliegenden Messkopf der Einrichtung, in grösserem Massstab, FIG. 2 shows a schematic section through a piece of skin and a measuring head of the device resting against it, on a larger scale,
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, FIG. 3 shows a plan view of the side of a measuring head of the device intended to lie against the skin, on a smaller scale than FIG. 2,
die Figur 4 ein Blockschema der Einrichtung, FIG. 4 shows a block diagram of the device,
die Figur 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs der von einem Lichtempfänger der Einrichtung für Licht mit einer bestimmen Wellenlänge erzeugten Signale, FIG. 5 shows a diagram to illustrate the time profile of the signals generated by a light receiver of the device for light with a specific wavelength,
die Figur 6 einen Schnitt durch eine andere Halterungsvorrichtung, FIG. 6 shows a section through another mounting device,
die Figur 7 einen Schnitt durch noch eine andere Halterungsvorrichtung, FIG. 7 shows a section through yet another mounting device,
die Figur 8 einen Schnitt durch eine weitere Halterungsvorrichtung, 8 shows a section through a further mounting device,
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. 9 shows a plan view corresponding to FIG. 3 of a variant of a measuring head and FIG. 10 shows a schematic section of a further variant of a measuring head.
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. 1 schematically shows a human body part 1, for example an earlobe, and a device for measuring the oxygen saturation of blood flowing through the body part 1. The device includes at least one mounting device 11, which has as its main component a rubber-elastic block 13 with two through holes 13a which are at least approximately parallel to one another. In each of these is an elongated, arm-like, hollow, square in cross-section support, whereby the insertion depth can also be fixed by means of attachment. The block 13 has a through hole 13b running at right angles to the holes 13a between the two holes 13a near its one edge. An adjusting member 15 has a screw with a head, a shaft penetrating the through hole 13b and a nut screwed onto the threaded part of the screw.
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. On the end section of each carrier 21 facing away from the holding device 11, a measuring head 23 protruding on one longitudinal side thereof is fastened. The two measuring heads are at least essentially identical and, in the arrangement shown in FIG. 1, face sides of body part 1 facing away from one another. The block 13 can be compressed and deformed to a greater or lesser extent by means of the adjusting element 15, the two supports 21, which, for example, run parallel to one another when the block is not deformed, change their directions with respect to one another. The distances between the two measuring heads 23 can therefore be adjusted within certain limits to the thickness of the body part 1 to be arranged between the two measuring heads by means of the adjusting element 15, so that the two measuring heads on the side of the body part 1 facing away from one another when measuring issue.
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 FIG. 2 shows schematically a part of the skin 3, which forms the outer covering of the body part 1 and has several layers, with an epidermis 5 and a dermis 7. The epidermis consists of the cornea 5a, which is located on the outside, is devoid of blood vessels and lifeless, and the germ layer 5b, which is also bloodless, but has living cells. The inside of the epidermis is delimited from the dermis 7 by an interface with a wavy cross section, which has living cells and blood vessels 9, in particular loop-shaped capillaries. To the
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Dermis 7 schliesst innen ohne scharfe Abgrenzung das subcutane Gewebe an, das selbstverständlich auch lebende Zellen und Blutgefässe besitzt. Dermis 7 connects the subcutaneous tissue on the inside, which of course also has living cells and blood vessels.
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. As can be seen from FIG. 1, the measuring head 23 has a support 25 with an annular, namely circular cylindrical, dimensionally stable jacket 25a. This is provided on its edge protruding from the carrier 21 with a seal 27, which consists for example of a rubber-elastic material, such as a foam rubber. In the axial region of the jacket 25a, a sleeve 29 is attached to the support 25, the cylindrical jacket of which is preferably also provided with a seal 31 on the free edge. The free edges of the two seals 27, 31 lie in the same plane parallel to the longitudinal direction of the carrier 21 and can be brought to bear tightly against the surface of the skin 3 when the device is used. A photoelectric light receiver 33, for example a silicon photo element or a photo diode, is fastened in the sleeve 29. 3, light sources 35, 37, namely gallium aluminum arsenide light emitting diodes, are arranged in pairs symmetrically to the axis of the jacket 25 and the light receiver 33. Furthermore, the interior of the jacket 25a contains at least one ultrasound emitter 39, namely two ultrasound emitters 39 arranged symmetrically to the axis of the jacket 25a of the light receiver 33. Each of the latter consists of a piezoelectric, plate-shaped, circular element which is arranged in a on the support 25 attached sleeve 41 and is sealed with an annular seal 43, an O-ring. The cavity present in the interior of the jacket 25a between its inner surface and the sleeve 29 and the side of the radiator 39 facing the skin 3 is provided with an ultrasound transmitter 45, which consists of a gelatinous filling compound made of polyethylene glycol that is transparent to visible and infrared light exists, which also covers the radiation sides of the light sources 35, 37 facing the skin.
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. The electrical elements, i. H. the light receivers 33, the light sources 35, 37 and the ultrasound emitters 39 and the common ground connection of the measuring head 23 are electrically connected by conductors 47 and a cable 49 to the electronic device 61 shown schematically in FIG. 1, the cables 49 preferably have plugs 51 at one end so that they can be separated from the measuring heads 23 or the supports 21 holding them and / or the device 61. The device 61 has electronic switching means, a display part 63 for digitally displaying the oxygen saturation of the blood, namely the percentage oxygen saturation level SA, and the frequency of the pulse P. The device also has various manually operable switches, for example pushbuttons, namely one On / off switch 65, a test switch 67 used for testing and calibrating the device, an alarm switch 69 for activating an alarm transmitter and possibly further switches, not shown.
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- The electronic circuitry of the device 61 has an amplifier 81 for each light receiver 33, which connects the relevant light receiver 33 to an evaluation, control and regulating device 83. This has, among other things, switching means for analog signal processing, analog / digital converter for converting the electrical analog signals coming from the amplifiers 81 into digital signals, a clock generator and a digitally operating computer, for example a microprocessor. The light-emitting diodes forming the light sources 35 and the light-emitting diodes forming the light sources 37 are connected in parallel with opposite polarities and with a light source assigned to the relevant measuring head.
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. Feed device 85 connected, wherein instead of the two separate feed devices 85, a feed device common to both measuring heads 21 could be present. Each ultrasound emitter 39 is connected to an ultrasound generator 87. The feed devices 85 and generators 87 are connected to the evaluation, control and regulating device 83 and are controlled in a manner which will be explained below. adjustable. The device 83 is also connected to the display part 63, the switches 67, 69 and an acoustic alarm transmitter 89 built into the device, in addition to the latter or instead of this also an optical and / or an external acoustic and / or an external acoustic and / or or optical alarm device could be present. The device 61 also has a voltage supply part 91, which is connected to the on-off switch 65 and is used to generate the electrical direct voltages required by the various electronic circuits and devices of the device 61, which is provided, for example, with at least one battery and / or a mains connection .
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. The operation of the device will now be explained, assuming that a body part 1, i. H. an earlobe of the person whose blood oxygen saturation is to be measured is located between the two measuring heads 23 in the manner shown in FIG. 1, so that these lie with the seals 27 and 31 on the skin surface. When the device 61 for carrying out a measurement is switched on, the device 83 controls the light source feed devices 85 in such a way that they generate a periodic electrical pulse train, the pulses of which alternately have different polarities, so that in the case of one electrical pulse the light sources 35 and the other electrical pulses, the light sources 37 generate light signals or pulses. The frequency of the light signals or pulses should be significantly higher than the human pulse or heartbeat frequency and be, for example, at least 70 Hz and at most 150 Hz. The frequency of the light signals should be different from the frequency, which is usually 50 or 60 Hz, of the mains AC voltage present in the geographical area of application of the device and the integer multiples of this mains AC voltage frequency, in order to avoid interference from the mains AC voltage and / or lamps operated with it to keep low. In addition, the two feed devices 85 were controlled, for example, in such a way that the pulse sequences generated by them are not only synchronous, but also in phase with one another, so that in each case all light sources 35 of both measuring heads generate light signals at the same time and the same also applies to light sources 37.
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. The light generated by the light sources 35, 37 is visible and / or light in the near infrared range. The light sources 35 can, for example, generate light whose wavelength is close to the so-called isobestic point, at which the absorption curves of oxygen-containing and oxygen-free hemoglobin cross each other and the wavelength referred to below as the isobestic wavelength is approximately 805 nm. The other light sources 37 can generate light, for example, the wavelength of which is larger or smaller, for example, by 50 to 300 nm.
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. If light generated by one of the light sources 35, 37 penetrates into the body part 1, light can be absorbed or scattered in different directions, in particular approximately forwards or backwards, whereby part of the light can pass straight through the body part 1 without being deflected.
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
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50 50
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65 65
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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. If the two measuring heads according to FIG. 1 face each other, each light receiver 33 can be produced both by the light sources 35, 37 of the measuring head 21 holding it and radiated back by the body part 1 as a result of scattering, and by the light sources 35, 37 of the respective other measuring head 21 Receive light that has penetrated the body part 1. The light coming from the light sources of the same measuring head into a light receiver is referred to as reflection light and the light coming from the light sources of the other measuring head into the light receiver is referred to as transmission light. The sleeves 29 and seals 31 surrounding the light receivers 33 also ensure that each light receiver only receives reflection light that at least penetrated the skin 3 of the body part 1.
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/ The light receivers 33 generate an electrical signal for each light signal entering them from the body part 1, namely a voltage pulse, the height of which gives a measure of the light intensity. The light intensities of the reflection and transmission light signals arriving at the same time in a light receiver add up, which results in relatively large light intensities and voltage pulses and has a favorable effect on the measurement accuracy. The device 83 has electronic gate switching and /
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. or other means formed electronic switches in order to identify the signals supplied to them by the light receivers 33 via the amplifiers 81 on the basis of their arrival in time, to sort them and to assign them to the two light wavelengths. The computer of the device 83 then calculates, for example, the oxygen saturation for each of the two light receivers 33 on the basis of the signal sequences coming from the latter, and supplies the display part 63 with corresponding signals so that the latter displays the oxygen saturation resulting from the averaging over both measurement channels. Such averaging increases the measuring accuracy. However, it can also be provided that instead of or in addition to or in addition to the mean value, the oxygen saturation values that result for each individual measuring channel are displayed alternately or that at least one manually operable switch can be used to set whether the values for the two light receivers and the associated measuring channels, the average oxygen saturation or the oxygen saturation determined on the basis of the signals coming from one or the other light receiver is to be displayed. The temporal selection of the signals used to determine the oxygen saturation is explained in more detail.
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. It should be noted here that the device 61 could also have at least one additional switch used to select the operating mode, for example two additional pushbutton switches, in order to determine whether the device is capable of oxygen saturation in the manner described as a result of signals received simultaneously by the light receivers Reflection and transmission light or only on the basis of reflection light or only on the basis of transmission light. If one of the two operating modes is selected, in which the oxygen content is to be calculated either only on the basis of reflection light or only on the basis of transmission light, the device 83 can control the light source feed devices 85, at least in these two operating modes, in such a way that those of the Light sources of the one measuring head 21 generated light signals fall into the gaps that exist between the light signals generated by the light sources of the other measuring head. The device 83 can then also distinguish and sort out the light signals generated by reflection light from the signals generated by transmission light based on their arrival in time by means of the electronic switches already mentioned and / or additional electronic switches.
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. The oxygen saturation present in the blood in the area of the body part 1 detected during the optical measurement changes in time with the pulse and reaches a maximum each time a pulse of fresh blood is supplied. The absorption of light having at least approximately the isobestic wavelength is at least approximately independent of the fluctuations in oxygen saturation which occur in time with the pulse. For light, the wavelength of which deviates greatly from the isobestic wavelength and which is accordingly absorbed to different extents by hemoglobin containing oxygen and oxygen, the absorption varies in time with the pulse, so that the light intensity is modulated by the pulse waves. Depending on the wavelength of the light, the absorption then has either a maximum or a minimum with each burst of fresh incoming blood and the penetrating or backscattered light has a minimum or maximum. In the following, it is assumed that the light sources 35, as already mentioned, light with a wavelength close to the isobestic wavelength, for example about 830 nm, and the light sources 37 light with a wavelength clearly below the isobestic wavelength, for example about 670 generate nm of wavelength. This light generated by the light sources 37 is then less strongly absorbed by oxygen-containing blood than the light generated by the light sources 35. The diagram shown in FIG. 5, in which the time t is plotted on the abscissa, shows schematically the time profile of the voltage U of the pulse-shaped electrical signals that one of the two light receivers 33 generates for the light entering it, that of the Light sources 37 is generated. The envelope of the signals or pulses has for each wave of the human pulse, i.e. H. for each heartbeat a maximum with the voltage value Umax and drops in between to a more or less plateau-shaped minimum with the voltage value Umin. The period of the pulse is designated T in FIG. As already mentioned, the oxygen saturation, which varies in time with the pulse, has a temporal course similar to that of the envelope shown in FIG. 5 and has a maximum at the values Umax. According to normal practice, the display part 63 should display this maximum of the oxygen saturation as the measurement result. The device 83 therefore has means in its analog and / or digital part to sort out the signals with the voltage value Umax and to use them to calculate the oxygen saturation. The device 83 can, for example, in the manner of a PLL control circuit, i. H. of a phase-locked control circuit have circuit means that temporarily open an electronic gate each time the voltage U reaches the maximum value Umax. The device 83 is also designed to determine the period T, to calculate the pulse frequency therefrom and to supply the display part 63 with corresponding signals so that the latter displays the pulse frequency. In addition, the device 83 naturally carries out a certain averaging to compensate for fluctuations in the measured values.
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 The ultrasound generators 87 supply the piezoelectric ultrasound emitters 39 with energy, so that they emit mechanical vibrations with frequencies in the range from 0.8 to 5 MHz, for example, and emit ultrasound waves. The generators 87, together with the associated radiator 39, can be an electrical oscillator 5 oscillating at the resonance frequency of the latter
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
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55 55
60 60
65 65
670 374 670 374
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. form lator. If it is desired that the ultrasound waves generated by the ultrasound emitters belonging to the same measuring head have the same frequencies and phase positions to avoid interference, the associated generators 87 can be controlled in a corresponding manner by the device 83 and / or can be coupled directly to one another, whereby then the radiators 39 may oscillate with frequencies that deviate somewhat from their resonance frequencies. Otherwise, instead of or in addition, the cavities of the measuring heads 23, which contain the gelatinous filling compound serving as ultrasound transmitters 45, could be subdivided into one of the sectors assigned to the ultrasound emitters 39 by dividing walls.
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. The ultrasound waves generated by the ultrasound emitters 39 are transmitted from the ultrasound transmitters 45 to the body part 1, the transmitters in particular also being used to adapt the wave resistance of the emitter to that of the body part 1. The ultrasonic waves penetrate into the body part 1 and heat it up. As a result, the areas of the skin sections which have blood vessels and on which the measuring heads are attached, and any tissue sections which have blood vessels and are also located under these skin sections, can be heated to a certain temperature without the outermost layers of skin without blood vessels being heated above said temperature and even have temperatures generally lower than the latter. The warming of the body areas and tissues with blood vessels increases their blood flow, which in turn increases the influence of the light radiated into the body part 1 caused by the hemoglobin of the blood.
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 The electronic evaluation, control and regulating device 83 now controls the generators 87 in such a way that they are switched on and off in pulses, and regulates the time periods or the widths of these pulses. The emitters 39 accordingly emit the ultrasound wave in pulses or packets. The frequency of these ultrasonic wave pulses or packets is substantially greater than the pulse frequency and is kept at a constant value, for example at least 300 Hz and at most 1400 Hz, by the device 83. The device 83 regulates the pulse widths of the ultrasonic wave pulses and thus the power emitted by the emitters 39 such that the difference between the voltage values Umax and Um, n or the ratio between this difference and the value of Umi "or Umax is equal to a predetermined target value is or is at least within a setpoint range. Since the light receivers 33 of both measuring heads supply electrical signals which define the values of Umax and Umi "and the values Umax, Umjn of the two measuring channels generally differ from one another, the device 83 can be designed, for example, to determine the values from the light receivers Differences (Umax - Umin) or the relationships between them and Um, - "or Umax to mittein, determined with the signals originating from the two measuring heads. However, it can also be provided that the device 83 only uses the voltage value differences originating from one of the two measuring heads for the regulation. Furthermore, it is possible to provide the device 61 with at least one switch with which it can be set whether the signals coming from both measuring heads or only the signals coming from one or another measuring head are to be used to regulate the ultrasound power. Furthermore, the regulation could take place instead of on the basis of the voltage value differences or the conditions mentioned, also on the basis of other variables associated therewith, which are a measure of the size or strength of the
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. Give a pulse-related change in the reflection and / or transmission light emitted from an area of the body. The regulation could take place, for example, on the basis of oxygen saturation values which are calculated for the maxima of the pulse wave and places in between.
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. If light with a wavelength above the isobestic wavelength were used to regulate the rays, the curve corresponding to the envelope curve shown in FIG. 5 would have instead of the peaks protruding downward due to the pulse-related peaks which project upwards.
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. As will be explained in more detail, the device for measuring the oxygen saturation on different parts of the body and for different working methods can be designed. It can therefore be provided to equip the device with an adjusting device with which the setpoint required for the power control can be adapted to the various measuring points and working methods provided.
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. The described regulation of the power emitted by the ultrasound emitters 39 enables the areas of the body used for the optical measurement to be heated to a temperature which results in sufficient measuring accuracy, which can be, for example, at most or approximately 41 ° C. To avoid damage to the cells in the event of a fault in the control process, the device 61 can be provided with means for limiting the ultrasound power to a limit value.
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, As mentioned, body part 1 can be an earlobe, for example. The device can also be used to analogously measure the oxygen saturation of the blood in other parts of the body, for example the tongue, nose, cheek, finger or toe. Since the thickness axes of these body parts may lie outside the range in which the distance between the facing end faces of the two measuring heads 23 with the mounting device 11 can be varied, or because it is otherwise advantageous to provide other mounting devices for other body parts, the device can also be used Various dimensions and / or shapes having mounting devices can be equipped, on which the carrier 21 can optionally be releasably attached. In FIGS. 6 and 7, a finger is shown, for example, as body parts 101 and 121, on which a holding device 111 and 131 is inserted. This consists essentially of a thimble-like, possibly provided with longitudinal slots, and a little springy, for example made of plastic cap. The carriers 21 can be releasably attached to the holding devices 111, 131 in such a way that
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. that the end faces of the measuring heads 23 which serve to emit and absorb light face each other analogously to the arrangement according to FIG. 1. Accordingly, the measurement in the arrangements according to FIGS. 6 and 7 can be carried out in a similar way as was explained for the arrangement according to FIG.
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 The holding device 151 according to FIG. 8 is at least essentially formed by a block, for example made of plastic, with a through hole into which the cross-sectionally square supports 21 can be inserted so tightly that their rear sides, facing away from the measuring head parts protruding from them, abut one another. The end faces of the measuring heads 23 used for emitting and receiving light are accordingly facing away from one another. The carriers 21 and measuring heads arranged in this way can be used, for example, to carry out a measurement inside a body opening. For example, the measuring heads can be placed in the mouth between the bottom of the tongue and
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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. the palate area under this or into the intestinal exit. With such an arrangement of the measuring heads, of course no transmission light can get into the light receivers of the measuring heads, but only reflection light from the examined body areas. However, the two measuring heads working parallel to each other also result in better and more accurate measurement results in this case than would be the case with a single measuring head.
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. Furthermore, there is also the possibility of using the two measuring heads at the same time to carry out measurements on different parts of the body that are relatively far apart, for example on the upper and lower arm. Such measurements provide information about the propagation of the pulse waves and the associated oxygen transport. Furthermore, one can of course also arrange only one of the two measuring heads on any part of the body in order to measure the oxygen saturation there. For such applications, the display part should then, as mentioned earlier as a possibility, instead of the oxygen saturation averaged for the two light receivers, show the oxygen saturation determined individually for each or each light receiver.
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. The two measuring heads 23 can also be replaced by modified measuring heads. For example, as with the measuring head 223 shown in FIG. 9, there can be six light sources distributed uniformly on a circle around a light receiver 233, three of which light sources 235 produce light with a certain wavelength and the three light sources 237 produce light with a different wavelength . However, three pairs of light sources generating light of the same wavelength could also be provided for the six light sources. In this case, the electronic evaluation, control and regulating device could be modified in such a way that it determines the oxygen saturation from the light intensities of light signals with three different wavelengths. The measuring head 223 has only a single ultrasound emitter 239 which is formed by an annular, piezoelectric plate which encloses the light receiver 233 and the six light sources 235, 237. The radiator 239 can be regulated in a similar manner as has been explained for the radiators 39.
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. Instead of a circular outline, the measuring heads could also have an elongated shape, in which case the light receiver, two or three pairs of light sources and a pair of ultrasound emitters could form a straight row in the middle of which the light receiver is located.
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. FIG. 10 shows a piece of skin 301 and a measuring head 323, which for example has a circular outline and is attached to it. The measuring head 323 has a support 325 with a cylindrical jacket 325a, which is provided on its skin-side end with a seal 327, which is made of liquid-tight foam rubber. In the central area of the support 325, a sleeve 329 is fastened, which is provided at its skin-side end with a preferably also liquid-tight seal 331 and contains a light receiver 333. The measuring head 323 also has light sources 335 and ultrasound emitters 339, which can be arranged, for example, in a similar way to the measuring head 23. However, the measuring head 323 differs from the measuring head 23 in that instead of a gelatinous ultrasound transmitter, it has a transparent one Liquid, for example water, formed ultrasound transducer 345. After the liquid-tight arrangement of the measuring head 323 on the skin 301, the liquid can be pumped into the cavity of the measuring head adjacent to the skin with a pump 355 and continuously circulated through a temperature control device 357 which keeps the liquid temperature constant. If the inner areas of the skin that have blood vessels and possibly the tissue underneath them are heated during a measurement by irradiation with ultrasound waves, the skin surface can be cooled by means of the liquid pumped through said cavity and at a temperature below the temperature of the inner blood vessels and areas of the body heated by ultrasonic waves, for example approximately the normal body temperature.
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. Furthermore, it would be possible to equip each measuring head with more than one light receiver. For example, each measuring head could be provided with two photodiodes which are only sensitive to light in a narrow wavelength range, in which case one photodiode would respond to light with the wavelength generated by one group of light sources and the other photodiode would respond to light with the wavelength generated by the other group of light sources .
Ferner könnte man eventuell jeden Messkopf für jede zum Messen zu erzeugende Licht-Wellenlänge nur mit einer einzigen Lichtquelle ausrüsten. Furthermore, one could possibly equip each measuring head with only a single light source for each light wavelength to be generated for measurement.
Zudem könnte man mit den beschriebenen Einrichtungen nicht nur die im Blut von Menschen, sondern auch die im Blut von Tieren vorhandene Sauerstoffsättigung messen. In addition, the devices described could be used to measure not only the oxygen saturation present in the blood of humans but also the oxygen saturation present in the blood of animals.
Falls eine Einrichtung ausschliesslich für Messungen mit Reflexionslicht vorgesehen ist, könnte man sie ferner auch nur mit einem einzigen Messkopf ausrüsten. If a device is intended exclusively for measurements with reflected light, it could also be equipped with only a single measuring head.
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4 Blatt Zeichnungen 4 sheets of drawings
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