DE19505765A1 - Vorrichtung zur Anpreßdruckmessung medizinischer Kompressionsstrümpfe und Verbände - Google Patents
Vorrichtung zur Anpreßdruckmessung medizinischer Kompressionsstrümpfe und VerbändeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur direkten
Messung des von medizinischen Kompressionsmaßnahmen an den
menschlichen Körper gezielt ausgeübten Anpreßdrucks. Das
Hauptanwendungsgebiet der Vorrichtung liegt bei der Über
wachung, Quantifizierung und Kontrolle der Kompressions
therapie venöser Beinleiden.
Für die Funktion der Beinvenen als Arbeitsspeicher des
Blutes ist ihre Dehnbarkeit zwar von großer Bedeutung,
ihre Überdehnung jedoch aus verschiedenen medizinischen
Gründen unerwünscht. Mit einer gezielten externen Kompres
sion der unteren Extremität läßt sich die Dehnbarkeit des
oberflächlichen Venensystems begrenzen. Für die Quantifi
zierung der Wirkungsweise der Kompressionstherapie ist es
deshalb besonders wichtig, den lokalen Anpreßdruck direkt
"vor Ort" - d. h. unter dem Strumpf oder Verband am Bein
des Patienten - meßtechnisch zu erfassen, und zwar sowohl
beim ruhenden Patienten (statischer Ruhedruck) als auch
während der Patientenbewegung (dynamischer Arbeitsdruck).
Aus der Literatur sind mehrere Meßverfahren bekannt, die
für die Kompressionsmessung unterschiedliche Sensorarten
benutzen, die zwischen das Bein und den Strumpf an die
gewünschte Meßstelle eingeführt werden. An die Sensorart,
-form und -abmessungen werden wichtige Anforderungen ge
stellt, da sich einerseits die aktive Sensormeßfläche an
die Beinform elastisch anpassen muß und einige Quadratzen
timeter nicht unterschreiten darf (um lokale Strukturinho
mogenitäten am Bein und Strumpf ausgleichen zu können),
andererseits das Sensorvolumen aus naheliegenden meßtech
nischen Gründen keine zusätzliche Strumpfausdehnung verur
sachen darf. Neben diversen Kraftaufnehmern (z. B. Deh
nungsmeßstreifen-Sensoren), optoelektronischen, kapaziti
ven und Piezosensoren haben sich aus den o. e. Gründen vor
allem ballon- oder polsterartige Sensorhohlkörper bewährt,
die mit Luft oder Flüssigkeit gefüllt und über einen
Schlauch mit dem Druckmeßgerät verbunden sind.
Das größte, bisher ungelöste Problem der letztgenannten
Sensorart liegt jedoch darin, daß die Meßergebnisse abhängig
waren von dem Druck des Meßmediums (Luft oder Flüssigkeit)
im Sensorsystem, was wiederum in der stark nichtlinearen
und von verschiedenen Randbedingungen abhängigen
Volumen/Druck-Relation des Sensors physikalisch begründet
ist. Bei den wassergefüllten Sensoren begrenzen zusätzlich
die Praktikabilität und die Meßgenauigkeit unerwünschte
hydrostatische Druckkomponenten, die durch einen Höhenun
terschied zwischen der Sensorebene und dem Druckwandler
entstehen.
Bei einer anderen bekannten Meßmethode ist der pneuma
tische Sensor mit einem elektrischen Kontakt auf der In
nenwand des Sensorhohlraums ausgestattet, welcher im Ruhe
zustand (Luftinnendruck im Sensor entspricht dem atmosphä
rischen Druck) geschlossen ist. Nun wird der Luftinnen
druck im Sensor so lange erhöht, bis er den externen An
preßdruck übersteigt, was dann durch die Kontaktunterbre
chung angezeigt wird.
Man konnte somit nach dem bisherigen Stand der Technik
lediglich den statischen Anpreßdruck näherungsweise be
stimmen, der sich bei Körperruhe unter der komprimierenden
Wirkung des Strumpfes eingestellt hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Meßeinrichtung mit einem flachen, luftgefüllten Sensor
anzugeben, die die Nachteile bisher bekannter Meßverfahren
beseitigt und die eine direkte Messung sowohl des
statischen als auch des dynamischen Anpreßdrucks der
medizinischen Kompressionsmaßnahmen erlaubt.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An
spruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand der Ansprüche 2 ff.
Der Erfindung liegt der überraschenderweise einfache
Grundgedanken zugrunde, bei jeder Druckmessung durch
lineare Erhöhung des Luftvolumens die aktuelle Luft
volumen-Luftdruck-Relation des Sensors - die sogenannte
Kalibrierkurve - zunächst zu bestimmen, um alle
Meßfehlerquellen zu beseitigen. Dies geschieht durch eine
gezielte (manuelle oder automatisierte) Injektion von
beispielsweise 5 ml Luft in 5 Sekunden in das pneumatische
System, d. h. mit einer konstanten Füllungsrate von vorzug
sweise 1 ml/s. Aus der Kalibrierkurve läßt sich dann er
findungsgemäß der statische Anpreßdruck der Kompres
sionsmaßnahme bestimmen, indem erkannt wurde, daß
dieser Druck Po dem Punkt der maximalen Krümmung
der Kalibrierkurve entspricht. Die maximale Krümmung wird
online zum Befüllen des pneumatischen Sensorsystems
elektronisch vorzugsweise durch zweifache Differenzierung
der Kalibriersignals und Maximalwertbestimmung
(d2P/dt2=max) berechnet.
Gleichzeitig wird berechnet, welches Luftvolumen im Sen
sorsystem zum Erreichen des statischen Anpreßdrucks der
Kompressionsmaßnahme erforderlich war. Wird nun dieses
Luftvolumen im Sensor (wiederum manuell oder automatisch)
eingestellt, können dann auch dynamische Kompressions
druckmessungen, z. B. während aktiver Beinarbeit, durchge
führt werden.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des
allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch
beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung
aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen
Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Sensors mit seiner
Kalibrierkurve (V/P-Funktion) und dem
Inflator (Be- und Entlüftungssystem),
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Meß- und Auswertevorrichtung,
Fig. 3-5 verschiedene Meßergebnisse und typische
Meßkurven.
Fig. 1 zeigt schematisch eine mögliche Konfiguration des
pneumatischen Sensorsystems. Der Sensor (S) ist vorzugs
weise ausgebildet als ein luftdichter kapselartiger und
sehr flacher Hohlkörper mit elastischen, jedoch nicht
dehnbaren Folienwänden. Er wird über ein pneumatisches
Schlauchsystem (P), bestehend beispielsweise aus zwei
Schlauchleitungen (P1, P2) und einem 3-Wege-Hahn (P3) an
einen Druckwandler (1) angeschlossen. An den 3-Wege
Hahn wird ein Inflator (I) angeschlossen, der zur ge
zielten Belüftung und auch Entlüftung des pneumatischen
Sensorsystems verwendet wird. Als Inflator dient je nach
geforderter Meßpräzision entweder ein elektronisch gere
geltes Pump-und Ventil-System oder eine manuell bedienbare
Luftpumpe. Nicht in der Figur dargestellt ist ein Tempera
turfühler, der mit dem Sensor (S) zwischen der zu ver
messenden Körperstelle und der Kompressionsmaßnahme, bspw.
einen Gummistrumpf, zu liegen kommt.
Bei der Vorbereitung der Messung wird der zuerst luftleere
Sensor in der gewünschten Position zwischen Körper und
Kompressionstrumpf angelegt. Wegen der Anpassung an die
Beinform und Temperatur empfiehlt sich, den Sensor für
einige Sekunden probeweise mit dem vollen Inflatorinhalt
zu füllen. Nach anschließender Entleerung und Kalibrierung
der Meßelektronik auf 0 mmHg kann die eigentliche Messung
begonnen werden. Hilfreich für eine günstige Messituation
ist eine gleichbleibende Temperatur, die aktuell von dem
Temperaturfühler, der sich am gleichen Ort wie der Sensor
befindet, angezeigt wird.
In einem kostengünstigen Ausführungsbeispiel wird das
Sensorsystem aus einer modifizierten Leitz-Plastikdo
kumentenhülle (60×70×0,5 mm) als Sensor ausgebildet,
zwei 1 m langen Infusionsleitungen, einem Infusionshahn
und einer modifizierten 5 ml Plastikspritze. Unter
suchungen mit unterschiedlichen Sensorgrößen haben
ergeben, daß Sensoren mit Oberflächen zwischen 30 bis
40 cm² günstig sind.
Erfindungsgemäß besitzt die Plastikspritze im oberen Teil
eine Entlüftungsöffnung (E), so daß beim Ausziehen des
Spritzenkolbens sich automatisch der Außenluftdruck im
System einstellt. Bei der Durchführung der Messung bei
spielsweise an der unteren Extremität wird der Sensor
in die gewünschte Position zwischen Bein und
Kompressionsstrumpf angelegt. Bei nun langsamer Bewegung
des Spritzenkolbens wird zunächst das Entlüftungsloch (E)
geschlossen und anschließend der Luftinhalt der Spritze
mit einer linearer Füllungsrate von vorzugsweise 1 ml/s
(V(t) ist eine Gerade) in das pneumatische Sensorsystem
injiziert. Die lineare Luftvolumenerhöhung wird infolge
der sensorspezifischen, stark nichtlinearen V/P-Funktion
(Luftvolumen/ Luftdruck-Funktion) als nichtlineare
Druckfunktion P(t) vom Druckwandler (1) in ein elektri
sches Meßsignal umgewandelt.
Ein Ausführungsbeispiel der weiteren erfindungsgemäßen
Signalauswertung zeigt die Fig. 2, und zwar für eine
einkanalige Meßeinrichtung.
Das zum Luftdruck im Sensorsystem proportionale elektri
sche Meßsignal am Ausgang des Druckwandlers (1) wird zu
nächst vorzugsweise im Verstärker (2) aufbereitet, mit
Filter (4) von eventuellen Störsignalen befreit, über
einen Schalterkreis (9) zum Analog/Digitalwandler (10)
geführt und schließlich als aktueller Luftdruck im Sensor
system an einem LC-Display (11) angezeigt. Eine Kali
brierschaltung (3) sorgt dafür, das beim atmosphärischen
Luftdruck im Sensorsystem (Entlüftungsloch im Inflator
geöffnet) an der Anzeige der Startluftdruck 0 mmHg ange
zeigt wird. Während der Aufnahme der Kalibrierkurve wird
das P(t) Signal zusätzlich zugeführt über Filter (5) zu
einem Differenzierer (6). Nach einer zweifachen Signalab
leitung sorgt der Schaltkreis (7) für die Maximalwert
erkennung innerhalb eines speziell definierten Zeit
fensters. Dieser Druckwert entspricht dem Ruhedruck Po der
externen Kompressionsmaßnahme; er wird elektronisch im (8)
gespeichert und kann über (11) visuell abgelesen werden
oder über die analoge Schnittstelle (12) an einem x-t-
Schreiber registriert werden. Die Bestimmung des Ruhe
drucks der externen Kompression ist somit abgeschlossen.
Soll außerdem das dynamische Kompressionsdruckverhalten
gemessen und registriert werden, wird wie folgt verfahren:
Mit Hilfe des Inflators wird nun manuell oder automatisch das Luftvolumen im Sensorsystem eingestellt, welches dem ermittelten Ruhedruck Po entspricht. Wird nun jetzt bei spielsweise eine standardisierte Beinübung des Patienten durchgeführt (Gehen, Kniebeugen usw.), registriert die Meßvorrichtung die zeitabhängige Änderung des Anpreßdrucks der Kompressionsmaßnahme, was oft als der sogenannte Arbeitsdruck des Strumpfes bezeichnet wird.
Mit Hilfe des Inflators wird nun manuell oder automatisch das Luftvolumen im Sensorsystem eingestellt, welches dem ermittelten Ruhedruck Po entspricht. Wird nun jetzt bei spielsweise eine standardisierte Beinübung des Patienten durchgeführt (Gehen, Kniebeugen usw.), registriert die Meßvorrichtung die zeitabhängige Änderung des Anpreßdrucks der Kompressionsmaßnahme, was oft als der sogenannte Arbeitsdruck des Strumpfes bezeichnet wird.
Wird wahlweise ein handelsübliches Microcontrollersystem (13)
in die erfindungsgemäße Meßvorrichtung integriert, so
kann der gesamte Meßablauf durch Steuerung des Inflators
und der einzelnen Schaltungsgruppen (1 bis 12)
automatisiert werden, was gleichzeitig zur Erhöhung der
Meßgenauigkeit durch entsprechende Mustererkennungsalgo
rhythmen führt. Einer dieser zusätzlicher Bere
chnungsalgorhythmen ermittelt beispielsweise die Tangente
im Punkt (dP/dt=max), was der maximaler Steilheit der
Kalibrierkurve entspricht. Empirisch zeigte sich, das der
Schnittpunkt der Tangente mit der Druckachse in der Regel
nicht wesentlich von dem Po-Wert abweicht. So lassen sich
z. B. Bedienungsfehler oder nicht valide Meßergebnisse
mikroprozessorunterstützt erkennen. Über die digitale
Schnittstelle (14) lassen sich die gesamten Daten und
Protokolle z. B. zur Archivierung oder zur weiteren Be
arbeitung an externe Rechnersysteme übermitteln.
Mehrkanalige Sensormeßsysteme zur gleichzeitigen
Kompressionsdruckmessung an verschiedenen Körperstellen
oder in verschiedenen Beinetagen sind entsprechend
mehrfach auszubilden. So ist zum Betrieb mehrerer
pneumatischer Sensorelemente zur Druckmessung an unter
schiedlichen Körperstellen nur ein einziger Inflator
nötig. Die Inflatorpumpe wird in vorteilhafter Weise mit
einem pneumatischen Verteilerstück verbunden, das eine
Leitung in bspw. drei weiterführende Leitungen aufspaltet.
In jeder weiterführenden Leitung ist ein elektronisch
ansteuerbares pneumatisches Ventil vorgesehen, durch das
der Inflationsvorgang für jedes nachfolgende pneumatische
Sensorelement getrennt vorgenommen werden kann.
Rechnergesteuert kann mit diesem Aufbau der Kalibriervorgang
für jedes Sensorelement zeitlich nacheinander durchgeführt werden.
Die pneumatischen Sensorelemente verfügen jeweils über
einen getrennten Druckwandler, so daß die jeweiligen Ruhe-
Anpreßdrucke unabhängig voneinander ermittelt werden
können. Zur Durchführung der dynamischen Kompressions
druckmessung ist es vorteilhaft, daß mit Hilfe der
pneumatischen Ventile in den einzelnen Druckleitungen die
Luftvolumina in den Sensoren vollautomatisch eingestellt
werden können, die zu den jeweiligen Ruhedrucken P₀ ge
hören.
Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Testreihe, mit der die
Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
experimentell überprüft wurde. Der Sensor wurde an einem
Kunstbein angelegt. Als Kompressionsmaßnahme mit exakt
definierbarem Anpreßdruck diente eine breite Blutdruck
manschette. Bei insgesamt 33 Messungen wurde der An
preßdruck auf vorgegebene Pext-Werte zwischen 10 und 50
mmHg mit einem geeichten elektronischen Manometersystem
eingestellt und verglichen mit den durch die Erfindung
gemessenen Po-Druckwerten. Die statistische Auswertung
belegte eine gute Meßgenauigkeit der Vorrichtung. Bei
einem Korrelationsfaktor von 0.98 betrug die Mitte
lwertdifferenz lediglich 2% bei vergleichbaren Standard
abweichungen.
Fig. 4 zeigt die Ergebnisse einer weiteren Testreihe, in
der an 21 Probanden (14 Venengesunde und 7 Venenkranke)
die Ruhedrucke Po von Kompressionsstrümpfen der Klasse 2,
A-D, in der B-Ebene (kurz oberhalb des Knöchels) gemessen
wurden. In stehender Position betrug der Ruhedruck-Mitte
lwert 23,7+/-3,1 mmHg. Bei hochgelagerten Beinen ver
ringerte sich der Ruhedruck-Mittelwert auf 18,4+/-3,1
mmHg, der physiologischen Vorstellung entsprechend.
Fig. 5 zeigt schließlich die Registrierung des
Arbeitsdrucks eines Kompressions-Kniestrupfes der Klasse 2,
gemessen in der Unterschenkelmitte eines 48jährigen
Patienten mit Krampfadern während des standardisierten
Gehens (13 Schritte nach Metronomdiktat in 26 Sekunden).
Der Ruhedruck vor Beginn der Übung betrug 24,8 mmHg. Die
maximal registrierte Arbeitsdruckschwankung betrug 4,9
mmHg. In der Ruhephase nach Übungsende erkennt man aus
der Zunahme des registrierten Anpressdrucks die Zunahme
des Blutvolumens in der Extremität. Mit der Erfindung läßt
sich somit auch die Kinetik der Blutvolumenänderung in der
Extremität oder die Entstauungskinetik (Verringerung des
Gewebewasservolumens) bei lymphatischen Erkrankungen nach
weisen.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Anpreßdruckmessung medizinischer
Kompressionsmaßnahmen mit einem pneumatischen Sensor
system, das zwischen dem zu untersuchenden Körperteil
und der Kompressionsmaßnahme anbringbar ist, und einem
elektronischen Auswerte- und Anzeigesystem,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Inflator vorgesehen ist, der ein geschlossenes Volumen des Sensorsystems durch lineare Luftvolumeninjek tion befüllt,
daß das pneumatische Sensorsystem den, sich innerhalb des geschlossenen Volumens einstellenden Luftdruckanstieg erfaßt und,
daß die Druckmessignale des Sensorsystems kontinuierlich an dem elektronischen Auswerte- und Anzeigesystem an liegen, so daß eine nichtlineare, vom externen Druck der Kompressionsmaßnahme abhängige Kalibrierkurve des Sensors bestimmbar ist und der externe auf den Sensor wirkende Druck der Kompressionsmaßnahme analytisch aus der Form der Kalibrierkurve ermittelbar ist.
daß ein Inflator vorgesehen ist, der ein geschlossenes Volumen des Sensorsystems durch lineare Luftvolumeninjek tion befüllt,
daß das pneumatische Sensorsystem den, sich innerhalb des geschlossenen Volumens einstellenden Luftdruckanstieg erfaßt und,
daß die Druckmessignale des Sensorsystems kontinuierlich an dem elektronischen Auswerte- und Anzeigesystem an liegen, so daß eine nichtlineare, vom externen Druck der Kompressionsmaßnahme abhängige Kalibrierkurve des Sensors bestimmbar ist und der externe auf den Sensor wirkende Druck der Kompressionsmaßnahme analytisch aus der Form der Kalibrierkurve ermittelbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionsmaßnahme ein
über die menschlichen Extremitäten gummiartiger Überzug
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das pneumatische Sensorsystem
einen Druckwandler und ein geschlossenes Volumen aufweist,
das als extrem flacher, kapselartiger, luftdichter
Hohlkörper mit weich elastischen, jedoch nicht dehnbaren
Wänden ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine gezielte Be- und Ent
lüftung des pneumatischen Sensorsystems durch einen
manuell bedienbaren Inflator (I) vorgenommen wird, der
aus einer Injektionsspritze besteht, die eine Öffnung (E)
aufweist, welche bei ausgezogenem Spritzenkolben zum
automatischen Druckausgleich dient.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Inflator (I) eine elektronisch gesteuerten
Pumpe-Ventil-Kombination aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor (13) die
gesamte Meßprozedur inclusive der gezielten Be- und Ent
lüftung eines oder mehrerer pneumatischen Sensorsysteme
steuert.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Inflator während der Auf
nahme der Kalibrierkurve innerhalb von 5 Sekunden 5 ml
Luft mit konstanter Füllungsrate von 1 ml/s in das Sensor
system injiziert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das pneumatische Sensorsystem
mit einem Temperaturfühler kombiniert ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Inflator über
eine pneumatische Verteilereinheit die Be- und Entlüftung
mehrerer pneumatischer Sensorsysteme vornimmt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der pneumatischen
Verteilereinheit und den pneumatsichen Sensorsystemen
jeweils ein elektronisch gesteuertes, pneumatisches Ventil
vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit Hilfe der Auswerteelektronik der maximale
Krümmungspunkt der Kalibrierkurve ermittelbar ist, der dem
gesuchtem statischen Anpreßdruck der Kompressionsmaßnahme
direkt entspricht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit Hilfe der Auswerteelektronik zusätzliche charak
teristische Formmerkmale der Kalibrierkurve berechenbar
sind, die zur Ermittlung der Anpreßdrucke herangezogen
werden.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit Hilfe der Auswerteelektronik die charakteris
tischen Formmerkmale der Kalibrierkurve nur in bestimmten
Zeitfenstern berechenbar sind.
Priority Applications (1)
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