DE19647877A1

DE19647877A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung im Blut

Info

Publication number: DE19647877A1
Application number: DE1996147877
Authority: DE
Original assignee: Metrax GmbH
Current assignee: Neuroconn 98693 Ilmenau De GmbH
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: DE19647877C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung im Blut, bei dem ein zu untersuchendes biologisches Gewebe mit Licht verschiedener Wellenlängen bestrahlt und das austretende Licht mit einem Photodetektor erfaßt und ausgewertet wird.

Im Stand der Technik sind Oxymeter bekannt, die nach dem Multiplex- und Demultiplex-Prinzip arbeiten. Die plethysmographische Pulskurve wird dabei für mehrere Wellenlängen zwischen 650 nm und 950 nm so aufgenommen, daß die Strahlungsquellen im Zeitmultiplexverfahren angesteuert werden, um auf diese Weise die Dämpfung des biologischen Gewebes bei jeder Wellenlänge getrennt auswerten zu können. Das vom Photodetektor empfangene Signal wird synchron demoduliert und in mehreren Kanälen verarbeitet, wobei jeder Wellenlänge ein gesonderter analoger Signalkanal zugeordnet ist, in dem das jeweilige Signal getrennt verarbeitet wird. Anschließend werden diese analogen Kanalsignale erneut im Zeitmultiplex einem Analog-Digital-Wandler zugeführt. Die Sauerstoffsättigung kann anhand der digitalisierten Werte nach bekannten Beziehungen ermittelt werden.

Bei den bisherigen Verfahren ist nachteilig, daß für jede Wellenlänge ein identisch aufgebauter Zweig zur Verstärkung, Filterung und Offsetsubtraktion notwendig ist. Damit steigt der konstruktive Aufwand von identischen Baugruppen linear mit der Anzahl der verwendeten Wellenlängen an.

Da das Nutzsignal sehr niederfrequent ist (0,5 . . . 5 Hz), müssen die Filter in den analogen Kanälen hohe Zeitkonstanten besitzen. Damit ist es unmöglich, schnelle Offsetveränderungen, die vor allem durch Bewegungsartefakte verursacht werden, zu eliminieren. Die langen Abklingzeiten nach einer Störung haben zur Folge, daß das Signal während dieser Zeit nicht verwertbar und eine Messung nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen der konstruktive Aufwand konstant und unabhängig von der Anzahl der verwendeten Wellenlängen ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die Lichtquellen mit einer Regeleinrichtung verbunden sind, die in Abhängigkeit von den am Photodetektor auftretenden Signalen die Intensität der Lichtquellen so regelt, daß die Amplituden am Photodetektor unabhängig von der Wellenlänge konstant bleiben und der Offset mit einer zweiten Regeleinrichtung so geregelt wird, daß der Gleichanteil der Signale aller Auswertebereiche auf einem gemeinsamen Niveau liegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das vom Photodetektor empfangene Signal in einem einzigen analogen Zweig verarbeitet werden. Damit ist es möglich, daß der sonst erforderliche Demultiplexer für das vom Photodetektor aufgenommene Signal und der analoge Multiplexer vor dem Analog-Digital- Wandler entfallen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Photodetektor mit einem Summierer verbunden, dessen Signale in einem Verstärker verstärkt und gefiltert und anschließend einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden, dessen digitale Informationen in einem Prozessor so weiterverarbeitet werden, daß die Sauerstoffsättigung ermittelt wird. Dabei wird die Intensität der Lichtquellen von einer Stromquelle geregelt, wobei die Stromquelle von dem Prozessor über einen Digital-Analog-Wandler angesteuert wird und dieser Digital-Analog-Wandler sowie die Prozessorsteuerung über einen Timer angesteuert wird.

Vorteilhaft ist hierbei, daß eine Dynamik des analogen Zweiges erreicht wird, die im Bereich der Zeitmultiplex-Trägerfrequenz liegt, und die deshalb um Größenordnungen höher ist als die Grenzfrequenz des Nutzsignals. Damit ist eine nahezu echtzeitfähige Eliminierung von Artefakten möglich.

Zur qualitativen Erfassung der plethysmographischen Pulskurve ist die Verwendung einer einzigen Wellenlänge ausreichend. Die für die Berechnung der Sauerstoffsättigung notwendiger Kurvenpunkte Maximum und Minimum lassen sich damit lokalisieren. Daher reicht es aus, die Strahlungsquellen der übrigen Wellenlängen nur im Bereich dieser markanten Punkte anzusteuern. Als ein weiterer wesentlicher Vorteil ergibt sich, daß eine Energieersparnis erreicht werden kann, die bei etwa 45% bei zwei und bei etwa 80% bei zehn Wellenlängen liegt. Dies ist besonders für Batteriegeräte von großer Bedeutung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

- Fig. 1 plethysmographische Pulskurven für unterschiedliche Wellenlängen und identische Lichtleistung der Lichtquellen,
- Fig. 2 das Multiplexsignal am Ausgang des Photodetektors nach sequentieller Ansteuerung der Lichtquellen mit gleicher Intensität,
- Fig. 3 das Multiplexsignal am Ausgang des Photodetektors beim Einsatz eines Mehrgrößenreglers und
- Fig. 4 das Multiplexsignal am Ausgang des Summierers nach Subtraktion der Gleichanteile und abgeschlossener Regelung,
- Fig. 5 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration wird dem durchbluteten Gewebe mit geeigneten Mitteln Strahlung mit definierten Wellenlängen und Intensitäten zugeführt und das transmittierte oder reflektierte Licht von einem Photodetektor aufgenommen. Zu diesem Zweck werden Lichtquellen (Lumineszenzdioden oder Halbleiterlaser) eingesetzt, die von einer im Zeitmultiplex betriebenen Stromquelle angesteuert werden. Jede Lichtquelle erhält einen eigenen Pegel, der intern in der CPU 6 bestimmt und mit Hilfe des Digital-Analog-Wandlers realisiert wird.

Bei der Speisung einzelner Lichtquellen mit konstanter Intensität entstehen plethysmographischen Kurven entsprechend Fig. 1. Diese können nur einzeln aufgenommen werden, zum Vergleich sind sie im Simultanverlauf gezeichnet. Für die Bestimmung der Sauerstoffsättigung müssen die Parameter AC und DC der jeweiligen Wellenlänge ermittelt werden. Durch die Zeitmultiplex-Steuerung der Lichtquellen Q1 . . . Q9 mit konstanter Intensität entsteht am Ausgang des Photodetektors das in Fig. 2 gezeigte Signal. Die vom Photodetektor aufgenommenen Intensitäten weichen bei unterschiedlichen Wellenlängen stark voneinander ab. Um gleiche Erfassungsqualität für alle Wellenlängen zu erreichen, ist es notwendig, den Arbeitsbereich des Analog-Digital-Wandlers ADC mit den Wechselsignalen AC aller Wellenlängen zu überdecken. Dies erfordert, daß die Amplituden AC1, AC2 . . . ACN möglichst gleich sind. Dazu wird ein Algorithmus verwendet, der mit Hilfe des Digital-Analog-Wandlers DAC und der Stromquelle die Intensitäten der Lichtquellen Q9 so regelt, daß die Amplituden AC am Photodetektor konstant sind.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Signals am Photodetektor für diesen Fall dargestellt: Nach abgeschlossener Regelung sind die Amplituden AC konstant, was zur Veränderung der ohnehin unterschiedlichen Offsets DC führt. Mit einem weiteren Algorithmus und dem Digital-Analog-Wandler werden die Offsets DC vom Eingangssignal am Photodetektor im Summierer subtrahiert.

Mit Hilfe der genannten Regelkreise wird der in Fig. 4 dargestellte identische Signalverlauf für alle Wellenlängen erreicht. Dieses Signal wird im Verstärker 3 verstärkt und gefiltert und anschließend dem Analog-Digital-Wandler ADC 4 zugeführt. Die vom Analog-Digital-Wandler ADC 4 gelieferte digitale Information wird in der Recheneinheit CPU zur weiteren Signalverarbeitung und numerischen Berechnung der Sauerstoffsättigung verwendet.

Da der Signalverlauf am Eingang des Analog-Digital-Wandlers ADC 4 nach abgeschlossener Regelung für alle Wellenlängen identisch ist, reicht für die Bestimmung der interessierenden Kurvenpunkte die Verwendung einer einzigen Wellenlänge aus. Die Werte bei den übrigen Wellenlängen müssen lediglich in der Nähe der Kurvenextrema mit erfaßt werden. Damit ist die Ansteuerung aller Lichtquellen Q1 . . . Q9 mit stromstarken Impulsen nicht mehr notwendig, und des wird eine insbesondere für batteriebetriebene Geräte wichtige, bedeutende Energieeinsparung erreicht.

Bezugszeichenliste

λ_n

Wellenlänge
Q_n

Lichtquelle
AC Wechselspannungsanteil
DC Gleichspannungsanteil

1

Photodetektor

2

Summierer

3

Verstärker und Filter

4

AD-Wandler

5

DA-Wandler

6

Recheneinheit

7

DA-Wandler

8

gesteuerte Stromquelle

9

Lichtquellen

10

Zeitsteuerung

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung im Blut, bei dem ein zu untersuchendes biologisches Gewebe mit Licht verschiedener Wellenlängen durchstrahlt und danach das transmittierte oder reflektierte Licht mit einem Photodetektor erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Lichtquellen (9) mit einer Regeleinrichtung verbunden sind, die in Abhängigkeit von den am Photodetektor (1) auftretenden Signalen die Intensität der Lichtquellen (9) so regelt, daß die Amplituden am Photodetektor (1) unabhängig von der Wellenlänge konstant bleiben
und
- der Offset bei allen Wellenlängen mit einer zweiten Regeleinrichtung so geregelt wird, daß der Gleichanteil der Signale aller Auswertebereiche auf einem gemeinsamen Niveau liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Photodetektor mit einem Summierer verbunden ist, dessen Signale in einem Verstärker (3) verstärkt und gefiltert und anschließend einem Analog-Digital- Wandler (4) zugeführt werden und die digitalen Informationen einem Prozessor (6) zugeführt werden, von dem zur weiteren Signalverarbeitung die Sauerstoffsättigung ermittelt wird;
die Intensität der Lichtquelle (9) von einer Stromquelle (8) so geregelt wird, wobei die Stromquelle (8) von dem Prozessor (6) über einen Digital-Analog-Wandler (7) angesteuert wird und dieser Digital-Analog-Wandler sowie die Prozessorsteuerung über einen Timer angesteuert wird.