DE19715917A1

DE19715917A1 - Oberarmsimulator für nichtinvasive Blutdruckmeßgeräte

Info

Publication number: DE19715917A1
Application number: DE1997115917
Authority: DE
Inventors: Peter Emil Gotthil Kitzenmaier
Original assignee: MEDECONTROL ELECTRONICS GmbH
Current assignee: KITZENMAIER, DIETER, 75173 PFORZHEIM, DE
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 1998-10-22

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen einstellbaren und reproduzierbaren Oberarmsimulator, mit dem nichtinvasive Blutdruckmeßgeräte auf ihre sichere Funktion hin überprüft werden können und insbesondere einen Druckwandler für die Erzeugung von physiologischen Blutdrucksignalen eines Oberarms. Dabei werden gemäß der eingestellten Patientenparameter oszillometrische Druckschwankungen erzeugt, wie sie im Normalfall in der Armmanschette, die mit einem Patienten in Verbindung steht, auftreten würden. Diese Druckschwankungen können über eine Schlauchverbindung und ein T-Stück mit einem nichtinvasiven Blutdruckmeßgerät und der dazugehörigen Armmanschette verbunden werden.

Dabei können Patientenparameter wie systolischer und diastolischer Blutdruck, Art des Blutdruckverlaufs, Puls und Oberarmbeschaffenheit etc. eingegeben werden, gemäß denen und in Abhängigkeit vom aktuellen Manschettendruck die oszillometrischen Blutdrucksignale erzeugt werden. Durch Vergleich der abgelesenen Werte am Blutdruckmeßgerät mit den vorgegebenen Werten kann auf die Qualität und Genauigkeit des nichtinvasiven Blutdruckmeßgeräts rückgeschlossen werden.

Eine Abwandlung einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt einen physiologischen Armsimulator dar, um den die Armmanschette des nichtinvasiven Blutdruckmeßgeräts direkt angelegt werden kann, ohne daß eine Druckeinkopplung in die Schlauchverbindung zwischen Blutdruckmeßgerät und Armmanschette durch ein T-Stück nötig wäre.

Grundlagen

Die nichtinvasive indirekte Blutdruckmessung basiert auf einer Vergleichsdruckmessung zwischen dem arteriellen Blutdruck und dem Druck in einer Armmanschette eines Blutdruckmeßgeräts. Dabei setzt sich der Armmanschettendruck bis zur darunterliegenden Arterie hin fort und führt, falls der Manschettendruck p_M kurzzeitig größer ist als der Blutdruck in der Arterie, zu einer kurzzeitigen Okklusion derselben (Zusammenfallen der Gefäßwand). Dadurch kommt es zu Volumenverschiebungen, die gemäß dem Gesetz von Boile-Mariotte p.V = konst. zu Druckschwankungen in der Armmanschette führen. Diese Druckschwankungen werden vom nichtinvasiven Blutdruckmeßgerät detektiert und ausgewertet.

In Fig. 5a sind typische Blutdruckschwankungen, die durch den systolischen Maximaldruck p₂ und den diastolischen Minimaldruck p₁ gekennzeichnet sind, dargestellt. In Abhängigkeit vom abfallenden Manschettendruck p_M und dem arteriellen Blutdruck p_a treten die oben beschriebenen geringen Manschettendruckschwankungen Δp_M auf, wie in Fig. 5b gezeigt. Die akustischen Korotkow-Signale sind in der Fig. 5c aufgezeichnet.

Bei dauernd größerem Manschettendruck bleibt die Arterie okkludiert, und es treten nur noch sehr geringe Druckschwankungen in der Armmanschette auf. Sinkt der Manschettendruck auf einen Wert, der geringer ist als der systolische Blutdruck p₂, so öffnet sich die Arterie für die Dauer dieses Zustands wieder. Dabei entsteht eine Blutvolumenverschiebung in den Oberarm hinein, die zu einer Manschettendruckschwankung Δp_M führt, wie in Fig. 5b gezeigt.

Durch Messung von Manschettendruckschwankungen können also Unter- und Über schreitungen des systolischen bzw. des diastolischen Blutdrucks meßtechnisch ermittelt und festgehalten werden.

Eine andere Möglichkeit der Detektion einer Arterienokklusion ist die Auswertung der akustischen Wirbelstromgeräusche, die nach dem Entdecker Korotkow-Signale genannt werden.

Stand der Technik

Bekannt sind Systeme, die diese Blutdruckschwankungen wie in Fig. 6 skizziert, durch eine Membran in Verbindung mit einem Motor oder wie in Fig. 7 gezeigt durch eine Membran in Verbindung mit einem Elektromagneten erzeugen. Diese Systeme werden genauso wie die vorliegende Erfindung gemäß Fig. 2 an den Druckschlauch zwischen Blutdruckmeßgerät und Armmanschette angeschlossen. Diese Blutdrucksimulatoren gemäß Fig. 6 und Fig. 7 sind funktionstüchtig, nachteilig dabei ist aber die Größe, das Gewicht und die Verlustleistung der Anordnungen.

Der in Fig. 6 skizzierte Blutdrucksimulator 50 besitzt einen Druckschlauchanschluß 24, der mit einer Druckkammer 52 mit Drucksensor 51 verbunden ist. In der Druckkammer 52 befindet sich eine Rollmembran 53, die mit einem Zylinder mit Spindel 54 verbunden ist und durch einen Motor 55 in axialer Richtung dx verschoben werden kann. Die Verschiebung wird mit dem Sensor 56 detektiert. Nachteilig an diesem System ist die niedrige Grenzfrequenz, die durch den Motor bedingt ist.

Der in Fig. 7 skizzierte Blutdrucksimulator 60 besitzt einen Druckschlauchanschluß 24, der mit einer Druckkammer 52 verbunden ist, die mit einem Drucksensor 51 und mit einer Rollmembran 53 ausgestattet ist. Die Rollmembran kann nun über einen Stößel 54', der in Verbindung mit einer elektromagnetischen Spule 58 steht, die mit dem Magneten 59 in Wechselwirkung steht, in axialer Richtung dx verschoben werden. Diese Variante der Volumenverschiebungserzeugung zeichnet sich durch eine höhere Grenzfrequenz wie in Fig. 6 gezeigt aus, nachteilig dabei ist aber der große und schwere Magnet 59 und der Spulenstrom 61, der zur Krafterzeugung von ca. 10-50 N nötig ist, um einem Druck von 400 mbar standzuhalten. Die Fläche der Rollmembran 53 kann, um Volumenverschiebungen von 3 cm³ zu erzeugen, nicht viel kleiner als 1 cm² ausfallen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die mit räumlich geringen Abmaßen, geringem Gewicht und wenig Bauteileaufwand physiologische Blutdrucksignale, insbesondere physiologische Blutdrucksignale eines Oberarms zu erzeugen vermag. Mit dieser Vorrichtung sollen oszillometrische Blutdruckschwankungen bzw. definierte und geregelte Volumenverschiebungen gegen einen Manschettendruck erzeugt werden können. Eine weitere Möglichkeit der Erfindung ist es, einen physiologisch ähnlichen Oberarm aufzubauen, in dem die Vorrichtung zur Erzeugung physiologischer Blutdrucksignale der vorliegenden Erfindung eingebaut werden kann und damit einen physiologisch ähnlichen Ober- oder Unterarm darstellt, der sowohl die oszillometrischen Volumenverschiebungen, als auch die Korotkow-Geräusche erzeugt.

Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den anliegenden Ansprüchen, mit denen oszillometrische Blutdrucksignale und Korotkow-Geräusche, wie sie im Oberarm nach Anlegen einer nichtinvasiven Blutdruckmeßmanschette entstehen, erzeugt werden. Der erfindungsgemäße Oberarmsimulator besteht gemäß Fig. 3 im Wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse mit einem Wandler 23, der beispielsweise einen oder mehrere elektroakustische oder elektromagnetische Wandler umfaßt, in dem Volumenverschiebungen erzeugt werden, die zu Druckschwankungen führen, die über einen Druckschlauchanschluß 24 in das Blutdruckmeßsystem, bestehend aus einer in Fig. 2 gezeigten Armmanschette 31 und einem ebenfalls in Fig. 2 gezeigten nichtinvasivem Blutdruckmeßgerät 26, übertragen werden. Die elektrischen Steuersignale zur Ansteuerung des Wandlers 23 werden von einer Elektronik 21 in Abhängigkeit von Patientenparameter E, 43 eingestellt und elektrisch erzeugt, und durch einen PID-Regler 22 und dem Wandler 23 umgesetzt. Die erzeugten Geräusch- und Druckkurven entsprechen vorher eingespeicherten, verschiedenen typischen Patientensignalen. Ein von einem Sensor 11 erfaßter Manschettendruck p1 wird in die Elektronik 21 und in den PID-Regler zurückgeführt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind deutlicher der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Oberarmsimulators unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Druckwandler mit einer Einlaßöffnung 1, einer primären Druckkammer 2 (nachstehend als Druckkammer bezeichnet), einem Wandler 23, der z. B. als elektromagnetischer oder elektroakustischer Wandler ausgebildet ist, und einer sekundären Druckkammer 7 (nachstehend Hilfsdruckkammer) als Gegendruckreservoir.

Fig. 2 ein System bestehend aus nichtinvasivem Blutdruckmeßgerät 26 mit Anzeige 25, daran angeschlossener Druckmanschette 31 um einen steifen Oberarm 30, ein Druckschlauch-System 29 mit T-Stück und einen Wandler 23 mit Steuerelektronik und PID-Regler 21 und 22 als Drucksimulator.

Fig. 3 ein Blockdiagramm der elektronischen Komponenten und der Signalflüsse, mit Eingabe der physiologischen Vorgaben E in die Signalkurvenerzeugungselektronik 21, aus der heraus Steuersignale erzeugt werden, die durch einen PID-Regler 22 und den Wandler 23 in Drucksignale umgesetzt werden.

Fig. 4 einen typischen Verlauf des Armmanschettendrucks p1 und des Hilfdrucks p6 der Hilfsdruckkammer 7. Im unteren Teil des Bilds sind Ventilöffnungszeiten skizziert, die einen Druckaufbau und einen Druckablaß in der Hilfsdruckkammer 7 bewirken.

Fig. 5a-c einen typischen arteriellen Blutdruckverlauf p_A und Manschettendruckverlauf p_M (Fig. 5a) mit resultierenden Manschettendruckschwankungen Δp_M (Fig. 5b) und Korotkow-Signalen (Fig. 5c).

Fig. 6 ein Druckerzeugungssystem bekannter Art, das Volumenverschiebungen über eine Rollmembran 53 und einem Stößel 54 in Verbindung mit einem Motor 55 erzeugt.

Fig. 7 ein System bekannter Art, das Volumenverschiebungen über eine Rollmembran 53 mit einem elektromagnetischen Druckwandler erzeugt.

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckwandler, der in einen Oberarmsimulator eingebaut ist.

Gemäß Fig. 1 weist die vorliegende Erfindung einen Wandler oder Druckwandlermodul 23, der sich dadurch auszeichnet, daß ein Kolben 10 zur Volumenverschiebungserzeugung auf der einen Seite vom Manschettendruck p1 in der Druckkammer 2 und auf der anderen Seite von einem Hilfsdruck p6 in der Hilfsdruckkammer 7 umgeben ist. Dadurch wirkt auf dem Kolben 10 nur eine Kraft, die proportional der Kolbenstirnfläche F und dem Differenzdruck p1-p6 ist.

Dabei kann der Hilfsdruck p6 auf einfache Weise zu Beginn einer Messung so aufgebracht werden, indem für den Zeitraum des Aufpumpens der Manschette 31 der Manschettendruck p1 ebenso über ein Ventil 4 mit einem Kanal 3 in die Hilfsdruckkammer 7 gelangen kann. Nach Erreichen des maximalen Manschettendrucks wird das Ventil 4 geschlossen, und so bleibt dieser Maximaldruck in der Hilfsdruckkammer 7 gespeichert. Beim Ablassen des Manschettendrucks p1 durch das Blutdruckmeßgerät 26, entsteht nun zunächst ein Differenzdruck zwischen den Kammern 2 und 7, der wiederum als Kraft auf den Kolben 10 wirkt und durch einen elektrischen Strom zum magnetischen Halten kompensiert werden muß. Um die magnetische Kompensation des Kräfteungleichgewichts in Grenzen zu halten, wird das Ventil 5 pulsweitenmoduliert geöffnet, wie in Fig. 4 gezeigt, so daß sich ein angenähertes Druckgleichgewicht zwischen den Kammern 2 und 7 ergibt.

Um den Ruhedifferenzdruck herum können nun definierte Volumenverschiebungen dV durch einen aus einer Spule bestehenden magnetischen Antrieb 9 des Kolbens 10 und durch Regelung über den Verschiebeweg x mit einem Wegsensor 8 erzeugt werden.

Fig. 4 zeigt einen typischen Manschettendruckverlauf p1 von nichtinvasiven Blutdruckmeßgeräten. Der Hilfsdruck p6 baut sich durch das geöffnete Ventil 4 gleichzeitig mit dem ansteigenden Druck p1 auf und wird anschließend bei geschlossenem Ventil 4 und intermittiv geöffnetem Ventil 5 jeweils auf den abnehmenden Manschettendruck p1 vermindert.

Bei Betrachtung dieser qualitativen Kurven wird klar, daß der Differenzdruck über den Kolben 10 unter Zuhilfenahme eines Hilfsdrucks p6 ungleich kleiner ausfällt, als ohne diesen Hilfsdruck.

Wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der viel geringere Aufwand, der mit dem elektromagnetischen System getrieben werden muß, was Material, Gewicht, Strom und Kosten spart.

Fig. 2 zeigt die Eingabe der Patientenparameter E, wie systolischer und diastolischer Blutdruck, Puls und Kurvenform, in die Eingabeeinheit 21, die mit einem Regler 22 (vorzugsweise einen PID-Regler) in Verbindung steht, wobei der Regler 22 den Wandler 23 ansteuert. Die durch den Wandler 23 erzeugten volumetrischen Volumenverschiebungen werden über ein Druckschlauch-System 29 in ein T-Stück, das zwischen dem Blutdruckmeßgerät 26 und der Armmanschette 31 eingebracht ist, eingeleitet. Die Armmanschette 31 wird um ein steifes Oberarmteil 30 herumgeschlungen. Das nichtinvasive Blutdruckmeßgerät 26 besteht aus einer Anzeige 25 der systolischen und diastolischen Blutdruckwerte.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich, erfüllt die Erfindung die gestellten Aufgaben indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Volumenverschiebungssimulation in einem Blutdruckoberarmsimulator zur Verfügung gestellt wird, umfassend ein Druckschlauch-System 29, der über den Druckschlauchanschluß 24 in Verbindung mit der Druckkammer 2 steht, deren Volumen durch eine Membran- oder Kolbenverschiebung veränderlich ist, wobei die Membran oder der Kolben 10 an einer ersten Seite mit der Druckkammer 2 in Verbindung steht und an einer zweiten (zur ersten entgegengesetzten) Seite einen steuerbaren Druck erfährt, so daß auf die Membran bzw. den Kolben 10 nicht die gesamte Kraft, die durch den Druck der ersten Kammer entstehen würde, aufgebracht zu werden braucht.

Besonders vorteilhaft ist der Wandler 23 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen physiologischen Signalen ausgebildet und ist als Membran- oder Kolben-Wandler ausgebildet, um vorgegebene Volumenverschiebungen zu erzeugen.

Der Kammerdruck des erfindungsgemäßen Hilfsdruckbehälters 7, der mit der zweiten Seite des Kolbens bzw. der Membran in Verbindung steht, kann gesteuert werden, so daß dieser Kammerdruck auf die zweite Seite der Membran bzw. auf den Kolben zur Volumenverschiebung einwirkt.

Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die akustischen physiologischen Signale aus Korotkow-Signalen und Volumenverschiebungssignalen bestehen, wobei die Korotkow-Signale durch den Wandler 23, elektromagnetisch, elektroakustisch oder elektromechanisch erzeugt werden. Die elektromagnetische Ausführung besteht aus einem magnetischen Kolben 10 und einer elektromagnetischen Spule 9.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sensor 11 in der Druckkammer 2 angeordnet. Mit dem Wandler 23 können dann auch Druckkurven mit der Druckmeßgröße des Sensors 11 als Regelgröße erzeugt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 8 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird der Wandler 23 direkt in den Oberarmsimulator eingebaut. Der Wandler 23 ist von einer luftdichten Umhüllung 31 umgeben, die ihrerseits mit einer Manschette 32 des Blutdruckmeßgeräts 26 umgeben werden kann. Vorzugsweise wird die Kontaktfläche der Umhüllung 31 mit der Manschette 32 aus einem elastischen Material gefertigt, um eine Druckübertragung von der Manschette in die Druckkammer 2 des Wandlers 23 zu gestatten.

Die Volumenverschiebungssignale bzw. Drucksignale können in allen oben beschriebenen Vorrichtungen entsprechend der Eingabe E in der Steuerelektronik 21-22 erzeugt werden.

Die Erfindung kann in vielerlei Hinsicht abgeändert werden. Insbesondere kann anstatt des oben exemplarisch beschriebenen elektromagnetischen Kolbens 10 und der elektromagnetischen Spule 9 auch ein elektroakustischer Wandler oder eine Rollmembran 53 mit Stößel 54' und einem entsprechendem Kraftantrieb ausgestattet sein. Insbesondere können für die Erzeugung der physiologischen Druck- und Schaltsignale auch eine Kombination von verschiedenen Wendeltreppen (z. B. elektrodynamischer, elektromechanischer und piezoelektrischer Art) Verwendung finden. Auch andere dem Fachmann wohlbekannte äquivalente Mittel zur Erzeugung physiologischer Signale können eingesetzt werden.

Darüber hinaus können alle technischen Merkmale durch andere technisch äquivalente Mittel ersetzt werden. Insbesondere kann der Druck- bzw. Volumenverschiebewandler auch in ein rundes oberarmähnliches Teil eingesetzt sein, das mit einer wassergefüllten Gummimembran ausgestattet, die Volumenverschiebungen ihrerseits gemäß Fig. 8 an die Oberarmmanschette weiterzuleiten vermag. Hierdurch kann ein Oberarmsimulator entstehen, der dem Oberarm sehr ähnlich ist.

Eine weitere Abwandlung kann durch Zuhilfenahme einer kleinen Druckpumpe oder eines externen Druckanschlußes vorgenommen werden, so daß der Hilfsdruck nicht über das Blutdruckmeßgerät aufgebracht werden muß.

Claims

1. Ein Wandlermodul zur Erzeugung von physiologischen Blutdrucksignalen, insbesondere von Blutdrucksignalen eines Oberarms, das folgendes umfaßt:
eine Druckkammer (2), die zur Aufnahme eines Manschettendrucks (p1) ausgebildet ist,
eine Hilfsdruckkammer (7),
ein Volumenverschiebungsmittel (9, 10), das zwischen der Druckkammer (2) und der Hilfsdruckkammer (7) angeordnet ist, diese luftdicht voneinander trennt, und zur wechselseitigen Volumenänderung der Druckkammer (2) und der Hilfsdruckkammer (7) ausgebildet ist, und
ein Mittel (4, 5) zum Druckausgleich zwischen der Druckkammer (2) und der Hilfsdruckkammer (7), das derart ausgebildet ist oder angesteuert wird, daß der Druck in der Hilfsdruckkammer (7) dem abfallenden Druck in der Druckkammer (2) nacheilt.

2. Das Wandlermodul nach Anspruch 1, wobei das Volumenverschiebungsmittel (9, 10) einen Kolben oder eine Membran (10) umfaßt.

3. Das Wandlermodul nach Anspruch 2, wobei der Kolben (10) magnetisch betätigbar ist, um Volumenverschiebungen in der Druckkammer (2) in Übereinstimmung mit den physiologischen Blutdrucksignalen des Oberarms zu erzeugen.

4. Das Wandlermodul nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Mittel (4, 5) zum Druckausgleich ein erstes Ventil (4) umfaßt, das Druckkammer (2) mit der Hilfsdruckkammer (7) operativ verbindet und das während des Anstiegs des Manschettendrucks (p1) geöffnet wird, um den Manschettendruck (p1) in die Hilfsdruckkammer (7) zu leiten, und ein zweites Ventil (5), das die Hilfsdruckkammer (7) mit der Umgebung verbindet und das beim Ablassen des Manschettendrucks (p1) pulsweitenmoduliert geöffnet wird.

5. Ein Oberarmsimulator für nichtinvasive Blutdruckmeßgeräte, der das Wandlermodul nach einem der Ansprüche 1-4 umfaßt.

6. Der Oberarmsimulator nach Anspruch 5, der weiterhin eine Elektronik (21) zur Eingabe von Patientenparameter (E, 43) umfaßt, und einen Regler (22) zur Patientenparameter-abhängigen Steuerung des Wandlermoduls.

7. Der Oberarmsimulator nach Anspruch 5 oder 6, der weiterhin ein Druckschlauch-System (29) umfaßt, der die Druckkammer (2) mit der Manschette (31) eines nichtinvasiven Blutdruckmeßgeräts und mit einem Blutdruckmeßgerät (26) verbindet.

8. Ein Oberarmteil, der das Wandlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt, wobei der Oberarmteil eine teilweise elastische Hülle (31) aufweist, die das Wandlermodul derart luftdicht umschließt, daß eine Druckübertragung von einer Manschette (32) eines nichtinvasiven Blutdruckmeßgeräts in die Druckkammer (2) des Wandlermoduls gestattet wird.

9. Ein Verfahren zum Betreiben eines Wandlermoduls zur Erzeugung von physiologischen Blutdrucksignalen, insbesondere von Blutdrucksignalen eines Oberarms, wobei das Wandlermodul das eine Druckkammer (2), die zur Aufnahme eines Manschettendrucks (p1) ausgebildet ist, eine Hilfsdruckkammer (7), und ein Volumenverschiebungsmittel (9, 10) umfaßt, das zwischen der Druckkammer (2) und der Hilfsdruckkammer (7) angeordnet ist, diese luftdicht voneinander trennt, und zur wechselseitigen Volumenänderung der Druckkammer (2) und der Hilfsdruckkammer (7) ausgebildet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
das Erhöhen des Manschettendrucks (p1),
das Erschaffen eines Druckausgleichs zwischen der Druckkammer (2) und der Hilfsdruckkammer (7),
das Verringern des Manschettendrucks (p1) und das Erzeugen der physiologischen Signale, und
das Erschaffen eines Druckausgleichs zwischen der Druckkammer (2) und der Hilfsdruckkammer (7) derart, daß der Druck in der Hilfsdruckkammer (7) dem abfallenden Druck in der Druckkammer (2) nacheilt.