DE2136823A1

DE2136823A1 - Fotoelektrisches messgeraet fuer plethysmographische messungen, insbesondere fuer die messung der durchblutung von lebendem gewebe zur bestimmung der pulsamplitude und pulsfrequenz

Info

Publication number: DE2136823A1
Application number: DE19712136823
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Leist
Original assignee: Fritz Hellige und Co GmbH
Current assignee: Fritz Hellige und Co GmbH
Priority date: 1971-07-23
Filing date: 1971-07-23
Publication date: 1973-02-01

Description

Foto elektrisches Meßgerät für plethysmographische messungen, insbesondere für die Messung der Durchblutung von lebendem Gewebe zur Bestimmung der Pulsamplitude und Pulsfrequenz Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein fotoelektrisches Meßgerät für plethysmographische Messungen, insbesondere für die Messung der Durchblutung von lebendem Gewebe, um die Pulsfrequenz oder Pulsamplitude zu bestimmen. In der medizinischen Diagnostik wird heute vorzugsweise der periphere arterielle Puls auf fotoelektrischem Wege abgenommen, da dafür nur ein geringer Meßaufwand erforderlich ist. Auf der Aufiiehrnerseite liegen dabei entweder eine Lichtquelle, z.B. eine Leuchtdiode und ein Photodetektor auf einem Träger nebeneinander, wenn das vomt durchbluteten Gewebe reflektierte Licht zur Messung benutzt werden soll, oder die beiden genannten Elemente sind auf zwei Träger verteilt, die im allgemeinen durch eine Klammer zusammengehalten werden und zwischen sich den zur Messung herangezogenen Teil des Körpers aufnehmen, z.B. ein Ohrläppchen. Das vom Photodetektor aufgenommene Licht wird im allgemeinen nach Verstärkung einem Anzeige- oder Registriergerät zugeführt oder einem Auswertegerät, das aus den Signal schwankungen die Pulsfrequenz ermittelt.
Die durch vorliegende Erfindung erzielte Weiterentwicklung solcher fotoelektrischer Meßgeräte löst die Aufgabe, den störenden Einfluß von Umweltlicht, z.B. der Leuchtstofflampen, aber auch von normalem Tageslicht, auf das Meßergebnis zu beseitigen. Insbesondere würden sich die durch die Netzfrequenz verursachten Beleuchtungsschwankungen dem Meßergebnis überlagern, ähnlich auch andere Umwelteinflüsse.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen synchronen Chopperbetrieb, indem die Lichtquelle für den Fotodetektor des Gerätes von einem Wechselstrom gespeist wxrZund das erzeugte elektrische Meßsignal in einem phasenstarren Gleichrichter gleichgerichtet wird, der durch den gleichen Wechselstrom gesteuert wird.
Diese durch die Erfindung erreichte Fortentwicklung ist mit den Ansprüchen näher gekennzeichnet. Die Figur t zeigt die zum Yerständuis der Erfindung wesentliche Prinzipschaltung.
Figur 2 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines Pulsabnehmers im Querschnitt und seine Wirkungsweise in Bezug auf die Bestimmung der Durchblutung des Körperteils, an dem er angelegt wird.
Bei der fotoelektrischen Messung der Körperdurchblutung für die Pulsfrequenzermittlung wird vorteilhaft in einem sog. isosbestischein Spaktralbereich gearbeitet, in dem die Absorption von Haemoglobin und Oxyhaemoglobin den gleichen Wert hat. D.h. die Messung bei einer solchen Wellenlänge ist ganz unabhängig vom Sauerstoffgehalt des Blutes, und die Reflexions- oder Transmissionseigenschaften des zur Messung herangezogenen Körperteils, z.8. einer Fingerkuppe, eines Ohrläppchens oder der Nasenscheidewand, ist allein von der Durchblutung und nicht vom Sauerstoffgehalt des Blutes abhängig.
Isosbestische Punkte des Spaktralbereiches liegen zwischen Lichtquellenlängen von 800 und 900 um, sowie z.B. bei 450 um und bei 550 mr Es stehen heute Leuchtdioden, vor allem auf Gallium-Arsenid-Basis, zur Verfügung, die Licht einer derartigen Wellenlänge erzeugen und ausstrahlen. Sie haben den besonderen Vorteil, daß ihre Eniission ohne Verzögerung den Schwankungen des Speisestromes folgt und somit für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet sind. Als M»todetek« tor eignen sich für solche Leuchtdioden, die qualitative und quant tative Verbesserungen erbflngen, besonders Silizium-Photodetektoren.
Die Aufgabe der Erfindung, ambivalente Störeinflüsse durch das Umlicht, durch Körperbewegung oder durch Temperatur bei der fotoelektrischen Messung der Pulsfrequenz auszuschalten, wird durch einen synchronen Chopperbetrieb für die Lichtquelle und für den erforderlichen Gleichrichter gelöst, wozu sich eine Schaltung eignet, die schematisch in Figur 1 dargestellt und mit den Ansprüchen gekennzeichnet ist.
Gemäß dem Vorschlag der Erfindung wird die Lichtquelle 1, die zur Beleuchtung des zur Messung herangezogenen Körperteils dient, von einer Wechselstromquelle 7, vorzugsweise von einem astabilen Multivibrator, gespeist, der einen rechteckigen Wechselstrom mit dem Tastverhältnis 1 : 1 von seinem strombegrenzten Ausgang g her über das Kabel 8 an die Lichtquelle 1 liefert. Der Photodetektor 2, vorzugsweise ein Silizium-Photoelement, wirkt auf den Eingang b eines Differenzverstärkers 3, der vorzugsweise unter Benutzung von Feldeffekttransistoren aufgebaut ist. Der Eingang a des Differenzverstärkers liegt an Leitungs-Null oder an einem entgegengesetzten Pol des Photodetektors 21 so daß eine Differenzschaltung möglich ist.
Die beiden Differenz ausgänge c und d werden von einem elektronischen Schalter 4 und 5, der wie die Lichtquelle 1 vom gleichen Wechselstrom-Generator 7 über seine komplementären Ausgänge e und f gesteuert und gespeist wird, im Takt dieses Steuerstromes abwechselnd an den Tiefpaß 6 gelegt, der die Frequenz des Wechselstrom-Generators 7 aus dem verstärkten Meßsignal herausfiltert. Dazu ist erforderlich, daß die Tastfrequenz des Wechselstrom-Qenerators 7 bzw. des astabilen Multivibrators 7 ausreichend über dem zweifachen Wert der höchsten zu erwartenden Signalfrequenz liegt.
Da nun kaum Störlichteinflüsse oder andere, durch Bewegungen, Temperatur oder Umgebungsverhältnisse verursachte Störeinflüsse phasenrichtig synchron mit der Tastfrequenz auftreten können, kompensiert sich deren Wirkung über mehrere Tastzyklen am Eingang h des Filters 6. An den Ausgang i des Filters 6 wird dann das zur Weiterverarbeitung des erzeugten Signals dienende Gerät angeschlossen, z. B.
ein Anzeigegerät, ein Registriergerät oder ein zur Frequenzermittlung dienender Zähler.
Den Zusammenbau von zwei Leuchtdioden 1 mit einem Photodetektor 2 für einen Fingerpulsabnehmer zeigt Figur 2. Dabei wird das vom Finger 8 reflektierte Licht der Leuchtdioden 1 ausgewertet. Die genannten elektronischen Organe sind in einem flachen Träger 9 vorzugsweise aus Kunststoff vereinigt, der drei Fenster für den Einbau dieser Teile besitzt. Der steuernde Wechselstrom und das geRonnene elektrische Signal wird durch £epat-$te, in einem Kabel lt vereinigte Leitungen abgeführt.
Der erfindungsgemäße Aufbau eines fotoelektrischen Meßgerät es ergibt somit in verschiedener Hinsicht wesentliche Fortschritte. Einmal besteht die Möglichkeit, Meßwertaufnehmer in sehr kleinen Armes sungen herzustellen. Des weiteren können die Störeinflüsse, die durch die Umgebungsbeleuchtung, durch die Umgebungstemperatur oder durch Bewegungen des Körperteils verursacht wurden, im Meßsignal unterdrückt werden. Schließlich bedarf es nur geringer Ansteuerleistungen für Lichtquellen auf Halbleiterbasis, und vor allem ist es ein Vorteil, daß als Verstärker für das Meßsignal ein Wechselstromverstärker benutzt werden kann, wenn erfindungRgemäß die Lichtquell durch einen Wechselstrom gesteuert wird.
Das Meßergebnis ist demnach weitgehend frei von Störeinflüssen und hat daher einen hohen diagnostischen Gehalt bei Anwendung der Erfindung für Pulsabnehmer.

Claims

ANSPRÜCHE

1.#Fotoelektrisches Gerät für plethysmographische Messungen, insbesondere für die Messung der Durchblutung von Teilen eines lebenden Körpers zwecks Bestimmung der Pulsamplitude und/oder -frequenz, mit einer Lichtquelle (1) die Licht einer bestimmten Intensität und Spektralverteilung erzeugt, und das Meßobjekt (8) beleuchtet1- mit einem Photodetektor t2) zur Aufnahme des vom beleuchteten Meßobjekt t8) reflektierten oder durchgelassenen Lichtanteils und Umwandlung in ein entsprechendes elektrisches Signal, und mit einer Vorrichtung zur Ermittlung, sichtbaren Darstellung oder Registrierung der Amplitude und/oder Frequenz des vom Photodetektor (2) erzeugten elektrischen Signals, und mit folgenden weiteren Kennzeichen: a) Eine Vorrichtung (7) erzeugt einen Steuerwechselstrom für die Speisung der Lichtquelle (1), dessen Frequenz über der doppelten höchsten Signalfrequenz liegt; b) die Lichtquelle (7) ist von solcher Art, daß ihre Emission unmittelbar auf Schwankungen des Speisestromes anspricht, z.B.

eine Leuchtiode auf Halbleiterbasis; c) ein von der Wechselstromquelle (7> gespeister und gesteuerter phaasenstarrer Gleichrichter (4, 5) ist in die Übertragungsleitung des vom Photodetektor (2) gelieferten elektrischen Signals eingefügt und dient zur Gleichrichtung dieses Signals; d) zwischen dem phasenstarren Gleichrichter (4, 5) und dem Anzeige- oder Registriergerät für das erzeugte Signal ist ein Tiefpaßfilter (6) eingefügt, der die' Frequenz des steuernden Wechsel stromes aus dem Signal aus filtert.

2. Fotoelektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (i) i von einer Gallium-Arsenid-Leuchtdiode gebildet wird; 3. fotoelektrisches Meßgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (2) von einem Silizium-Photoelement gebildet wird.

4. Fotoelektrisches Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurcH gekennzeichnet, daß in dem Signalübertragungsweg zwischen dem Shotoelement (2) und dem phasenstarren Gleichrichter (4, 5) ein Signalverstärker (3)vorzugsweise ein unter Benutzung von Feldeffekttransistoren aufgebauter Differenzverstärker eingefügt ist.

5. Fotoelektrisches Meßgerät nach den Ansprüchen 1 - i, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (7) von einem astabilen Multivibrator gebildet wird, der einen rechteckigen Wechselstrom mit einem Tastverhältnis 1 : 1 erzeugt und dessen Tastfrequenz größer als die doppelte maximal zu erwartende Signalfrequenz ist.

6. Fotoelektrisches Meßgerät nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gallium-Arsenid-Fotodioden eine derartige Zusammensetzung haben, daß der Spektralbereich ihres erzeugten Lichtes bei 900 um liegt.

7. Fotoelektrisches Meßgerät nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß für Reflexionamessungen die Lichtquelle (i) und der Photodetektor (2) in einem gemeinsamen Gehäuse, getrennt durch eine undurchsichtige Trennwand nebeneinander liegen.