DE4212498A1 - Einrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der Blutvolumenänderung - Google Patents
Einrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der BlutvolumenänderungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur
nichtinvasiven Erfassung der Blutvolumenänderungen in
menschlichen Gefäßen durch Messung der Änderung der
Lichtreflexion oder Lichttransmission im Gewebe, die
einen Sensor mit mindestens einem Lichtsender-/Lichtem
pfänger-Paar sowie eine Auswerte- und Ausgabeschaltung
aufweist.
Optoelektronische Diagnose-Meßverfahren, auch Photo
plethysmographen genannt, haben ihre Nützlichkeit seit
Jahren bewiesen und sind heutzutage aus dem angiologi
schen Funktionslabor nicht mehr wegzudenken. Sie erfah
ren jedoch auch gegenwärtig noch bedeutende Weiterent
wicklungen, indem einerseits technologische Optimierun
gen bestehender Systeme und Sensoren durchgeführt wer
den, andererseits aber auch prinzipiell neue Ansätze
gemacht werden.
Photoplethysmographische Meßeinrichtungen der im Ober
begriff des Anspruchs 1 vorausgesetzten Art sind bei
spielsweise aus der DE 31 00 610 A1, der DE 36 09 075 A1
oder der US-PS 4,16,454 bekannt. Bei der aus der DE
31 00 610 A1 bekannten Meßeinrichtung wird bei fest
vorgegebenem Sendestrom der zeitliche Verlauf des aus
dem Gewebe zurückreflektierten Lichtanteils analog
ausgewertet und aufgezeichnet.
Die in der US-PS 4,166,454 beschriebene Pulsdetektor-
Vorrichtung arbeitet zwar mit einem geregelten Sende
strom, die Einstellung des Sendestroms auf einen wähl
baren Sendestrompegel und die Registrierung von venen
bedingter langsamer Blutvolumenschwankung ist jedoch
nicht möglich.
Die Meßeinrichtung gemäß der DE 36 09 075 A1 arbeitet
ebenfalls mit einem geregelten Sendestrom, in der digi
talen Regelschleife befindet sich jedoch ein Mikropro
zessor. Erfaßt wird hier der zeitliche Verlauf der
Blutentleerung bzw. -auffüllung der Venen.
Diese Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind
jedoch nicht in der Lage, die dieser Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe die getrennte Registrierung arteriell
und venös bedingter Blutvolumenschwankungen, zu lösen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich
tung zur nichtinvasiven Erfassung der Blutvolumenände
rungen in menschlichen Gefäßen durch Messung der Ände
rung der Lichtreflexion oder Lichttransmission im Gewe
be, die einen Sensor mit mindestens einem Lichtsender
/Lichtempfänger-Paar sowie eine Auswerte- und Ausgabe
schaltung aufweist, derart weiterzubilden, daß wahlwei
se die arteriellen und venösen Blutvolumenschwankungen
registiert werden können.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit
ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennt
zeichnet.
Erfindungsgemäß ist eine analoge Regelschleife vorgese
hen, die den Sendestrom auf einen vorgebbaren Kali
brierwert einstellt, so daß wahlweise die arteriellen
und venösen Blutvolumenschwankungen getrennt ausgewer
tet und registriert werden können.
Die Erfindung beschreibt danit ein quantitatives photo
plethysmographisches Meßverfahren mit einer automati
sierten Meßsignalkalibrierung durch Sendestromregelung
und Möglichkeit der getrennten Registrierung arteriel
ler und venöser Blutvolumenschwankungen. Die vollauto
matische Einstellung des Sendestroms des Sensors, der
aus mindestens einem Lichtsender-/Lichtempfänger-Paar
besteht, erfolgt in einer analogen Regelschleife auf
eine überraschend einfache Art und Weise.
Dabei erhöht sich der je nach Gewebeart und Sensorkon
figuration benötigte Strom des Lichtsenders so lange,
bis ein vorgegebener, wählbarer Signalpegel am Lichtem
pfänger herrscht. Damit sind erfindungsgemäß die Ampli
tuden der Meßsignale quantifiziert, miteinander ver
gleichbar und z. B. von der Hautfarbe oder dem Abstand
der optischen Strecke Sender-Empfänger unabhängig.
Durch die Verwendung kombinierter Sensoren nach dem
Reflexions- und Transmissionsprinzip können darüber
hinaus hämodynamische Prozesse gezielt aus unterschied
lichen Gewebetiefen registriert werden. So ist es z. B.
erstmals möglich, die arteriellen Durchblutungscharak
teristika wie Blutvolumenpuls und peripherer systoli
scher Blutdruck, getrennt in der Makro- und Mikrozir
kulation zu erfassen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des
allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla
risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der
Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er
findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen
wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 verschiedenen Sensoren, und
Fig. 3 bis 6 verschiedene Meßkurven.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Meßeinrichtung in einkanaliger Ver
sion. Mehrkanalige Versionen sind entsprechend auf
gebaut.
Eine Modulations- und Treiberstufe (1) steuert den
Strom eines Lichtsenders in einem Sensor (S). Ein Teil
dieser Meßstrahlung wird durch Reflexion, Transmission
und Streuung im Gewebe (G) zu einem Lichtempfänger im
Sensor (S) gelenkt und in ein elektrisches Signal umge
wandelt.
Nach einer Aufbereitung in einem Strom/Spannungswandler
(2), einem Filter (3) und einem Verstärker (4) wird das
Meßsignal in einem Demodulator (5) demoduliert. Die
Modulation und Demodulation wird vorzugsweise von einem
Generator (6) synchronisiert gesteuert. Hierdurch wird
das Meßsignal von störenden Einflüssen des Fremdlichtes
befreit.
Ein Integrator (7) verstärkt das an ihm als Eingangs
signal anliegende Ausgangssignal des Demodulators (5)
solange, bis an seinem Ausgangsanschluß ein Steuer
signal ansteht, das der gewünschten Kalibrierspannung
Uc entspricht.
Ferner ist ein Wahlschalter (10) für verschiedene Meß
modi vorgesehen. Steht der Wahlschalter (10) in der
Stellung A (Arterienmessung), wird das Steuersignal
über ein steuerbares "Sample & Hold-Glied" (8, 9) an den
Eingangsanschluß der Modulator- und Treiberstufe (1)
angelegt, die wiederum dementsprechend den Sendestrom
des Sensors (S) einstellt. Die Regelung erfolgt somit
vollautomatisch in der Regelschleife RS, wobei die
Zeitkonstante der Regelung im Integrator (7) einstell
bar ist.
Das eigentliche Meßsignal wird an Demodulationsausgang
abgegriffen und über zwei Tiefpässe (11), (12) mit
unterschiedlicher Grenzfrequenz einem Subtrahierer (13)
zugeführt.
Ist der Wahlschalter (10) in Position A (Arterienmes
sung), steht am Signalausgang die formgetreue arte
rielle Blutvolumenpulsation zur Registrierung bereit,
geeicht auf einen konstanten, stets geregelten Ruhe
durchblutungspegel, der der Kalibrierspannung ent
spricht.
Steht der Wahlschalter (10) in Position V (Venenmes
sung), wird der in der Regelschleife dem Haut- und
Sensortyp entsprechend kalibrierte Sendestrompegel in
(8) und (9) "eingefroren", so daß am Ausgangsanschluß
(i4) jetzt ein Signal vorliegt, das den niederfrequen
ten Änderungen des venösen Blutvolumens entspricht.
An Signalausgangsanschluß (14) können handelsübliche x-
t-Schreiber angeschlossen werden. Die Stufe (14) kann
aber auch als "digitale Schnittstelle" ausgebildet
werden, so daß wahlweise ein Drucker oder auch externe
PC′s angeschlossen werden können.
In den Fig. 2a und 2b ist die Applikation von zwei
verschiedenen Sensortypen an einem Finger (F) schema
tisch abgebildet. Fig. 2c zeigt die Applikation an
Unterschenkel B.
Der Sensor S1 besitzt ein Lichtsender-/Lichtempfänger-
Paar und arbeitet nach dem Transmissionsmodus.
Der Sensor S2 besitzt ebenfalls ein Lichtsender-/Licht
empfänger-Paar und arbeitet nach dem Reflexionsmodus.
Durch die Wahl des Abstandes der optoelektronischen
Bauteile im Sensor bzw. durch gezielte Anwendung von
Fokussieroptiken kann die Eindringtiefe und damit das
Meßgebiet beeinflußt und der diagnostischen Zielsetzung
entsprechend angepaßt werden (vergl. z. B. OPTO ELEKT-
RONIK MAGAZIN, Vol. 7, No. 3 (1991), S. 212-219).
Besonders bevorzugt ist jedoch die in Fig. 2b darge
stellte Ausführungsform, bei der der Sensor S3 zwei
Sender/Empfänger-Paare besitzt und somit kombinierte
Messungen nach dem Transmissions- und Reflexionsmodus
ermöglicht.
Fig. 2c zeigt die Anbringung eines Reflexionssensors S2
an der Innenseite eines Beines bei der Registrierung
der Änderung des Venenblutvolumens in der unteren Ex
tremität.
Die Breite der diagnostischen Anwendungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen quantitativen Photoplethysmogra
phen soll anhand der Fig. 3-6 gezeigt werden. Die
Kalibrierspannung Uc ist bei allen Registrierungen
konstant gehalten, so daß alle Kurvenamplituden unter
einander vergleichbar sind.
Fig. 3 zeigt Registrierungen des arteriellen Blut
volumenpulses, gemessen am linken Zeigefinger einer
ruhenden, sitzenden Person. Verwendet wird der Sensor
typ S2.
Oben ist die Registrierung im Transmissionsmodus (T)
aufgeführt, unten die Registrierung im Subminiatur-Re
flexionsmodus (SMD, Sender und Empfänger als Miniatur
chips ohne Fokussionsoptik, befestigt im Abstand 0,8 mm
an einem Keramik-Substrat).
Im Transmissionsmodus werden Blutvolumenschwankungen in
einem großen Meßbereich erfaßt (alle Gefäßnetze des
Fingers, sog. Makrozirkulation). Im SMD-Modus beträgt
der Meßbereich dagegen nur einige wenige mm3, so daß
hier hämodynamische Prozesse nur in der Gefäßsende
strombahn (Mikrozirkulation) registriert werden.
Aus dem Vergleich der Dynamik der arteriellen Blut
volumenpulse in Fig. 3 erkennt man eine deutliche Ab
nahme der Pulsamplitude in der Endstrombahn, verbunden
mit einer Pulsformänderung.
Fig. 4 zeigt eine Registrierung an gleichen Zeigefin
ger im Rahmen einer Messung des peripheren arteriellen
Spitzendrucks. Dazu wurde vor dem Sensor am ersten
Zeigefingerglied eine Luftmanschette befestigt. Diese
wurde kurzfristig mit suprasystolischem Druck beauf
schlagt, so daß die arterielle Pulsation peripher der
Manschette vollständig unterbunden ist. Der Zeitpunkt
des Wiedererscheinens der Pulsation wird als arter
ieller Spitzendruck bezeichnet. Im Transmissionsmodus
betrug dieser Druck 135 mmHg.
Im Reflexionsmodus (R, Sender und Empfänger mit Fokus
sieroptik ausgestattet, Abstand 6 mm) wird der gleiche
Blutdruckwert erfaßt. Auch die Pulsform und Pulsampli
tude ist in beiden Modi vergleichbar. Dagegen wurde im
SMD-Modus ein deutlich niedrigerer Blutdruckwert (80
mmHg) registriert.
Fig. 5 zeigt eine weitere Anwendung der Meßvorrichtung
für die arterielle Gefäßdiagnostik. Hier wurde die
Blutvolumenpulsation registriert vor und nach einer 3
minütigen Durchblutungssperre. Sie wurde mit einer Arm
manschette, aufgepumpt auf 250 mmHg, realisiert. Durch
den befristeten Entzug des frischen Blutes im Meßareal
kommt es zu einer sog. postischemischen reaktiven Hy
perämie (PRH). Aus der Pulsamplitude und Kinetik der
Pulswiederkehr nach Ende der Durchblutungssperre können
valide Bewertungsparameter für die Beurteilung arter
ieller Gefäßerkrankungen gewonnen werden, und zwar auch
hier getrennt für die Mikro- und Makrozirkulation.
Fig. 6 zeigt schließlich die Registrierung der Blut
volumenabnahme im Bein einer stehenden Person infolge
einer Übung (8 Kniebeugen in etwa 15 Sekunden) mit
einem Reflexionssensor ca. 8 mm über dem Innenknöchel.
Der Wahlschalter (10) wurde dazu vor Beginn der Regi
strierung in Position V = Venenmessung gelegt. Durch
die Betätigung der Muskelpumpe kommt es zu einer deut
lichen Reduktion des Venenblutes in der Extremität, da
dieses herzwärts abgepumpt wird. Die lange Wiederauf
füllphase von mehr als 50 Sekunden ist typisch für die
physiologische Venodynamik. Sie wird bei Venener
krankungen deutlich verkürzt und beträgt beispielsweise
weniger als 10 Sekunden bei postthrombotischen Gefäßzu
ständen.
Die Erfindung läßt sich somit optimal einsetzen im
Rahmen eines arteriellen venösen Gefäßscreenings. Die
Meßvorrichtung läßt sich kompakt und kostensparend im
handlichen Gerät realisieren, das sehr einfach zu be
dienen ist und dem Arzt reproduzierbare und hämodynani
sche Funktionsparameter nichtinvasiv liefert.
Claims (7)
1. Einrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der Blut
volumenänderungen in menschlichen Gefäßen durch Messung
der Änderung der Lichtreflexion oder Lichttransmission
im Gewebe, die einen Sensor mit mindestens einem Licht
sender-/Lichtempfänger-Paar sowie eine Auswerte- und
Ausgabeschaltung aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine analoge Regelschleife vorgesehen ist, die den Sendestrom auf einen vorgebba ren Kalibrierwert einstellt, und
daß wahlweise die arteriellen und venösen Blutvolumen schwankungen getrennt ausgewertet und registriert wer den.
daß eine analoge Regelschleife vorgesehen ist, die den Sendestrom auf einen vorgebba ren Kalibrierwert einstellt, und
daß wahlweise die arteriellen und venösen Blutvolumen schwankungen getrennt ausgewertet und registriert wer den.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mehrere Licht
sender-/Lichtempfänger-Paare aufweist, die derart
angeordnet sind, daß Blutvolumenänderungen getrennt für
Mikro- und Makrozirkulationsgebiet registriert werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Regelschleife
einen Integrator und ein Sample- und Hold-Glied auf
weist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der
Sendestromregelung durch Einstellung der Zeitkonstante
in dem Integrator (7) wählbar ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß Hoch- und Tießfpaßfilter
vorgesehen sind, und daß die Grenzfrequenzen einzelner
Filter innerhalb der Regelschleife derart gewählt sind,
daß der arterielle Blutvolumenpuls formgetreu regis
triert werden kann.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Ausgabe
einheit mehrkanalig für gleichzeitige Registrierungen
in verschiedenen Körpergebieten ausgeführt ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich oder anstelle
eines analogen Datenausgangsanschluß eine digitale
Schnittstelle vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924212498 DE4212498A1 (de) | 1992-04-14 | 1992-04-14 | Einrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der Blutvolumenänderung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924212498 DE4212498A1 (de) | 1992-04-14 | 1992-04-14 | Einrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der Blutvolumenänderung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4212498A1 true DE4212498A1 (de) | 1993-10-21 |
Family
ID=6456810
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924212498 Withdrawn DE4212498A1 (de) | 1992-04-14 | 1992-04-14 | Einrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der Blutvolumenänderung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4212498A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4415896A1 (de) * | 1994-05-05 | 1995-11-09 | Boehringer Mannheim Gmbh | Analysesystem zur Überwachung der Konzentration eines Analyten im Blut eines Patienten |
-
1992
- 1992-04-14 DE DE19924212498 patent/DE4212498A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4415896A1 (de) * | 1994-05-05 | 1995-11-09 | Boehringer Mannheim Gmbh | Analysesystem zur Überwachung der Konzentration eines Analyten im Blut eines Patienten |
US5507288A (en) * | 1994-05-05 | 1996-04-16 | Boehringer Mannheim Gmbh | Analytical system for monitoring a substance to be analyzed in patient-blood |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8141 | Disposal/no request for examination |