DE4212498A1 - Einrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der Blutvolumenänderung - Google Patents

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 U_c 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 U_c 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.

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.