DD149157A1 - Vorrichtung zur automatischen bestimmung der sauerstoffsaettigung des blutes in vivo - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer leicht bedienbaren, den zu untersuchenden Patienten (Saeugling) koerperlich nicht belastenden, genau messenden Vorrichtung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine am Ohr anbringbare, fotometrisch durch Transmission messende Vorrichtung so aufzubauen, dasz sich eine gute Meszgenauigkeit ergibt. Erfindungsgemaesz ist am Ohrabfuehler mit Lichtquellengehaeuse 2 und Lichtfuehlergehaeuse 1 eine Druckkammer 4 aus elastischem Material angeordnet, an der eine Eingriffseinheit B liegt, die mit einer Steuerschaltung V1 und einer Arithmetikschaltung H verbunden ist. Mit der Erfindung werden Messungen ermoeglicht, die von dem jeweiligen Ohrgewebe unabhaengig sind.

Description

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Vorrichtung zur automatischen Bestimmung der Sauerstoff-Sättigung von Blut in vivo

foiwcndungsgeba'et. der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Bestimmung der Sauerstoffsättigung von Blut in vivo.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:.

Es ist bekannt, daß der Wert der SauerstoffSättigung des Blutes sowohl bei Erwachsenen als auch bei Säuglingen für diagnostische Zwecke ein wichtiges Merkmal darstellt. Die Bestimmung der SauerstoffSättigung kann sowohl in vitro als auch in vivo durchgeführt v/erden, wobei das Blut entweder unmittelbar geprüft und gemessen oder mit Hilfe eines an der Körperoberfläche angelegten Fühlers gemessen wird. Beide Verfahren gehören zur sogenannten klinischen Oxymetrie, wie die allgemeine Bezeichnung für die

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photometrische Untersuchung der SauerstoffSättigung des Blutes lautet. Zu diesem Gebiet gehören auch die sogenannten Farbendilutionsuntersuchungen, die zur Bestimmung der Parameter des Kreislaufes dienen.

Eine Messung "in vitro" liefert einen genaueren V/ert. Ihr Nachteil besteht jedoch darin, daß die Abnahme des für die Messung benötigten arteriellen Blutes, insbesondere bei Säuglingen, eine starke Belastung des Körpers darstellt, und eine sorgfältige Vorbereitung erfordert, wobei eine kontinuierliche Beobachtung des gemessenen Blutparameters nicht möglich ist.

Aus diesem Grunde wurde bereits versucht, eine die Genauigkeit des in vitro messenden Meßgerätes annähernd erreichende !Vorrichtung zu entwickeln,die es ermöglicht, bei minimalem Bedienungsaufv/and eine kontinuierliche Überwachung des gemessenen Parameters vorzunehmen. Es wurden mehrere in der Praxis gut bewährte Vorrichtungen entwickelt. Ein gemeinsames Merkmal dieser Vorrichtungen besteht darin, daß sie einen fotometrischon, auf das Ohr auflegbaren, durch Transmission messenden Abfühler aufweisen. Das Ohr iöt nämlich besonders gut zur Durchführung von oxymetrißchen Messungen geeignet, weil es eine, seine organische Bedürfnisse überschreitende Blutmenge enthält und ist außerdem anatomisch zu diesem Zwecke am besten ausgebildet.

Bei den bekannten Vorrichtungen sind zwei Varianten zu unterscheiden, die sich in dem Prinzip von einander unterscheiden nach dem Einwirken des für die Messung als Störfaktor geltenden Ohrgewebes eliminiert wird.

Bei der einen Variante wird nach den klassischen Vorschriften der photometrischen Meßtechnik verfahren. Eine prinzipielle Ausbildung des Ohrabfühlers ist in Fig. 1 darge-

stellt. Das Blut kann aus dem °hrgewebe mit Hilfe eines Lichtquellengehäuses 2, das axial durch eine Spindel 3 bewegbar ist, ausgepreßt werden, wobei das Lichtquellengehäuse 2 mit einem ein lichtabführendes Organ enthaltendem Gehäuse 1 das Ohrgewebe umgibt. Das blutlose Ohrgewebe dient zur Darstellung des Referenz-Zustande⁴. In diesem Zustand wird im Fall de3 mit Blut gefüllten Ohrgewebes das Ausgangssignal gemessen. Aus dem Ausgangssignal kann mittels einer aufarbeitenden Einheit die Sauerstoffsättigung des Blutes bzw. die jeweilige Konzentration der in das Blut eingetragenen Farbe bestimmt werden. Dieses Meßverfahren weist aber, infolge der manuellen Einstellung, zwei Fehlerquellen auf, da man weder den Grad der Zusammenpressung des Ohrgewebes noch den Grad der Lockerung des Lichtquellengehäuses Z bestimmen kann, und zwar deshalb, wie die Erfahrung lehrt, weil e3 bei einer in vivo Messung zweckdienlicher ist, anstatt paralleler Lichtbündel das zu messende Muster mit gestreutem Licht zu durchleuchten.

Bei der anderen Variante der oxyrnetrisehen Ließvorrichtungen (beispielsweise bei einer Vorrichtung der Firma Hewlett-Packard), können die Backen eines Abfühlers nicht bewegt werden. Auch ist es nicht erforderlich, das Ohr zusammenzupressen. Mit Hilfe dieses Gerätes kann die Messung auf acht Wellenlängen durchgeführt werden. Der Wert der Sauerstoffsättigung wird von den Signalen der einzelnen I.Ießkanäle nach einem empirischen Zusammenhang bestimmt. Der Zusammenhang bzw. die darin enthaltene Konstante werden durch Auswertung von an einigen hundert Untersuchungspersonen durchgeführten Messungen bestimmt. Der Nachteil dieser Methode liegt auf der Hand. DaB menschliche Organ, je nach den einzelnen Typen, ist sehr unterschiedlich aufgebaut, so daß infolge dieser Unterschiede der empirische Zusammenhang nicht von allgemeiner Gültigkeit ist. Außerdem wirkt sich die Streuung der Parameter der einzelnen zur Verfügung ,stehenden optischen und optoelektronischen Meßgeräte

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aus. Eine geeignete Auswahl der Geräte erhöht andererseits die Herstellungskosten der Vorrichtung.

Ziel der Erfindung:

Mit der Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Geräte beseitigt werden.

Darlegung de3 Y/esens der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine nach dem Prinzip der klassischen Fotometrie arbeitende Vorrichtung, mit der gut defi« nierte Meßverhältnisse geschaffen werden können und zwar durch ein Zusammenpressen des 0hre3, bzw. durch ein Lockern der Preßbacken, wobei man die individuellen Nachteile eliminieren kann. Ein großer Vorteil liegt darin, daß das Gerät unter einem verhältnismäßig niedrigen Kostenaufwand hergestellt v/erden kann.

Die Vorrichtung ist derart aufgebaut, daß in einem Abfühler,der am Ohr festgeklemmt wird, eine Lichtquelle oder ein Iichtabfühlende3 Organ vorgesehen ist, das eine elastische Luftkammer umfaßt. An die Luftkammer ist der Ausgang einer Eingriffseinheit angeschlossen, wobei der Eingang der letzteren mit einem Ausgang einer Steuereinheit verbunden ist. Der andere Ausgang der Steuereinheit liegt an dem einen Eingang einer Arithmetikschaltung. Die Ausgänge des Ohrabfühlers sind mit den v/eiteren Eingängen der Arithmetikschaltung verbunden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist am Gehäuse der Lichtquelle oder des lichtabfühlenden Organs eine Schraubenspindel angebracht, mit der eine axiale Bewegung des Gehäuses ermöglicht wird. Dies kann auch mit Hilfe eines Schneckengetriebes und eines Motors erfolgen.

Die Vorrichtung kann weiterhin derart ausgebildet werden, daß an irgendeinem Kanalausgang des Ohrabfühlers der Eingang einer Analysierschaltung 'an deren Ausgang der Eingang der Steuereinheit angeschlossen ist.

Ein Ausgang der Steuereinheit ist mit dem Eingang der Arithmetikschaltung, ein anderer Ausgang mit einem Anzeigegerät verbunden.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß mit einem beliebigen Kanalausgang des Ohrabfühlers der Eingang der Analysierschaltung verbunden ist, während an den Ausgang der Analysierschaltung der Eingang der Steuereinheit und an den dritten Eingang der Steuereinheit das Anzeigegerät angeschlossen ist.

Ausführungsbeispiele:

Das Wesen der Erfindung wird anhand von Ausführungsbeiepielen nachfolgend näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen herkömmlichen Ohrabfühler, Pig. 2: eiiien erfindungsgemäßen Ohrabfühler,

Pig. 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ohrabfühlers,

Pig. 4: ein drittes Ausführungsbeispiel,

Pig. 5: das Schema der die automatische Messung durchführenden Schaltungsanordnung,

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Pig. 6: Diagramme zur Veranschaulichung der optischen Densitätsänderung, die auftritt, wenn nach dem Zucammendrücken des Ohres und dem Aufheben des Druckes das Blut allmählich zurückströmt,

Pig· 7, je ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen 8 und 3: Schaltungsanordnung, die in die Vorrichtung eingebaut ist.

Der Aufbau und die Punktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung v/erden anhand des Ohrabfühlers E2 (Pig. 2) und des Schaltbildes (Pig. 5) erläutert.

Der Pühler.E2 weicht insofern von einem herkömmlichen Ohrabfühler ab, als am Lichtquellengehäuse 2 eine zweckmäßig: aus elastischem Material bestehende, mit Rippen versehene und an eine Eingriffseinheit 8 angeschlossene Luftkammer 4 angeordnet ist. Y/enn eine Messung vorgenommen werden soll, v/ird durch die Steuereinheit V1, die im gegebenen PalIc eine pneumatische Einheit ist, die Eingriffseinheit B veranlaßt, die Luftkammer 4 unter Druck zu setzen. Unter der Einwirkung des Druckes bewegt sich das Lichtquellengehäuse 2 axial und preßt das Blut aus dem Ohre heraus. Nachfolgend werden, durch den Befehl der Steuereinheit V1, mittels der Arithmetikschaltung H die Ausgangsseichen der I.Ießkanäle des Ohrabfühlers E2 abgefühlt, und die so erhaltenen Muster-Signale werden für die V/eiterverarbeitung in der Arithmetikschaltung H gespeichert. Sodann hört der Druck der Luftkammer 4, unter Einwirkung des Eingriffsorgans B, auf.

Die Sauerstoffsättigung bzw. die Konzentration der im Blut enthaltenen Parbe werden durch die Arithmetikschaltung H aus den die optische Densität des zusammengedrückten Ohrgewebes charakterisierenden, gespeicherten Signalen und aus den das Blut enthaltende Ohrgewebe charakterisierenden Signalen - bestimmt. Im Fall eines voreingestellten

Luftdruckes bleibt das Maß der Zusammenpressung dea Ohrgewebes stets konstant. Die Genauigkeit und die Reproduzierfähigkeit der Vorrichtung'v/erden somit bedeutend verbessert.

Der Ohrabfühler Ej| nach F'.I.g, 3 v/eicht von dem vorher beschriebenen Fühler E2 darin ab, daß das Gehäuse 1 des lichtabf;ühlenden Organs mittels der Schraubspindel 3 axial bewegbar ist, damit die optimalen Meßbedingungen auch bei Ohrgeweben mit voneinander abweichender Dicke gesichert werden.

Ein weiterer Ohrabfühler ist in Fig. 4 dargestellt. Die axiale Bewegung des Lichtquellengehäuses 2 erfolgt hierbei mit Hilfe- eines Motors 5 und eines Schneckengetriebes 6. Das Einstellen des Grades der Zusammenpressung des Ohrgewebes kann z.B. durch eine Herabsetzung des Speisestromes des Motors, durch eine mechanische Lösung oder dgl. gelöst werden. Die konkrete Ausbildung dieses Mechanismus ist nicht Gegenstand der Erfindung. Das Eingriffsorgan 3 wird in diesem Falle grundsätzlich aus elektrischen Mitteln aufgebaut. Die bisher beschriebenen (Fig. 1 bis 5) Lösungen sind geeignet, die Meßgenauigkeit, bzw. die Reproduzierbarkeit aufgrund einer gleichmäßigen Zusammenpressung des Ohrgewebes zu erhöhen. Eine andere Möglichkeit hierfür besteht darin, den Ohrabfühler offen zu lassen, unter der Voraussetzung, daß v/ährend des Meßverfahrens die Lücke zwischen der Oberfläche, des Ohres und der Stirnfläche des Lichtquellengohäuses 2 bzw, des Gehäuses des lichtabfühlenden Organs 1 genau definiert v/erden kann.

Zu diesem Zwecke soll anhand der Fig. 6 die optische Denßitatsanderung "d", die nach dem Aufhören dem Zusammenpressen des Ohrgewebes auftritt, näher betrachtet v/erden.

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Hebt man die- Zusammenpressung des Ohrgewebes auf, und zwar kontinuierlich vom Zeitpunkt t an, so ergibt sich im Zeitpunkt t? in der Nähe des systolischen Blutdruckes eine kurzdauernde Blutströmung, dessen Wert sich zu den Zeitpunkten tp , tf ... t~; -, erhöht. Wenn das Zusammenpressen des Ohres vollständig aufgehört hat, erreicht man in dem diastolischen Zeitmoment t^ .. einen Entfernungsv/ert, bei dem das Ohrgewebe mit Blut voll ist, der sich auch bei einer γ/eiteren Lockerung bzw. Lösung des Fühlers (Zeitpunkt t^) nicht mehr ändert. Die in einem beliebigen Kanal de3 Ohrabfühlers meßbaren optischen Densitären stimmen zu den Zeitpunkten t -, und t^ miteinander überein. Sie setzen sich aus einem Grundwert (D _Ί , D) und einer vom Takt der

Xi^-" Λ. Xl

Pulswelle abhängigen, also veränderlichen, Komponente (d , , d ) zusammen. Mit Hilfe einer geeigneten Analysierschaltung kann aus dem Signal des Ohrabfühlers der Zeitpunkt t bestimmt werden, bei dem die Gleichung D , = D bzw. d^j = d_n erfüllt ist.

Eine weitere Erweiterung der Lücke zwischen dem Gehäuse des lichtabfühlenden Organs 1 und dem Lichtquellengehäuse 2 ist nicht erforderlich bzw. unvorteilhaft, weil dabei nur die Fehlermöglichkeit (z.B. der Einfall gestreuten Lichtes) vergrößert werden würde.

Der Wert im Zeitpunkt t^ kann daher als das optimale Maß der Lockerung betrachtet werden, der bei jeder Messung eindeutig bestimmt werden kann.

Unter Anwendung der oben beschriebenen Erwägungen wurde die Vorrichtung nach Fig. 1 und 7 aufgebaut.

Durch die Steuereinheit V2 wird die Arithmetikschaltung H bei geschlossenem Ohrabfühler in den Zustand "Musterentnahme und Speicherung" gebracht. Nachdem der Ohrabfühler E1 durch Betätigung von Hand ausgelöst wurde, wird durch

die Analysierschaltung A,.die an einen Kanal des Abfühlers angeschlossen ist, der Zeitpunkt t der optimal erreichbaren Entfernung bestimmt, beispielsweise indem die Analysierschaltung A die in den folgenden Pulswellen - bei den systolischen und/oder diastolischen Punkten - die optischen Densitätswerte miteinander vergleicht**

Im Zeitpunkt t^r liefert sie dann ein Signal an die Steuereinheit V2, wodurch einerseits die Arithmetikschaltung H zum Beginn der Messung angelassen wird und andererseits an einer sichtbaren Stelle der Vorrichtung eine Anzeige "STOP" zum Aufleuchten gebracht wird, die das v/eitere Lockern der Preßbacken verbietet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird anhand der Fig. 3 und 8 erläutert. Der Anfangszustand ist hierbei der offene (gelöste) Zustand der Preßbacken des Ohrabfühlers E3. Wird mit Hilfe der Schraubenspindel 3 das Gehäuse 1 des lichtfühlcnden Organs axial bewegt, läuft der Vorgang nach Fig. 6 in umgekehrter Reihenfolge ab. Die Blutversorgung des Ohrgev/ebes ist bis zum Zeitpunkt t _Ί ungestört und ist im Zeitpunkt t ₀

Xl *"X Xl *"* £~

schlechter vom Gesichtspunkt der Messung aus jedoch bedeutend erschwert.

Als optimale Strecke kann hierbei die Strecke bezeichnet werden, die im Zeitmoment t ρ besteht; in diesem Augenblick müssen aber die Preßbacken gelöst werden.

Der Zeitpunkt t 2 wird durch die an einen beliebigen Ausgangskanal des Ohrabfühlers E3 angeschlosserie Analysierschaltung A bestimmt, und zwar derart, daß diese in den systolischen und/oder diastolischen Punkten der aufeinander folgenden Pulswellen die Werte der optischen Densitäten bestimmt und vergleicht. .Im Zeitpunkt t ₂ wird von der Analysierschaltung A an die Steuereinheit V3 ein

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Signal geliefert, wodurch z.B. auf der Frontplatte eine STOP-Anzeige aufleuchtet. Anschließend werden durch die Steuereinheit V3 die Eingriffseinheit B und die Arithmetikschaltung H angelassen.

Durch die Eingriffseinheit B wird die Luftkammer 4 unter Druck gesetzt und durch die Arithmetikschaltung H, jedoch erst nachdem das Ohrgewebe zusammengepreßt war, werden die Musterentnahme und die Speicherung ausgelöst. Nachdem dieser Vorgang abgelaufen ist, wird durch die Steuereinheit V3 der Druck der Luftkammer normalisiert. Das Lichtquellengehäuse 2 nimmt die ursprünglich eingestellte, optimale Entfernung ein und der .Meßvorgang beginnt.

Eine v/eitere Ausführungsform wird anhand der Fig. 2, 3 und 9 erläutert. Der Ausgangszustand ist durch die offene Stellung des Ohrabfühlers E2 bzw. E3 gekennzeichnet. Bei Aufnahme der Messung wird durch die Steuereinheit V4 die Eingriffseinheit B so beeinflußt, daß die Luftkammer 4 unter Druck gesetzt wird. Nach dem Zusammenpressen des Ohrgewebes bewirkt die Arithmetik schal tung H die I.'usterentnahme und die Speicherung. Danach wird der Druck der Luftkammer 4 mit Hilfe der Steuereinheit V4 und der Eingriffseinheit B allmählich herabgesetzt.

Inzwischen beobachtet die an einen beliebigen Pvanal des Ohrabfühlers E2 bzw. E3 angeschlossene Analysierschaltung A die Änderung der optischen Densität. Damit wird, wie oben ausgeführt, der Zeitpunkt t der erfolgten optimalen Entfernung bestimmt. In diesem Augenblick erhält die Steuereinheit V4 ein Signal, wodurch über die Eingriffseinheit B der Druck der Luftkammer nicht weiter herabgesetzt wird. Infolge der Konstanthaltung des erreichten Druckes wird auch die optimale Entfernung behalten. Anstatt der Ohrab-r fühler E2 bzw. E3 kann auch ein Ohrabfühler E4 verwendet werden. In diesem Fall wird das Eingriffsorgan grundsätzlich aus elektrischen Bauelementen aufgebaut.

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Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Ohrabfühler E1, E2, E3 bzw. E4 nicht mit einem lichtabfühlenden Organ und einer Lichtquellepnit einer Glasfadenoptik auszustatten. In diesem Pail wird als Lichtquelle die Stirnfläche des das Licht zu dem Ohrabfühler leitenden Glasfadens und als lichtabfühlendes Organ die Stirnfläche des Glasfadens verwendet bzw. betrachtet, der das durch das Ohrgewebe hindurchtretende Licht₄zurückleitet.

Claims (6)

Erfindungsanspruch.; 219246

1. Vorrichtung zur automatischen Bestimmung der Sauerstoffsättigung oder der Parbkonzentration des Blutes in vivo, in der ein fotometrischer, durch Transmission messender Ohrabfühler vorgesehen ist, gekenn-

ftn «ice

zeichnet dadurch, daß^an einem Lichtquellengehäuse (2) . oder Gehäuse (1) eines lichtabfühlenden Organs angeordnete, aus elastischem Material bestehende Luftkammer (4) eine Eingriffseinheit (B) mit ihrem Ausgang angeschlossen ist, daß am Eingang der Eingriffseinheit (B) der erste Ausgang einer Steuerschaltung (V1) liegt, deren zweiter Aus_gang an einen Eingang einer Arithmetiksehaltung (H) angeschlossen ist und daß die Ausgänge des Ohrabfühlers (E2) mit v/eiteren Eingängen der Arithmetiksehaltung (H) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß am Lichtquellengehäuse (2) oder am Gehäuse des lichtabfühlenden Organs des Ohrabfühlers (E3) eine axial wirkende Schraubenspindel (3) befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß am Lichtquellengehäuse (2) oder am Gehäuse (1) des lichtabfühlenden Organs ein aus einem Motor (5) und einem Schneckengetriebe (6) bestehender Antrieb vorgesehen ist.

4« Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß an einen beliebigen Kanal des Ohrabfühlers (E1) der Eingang einer Analysierschaltung (A) und an deren Ausgang der' Eingang einer Steuereinheit (V2) angeschlossen ist, wobei einer der Ausgänge der Steuereinheit (V2) am Eingang einer Arithmetikschaltung (H) und ein anderer Ausgang der Steuereinheit (V2) am Eingang eines Anzeigegerätes liegt.

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5« Vorrichtung nach Punkt 1 und 2., gekennzeichnet dadurch, daß an einen beliebigen Kanalausgang des Ohrabfühlers (E3) der Eingang einer Analysierschaltung (A) angeschlossen ist, v/obei am Ausgang der Analysierschaltung (A) ein Eingang einer Steuereinheit (V3) und am dritten . Ausgang des letzteren der Eingang des Anzeigegerätes liegt·. .

6. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 3> gekennzeichnet dadurch, daß an einen beliebigen Kanalausgang des Ohrabfühlers (E2; E3; E4) ein Eingang der Analysierschaltung (A) und an den Ausgang der letzteren der Eingang einer Steuereinheit (V4) angeschlossen ist.

Hierzu JLSeiten Zeichnungen