2. Beschreibung von verwandtem
Stand der Technik
Die
Menschen erfreuen sich heutzutage an einer delikateren und wohlschmeckenderen
Nahrung, ermangeln aber an ausreichender Bewegung, so daß Faktoren
kardiovaskulärer
Erkrankungen angestiegen sind. Obwohl biotechnische und medizinische
Fortschritte das Leben der Menschen verlängert haben, werden die Funktionen
des kardiovaskulären
Systems der Menschen schwächer
mit steigendem Alter. Somit sind in den vergangenen Jahren kardiovaskuläre Erkrankungen
für die
Gesundheit der Menschen eine große Bedrohung geworden.
In
Bezug auf die medizinische Ausrüstung
erfolgt die Herzdiagnose hauptsächlich
in der Verwendung eines Kardiographen. Der Kardiograph zeichnet
die elektrischen Übertragungsprozesse
der Herzmuskeln, während
der rhythmischen Systole auf, und druckt die Ergebnisse in einem
Elektrokardiogramm aus, aufgrund dessen der Arzt beurteilen kann,
ob die Herzfunktion normal ist oder nicht. Auf der anderen Seite
ist ein Sauerstoffmesser ein höchst
allgemein verwendetes Mittel, um die Puls-Sauerstoffsättigung
(SPO2) zu bewerten, wodurch die Blutzirkulation und die Sauerstoffversorgungssituation
im Blut abgeschätzt
werden kann, welche auch ein wichtiger Indikator ist für den Gehalt
an Sauerstoff für
den Transport und den Metabolismus im Gehirngewebe. Zusätzlich werden
aus der Analyse der Druckpulse zwei weitere Indikatoren erhalten,
nämlich
der Steifigkeitsindex (SI) der großen Arterie und der vaskuläre Reflektionsindex
(RI), um den Alterungsgrad der Blutgefäße und die Elastizitätsfunktion
der Blutgefäße abzuschätzen. Das Übereinbringen
von Druckpulsen mit den ECG-Signalen ermöglicht die Gewinnung der Pulswellengeschwindigkeit
(PWV), um das Verhältnis von
Blutgefäßen und
Blutströmung
in Erfahrung zu bringen.
Der
klinische Arzt verwendet normalerweise einen Kardiographen mit mindestens
drei Eektroden, um eine Mehrfachleitermessung aufzuzeichnen und
detailliertere elektrokardiographische Signalübertragungsdaten zu erhalten.
Von der ECG-Signalmessung
mit zwei Elektroden kann jedoch ein einfaches Vektor-ECG-Signal gewonnen werden.
Bezüglich des
Druckpulses wird mit Bezug auf 1 das
Verhältnis
von Puls und Blutgefäßen dargestellt,
wobei die Pulskurvenform des Fingers in zwei Teile unterteilt werden
kann. Der erste Teil ist durch den Puls verursacht, der entlang
der Aorta direkt zum Finger übermittelt
wird, während
der zweite Teil von dem Puls verursacht wird, der zum Unterkörper übermittelt
und dann zurück
zur Aorta und die subclaviale Arterie zum Finger reflektiert wird.
Die Zeitverzögerung
zwischen der ersten und der zweiten Spitze des Pulses ist hauptsächlich durch
die Übertragungszeit
des Pulses vor und zurück
entlang der subclavialen Arterie bestimmt. Die Übertragungszeit ist direkt
proportional zur Höhe
der Person und in Relation zur Elastizität der Blutgefäße. Je elastischer
die Blutgefäße sind,
um so besser ist das Vermögen
der Blutgefäße, die
Blutpulse zu absorbieren derart, daß die Ubertragungszeit des
reflektierten Pulses länger
und die Pulsgeschwindigkeit niedriger ist. Daher kann von dem Druckpuls
auf die Nachgiebigkeitsbedingungen der Blutgefäße geschlossen werden.
Zur
Zeit existieren zwei Hauptwege, um die Pulswellenform zu detektieren:
Die eine ist über
den Druck; die andere ist über
optische Mittel. Die Druckmethode ist ähnlich der Blutdruckmessung,
d.h. es wird eine Manschette um einen zu prüfenden Teil der Person herum
gelegt und nach dem Aufpumpen der Manschette der zu messende Teil
unter Druck gesetzt. Danach werden die Änderungen des Pulses mit Hilfe
eines Drucksensors gemessen, wie etwa in
US 6,802,814 ; 6,758,819 und 6,758,820
für Colin
Medical Tech. Corp. beschrieben. Das Unternehmenser zeugnis VP-1000/2000
verwendet ebenfalls die Druckmethode, um das Verhältnis vom
Blutdruck am Knöchel
zum Oberarm und damit die Pulswellengeschwindigkeit (PWV) zu messen.
Die
optische Methode macht hauptsächlich
Gebrauch von Lichtcharakteristiken, wie der Reflektion, der Absorption,
Transmission usw.. Wird z.B. Infrarotlicht genommen, absorbiert
sauerstoffreiches Blut einen größeren Anteil
von Infrarotlicht als sauerstoffarmes Blut. Ist das Herz systolisch,
ist der Anteil des sauerstoffreichen Blutes mit größerer Bewegungsgeschwindigkeit
in der Arterie größer, so
daß das
Blut mehr Infrarotlicht absorbiert. Die Situation ist gegenteilig,
wenn das Herz diastolisch arbeitet. Diese Art der optischen Messung verwendet
Licht, um einen Körper
zu beleuchten, das Licht von den Blutgefäßen zu empfangen und die optischen
Signale aufzuzeichnen im Hinblick auf Zeit und Gewebeveränderungen.
Diese Methode wird als Photoplethysmographie (PPG) bezeichnet. Die
PPG bezieht sich nicht nur auf die Sauerstoffkonzentration im Blut, sondern
antwortet auch auf Änderungen
des Pulses und wird ferner verwendet zur Berechnung von SI, RI, PWV
und SPO2. Die US-Veröffentlichtung
2004/0015091 z.B. offenbart die Verwendung einer optischen Sonde,
um PPG zu gewinnen.
Eine
PPG-bezogene Ausrüstung
zur Detektierung der Druckpulswellenform ist auf dem Markt, um relevante
Parameter von Gefäßfunktionen
zu berechnen. Z.B. hat Micro Medical (U.S.) ein Instrument publiziert „Pulsmessung
PCA (PT2000)" zur
Druckpulsmessung mit einer optischen Sonde und Zurverfügungstellung
eines SI Wertes; das gleiche Unternehmen hat ein Instrument publiziert. „Pulsmessung
PWV (PT400)", das gleichzeitig
drei Elektroden verwendet und eine Doppler-Sonde zur Bestimmung des Elektrokardiogramms und
eines Druckpulses von Patienten, um PWV zu berechnen.
Die
oben erwähnten
Parameter, wie SI, RI, PWV und SPO2 usw., sind hilfreich, um die
kardiovaskulären
Systembedingungen eines Patienten abzuschätzen und werden häufig in
der klinischen Diagnostik verwendet. Basierend auf verschiedenen
Meßprinzipien
müssen
konventionelle Geräte
unterschiedliche Sensorelemente verwenden, um separat ECG-Signale,
Puls-Sauerstoffsättigung
und Druckpulse zu gewinnen, wodurch zur Gewinnung von kardiovaskulären Indikatoren
und Parametern mehrere verschiedene Meßinstrumente benutzt werden
müssen,
was zeitraubend und unbequem ist.
Um
die im Stand der Technik bestehenden Probleme zu lösen und
wirksam und einfach kardiovaskuläre
Parameter zu gewinnen, integriert die vorliegende Erfindung das
optische Meßprinzip
und das elektrische Meßprinzip,
um ein integriertes Meßinstrument
zu gestalten mit einer Sensorschnittstelle, die Sensorelektroden
mit einer optischen Sonde kombiniert derart, daß das Instrument in der Lage
ist, gleichzeitig ECG-Signale und PPG-Signale zu gewinnen, und die
Sauerstoffkonzentration im Blut und durch eine Anwendung eines Algorithmus
und einer Analyse der Signale alle kardiovaskulären Parameter zu gewinnen.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine integrierte Vorrichtung
zur Gewinnung physiologischer Signale vorzusehen mit einer integrierten
Sensorschnittstelle für
eine optische und elektrische Messung, um gleichzeitig ECG-Signale und PPG-Signale
für ein
Elektrokardiogramm zu gewinnen sowie Druckpulswellenform und Puls-Sauerstoffsättigung.
Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Anordnung
vorzusehen, die in der Lage ist, Parameter bezüglich kardiovaskulärer Funktionen
zu bewerten durch Analyse und Berechnung der ECG-Signale und der
PPG-Signale.
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorschnittstelle
zu schaffen, die die ECG-Signalerfassungstechnologie und das optische
Meßprinzip
integriert, um eine Vielzahl physiologischer Signale zu gewinnen,
wie ECG-Signale,
Druckpulswellenformen und Puls-Sauerstoffsättigung.
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zu schaffen mit einer Sensorschnittstelle zum Messen und Analysieren
kardiovaskulärer
Parameter. Mit der Vorrichtung werden nicht nur ECG-Signale erhalten,
sondern gleichzeitig Druckpulse und Puls-Sauerstoffsättigung
aufgezeichnet, und es werden ferner durch Berechnung und Analyse
kardiovaskuläre
Parameter gewonnen, wie Herzfrequenz, ST-Segment, QRS-Intervall,
Puls-Sauerstoffsättigung,
Steifigkeitsindex, Reflexionsindex, Pulsgeschwindigkeit usw..
Um
diese Ziele zu erreichen, basiert die vorliegende Erfindung auf
einer Doppel-Elektroden-ECG-Signalmeßtechnologie,
um sie erfinderisch mit einer optischen Messung physiologischer
Signale zu kombinieren, um eine Schnittstelle zu bilden zur gleichzeitigen
Gewinnung von ECG-Signalen und PPG-Signalen als Basis für die Berechnung
und Analyse kardiovaskulärer
Parameter, wodurch herkömmliche
Instrumente und Ausrüstung
vereinfacht werden und dem Benutzer das Anzeigen eigener kardiovaskulärer Bedingungen
erleichtert wird.
Weitere
Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung gehen deutlicher
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, welche
auf beigefügte
Zeichnungen Bezug nimmt.
Zeichnungen
1 ist
eine schematische Ansicht, die das Verhältnis zwischen Druckpulswellenform
und Pulsübertragungsweg
zeigt;
2 ist
eine schematische Ansicht einer Druckpulswellenform;
3 ist
eine schematische Ansicht, die das Verhältnis von Druckpulswellenform
und vaskulärem Steifigkeitsgrad
zeigt;
4 ist
eine schematische Ansicht, die das Verhältnis zwischen Druckpulswellenformen
und ECG-Signalen zeigt;
5 ist
ein Blockdiagramm der Vorrichtung nach der Erfindung;
6A ist
eine schematische Ansicht einer Sensorelektrode nach der vorliegenden
Erfindung;
6B ist
eine schematische Ansicht einer Messung mit der Sensorelektrode;
7 ist
eine andere schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform
einer Sensorelektrodenanordnung;
8 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung und
9 ist
ein Flußdiagramm
eines Algorithmus von Parametern, mit der in der vorliegenden Erfindung operiert
wird.
Eine
integrierte Vorrichtung zur Bestimmung physiologischer Signale,
die nach der vorliegenden Erfindung erstellt ist, verwendet hauptsächlich ein
elektrisches Signalprinzip und ein optisches Signalprinzip und schafft
eine Sensorschnittstelle, welche verschiedene Sensorelemente kombiniert,
um ECG-Signale, Druckpulse und Puls-Sauerstoffsättigung zu gewinnen.
Für das optische
Signalsensorprinzip für
Druckpulse muß auf
das Beer-Lambert'sche-Gesetz hingewiesen
werden. Dieses Gesetz besagt, daß, wenn Licht mit einer bestimmten
Wellenlänge
von einem in einer Flüssigkeit
gelösten
Material absorbiert wird, die Menge des transmittierten Lichts (I)
exponentiell mit dem Produkt der Materialkonzentration und der Transmissionsstrecke
in der Lösung
zurückgeht,
wobei die Formel wie folgt ist:
wobei, ε der Absorptions-Koeffizient
ist.
Wenn
Licht durch das Gewebe, die Haut, die Muskeln, die Knochen und das
Blut hindurchgeht, wird ein bestimmter Anteil von Licht absorbiert.
Der durch die Haut, die Muskeln und die Knochen absorbierte Teil des
Lichtes ist fix, ändert
sich aber mit der Sauerstoffkonzentration im Blut. Aufgrund des
Kreislaufeffektes, d.h. sauerstoffarmes Blut wird mit Luft in den
Lungen ausgetauscht und sauerstoffreicheres Blut wird dann über den
gesamten Körper
transportiert, ist die PPG-Technologie in der Lage, Änderungen
der Sauerstoffkonzentration im Blut aufzuzeichnen. Da ferner die
Sauerstoffkonzentration im Blut sich mit dem Druckpuls ändert, kann
dadurch die Druckpulswellenform von Änderungen der Sauerstoffkonzentration
abgeleitet werden.
Nimmt
man eine Druckpulswellenform aus PPG von einem Finger eines Patienten,
wie in
2 dargestellt, hängt die Zeitverzögerung zwischen
der ersten und der zweiten Spitze von der Übertragungszeit des Pulses
ab, der entlang einer subclavialen Arterie zu dem Unterkörper des
Patienten und von dort zur subclavialen Arterie zurückreflektiert
wird. Wenn man davon ausgeht, daß die Übertragungsdistanz des Pulses
direkt proportional ist der Größe eines
Patienten und die Pulsübertragungszeit
von der Aorta zu den größeren Arterien
mit der Nachgiebigkeit des Blutgefäßes in Beziehung steht, kann
die Steifigkeit der großen
Arterie aus der folgenden Formel abgeschätzt werden:
- SI:
- vaskulärer Steifigkeitsindex;
- ΔTDVP:
- Verzögerungszeit
zwischen zwei Spitzen in der Pulswellenform;
- DVP:
- digitaler Volumenpuls.
Zusätzlich wird
die Differenz in der Höhe
zwischen den beiden Spitzen verwendet, um die Reflexionsintensität des zur
Arterie zurückreflektierten
Blutes abgeschätzt,
nämlich
RI nach der folgenden Formel berechnet:
- a:
- Höhe der zweiten Spitze;
- b:
- Höhe der ersten Spitze.
Die
Werte SI und RI in den Formeln (2) und (3) können durch die Druckpulswellenform
gewonnen werden. Wenn man jedoch PWV gewinnen will, ist es not wendig,
die ECG-Signale damit zu kooperieren. Da PWV zur Abschätzung der
Geschwindigkeit des Pulses verwendet wird, der vom Herz verursacht
und der durch die Blutgefäße zu den
Händen
und Beinen transportiert wird, bedeutet dies, daß PWV um so größer ist,
je steifer das Blutgefäß ist. Daher
ist PWV signifikant auf SI bezogen. Wenn unter Bezugnahme auf 3 ein
Blutgefäß so steif
wie Keramik ist, kann der Puls nicht leicht vom Blutgefäß absorbiert
werden, so daß die
Geschwindigkeit des Pulses größer ist.
Ist auf der anderen Seite das Blutgefäß nachgiebig wie Gummi, kann
der Puls durch die Wand des Gefäßes absorbiert
werden, wodurch die Geschwindigkeit des Pulses niedriger ist. Forschungsberichte
zeigen, daß PWV
stark auf kardiovaskuläre
Erkrankungen bezogen ist, wobei die Wahrscheinlichkeit, daß ein Patient
an einer Koronar-Arterienerkrankung leidet um so größer ist,
je größer der
Wert für
PWV ist.
Die
Berechnung für
PWV ist unter Bezugnahme auf
4 folgende:
- D:
- Pulsübertragungsdistanz;
- PTT:
- Pulsübertragungszeit.
Wie
in 4 gezeigt, ist für die Berechnung von PWV erforderlich,
mit ECG-Signalen
zu kombinieren, um zu wissen, wo das Blut beginnt, aus dem Herzen
transferiert zu werden. In ECG-Signalen ist die „R"-Welle leichter zu detektieren, daher
wird das R-Wellensignal allgemein als Markierung für die Startzeit
verwendet.
Obwohl
Licht einer einzigen Wellenlänge
in der Lage ist, ein PPG zu gewinnen, um die Änderung des Druckpulses zu
kennen, ist es notwendig, Lichtquellen mit zwei unterschiedlichen
Wellenlängen
zu verwenden, um zwei PPG zu gewinnen zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung
(SPO2), welche ein wichtiger Parameter für die Kreislauffunktionen ist.
Wenn eine Person einatmet, tritt Sauerstoff von außen in den
Körper
der Person in die Luftröhre
ein, wonach es zum Lungen-Alveolus transportiert wird zum Austausch
mit Blut. Von da wird es über
den ganzen Körper
transferiert, um die Gewebe zu versorgen. SPO2 wird hauptsächlich verwendet,
um die Konzentration von mit Sauerstoff angereichertem Hämoglobin
zu bestimmen. Da das Blut im Körper
in zwei Typen vorkommt, nämlich
als sauerstoffangereichertes Blut und im sauerstoffentreicherten
Blut, ist es notwendig, zwei Arten von Lichtquellen mit unterschiedlichen
Wellenlängen
zu verwenden, um separat die Konzentration von sauerstoffreichem
Hämoglobin
und die Konzentration von sauerstoffarmem Hämoglobin zu messen und dann
den Prozentsatz des sauerstoffreichen Hämoglobins aus der folgenden
Formel zu bewerten:
- HbO2:
- Konzentration von
sauerstoffreichem Hämoglobin
und
- Hb:
- Konzentration von
sauerstoffarmem Hämoglobin.
Zur
Berechnung der Konzentration von sauerstoffreichem Hämoglobin
und sauerstoffarmem Hämoglobin
ist Formel (1) zu verwenden. Für
eine bequeme Berechnung ist in der Formel(1) eine Variable OD enthalten,
die umgeschrieben wie folgt lautet:
Rotes
Licht und Infrarotlicht, insbesondere um 660 nm und 940 nm, werden
allgemein zur Berechnung von SPO2 verwendet, so daß die Formel
(6) wie folgt ausgedrückt
werden kann:
Somit
ist
Die
Formeln (2) bis (8) dienen zur Berechnung von SI, RI, PWV und SPO2,
wobei im Stand der Technik die verschiedenen Parameter mit verschiedenen
Vorrichtungen und verschiedenen Ausführungen von Sensorvorrichtungen
ermittelt wurden. Eine integrierte Vorrichtung zur Bestimmung physiologischer
Signale nach der vorliegenden Erfindung entwickelt eine Schnittstelle,
bei der eine Doppel-Elektrode zur Sensierung des ECG-Signals und
mit einer optischen Sonde zur Ermittlung von ECG-Signalen, eines
Druckpulses und von SPO2 integriert ist, wodurch die medizinische
Ausrüstung
vereinfacht ist und in der Familie verwendet werden kann.
In 5 ist
ein Blockdiagramm einer integrierten Vorrichtung zur Bestimmung
physiologischer Signale nach der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die Vorrich tung enthält
ein Analog-Signalmodul 20, eine Analog/Digitalwandlereinheit 30,
ein Digital-Signalprozessormodul 40 und eine Anzeigeeinheit 50.
Das Sensorschnittstellenmodul 10 enthält zwei Sensorelektroden 12, 12' und ein Sondensatz 16.
Die Sensorelektroden 12, 12' werden zur Messung von ECG Signalen
verwendet, während
der optische Sondensatz 16 mit mindestens einer der Sensorelektroden 12, 12' kombiniert
wird zum Messen des PPG Signals. Die detaillierte Ausführung des
Sensorschnittstellenmoduls 10 wird weiter unten beschrieben.
Das
Analog-Signalprozessormodul 10 ist elektrisch mit dem Sensorschnittstellenmodul 10 verbunden und
wird verwendet zur Bearbeitung der ECG- und PPG Signale, die in
analoger Form vorliegen und am Patienten gemessen werden, um diese
Signale zu verstärken
und zu filtern. Die Analog/Digitalwandlereinheit 30 wird zum Wandeln
der analogen ECG Signale und der analogen PPG Signale in digitale
Signale verwendet, wobei alle analogen Signale durch das Analog-Signalprozessormodul 10 verarbeitet
werden. Diese digitalen Signale werden dann bei dem folgenden Digital-Signalprozessormodul 40 verarbeitet,
wobei verschiedene Arten von Algorithmen zur Anwendung kommen um
ECG Parameter zu erhalten, wie Herzfrequenz, ST Segment, QRS Intervall
usw. und vasculäre
Parameter, wie SI, RI, PWV, SPO2 usw. Die Information dieser Parameter
kann zu einer Anzeige 50 gelenkt werden, wie einem Flüssigkristall-Display
LED usw. Die Vorrichtung kann ferner ein Energieversorgungssystem 60 enthalten,
wie eine elektrische Zelle oder eine externen Energiequelle, wie
eine Netzsteckdose, um Energie für
alle stromkonsumierenden Teile zur Verfügung zu stellen. In der vorliegenden
Erfindung ist das Sensorschnittstellenmodul 10 eine erfinderische
Ausführung
um gleichzeitig zwei verschiedene Arten von Signalen zu erhalten:
ECG Signal und PPG Signal. Da zwei optische Verfahren vorliegen,
nämlich
die Reflexion und die Transmission, um die PPG Signale zu detektieren,
hat der Aufbau des Sensorschnittstellenmoduls 10 unterschiedliche
Verkörperungen.
Weil minde stens zwei Elektroden möglich sind, um ECG Signale
aufzuzeichnen, jedoch nur mindestens eine optische Sonde in der
Lage ist, den Druckpuls und SPO2 aufzuzeichnen, kann die Vorrichtung
entweder einen optischen Sondensatz 16 enthalten, der auf
einer der Sensorelektroden 12, 12' angeordnet ist oder mehr als einen
optischen Sondensatz, der auf beiden Sensorelektroden 12, 12' angeordnet
ist. In der folgenden Ausführungsform
ist nur ein optischer Probensatz 16 auf einer der Sensorelektroden 12, 12' angeordnet.
Bei
der optischen Reflexionsweise, wie in 6 dargestellt,
enthält
das Sensorschnittstellenmodul 10 zwei Sensorelektroden 12, 12' und einen optischen
Sondensatz 16 auf einer der Sensorelektroden 12, 12'. Jede Sensorelektrode 12, 12' hat eine Kontaktfläche 14,
welche die Fläche
eines Patientenkörpers
kontaktiert, um Änderungen
des Stroms aufzuzeichnen, wenn der Herzmuskel des Patienten rhythmisch
kontrahiert, um ECG Signale zu erhalten. Der optische Sondensatz 16 weist
mindestens einen Lichterzeuger 160 auf und mindestens einen
Lichtempfänger 162.
Der Lichterzeuger 160 wird dazu verwendet, Lichtstrahlen
auf die Fläche eines
Patientenkörpers
zu richten, und der Lichtempfänger
wird dazu verwendet, das von dem Gewebe des Körpers reflektierte Licht zu
empfangen, um PPG Signale zu bilden.
In
dieser Weise kann das Sensorschnittstellenmodul 10 in planer
Form ausgeführt
werden, um fest an die Fläche
des Patientenkörpers
angeheftet oder leicht an dem Patienten kontaktiert zu werden. In 6B wird der
Patientenfinger als Testteil als Beispiel verwendet, wobei der Finger 18 auf
die Elektroden 12, 12' gesetzt ist (Sensorelektrode 12' ist in 6B nicht
gezeigt), wobei die Sensorelektroden 12, 12' ECG Signale
empfangen die vom Herz gesendet werden und diese aufzeichnen. Für eine zwölf-Leitungs-ECG
Messung gehören die
Signale von den Fingern beider Hände
zu der ersten Leitung-ECG Signale. Der Lichterzeuger 160 und
der Lichtempfänger 162 sind
beide mit den Sensorelektroden 12, 12' kombiniert,
so daß wenn
die Druckpulse zu wissen nötig
sind, der Lichterzeuger 160 Lichtstrahlen emittiert, z.B.
rotes Licht oder Infrarotlicht zum Finger. Er erhält und zeichnet
den Anteil des reflektierten Lichtes auf, um PPG Signale zu gewinnen,
die auf Veränderungen
in der Konzentration des Sauerstoffs im Blut beruhen. Durch die
folgenden Module werden die erhaltenen PPG Signale verarbeitet und
es werden SI und RI berechnet. Durch Messen der ECG Signale und
der PPG Signale zur gleichen Zeit und deren Kombination kann auch
PPV berechnet werden. Zur Abschätzung der
Konzentration von Sauerstoff im Blut muß der Lichterzeuger 160 zwei
verschiedene Lichttypen mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren,
allgemein rotes Licht und Infrarotlicht; dann erhält der Lichtempfänger 162 in
einer Taktschaltweise zwei Typen von reflektiertem Licht mit unterschiedlichen
Wellenlängen
im Hinblick auf sauerstoffarmes und sauerstoffreiches Blut, das
ausreichend Informationen für
die folgenden Module zur Berechnung von SPO2 vorsieht.
7A zeigt
eine andere Ausführungsform
in schematischer Querschnittsdarstellung eines Transmissionstyps
eines Sensorschnittstellenmoduls 10, wobei das Sensorschnittstellenmodul 10 ferner
einen Halter 90, wie einen Ring, eine Fingerschutzumhüllung usw.
enthält
mit zwei korrespondierenden und gegenüberliegenden inneren Flächen. Mindestens
eine der Sensorelektroden 12, 12' ist darin umhüllt und an der anderen der
inneren Flächen
ist der Halter 90 angebracht im Kontakt mit der Fläche 14,
welche der Fläche
des Patientenkörpers
zugekehrt ist. Der Lichterzeuger 160 und der Lichtempfänger 162 sind
ebenfalls in dem Halter 90 umhüllt und entsprechend an gegenüberliegenden
inneren Flächen
angeordnet. In dieser Ausführungsform sind
der optische Sondensatz 16 und die Sensorelektrode 12 in
dem gleichen Halter 90 umhüllt. Der Lichtempfänger 162 ist
auf der Sensorelektrode 12 angeordnet am Boden der inneren
Fläche
des Halters 90, während der
Lichterzeuger 160 an der gegenüberliegenden inneren Fläche des
Halters angebracht ist. Natürlich
können Lichterzeuger 160 und
Lichtempfänger 162 gegeneinander
getauscht werden. Nachdem das vom Lichterzeuger 160 erzeugte
Licht durch den Körper
transmittiert und durch das Gewebe hindurchgegangen ist, erhält der Lichtempfänger 162 das
transmittierte Licht. Wenn dieses Meßverfahren angewendet wird,
legt der Patient einen Finger der Hand auf die Kontaktfläche 14 der
Sensorelektrode 12' (nicht
in 7B gezeigt) und setzt einen Finger der anderen
Hand in den Halter 90 und berührt die Kontaktfläche 14 der
Sensorelektrode 12. Auf diese Weise können ECG Signale durch die
Sensorelektroden 12, 12' erhalten werden, und die PPG Signale
können dadurch
erhalten werden, daß Licht
von einer Wellenlänge
oder von zwei Wellenlängen
in Taktschaltweise empfangen wird, wie dies weiter oben beschrieben
ist, um die folgenden Module zu versorgen zur Berechnung von RI,
SI, PWV und SPO2.
In 8 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wenn der Patient die vorliegende Erfindung benutzt, wobei die Sensorelektroden 12, 12' des Sensorschnittstellenmoduls 10 die ECG
Signale des Patienten erhält
und der optische Sondensatz 16 die Patienten PPG Signale
zur gleichen Zeit sensiert. Danach behandelt das Analogsignal-Prozessormodul 20,
das mit dem Sensorschnittstellenmodul 10 elektrisch verbunden
ist, die ECG Signale und die PPG Signale separat. Im Analogsignal-Prozessormodul 20 befindet
sich eine ECG Signalprozessoreinheit 22 zur Verstärkung und
zum Filtern der ECG Signale, eine optoelektronisches Signalwandlereinheit 24 zum
Wandeln der optischen Signale von PPG zu elektrischen Signalen und
eine optoelektronische Signalprozessoreinheit 26 zur Verstärkung und
zum Filtern der umgewandelten PPG Signale. Die ECG und die PPG Signale
werden dann elektrisch zu einer Analog-Digital Wandlereinheit gesendet,
um in digitale Signale verwandelt zu werden. Diese ECG und PPG Signale
werden dann zum Digitalsignal-Prozessormodul 40 über mittelt,
um die verschiedenen physiologischen Parameter zu berechnen. Das
digitale Signalprozessormodul 40 enthält ein CPU 42 für die weitere
Verarbeitung der ECG und PPG Signale, um ECG Parameter zu erhalten,
wie Herzfrequenz, ST Segment, QRS Intervall, und um PPG Parameter zu
gewinnen, wie SI, RI, PWV und SPO2 usw. Der detaillierte Algorithmusprozeß ist in 9 dargestellt,
wobei auf die 1 bis 4 zum besseren
Verständnis
Bezug genommen wird.
Wenn
die digitalen ECG Signale zum CPU 42 geleitet werden, erreicht
die ECG Signalverarbeitungsprozedur die erste Stufe S 10, d.h. Detektieren
einer QRS Welle aus den ECG Signalen. Normalerweise setzen sich
die ECG Signale aus einer P Welle, einer QRS Welle und einer T Welle
zusammen. Die QRS Welle hat jedoch eine größere Intensität und ist
leichter zu detektieren verursacht durch einen depolarisierten Strom
vor der Ventricular-Systole. Außerdem
ist die R Welle die Basis für
den Herzrhythmus, daher ist der erste Schritt, die Position der
QRS Welle zu detektieren. Dann werden die ECG Parameter berechnet,
wie Herzfrequenz, ST Segment, QRS Abschnitt usw. in Stufe 12 durch
Berechnen der Spannung des gesamten ECG Signals und Detektieren
des QRS Signals.
Für PPG Signale
einer einzigen Lichtquelle, wenn die PPG Signale zum CPU 42 geleitet
werden, werden die PPG Signale in den folgenden Stufen verarbeitet.
Die erste Stufe ist die Detektierung der Ankunftsposition des Pulses,
(Stufe S20). Es gibt keinen gleichmäßigen Standard, um derzeit
die Ankunftsposition zu bestimmen, aber im allgemeinen werden der
Wendepunkt zum Anstieg, der Punkt größter Steigung oder die Spitze
des Pulses als Ankunftsposition des Pulses genommen (wie in Nr.
1, Nr. 2, Nr. 3 in 4 gezeigt). Die Ausführungsform
nimmt als Beispiel den Punkt mit der größten Steigung als Ankunftsposition
des Pulses. Die nächste
Stufe ist der Vergleich der digitalen PPG Signale mit den QRS Wellen
der ECG Signale, um die Pulsleitungszeit PTT zu bewerten von der
Spitze der QRS Welle bis zur Ankunftsposition des Pulses (Stufe
S22). In der nächsten
Stufe wird die Formel 4 angewendet sowohl im Hinblick auf die Abschätzung der
Größe des Patienten
und als auch den zu testenden Abschnitt des Patienten, um PWV zu
erhalten, d.h. Stufe S24. Die Stufe S20 wird außerdem von einer anderen Stufe
S30 nachgefolgt, dem Detektieren einer ersten und einer zweiten
Spitze des PPG Signals, um die Amplituden der ersten und zweiten
Spitze zu berechnen sowie des Zeitintervalls zwischen den beiden
Amplituden. Die folgende Stufe S32 besteht in der Anwendung eines
Algorithmus zur Berechnung der Formeln 2 und 3, um SI und RI zu
erhalten. PWV, SI und RI können
mit einer einzigen Lichtquelle von PPG Signalen gewonnen werden.
Wenn zwei verschiedene Lichtquellen vorliegen, z. B. eine rote Lichtquelle
und eine Infrarotlichtquelle, kann der CPU außerdem einen weiteren Schritt
durchführen, der
dem Schritt von Stufe S30 folgt, der Bestimmung der Mengen an absorbiertem
oder reflektiertem Licht im Hinblick auf die unterschiedlichen Lichtquellen
S40 d.h. Detektieren der Spitzen und der Wellentäler der verschiedenen Typen
von PPG Signalen. Dann ist der nächste
Schritt die Berechnung der Formeln 5 bis 8, um SPO2 zu erhalten.
Nachdem
der CPU 42 die ECG Parameter und die vasculären Parameter
berechnet hat, werden diese Parameter zur Anzeigeeinheit 50 geleitet,
die ein LCD-, LED- usw.
Anzeigeeinheit ist, um darauf dem Patienten eine sichtbare Information
zu geben. Das digitale Signalprozessormodul 40 enthält ferner
eine Speichereinheit 44, die elektrisch mit dem CPU 42 verbunden
ist, um die digitalen ECG Signale, die digitalen PPG Signale, die ECG
Parameter und die vaskulären
Parameter zu speichern. Der CPU 42 des digitalen Signalprozessormoduls 40 ist
ferner zu einem Datenübertragungsmodul 70 hingeführt, wie
eine USB Schnittstelle, einer Bluetooth-Schnittstelle, einer Infrarotschnittstelle,
einem Modem usw., um Daten, die Signale und Parameter enthalten,
in die Speichereinheit 44 für eine externe digitale Informationsvorrichtung 72,
wie einem PC, einem PDA, einem Mobiltele fon, einer Datenbank usw.
zu geben um nachfolgend eine Diagnose, eine Analyse oder ein Datenmanagement
vornehmen zu können.
Die
integrierte Vorrichtung zum Bestimmen physiologischer Signale enthält ferner
eine mit dem CPU 42 verbundene Betriebseinheit 80,
die dem Patienten ermöglicht,
die Operation des digitalen Signalprozessormoduls zu kontrollieren.
Die Betriebseinheit 80 kann in irgendeiner Weise ausgeführt werden,
etwa mit Knöpfen,
Tasten, Touch Panels usw. um die gewünschten Tätigkeiten auszuführen, wie
die Durchführung
von Meßfunktionen,
Zufügen,
Löschen
oder Ubermitteln von Daten in die Speichereinheit 44, Eingabe
von subjektiven Patienteninformationen, Setzen eines Datums usw..
Mit Hilfe eines Energieversorgungsmoduls 60, das Energie
für die
gesamte Meßvorrichtung
bereitstellt, können
alle Module und Einheiten erfolgreich operieren, um die Wirkungen
des Detektierens und die unterschiedlichen Arten von Signalen zu
analysieren.
Obwohl
eine Reihe von Charakteristiken und Vorteilen der vorliegenden Erfindung
in der vorstehenden Beschreibung dargelegt sind zusammen mit Einzelheiten
des Aufbaus und der Funktion der Erfindung, ist die Offenbarung
nur illustrativ. Bezüglich
der Details können Änderungen
vorgenommen werden, insbesondere im Hinblick auf Form, Abmessung
und Anordnung der Teile der vorliegenden Erfindung, wie dies durch
ein breites Allgemeinverständnis
der Begriffe angezeigt ist, durch welche die Ansprüche ausgedrückt werden.
