DE102006041013A1

DE102006041013A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines physiologischen Parameters

Info

Publication number: DE102006041013A1
Application number: DE102006041013A
Authority: DE
Inventors: Peter Erwin; Bernd Schöller
Original assignee: Loewenstein Medical Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Weinmann Diagnostics GmbH and Co KG
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Bestimmung einer physiologischen Variablen in durchblutetem Gewebe. Von einer mit elektrischen Strom betriebenen Strahlungsquelle wird Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen imitiert und in Richtung auf das Gewebe abgestrahlt. Als Sensor wird mindestens ein Fotodetektor verwendet, der durch das Gewebe abgeschwächte und/oder transmetierte Strahlung empfängt und in ein elektrisches Stromsignal umwandelt. Eine Vergleichseinrichtung ist sowohl mit der Strahlungsquelle als auch mit dem Fototdetektor verbunden. Die vergleichseinrichtung ermittelt den Strom des Fotodetektors und den Strom der Strahlungsquelle und ermittelt aus dem Quotienten der Ströme die Meßgröße Transmission. Eine direkte Auswertung dieser Meßgröße Transmission ermöglicht eine optimale Ausnutzung eines Auflösungsbereiches eines Analog-Digital-Wandlers und eine schnelle Erkennung von pulsierenden Signalanteilen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer physiologischen Variablen in durchblutetem Gewebe bestehend aus einem Sensor mit Strahlungsquelle, die Stahlung von zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittiert und auf das Gewebe abgibt und mindestens einem Fotodetektor, der durch das Gewebe abgeschwächte und/oder transmittierte und/oder rückgestrahlte Strahlung empfängt und in ein elektrisches Stromsignal umwandelt, wobei eine Vergleichseinrichtung physiologische variablen aus der durch das Gewebe abgeschwächten und/oder transmittierten und/oder rückgestrahlten Strahlung ermittelt.

Vorrichtungen zur Bestimmung einer physiologischen Variablen in durchblutetem Gewebe sind beispielsweise Pulsoximeter. Die Pulsoximetrie ist ein Verfahren zur unblutigen Bestimmung der Sauerstoffsättigung über die Ermittlung der Lichtabsorption bei Durchleuchtung der Haut.

Die Pulsoximetrie basiert auf dem Gesetz von Lambert-Beer, welches die Extinktion, also die Abschwächung von Licht, beim Durchtritt durch eine homogene Lösung folgendermaßen definiert: E = log (I0/I) = ε·d·c

E: = Extinktion
I0: = einstrahlende Lichtintensität
I: = austretende Lichtintensität
d: = Schichtdicke der Lösung
c: = Konzentration der Lösung
ε: = spezif. Absorbtionskoeffizient

Erste kommerzielle Pulsoximeter wurden 1975 hergestellt. Die Messung erfolgt mit einem Sensor an einem leicht zugänglichen Körperteil, vorzugsweise an einem Finger, Zeh oder am Ohrläppchen. Die so ermittelte Sauerstoffsättigung wird als SpO2 bezeichnet. Über den Sensor wird neben der Sauerstoffsättigung auch der Puls in den Blutgefäßen erfasst. Der Sensor hat auf der einen Seite zwei in einem definierten (Infra-) Rot-Bereich leuchtende Lichtquellen, beispielsweise LED, auf der anderen einen Fotodetektor.

Durch die unterschiedliche Färbung des mit Sauerstoff gesättigten Hämoglobins entsteht für das durchstrahlende Rotlicht eine unterschiedliche Absorption, die der Fotodetektor misst. Üblicherweise werden werden drei Werte gemessen, die Absorption des Lichts im 660 nm-Bereich, im 940 nm-Bereich und – zur Nullwerteinstellung – ohne die Strahlung der Messlichtquellen, nur mit Umgebungslicht. Die unterschiedliche Absorption des Lichtes, die durch den Blutdruck zwischen der Systole und der Diastole stattfindet, ergibt eine Differenz.

Die Messung erfolgt also durch das pulsierende Blut und nicht durch das Gewebe und die Gefäße. Anhand eines Vergleichs des Messergebnisses mit einer Referenztabelle ermittelt ein Überwachungsmonitor, welcher prozentuale Anteil der roten Blutkörperchen mit Sauerstoff gesättigt ist.

Das Gewebe und die pulsierende Arterie absorbieren das Licht, wobei der Gewebeanteil aufgrund der Dicke im Verhältnis zum Blutraum einen sehr hohen Lichtabsorptionsgrad besitzt, der zudem individuell stark variiert.

Dieser Anteil muß möglichst vollständig eliminiert werden, um die spezifische Bestimmung der Hämoglobinanteile zu erhalten. Pulsoximeter ermitteln die Extinktion des arteriellen Blutes, da man die Tatsache nutzt, daß sich das Arterienblut in den Gefäßen im Rhythmus des Pulsschlages ausdehnt und wieder verengt. Die Absorption teilt sich somit in einen konstanten Anteil (=DC), die Gewebeabsorption, und einen variablen, von der Pulswelle beeinflußten Anteil (=AC), siehe 1 auf.

Die Meßtechnik der Pulsoximetrie besteht darin, diese pulsatile Absorption, d. h. die Zu- und Abnahme der Lichtintensität infolge des Pulsschlages zu erfassen. Daraus läßt sich die arterielle O2-Sättigung bestimmen. Die Größen der DC- und AC-Komponenten sind direkt von der auftretenden Lichtintensität und der gewebespezifischen Absorption abhängig, die vom Pulsoximeter bei unterschiedlichen Wellenlängen (rot und infrarot) gemessen und deren Verhältnis bei zwei verschiedenen Zeitpunkten berechnet werden.

Der Meßwert wird aus den roten und infraroten Plethysmogrammwerten ermittelt. Die empfangenen roten und infraroten Signale sind üblicherweise gestört und müssen in der Signalverarbeitung zunächst aufbereitet werden. Ursache dieser Störung ist die starke Schwankung des AC- und DC-Signalanteils aufgrund von Instabilitäten der optischen Meßstrecke.

Das Pulsoximeter verarbeitet die von den LED's emittierten Lichtsignale, die durch Gewebe, Knochen, Knorpel, venöses Blut und durch das pulsierende arterielle Blut absorbiert werden und am Empfangsort – der als Fotodetektor dienenden Fotodiode – als Stromsignal vorliegen. Da sich das empfangene Signal in seiner Intensität ändert, ist es zweckmäßig, die LED's ständig nachzuregeln. Für den DC-Anteil ist diese Regelung relativ einfach, die Intensitätsleistung wird so weit verstärkt bzw. abgeschwächt, bis das Empfangssignal im Meßbereich liegt. Sehr viel komplexer ist die Nachregulierung der AC-Komponente. Werden die Intensitäten der Lichtquellen erhöht, steigt die empfangene Lichtleistung des DC- wie auch des AC-Anteils. Die AC-Komponente kann inter- und intraindividuell (z.B. Auskühlung post-operativ) beträchtlich variieren, von weniger als 0,01 % bis über 10% des DC-Wertes. Diese hohen Schwankungen werden von der variablen Perfusion des gemessenen Gewebes verursacht.

Die gesamte Lichtabsorption setzt sich demnach aus einem konstanten Anteil, dem direct current (DC) und einem pulsierenden Anteil, dem alternating current (AC) zusammen. Diese plethysmographische Komponente macht sich die Pulsoxymetrie zunutze, indem nur die pulsierenden Anteile (AC) in die Berechnungen einfließen und alle anderen, nicht pulsierenden Anteile (DC) – einschließlich des venösen Blutes – nicht berücksichtigt werden.

Rechnerisch erfolgt diese Eliminierung durch die folgende Formel:

so dass allein das Verhältnis der Absorptionen des arteriellen Blutes im roten und infraroten Bereich zum Tragen kommt.

Insbesondere bei Bewegungsartefakten und während der Entsättigung beziehungsweise Aufsättigung kann die benötigte Nachregelung, um die Pulswelle im Meßfenster zu halten, sehr aufwändig sein. Pulsoximeter regeln hierzu das DC-Signal in eine auswertbare Skala automatisch ein, indem die LED-Lichtquellen und die Verstärkereinstellungen der Empfangsschaltung ständig nachgeregelt werden. Diese Regelung ist ein wichtiger Bestandteil des Pulsoximeters. Üblicherweise werden hierzu der Strom des Fotodetektors oder die am AD-Wandler anliegende Spannung ausgewertet. Ein Nachteil im Stand der Technik ist der hohe apparative und rechnerische Aufwand um das DC-Signal zu ermitteln und/oder zu regeln. Die benötigte Zeitdauer, um das DC-Signal zu ermitteln, beträgt üblicherweise mehr als eine Sekunde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine schnelle Bestimmung von physiologischen Variablen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vergleichseinrichtung den Strom des Fotodetektors und den Strom der Strahlungsquelle ermittelt und aus dem Strom des Fotodetektors und dem Strom der Strahlungsquelle eine Meßgröße Transmission bestimmt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß eine schnelle Messung mit hoher Meßgenauigkeit unterstützt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ermittelte Meßgröße Transmission derart verstärkt wird, daß ein bereitgestellter Auflösungsbereich eines Analog-Digital-Wandlers zumindest im wesentlichen ausgenutzt wird und daß anschließend eine direkte digitale Auswertung der gewandelten Meßgröße Transmission durchgeführt wird.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt:
1 zeigt die pulssynchrone Veränderung der Extinktion,
2 zeigt das Plethysmogramm in der Darstellung als Absorption,
3 zeigt das Plethysmogramm in der Darstellung als Transmission,
4 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Pulsoximeters,
5 zeigt eine vereinfachte Frontend-Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Pulsoximeters,
6 zeigt das Fenster des AD-Wandlers direkt auf der Pulswelle gesetzt,
7 zeigt die Auswirkung des Reglers auf die Transmission,
8 zeigt die Abhängigkeit der Reglerparameter von der Transmission,
9 zeigt die Abfolge der Verarbeitung des Roh-Plethysmogramms durch den Regler und den AD-Wandler und
10 zeigt ein Intensitätsplethysmogramm.
Die 1 zeigt die Pulssynchrone Veränderung der Extinktion mit einem DC-Anteil und einem AC-Anteil.
Der Applikationsort wird von jeweils zumindest einer im Sensor eingebauten roten und infraroten LED sequentiell durchleuchtet und absorbiert jeweils einen unterschiedlichen Teil des Lichts. Das entsprechend entstandene Signal wird von einer optisch breitbandigen im Sensor untergebrachten Fotodiode empfangen und der entstandene Strom wird vom Pulsoximeter mittels eines differentiellen Transimpedanzwandlers (DTIW), der die erste Eingangsstufe des Fotodiodenverstärkers darstelt, in eine Spannung umgewandelt. Diese Spannung wird – nachdem die Schaltung am Ende der jeweiligen Belichtung nach 200 μs einen stabilen Spannungswert erreicht hat – sofort von einem AD-Wandler (ADW) in einen digitalen wert umgesetzt. Die Abtastperiodendauer des AD-Wandlers ermöglicht mehrere Abtastungen eines einzelnen Signals (Oversampling).
Das Nutzsignal besteht aus zwei für die Pulsoximetrie verwertbaren Bestandteilen: Dem DC-Anteil (Knochen, Gewebe und venöses Blut) und dem AC-Anteil (pulsierendes, arterielles Blut). Da der AC-Anteil für genaue Berechnungen durch das Pulsoximeter möglichst hoch aufgelöst werden soll, wird vor dem AD-Wandler der größte Teil der DC-Komponente über Operationsverstärker subtrahiert. Dies geschieht ebenfalls im DTIW, alternativ erst unmittelbar vor dem ADC.
Sowohl die zu subtrahierende DC-Komponente als auch die Helligkeit der LEDs können für jede Farbe getrennt und jede einzelne Belichtung neu über DA-Wandler eingestellt werden. Parasitäre Ströme, wie das auf die Fotodiode treffende Tageslicht bedingt durch die Bauart des Sensors sowie weitere Gleichstrom- und Gleichspannungssignale (z.B. durch Offset der Operationsverstärker), werden weitestgehend durch einen Tageslichtfilter kompensiert.
Die für rot, infrarot und gegebenfalls für weitere Wellenlängen ermittelten Plethysmogramme werden durch die Firmware gefiltert und so verarbeitet, dass SpO2, Pulsfrequenz und weitere Parameter wie cHb, SaCO, SaO2, unter Verwendung ergänzender Wellenlängen, über eine serielle Schnittstelle oder eine analoge gemultiplexte Schnittstelle ausgegeben werden können. Neben den pulsoximetrischen Messungen können noch 3 weitere universelle analoge Eingänge genutzt werden.
Die Ströme für die antiparallel geschalteten LEDs des Sensors werden mit einer geregelten spannungsgesteuerten Stromquelle und einer H-Schaltbrücke aus komplementären Doppel-MOS-FETs erzeugt.
Als Eingangsverstärker wird ein differentieller Transimpedanzwandler (DTIW) mit Tageslicht- und DC-Kompensation verwendet. Die negative Spannung, die zur Versorgung der Operationsverstärker erforderlich ist, wird mit einer Ladungspumpe erzeugt, die über einen Port-Pin betrieben wird.
In der Praxis entsteht bei einer Versorgungsspannung von 3,3V eine Spannung von –2,5V, die von der Firmware überwacht wird.
Die Messung der Versorgungsspannung erfolgt mit Hilfe eines DA-Wandlers und mit einem Komparator, der die Messwerte ermittelt. zur Messung der Intensitäten der beiden Wellenlängen rot und infrarot werden diese jeweils kurz (knapp 250 μs) mit individueller Helligkeit eingeschaltet, der DC-Offset individuell eingestellt, das Medium durchleuchtet (belichtet) und gegen Ende der Belichtungszeit (nach dem Einschwingen der Hardware) der Ausgang des differentiellen Transimpedanzwandlers durch den AD-Wandler ausgemessen.
Die einmalige Belichtung mit der roten, der infraroten und gegebenenfalls weiterer LED inklusive der zugehörigen Wandlung der dabei entstehenden Messwerte an der Fotodiode soll als Belichtungssequenz bezeichnet werden, die Frequenz einer Belichtungssequenz entspricht der Abtastrate.
Im betreffenden Pulsoximeter ist die Belichtung mit beiden LEDs mit einer Abtastrate von 300 Hz innerhalb eines Systemzyklus von 100 Hz (Triggersignal) realisiert.
Die Abtastrate kann neben den dargestelten 300 Hz weitere Werte annehmen:
33,333 Hz; 40,9091 Hz; 75 Hz; 81,8181 Hz; 100 Hz; 150 Hz.
Eine Belichtungssequenz selbst läuft nach einer Triggerung des Belichtungsautomaten (Sequencer) über den eingerichteten Timer selbsttätig ab.
Der Sensor-LED-Brücken-Treiber prägt den durch die Firmware festgelegten Strom in die jeweilige LED des Sensors ein.
Die Spannung zur Erzeugung der Ströme für die LEDs liefert der Controller über den DA-Wandler. Die Ströme für die antiparallel geschalteten LEDs des Sensors werden mit einer geregelten spannungsgesteuerten Stromquelle und H-Brücke erzeugt. Die H-Brücke für eine der beiden LEDs wird aus der oberen Hälfte (P-Kanal) des einen Doppel-MOS-FET als Schalter (High-Side-Schalter) und der unteren Hälfte (N-Kanal) des anderen Doppel-MOS-FET als Stellglied für den Regelstrom gebildet (Low-Side-Regler). Der Strom wird auf einem vorgegebenen Wert gehalten.
Durch die Auflösung von 12 Bit ergibt sich eine LED-Stromverstellung per Firmware von 20μA/LSB.
Bei allen Messungen wird immer zuerst mit roter, dann ohne, dann mit infraroter LED belichtet und gemessen. Grund für die Belichtung mit der roten LED zuerst ist der höhere Spannungsabfall an der roten LED unter Berücksichtigung der während der Belichtung sinkenden Versorgungsspannung, die gedämpft und gepuffert wird. Die Dunkelphase zwischen den Belichtungen der beiden LEDs dient hier der teilweisen Erholung der gepufferten Versorgungsspannung.
Um die Strombelastung der LEDs (max. 81mA) nicht unmittelbar an die Spannungsversorgung weiter zu reichen, werden die Pulse der LED-Ströme gepuffert. Durch diese Maßnahme liegt die Stromaufnahme für die LED-Ansteuerung bei max. 26mA. Die Pufferung gewährleistet auch, dass die LEDs mit dem geforderten Strom versorgt werden, weil die Spannung nicht zu weit einbricht.
Der Eingangsverstärker besteht aus mindestens drei Stufen. Die ersten beiden Stufen bestehen wegen der Gleichtakt-Störunterdrückung aus einem differentiellen Transimpedanzwandler (DTIW), einer Subtraktionseinheit zum Abziehen des DC-Anteils vom Plethysmogramm und einem Tageslichtfilter.
Der DC-Offset wird durch den Regler immer so eingestellt, dass das Signal nach der weiteren Verstärkung in der Mitte des ADW-Fensters liegt. Die Dunkelphase zwischen den Belichtungen der beiden LEDs dient hier der Senkung des Übersprechens am AD-Wandler vom roten auf den infraroten Kanal.
Zur Unterdückung von relativ langsamen Umgebungslicht (wie z.B. Tageslicht oder Einflüssen von 50 Hz/60 Hz bzw. 100 Hz/120 Hz künstlichem Licht) ist die Tageslichtkompensation eingebaut. Die Tageslichtkompensation besteht aus einem zuschaltbaren Hochpass, der in dem Moment abgeschaltet wird, sobald das Eingangssignal bei Belichtung mit rot oder infrarot gemessen werden soll.
Das Gesamtsignal eines Plethysmogramms erfordert wegen der Dynamiken der Transmission bedingt durch unterschiedliche Applikationsorte und der Pulsmodulation bedingt z. B. durch veränderliche körperliche Verfassung einen AD-Wandler mit einer Auflösung von etwa 22 Bit, um bei schlechten Bedingungen immer noch ein Signal zu erhalten, das auswertbar ist. AD-Wandler mit dieser Auflösung verbunden mit der hohen Abtastrate (100kHz) und der Fähigkeit, unstetige Signale zu verarbeiten (Pegelunterschiede für rot und infrarot), sind teuer.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der größte Teil des DC-Anteils vom Plethysmogrammsignal über einen Operationsverstärker subtrahiert werden, und der Rest (etwa 5% vom Gesamtsignal) nachverstärkt und dann einem schnellen AD-Wandler mit wesentlich geringerer Auflösung als 22 Bit zugeführt werden.
Der erfindungsgemäß verwendete AD-Wandler hat eine Auflösung von 12 Bit. Dadurch, dass der in den DTIW vorgezogene DC-Offset die 12fache Wirkung hat und die Auflösung des ADWs gleich der des DAWs ist, können folglich 12 ADW-Fenster bei einer PGA-Verstärkung von 1 subtrahiert werden.
Die dritte Verstärkerstufe des Eingangsverstärkers ist ein im Controller integrierter programmierbarer Verstärker (PGA = programmable gain amplifier) mit 5 schaltbaren Verstärkungsfaktoren von 2 hoch n mit n=0...4. Dieser Verstärker ist zwischen den DTIW-Ausgang und den AD-Wandler geschaltet. Durch diesen Verstärker kann das Signal nochmal um den Faktor 16 höher aufgelöst werden.
Dadurch ergibt sich hardwaretechnisch eine virtuelle Auflösung von
12 Bit·12·16 = 19,58 Bit bei einer Abtastrate von max. 100kHz.
1 LSB entspricht einer Spannung von 586μV am ADW.
Rechnet man diese Spannung in Verbindung mit der virtuellen Auflösung zurück, dann würde das gesamte pulsoximetrische Si gnal ohne diese Maßnahmen einer Spannung am DTIW-Ausgang von rund 460V entsprechen.
Ohne den Nachverstärker, also nur durch die Subtraktion eines DC-Anteils wären virtuell immer noch 28,8V zu verarbeiten.
Rechnet man diesen wert zurück auf den Fotodiodenstrom, dann ergibt sich eine maximaler Fotodiodenstrom für das Signal ohne Tageslicht: IFOTOmax = 28,8V/3,6MΩ = 8μA.
Daraus resultiert mit einer Auflösung von 19,58 Bit eine maximale Auflösung des Analogsignals von etwa 10,2pAFotostrom/LSB bzw. 98 LSBs/nA Fotostrom.
Der DC-Offset wird in der Firmware so geführt, dass bei VPGA = 1 gilt:
1 LSB DC-Offset = – 1 LSB ADW-Wert
==> 12 LSB DC-Offset = 1 LSB DACO
Es gibt zwei wesentliche Gründe für die einfachere Verarbeitung des AC-Anteils vom Plethysmogramm, wenn es nicht nur positive Werte, sondern solche hat, die sich um eine Nulllinie herum bewegen, also auch negativ werden. Idealerweise lässt sich das durch einen ADW erzielen, der sowohl positive als auch negative Spannungen digitalisieren kann.

1. Die Berechnungen der Reglerparameter durch den Transmissionsregler können so erfolgen, dass der DC-Offset das gesamte Signal zu Null subtrahiert. Dadurch wird der Regler für Strom und DC-Offset unabhängig von der Verstärkung, denn 0·Verstärkungsfaktor = 0. Darüber hinaus wird der DC-Offset verstärkungsneutral geführt, d.h. VPGA = 1. Ohne diese Maßnahme würde bei vorhandenem DC-Anteil und Veränderung der Verstärkung dieser mitverändert werden, was dazu führte, dass zuächst der zu subtrahierende DC-Offset neu eingeregelt werden müsste.
2. Es wird eine Messung von Signalen ermöglicht, die unter Null liegen. Dies ist der Fall, sobald der Messwert kleiner ist als erwartet, z. B. wenn sich das Signal auf einer Abwärtsflanke befindet, oder aufgrund von Ungenauigkeiten der DC-Offset etwas zu hoch eingestellt wurde.

Ist eine Belichtungssequenz abgeschlossen, erfolgen die Routinen zur weiteren Verarbeitung wie Filterung und Datenübernahme im 100 Hz-System.
Nachdem die Daten gefiltert sind, werden sie anderen Modulen zur Verfügung gestellt:

• Plethysmogrammbearbeitung und Pulsfrequenzberechnung
• Artefaktunterdrückung und Sättigungsbestimmung
• Ergebnisse der Transmissionsberechnung für den Regler und Ausgabe.

In 4 ist ein Blockschaltbild dargestellt, dass die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Pulsoximeters verdeutlicht.
5 zeigt eine vereinfachte Frontend-Prinzipschaltung zum Verständnis des Reglers, der Transmissionsbestimmung und Ermittlung des Plethysmogramms. LED-Strom, Offset, Messwerte und Plethysmogramme werden für jede Wellenlänge getrennt bestimmt. Die Bestimmung der physiologischen Variablen in dem durchbluteten Finger, erfolgt mittels einer mit elektrischem Strom betriebenen Strahlungsquelle, die Stahlung von zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittiert und auf den Finger abgibt. Ein Fotodetektor empfängt die durch das Gewebe abgeschwächte und/oder transmittierte Strahlung und wandelt sie in ein elektrisches Stromsignal um. Eine Vergleichseinrichtung die mit der Strahlungsquelle und dem Fotodetektor verbindbar ist, ermittelt den Strom des Fotodetektors und den Strom der Stahlungsquelle und ermittelt aus dem Strom des Fotodetektors und dem Strom der Stahlungsquelle eine Messgröße Transmission. Aus dem Gesamtplethysmogramm wird zumindest einer der folgenden Meßwerte ermittelt: SpO2, Pulsfrequenz, SaCO, SaO2, cHb.
Die Datenstruktur in der Firmware führt zu jedem Messwertpaar für rot und infrarot sämtliche Reglereinstellungen mit, was erforderlich ist, um die weiteren Berechnungen durchzuführen.
Die Signalverstärkung erfolgt über zumindest drei Stufen:

– 1. DTIW-Stufe mit 164kOhm.
– 2. DTIW-Stufe nach dem Tageslichtfilter, mit dem Fator 22, also Erhöhung auf 3,6MOhm.
– 3. Stufe controllerinterner PGA variabel mit 1...16.

Da die ersten beiden Stufen eine feste Verstärkung haben, hat die Firmware erst ab der dritten Stufe einen Einfluss auf die Verstärkung. Die mögliche Verstärkung liegt im Bereich von 1 bis 16.
Filterung der Rohsignale
Nach der AD-Wandlung und digitalen Vertärkung wird das Signal gefiltert um das Signalrauschen und -störungen zu unterdrücken. Die gewonnenen werte werden für die Berechnung der Größen Spot, cHb, SaCO, SaO2 benötigt.
Die Transmission ist ein Messwert von zentraler Bedeutung. Die Transmission beschreibt das Verhältnis vom aus dem Sensor erhaltenen Fotodiodenstrom zum in den Sensor eingespeisten LED-Strom der jeweiligen LED. Dieser Parameter ist abhängig von:

– Lichtdurchlässigkeit des Fingers
– Leistung der LEDS (Lichtmenge pro Stromeinheit)
– Empfindlichkeit der Fotodiode

Der Wert ist unabhängig von den Gegebenheiten des DTIWs. Der Transmissionswert wird üblicherweise in ppm angegeben. Es gibt daneben noch den internen Transmissionswert, der eine höhere Auflösung als die Einheit in ppm hat, die DTIW-Eigenschaften mit einbezieht und streng proportional zum ppm-Transmissionswert ist. Er dient zur Berechnung der Parameter für den Transmissionsregler.
Der Wertebereich der Transmission für rot und infrarot bewegt sich in Größenordnungen von:

– ca. 1ppm bei Sensorapplikation Daumen quer in den Fingerclipsensor
– ca. 10ppm bei normaler Applikation des Sensors an männlichem Zeigefinger
– ca. 60...150ppm bei Applikation des Ohrsensors am Ohr.

Die Transmission ist die Basis für die Einstellungen des Reglers. Die Absorbtion 2 stellt das Plethysmogramm in der Literatur weit verbreiteten Weise dar. Die Transmission 3 (Intensität) ist der Wert, den die Fotodiode als Strom abhängig von der Pulswelle produziert. Nur dieser Wert kann im Gegensatz zur Absorbtion direkt gemessen werden. Dadurch stellt sich das Plethysmogramm umgekehrt dar. Erfindungsgemäß wird mit dem umgekehrten Plethysmogramm der Transmission gearbeitet.
Um festzustellen, ob der Sensor appliziert ist, wird jeweils im Abstand von 500ms eine initiale Transmissionsmessung durchgeführt:
Die Transmission für rot und infrarot wird mit einer einzelnen Belichtungssequenz ermittelt, indem bei höchstem LED-Strom, der Strom über den AD-Wandler-Kanal bei kleinstmöglicher Verstärkung (kleiner 1) ausgemessen wird. Die kleinstmögliche Verstärkung wird verwendet, weil der Verstärker erst bei sehr großen Transmissionen ab 350ppm den ADW und ab 370ppm den Operationsverstärker übersteuert. Der große Vorteil bei dieser Messung ist, dass der gesamte mögliche transmissive Messbereich für jede beliebige, im Messbereich des Pulsoximeters liegende Pulswelle in einer einzigen Messung (also innerhalb von 10 ms) erfasst werden kann. Folglich entfällt eine 'Suche' der Pulswelle.
Das gleichzeitig gemessene Umgebungslicht wird abgezogen. Falls der Transmissionswert:

– größer 122ppm für rot und infrarot,
– größer gleich 244ppm für rot oder für infrarot, ist der Sensor nicht angeschlossen.

Der initiale Transmissionswert ist zwar von der Auflösung her nicht so präzise wie er später während der pulsoximetrischen Messung berechnet und benötigt wird, aber er reicht aus, um den Offset-LEDStrom-Regler grob. aufzusetzen. Wird der Sensor als appliziert bewertet, dann wird in einer zweiten Messung der Regler grob eingestellt und eine Messung bei Verstärkung 1 durchgeführt, um den Transmissionswert zu präzisieren. Mit diesem Ergebnis kann der Regler genau aufsetzen und die pulsoximetrische Messung beginnen.
Die Transmission wird für jede Wellenlänge getrennt bestimmt. während der Messung wird sie jeweils mit dem Systemzyklus alle 10 ms neu berechnet. Um Auswirkungen kleiner Ausreißer in der Transmissionsbestimmung zu minimieren
(-> ruhiger, trägerer Regler), wird der interne Transmissionswert noch durch einen 4 Hz-RC-Tiefpass 1. Ordnung gegelättet.
Über den Proportionalitätsfaktor PPM wird der interne Transmissionswert unter Beseitigung der DTIW-Eigenschaften in ppm- Einheiten umgerechnet, um ihn über eine Schnittstelle als fassbare universelle Größe zur Verfügung zu stellen.
Regler
Der tatsächliche Messbereich des ADWs wird von 12 Bit auf einen virtuellen Messbereich von knapp 20 Bit erhöht, indem der DC-Anteil des Signals über einen Operationsverstärker subtrahiert und das restliche Signal nachverstärkt wird. Zusätzlich kann für sehr große Signale (hohe Transmission) der LED-Strom reduziert werden. Um immer ein messbares Signal zu haben, bzw. damit der AC-Anteil des Signals immer im ADW-Fenster bleibt (idealerweise dessen Mitte), müssen die Stellgrößen LED-Strom und DC-Offset nachgeführt werden. Zu diesem Zweck ist der Regler erforderlich.
Die Verstärkung muss nachgeregelt werden, damit die Signal-Amplitude innerhalb des ADW-Fensters die erforderliche Größe hat, um den AC-Anteil genügend aufzulösen.
Entsprechend teilt sich der Regler in zwei unabhängige Teilregler auf:

– Transmissionsregler für LED-Ströme und DC-Offset
– Verstärkungsregler für die Amplitude des AC-Anteils

Transmissionsregler für LED-Ströme, DC-Offset Der Regler für die LED-Ströme und DC-Offsets heißt hier auch Transmissionsregler, weil als Eingangsgröße für diesen Regler ausschließlich die Messgröße Transmission verwendet wird.
Pulsoximeter nach dem Stand der Technik suchen erst die Pulswelle, indem das ADW-Fenster so lange nach oben oder unten verschoben wird, bis die Pulswelle erfasst werden kann. Erfindungsgemäß wird, wie in 6 dargestellt, das ADW-Fenster direkt auf die Pulswelle gesetzt, die Suche entfällt.
Dies ist dadurch möglich, dass sich jedem Plethysmogramm-Punkt bzw. jedem Transmissionswert sich ein ein Wertepaar von DC-Offset und LED-Strom eineindeutig zuordnen lässt.
Ausgangspunkt für die Berechnungen sind die folgenden beiden Situationen:

1.) Die Transmission ist niedrig genug, so dass der DTIW bei eingestelltem maximalem LED-Strom nicht übersteuert wird. Es muss nur der Offset nachgeregelt werden, um das Signal im ADW-Fenster zu halten.
2.) Sollte aufgrund großer Transmission der DTIW übersteuert werden (eingestellter maximaler Offset kann nicht den ganzen DC-Anteil des Signals kompensieren), dann muss der LED-Strom über den Regler reduziert werden, um das Signal im ADW-Fenster zu halten.

Der Übergang vom ersten in den zweiten Zustand wird hier als Reglergrenztransmission (RGT) bezeichnet.
Regelung des DC-Offsets
Für jede Wellenlänge wird ein eigener Offset bestimmt. Geht man davon aus, dass bei optimaler Arbeitsweise der Offset so eingestellt ist, dass das Signal in der Mitte des ADW-Fensters liegt, dann ist der Messwert des vorzeichenbehafteten ADWs=0 Dann berechnet sich die Transmission zu:
Da TRANS_FAKTOR und LEDStromMax Konstanten sind, ist die Transmission in fester Beziehung proportional zum Offset und umgekehrt.
wenn also eine Transmission bestimmt werden kann, dann liegt auch der Offset direkt fest. Der Offset wiederum ist optimal eingestellt, wenn der Messwert 0 ist; das ist bei statischen Signalen der Fall:
In der Praxis ist der Messwert nicht 0, weil es sich bei dem Plethysmogramm um ein dynamisches Signal handelt. Nachdem eine Messung durchgeführt und der gefilterte Messwert der Transmissionbestimmung zugeführt wurde, wird auch wieder ein neuer Wert für den Offset bestimmt. Damit ist der nächste voraussichtliche Messwert 0, bzw. vom Betrag her klein weil sich das Plethysmogramm in der Zwischezeit geringfügig ändern wird.
Regelung des LED-Stroms
für jede Wellenlänge wird ein eigener LED-Strom bestimmt. Die Argumentation zur Regelung der LED-Ströme ist genau analog zur Regelung des Offsets.
Geht man davon aus, dass bei optimaler Arbeitsweise der LED-Strom so eingestellt ist, dass das Signal in der Mitte des ADW-Fensters liegt, dann ist der Messwert=0.
Dann berechnet sich die Transmission zu:
Da TRANS_FAKTOR und OffsetMax Konstanten sind, ist die Transmission in fester Beziehung reziprok zum LED-Strom und umgekehrt.
Wenn also eine Transmission bestimmt werden kann, dann liegt auch der LED-Strom direkt fest. Der LED-Strom wiederum ist op timal eingestellt, wenn der Messwert 0 ist; das ist bei statischen Signalen der Fall:
In der Praxis ist der Messwert nicht 0, weil es sich bei dem Plethysmogramm um ein dynamisches Signal handelt. Nachdem eine Messung durchgeführt und der gefilterte Messwert der Transmissionbestimmung zugeführt wurde, wird auch wieder ein neuer wert für den LED-Strom bestimmt. Damit ist der nächste voraussichtliche Messwert 0, bzw. vom Betrag her klein weil sich das Plethysmogramm in der zwischezeit geringfügig ändern wird.
Der Transmissionsregler bzw. die Nachführung wird mit 100 Hz aufgerufen, woraus folgt, dass sich mit eben dieser Frequenz auch die Reglerparameter ändern können.
Das kann zur Folge haben, dass ein Plethysmogramm am ADW nur noch teilweise erkennbar bzw. mit dem Oszilloskop messbar ist. Der ADW-Wert müsste immer nahe der Nulllinie liegen. Das gilt jedoch in der Praxis nur für den relativ langsamen diastolischen Teil des Plethysmogramms. Der systolische Teil des Plethysmogramms enthält Frequenzanteile bis zu 10 Hz. Bedingt durch die Filterung und den zusätzlichen 4 Hz-Tiefpass bei der Transmissionsberechnung wird die dem ADW-Wert zugehörige Transmission entsprechend verzögert geliefert. Daher ist der Messwert im systolischen Teil des Plethysmogramms deutlich abweichend von Null.
In dem Beispiel in 7 eines Plethysmogramms mit großer Pulsmodulation ist die Amplitude des infraroten Plethysmogramms größer als die des roten. Entsprechend verändert sich auch die Transmission stärker und der Regler ist vorwiegend im infraroten teil aktiv, was an der unnatürlichen Form des Plethysmo gramms am ADW für infrarot sichtbar ist. Während der Diastole wird der Offset dort alle 30 ms neu eingestellt.
Reglerparameter
8 zeigt die eindeutige Abhängigkeit der Reglerparameter von der Transmission.
Der Übergang von der Offset-Regelung zur LED-Strom-Regelung an der Reglergrenztransmission ist deutlich erkennbar. DC-Offset und LED-Ströme sind in LSBs angegeben.
Die Berechnung der Konstanten RGT (Reglergrenztransmission) kann abgeleitet werden aus:
Da im ausgeregelten Zustand der Messwert 0 ist, und der DC-Offset sowie der LED-Strom maximal sind ergibt sich: RGT = Offsetmax·TRANS_FAKTOR/LEDStrommax.
Verlieren der Pulswelle
Kann z. B. aufgrund von Bewegungsartefakten oder anderen Gründen trotz schneller Nachregelung die Pulswelle nicht mehr im ADW-Fenster gehalten werden, dann kommt es zu Clippings. Es kann dann auch keine Transmission mehr ermittelt werden, weil die Ausgangswerte vom ADW zu deren Berechnung fehlen. Folglich kann sich auch der Regler nicht mehr einstellen, weil keine Reglerparameter berechnet werden können. Diese beiden Sachverhalte verstärken einander in ihrer Wirkung, so dass die Pulswelle praktisch nicht mehr zu ermitteln ist, es sei denn sie gerät zufällig wieder in das ADW-Fenster.
Um das Wiederauffinden der Pulswelle nicht dem Zufall zu überlassen, wird bei Signalverlust sofort eine besondere Transmissionsmessung durchgeführt, mit dessen Ergebnis der Regler bzw. das ADW-Fenster neu aufgesetzt werden kann:
Unter der Annahme, dass die Pulswelle sich noch in der Umgebung befindet, in der sie kurz vor dem Verlust war, wird das ADW-Fenster für einen Systemzyklus weit geöffnet um die Pulswelle zu finden. Dazu wird unter Beibehaltung aller Reglerparameter – mit Ausnahme der Verstärkung, die auf 1 gesetzt wird – eine Messung durchgeführt. Dessen Ergebnis wird der Transmissionsberechnung, wie die während der pulsoximetrischen Messung, zugeführt. Daraus können die Reglerparameter gebildet und eingestellt werden.
Diese Maßnahme reicht normalerweise aus, um das Signal nach 10 ms wieder im ADW-Fenster zu haben.
Rahmenbedingungen für den Transmissionsregler:
Die Reglergrenztransmission RGT für einen Betrieb mit 82 mA LED-Strom und ohne dass die Verstärker (Vmin=1) übersteuern, ermittelt sich mit einem maximalem Fotostrom zu IFotoMax = 8μA ohne Tageslicht:
8μADC-Offset-Kompensation/82 mALED-Strom = 97,6 ppm.
Bei Werten darüber muss der LED-Strom reduziert werden. Festlegung der gesamten HW-Transimpedanz = 3,6MOhm.
Die DC-Offset-Kompensation hat aufgrund des Auflösungsverhältnisses von ADW zu DAWOffset bei einer durch die CPU veränderbaren Verstärkung von 1 eine 12fache Wirkung auf die AD-Messwerte
→ interner Offset = 12·DAC-Wert: HIGH_OFFSET_HW=12.
Transmissionsregler-Stabilitätskriterium: Bei einer Transmissionsänderung um 1 LSB (intern) darf sich bei maximaler Verstärkung das ADW-Fenster zwischen 10% und 20%, verschieben, damit der Regler (für DC-Offset- und LED-Strom) wegen zu großer Sprünge nicht instabil wird. Der Regler wird stabiler, wenn dieser Prozentsatz niedriger festgesetzt wird. Diese höhere Stabilität wird allerdings mit einer höheren Reglerhäufigkeit und der damit verbundenen höheren Systemauslastung erkauft.
Dimensionierung der Stellgrößen und Proportionalitätsfaktoren:
Erfüllung des Stabilitätskriteriums:
Alternativ kann die Transmission kann auch bestimmt werden zu:
vergleichbarer Messpunkt ist der Ausgang des letzten Verstärkers mit festem Verstärkungsfaktor. Der Offset kann einfach aufaddiert werden, weil der Wirkungsfaktor von 12 der Verstärkung der letzten Stufe entspricht.
Der in der Gleichung enthaltene TRANS_FAKTOR ist ein für den Regler wichtiger Proportionalitätsfaktor. Er optimiert den Wertebereich für die Transmission so

– dass die Auflösung und damit der Wertebereich klein genug ist um Berechnungen zu vereinfachen und nicht unnötig häufig neue Transmissionswerte für den Regler zu bilden,
– dass der Regler nicht schwingt wegen zu grober Auflösung um das Stabilitätkriterium zu erfüllen.

Die Verstärkungsregelung als zweiter Teil des gesamten Reglers arbeitet unabhängig von der Teilregelung für DC-Offset und LED- Strom. Als Eingangsgröße für die Verstärkungsregelung dient die Amplitude des Signals, die über Hüllkurven ermittelt wird.
Sobald die erfindungsgemäße Vorrichtung erkannt hat, dass der Sensor appliziert ist, erhält der Regler zunächst seine initialen Einstellungen. Der Transmissionsregler leitet die Einstellungen für den LED-Strom und den Offset aus der initialen Transmission ab.
Für den initialen Verstärkungsfaktor wird folgender Zusammenhang angenommen:
"Je höher die Transmission, desto geringer ist der Verstärkungsfaktor.
Diese Annahme lässt sich an Beispielen veranschaulichen: wird der Sensor an einem dicken Finger (z. B. Daumen quer) appliziert, dann ist aufgrund der niedrigen Transmission (1...2 ppm) ein kleines Gesamtsignal mit entsprechend kleinem AC-Signal zu erwarten.
wird der Sensor z. B. am Ohrläppchen appliziert, dann ist aufgrund der hohen Transmission (50...100 ppm) ein großes Gesamtsignal mit entsprechend großem AC-Signal zu erwarten. Zwar ist am Ohrläppchen die Pulsmodulation (verantwortlich für die Amplitude des AC-Anteils) geringer als z. B. am Finger, jedoch ist die Zunahme des Gesamtsignals durch die Transmission ungleich höher als die Abnahme durch die geringere Pulsmodulation.
Der LED-Strom ist in den meisten Applikationsfällen (> 90%) maximal, andernfalls liegt er nur etwas unter dem Maximum. Vereinfachung: LEDStrom = LEDStrommax.
Die Totale Pulsmodulation wird auf 3% geschätzt (mittlerer Bereich, häufig).
Alle empirisch ermittelten Einstellungen lieferten das beste Ergebnis für eine schnelle Einregelung der Verstärkung für Pulsmodulationswerte zwischen 1%...10% und für Transmissionen zwischen 1ppm...100ppm.
Das Plethysmogramm kann auf vielfache Weise dargestellt werden. Dem Anwender eines Pulsoximeters ist eine vom Pulsvolumen unabhängige Absorbtionsdarstellung am vertrautesten.
Die Darstellung kann aus dem infraroten gefilterten Plethysmogramm gewonnen werden, weil die Amplitude über die Verstärkungsregelung konstant, also auch pulsvolumenunabhängig gehalten wird.
Sinkt während der Messung die Transmission auf den Wert 0, was auf defekte LEDs, defekte Fotodiode oder ausstöpseln des Sensors schließen lässt, dann wird die Messung sofort abgebrochen und der Sensor überprüft.
Die Transmissionswerte werden während der Messung durch die Routine ständig nach oben hin auf die Grenzwerte für applizierten Sensor geprüft. Bei Diskonnektion bricht die Messung sofort ab.
Die LED-Ströme des Sensors werden ständig überwacht. Während der Messung ohne Anzeichen von Fehlern (wie verlorene Pulswelle o. ä.) darf der LED-Strom im Mittel nicht über 10% abweichen. Andernfalls wird die Messung sofort abgebrochen und der Sensor überprüft.
Zur Berechnung von Omega, zu
welches im späteren Verlauf über eine Kalibrationsfunktion in einen SpO2-Wert umgerechnet wird, werden zwei Verfahren alternativ angewendet:

1. FPWA: Full Pulse Wave Algorithm. Zur Berechnung von Omega wird für den AC-Anteil (Amplitudendifferenz der Intensität zweier Zeitpunkte t1, t2) die ganze Pulswelle herangezogen. Die beiden Zeitpunkte sind das Maximum und das Minimum der Pulswelle.
2. SPWA: Splitted Pulse Wave Algorithm. Die Pulswelle wird in kleinere Abschnitte geteilt, um pro Pulswelle mehrere Omegawerte zu erhalten, über die dann in irgend einer weise gemittelt wird, um ein schnelleres und dennoch genaues Ergebnis zu erhalten. Für den AC-Anteil wird die Amplitudendifferenz der Intensität zwischen zwei Zeitpunkten t1 und t2 herangezogen, in die die Pulswelle geteilt ist.

Wenn man den SPWA noch weiter klassifiziert, dann entspricht der nicht klassifizierte SPWA dem TSPWA.
TSPWA: Time-equidistant SPWA: zeitlich äquidistande Aufteilung der Pulswelle.
Artefakte, d.h. Störungen im Plethysmogramm, führen unmittelbar zur Bildung von falschen Omega-Werten. Daher werden die Artefakte erkannt, und die Omega-Bildung korrigiert.
Bewegungsartefakte
Umgebungslicht-Artefakte
Transmissions-Artefakte: Starke Drift des Plethysmogramms, verursacht durch Transmissionsänderungen aufgrund der Positionsveränderung des Sensors (z. B. Abrutschen).
Der Algorithmus bewertet Artefakte über die Energiezunahme des AC-Anteils in der Transmission. Dazu wird diese zunächst auf eine besondere Einheitsgrößenordnung skaliert, um es vom Applikationsort unabhängig zu machen.
9 zeigt die Abfolge der Verarbeitung des Roh-Plethysmogramms durch den Regler und den AD-Wandler. Man erkennt, dass bedingt durch die Aktivität des schnellen Transmissionsreglers die LED-Ströme und den DC-Offset auch bei hoher Verstärkung im Fenster des AD-Wandlers gehalten werden.
Die 10 zeigt ein Intensitätsplethysmogramm samt aller relevanten Parameter. Es unterscheidet sich von einem Plethysmogramm dadurch, daß der AC-Anteil vertikal gespiegelt ist. Die Ursache für die Spiegelung liegt im Meßprinzip begründet: Je mehr Blut sich am Meßort befindet, desto mehr wird das Licht auf seinem Weg vom Emitter zum Detektor gedämpft und desto weniger Licht kommt am Detektor an. Das Maximum einer Pulswelle hat also ein Minimum des vom Detektor erfaßten Lichtes zur Folge. Deswegen wird eigentlich von jedem Pulsoximeter ein Intensitätsplethysmogramm erfaßt. Vor der Ausgabe wird es aber normalerweise von der Firmware des Pulsoximeters wieder gedreht, um dem Anwender eine von der Physiologie her bekannte Darstellung zu bieten.
Erfindungsgemäß ist auch daran gedacht eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine nicht invasive Bestimmung mindestens eines Inhaltsstoffes einer Körperflüssigkeit, ausgewählt aus der Gruppe Pulsfrequenz, pH-Wert, Konzentration an Hämoglobin (cHb), Oxyhämoglobin (HbO2), desoxygeniertes Hämoglobin (HbDe), Carboxyhämoglobin (HbCO), Methämoglobin (cMetHb), Sulfhämoglobin(HbSulf), Bilirubin, Glucose, Gallenfarbstoffe, SaO2, SaCO, SpO2, CaO2, SpCO ermöglicht wird. Bevorzugt ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eine nicht invasive Bestimmung mehrerer Inhaltsstoffes einer Körperflüssigkeit. Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen beispielsweise LED's derart ausgeführt dass sie alternativ und/oder ergänzend folgende Wellenlängen emittieren können, ausgewählt aus der Gruppe:
150 nm ± 15%, 400nm ± 15%, 460 nm ± 15%, 480 nm ± 15%, 520 nm ± 15%, 550 nm ± 15%, 560 nm ± 15%, 606 nm ± 15%, 617 nm ± 15%, 620 nm ± 15%, 630 nm ± 15%, 650 nm ± 15%, 660 nm ± 1%, 705 nm ± 15%, 710 nm ± 15%, 720 nm ± 1 0%, 805 nm ± 15%, 810 nm ± 15%, 880 nm ± 155, 890 nm, 905 nm ± 15%, 910 nm ± 15%, 950 nm ± 15%, 980 nm ± 15%, 980 nm ± 15%, 1000 nm ± 15%, 1030 nm ± 15%, 1050 nm ± 15%, 1100 nm ± 15%, 1200 nm ± 15%, 1310 nm ± 15%, 1380 nm ± 15%, 1450 nm ± 15%, 1600 nm ± 15%, 1650 nm ± 15%, 1670 nm ± 15%, 1730 nm ± 15%, 1800 nm ± 15%, 2100 nm ± 15%, 2250 nm ± 15%, 2500 nm ± 15%, 2800 nm ± 15%.
Beispielsweise emittieren zur Bestimmung der Hämoglobinkonzentration zumindest zwei LED im Bereich von beispielsweise 1450 nm ± 15% und 660 nm ± 1% und 905 nm ± 15%. Durch Anwenderauswahl und/oder automatisch wird zur Bestimmung der Hämoglobinkonzentration zumindest zeitweise zumindest eine weitere Wellenlänge bei der eine hohe Wasserabsorption vorliegt verwendet, diese liegt beispielsweise im Bereich ausgewählt aus der Gruppe 1200 nm ± 15%, 1380 nm ± 15%, 1450 nm ± 15%, 1900 nm ± 15%, 2400 nm ± 15%.
In einem anderen Ausführungsbeispiel emittiert die Strahlungsquelle zur Bestimmung der SpO2 im Bereich von beispielsweise 660 nm ± 1% und im Bereich von Infrarot 890 nm ± 15% oder 910 nm ± 15%.
Ergänzend kann beispielsweise zur Bestimmung eines Kohlenmonoxid-Anteils eine weitere Wellenlänge im Bereich 605 nm hinzugeschaltet werden.
Der variable Anteil verursacht somit lediglich eine sehr geringe Signalschwankung. Bei einer Umwandlung des AC-Anteils über ein Analog-Digital-Wandler und eine Analyse dieses gewandelten Signals hinsichtlich des pulsierenden variablen Signalanteils ergeben sich erhebliche Probleme sowohl durch die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers als auch durch die zusätzliche Überlagerung von Störeffekten, die ein schnelles Auffinden des pulsierenden Signalanteiles verhindern.
Durch die erfindungsgemäße direkte Auswertung der Meßgröße Transmission mit dem einen wesentlichen Anteil dieses Signals ausmachenden Signalanteiles des pulsierenden Signals ist es möglich, durch eine vorhergehende Verstärkung zum einen den Auflösungsbereich eines Analog-Digital-Wandlers optimal auszunutzen, darüber hinaus den Einfluß von Störgrößen zu minimieren. Aufgrund des signifikanten Verhältnisses der Amplitude des pulsierenden Signalanteiles zu einem Signalmittelwert ist der pulsierende Anteil bei der direkten Auswertung der Meßgröße Transmission kurzfristig erkennbar und es ergibt sich hierdurch gegenüber dem Stand der Technik eine Verkürzung der erforderlichen Meßdauer um etwa 90 Prozent.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer physiologischen Variablen in durchblutetem Gewebe, bestehend aus einem Sensor mit einer mittels elektrischem Strom betriebenen Strahlungsquelle, die Stahlung von zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittiert und auf das Gewebe abgibt und mindestens einem Fotodetektor, der durch das Gewebe abgeschwächte und/oder transmittierte Strahlung empfängt und in ein elektrisches Stromsignal umwandelt, und bestehend aus einer Vergleichseinrichtung die mit der Strahlungsquelle und dem Fotodetektor verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung den Strom des Fotodetektors und den Strom der Stahlungsquelle ermittelt und aus dem Strom des Fotodetektors und dem Strom der Stahlungsquelle eine Messgröße Transmission bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung den Strom des Fotodetektors dividiert durch den Strom der Stahlungsquelle, um die Messgröße Transmission bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Pulsoximeter aufgebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsoximeter dafür geeignet ist, zumindest einen der folgenden Meßwerte zu ermitteln: SpO2, Pulsfrequenz, SaCO, SaO2, cHb.
Verfahren zur Bestimmung einer physiologischen Variablen in durchblutetem Gewebe, bei dem von einer elektrisch betriebenen Strahlungsquelle Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittiert wird und ein Transmissionsanteil der Strahlung von mindestens einem Sensor meßtechnisch erfaßt wird und bei der der Sensor als Fotodetektor den empfangenen Strahlungsanteil in ein elektrisches Stromsignal umwandelt und einer Vergleichseinrichtung zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß einer Anlog-Digital-Wandlung das vom Sensor erfaßte Signal zugeführt wird und daß ein pulsierender Signalanteil aus diesem gewandelten Meßsignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Sensors vor einer Zuführung zum Analog-Digital-Wandler derart verstärkt wird, daß ein Auflösungsbereich des Wandlers zumindest im wesentlichen ausgenutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messgröße Transmission als direktes oder indirektes Verhältnis des Stroms des Fotodetektors und des Stroms der Stahlungsquelle in Abhängigkeit vom Gewebe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Messgröße Transmission gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messgröße Transmission für weitere Berechnungen und/oder Einstellungen und/oder Auswertungen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Messgröße Transmission derart ausgewertet wird, dass sie zur Bestimmung und/oder Unterdrückung von Bewegungsartefakten herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Messgröße Transmission für die Regelung der Helligkeit der Strahlungsquelle herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Messgröße Transmission zur Rekonstruktion des Strahlungs-Signals nach Gewebedurchtritt herangezogen wird, wenn zuvor ein Teil des Strahlungs-Signals nach Gewebedurchtritt extrahiert wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtsignal eines Plethysmogramms von einem schnellen AD-Wandler mit einer Auflösung im Bereich von über 20 Bit ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein überwiegender Teil des DC-Anteils vom Gesamtsignal eines Plethysmogramms über einen Operationsverstärker subtrahiert wird.
Verfahren nach Ansprüch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach der Subtraktion verbliebener Anteil einem AD-Wandler mit einer Auflösung im Bereich von unter 20 Bit zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler in Bezug auf Strom und DC-Offset unabhängig von der Verstärkung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungen der Reglerparameter durch den Transmissionsregler derart erfolgen, dass der DC-Offset das gesamte Signal zu Null subtrahiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmission mit einer einzelnen Belichtungssequenz ermittelt wird, indem bei im wesentlichen maximalem LED-Strom, der Fotodiodenstrom bei sehr kleiner Vertärkung ausgemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulswelle in weniger als 500 Millisekunden erfasst wird, dadurch dass im wesentlichen der gesamte transmissive Messbereich für jede beliebige, im Messbereich des Pulsoximeters liegende Pulswelle in einer Messung erfasst werden kann.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulswelle in weniger als 50 Millisekunden erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Messbereich des AD-Wandlers dadurch erhöht wird, dass der DC-Anteil von dem Gesamtplethymogramms subtrahiert wird und nur das restliche Signal des Plethysmogramms nachverstärkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler die Verstärkung derart einstellt, dass die Amplitude des AC-Anteils von dem Gesamtplethymogramms innerhalb des Fensters des AD-Wandlers genügend aufgelöst werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Plethysmogramm-Punkt und/oder jedem Transmissionswert ein Wertepaar von DC-Offset und LED-Strom eineindeutig zuordbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das AD-Wandler-Fenster im wesentlichen auf die Pulswelle eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Messgröße Transmission verwendet wird, um die Pulswelle ohne einen herkömmlichen Regler, der nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeitet, zu finden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Messgröße Transmission verwendet wird um zu ermitteln, ob der Sensor appliziert ist, wobei dies dadurch erfolgt, das Schwellenwerte einer minimalen Transmission festlegbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stabilitätskriterium für den Regler festlegbar ist, wonach der Regler als instabil gilt, sobald die Veränderung einer der durch die Transmission ermittelten Stellgrößen DC-Offset und/oder LED-Strom eine Plethysmogrammverschiebung in einem Bereich von 5%-50%, bevorzugt im Bereich 20%, eines ADW-Fensters bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportionalitätsfaktor (TRANS_FAKTOR) festlegbar ist, welcher so bemessen ist, dass das Stabilitätskriterium für den Regler erfüllt ist.
Vorrichtung zur Bestimmung einer physiologischen Variablen in durchblutetem Gewebe, bestehend aus einem Sensor mit einer mittels elektrischem Strom betriebenen Strahlungsquelle, die Stahlung von zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittiert und auf das Gewebe abgibt und mindestens einem Fotodetektor, der durch das Gewebe abgeschwächte und/oder transmittierte Strahlung empfängt und in ein elektrisches Stromsignal umwandelt, und bestehend aus einer Vergleichseinrichtung, die mit der Strahlungsquelle und dem Fotodetektor verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der LED-Strom über einen Hardware-Konstantstromregler geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruche 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Hardware-Konstantstromreglers aus einer H-Brücke bestehend aus zwei Highside-Schaltern und zwei Lowside-Stellgliedern aufgebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruche 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Hardware-Konstantstromreglers aus einer H-Brücke bestehend aus zwei Lowside- Schaltern und zwei Highside-Stellgliedern aufgebaut ist