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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung
von wenigstens einem physiologischen Parameter, mit wenigstens einer
diagnostischen Messeinheit zur Erzeugung von Messsignalen, und mit
einer Auswertungseinheit zur Bestimmung des wenigstens einen physiologischen Parameters
durch Verarbeitung der Messsignale.
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Die
Versorgung des Körpergewebes
mit Sauerstoff gehört
bekanntlich zu den wichtigsten Vitalfunktionen des Menschen. Aus
diesem Grund sind oximetrische Diagnosemodalitäten heutzutage von großer Bedeutung
in der Medizin. Routinemäßig werden
sogenannte Pulsoximeter eingesetzt. Die diagnostische Messeinheit
derartiger Pulsoximeter umfasst typischerweise zwei Lichtquellen,
die rotes bzw. infrarotes Licht unterschiedlicher Wellenlänge in das Körpergewebe
einstrahlen. Das Licht wird im Körpergewebe
gestreut und teilweise absorbiert. Das gestreute Licht wird schließlich mittels
eines Lichtsensors in Form einer geeigneten Photozelle detektiert. Typischerweise
verwenden kommerzielle Pulsoximeter zum einen Licht im Wellenlängenbereich
von 660 nm. In diesem Bereich ist die Lichtabsorption von Oxihämoglobin
und Desoxihämoglobin
stark unterschiedlich. Dementsprechend variiert die Intensität des mittels
des Photosensors detektierten, gestreuten Lichts in Abhängigkeit
davon, wie stark das untersuchte Körpergewebe von sauerstoffreichem,
bzw. sauerstoffarmem Blut durchblutet ist. Zum anderen wird üblicherweise
Licht im Wellenlängenbereich
von 810 nm verwendet. Diese Lichtwellenlänge liegt im sogenannten nahen
infraroten Spektralbereich. Die Lichtabsorption von Oxihämoglobin
und Desoxihämoglobin
ist in diesem Spektralbereich im Wesentlichen gleich. Die bekannten
Pulsoximeter sind außerdem
in der Lage, ein plethysmographisches Signal, d. h. ein Volumenpulssignal
zu erzeugen, das die während
des Herzschlags veränderliche
Blutmenge in dem von dem Pulsoximeter erfassten Mikrogefäßsystem
wiedergibt (sog. Photoplethysmographie). Bei Verwendung unterschiedlicher
Lichtwellenlängen in
den oben erwähnten
Spektralbereichen kann aus der unterschiedlichen Lichtabsorption
auf den Sauerstoffgehalt des Blutes (Sauerstoffsättigung) zurückgeschlossen
werden. Die üblichen
Pulsoximeter werden entweder an der Fingerspitze eines Patienten oder
auch am Ohrläppchen
eingesetzt. Es wird dann das Volumenpulssignal aus der Blutperfusion
des Mikrogefäßsystems
in diesen Bereichen des Körpergewebes
erzeugt.
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Aus
der
WO 00/69328 A1 ist
ein besonders flexibel einsetzbares oximetrisches Diagnosegerät bekannt.
Dieses vorbekannte Gerät
ist handführbar ausgebildet,
so dass es an beliebigen Messorten am menschlichen Körper eingesetzt
werden kann. Das vorbekannte Gerät
erlaubt gleichsam ein systematisches Abtasten („Scannen") des Körpers eines Patienten. Eine
Fixierung des Diagnosegerätes – wie bei üblichen
Pulsoximetern – kann
bei dem aus der genannten Druckschrift bekannten Gerät entfallen.
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Die
genannte
WO 00/69328
A1 spricht außerdem
die Einsetzbarkeit des oximetrischen Diagnosegerätes zur ortsaufgelösten Erkennung
von Entzündungen,
Tumoren und Arterioskleroseerkrankungen im hautoberflächennahen
Körpergewebe
eines Patienten an. Derartige Erkrankungen bewirken eine Veränderung
der Durchblutung des Körpergewebes. Durch
die ortsaufgelöste
oximetrische Abtastung des Körpers
lassen sich mit dem vorbekannten Gerät Veränderungen der Durchblutung,
die auf eine entsprechende Erkrankung hindeuten, erkennen und lokalisieren.
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Das
EKG (Elektrokardiogramm) dürfte
die am meisten eingesetzte Untersuchungsmodalität zur Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen
sein. Mittels der diagnostischen Messeinheit eines EKG-Gerätes werden
mit zwei oder mehr EKG-Elektroden elektrische Signale von dem Körper des
zu untersuchenden Patienten abgeleitet. Das so gewonnene EKG gibt
die bioelektrischen Spannungen, die bei der Erregungsausbreitung
und -rückbildung
am Herzen entstehen, wieder. Das EKG enthält zahlreiche diagnostisch auswertbare
Parameter. Zum Zeitpunkt der Kontraktion des Herzmuskels während eines
Herzschlags zeigt das EKG eine deutliche Spitze, die auch als R-Zacke
bezeichnet wird. Weiterhin enthält
das EKG die der R-Zacke vorangehende, so genannte P-Welle. Der R-Zacke
folgt wiederum die so genannte T-Welle. Die Minima im EKG unmittelbar vor
und unmittelbar nach der R-Zacke werden mit Q bzw. S bezeichnet.
Für die
Herz-Kreislauf-Diagnostik interessante Parameter sind die Dauer
der P-Welle sowie die Amplitude der P-Welle, die Dauer des PQ-Intervalls,
die Dauer des QRS-Komplexes, die Dauer des QT-Intervalls sowie die
Amplitude der T-Welle. Sowohl aus den Absolutwerten der genannten
Parameter wie auch aus den Verhältnissen
der Parameter kann auf den Gesundheitszustand des Herz-Kreislauf-Systems
geschlossen werden. Vorrichtungen und Verfahren zur EKG-Messung
sind beispielsweise aus den Druckschriften
US 6,331,162 oder
US 4,960,126 vorbekannt.
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Zur
Bestimmung von weiteren physiologischen Parametern, wie z. B. Körperfettgehalt,
ist das Prinzip der bioelektrischen Impedanzmessung beispielsweise
aus der
US 6,714,814 bekannt.
Die Zusammensetzung des Körpergewebes
kann aber auch optisch bestimmt werden. Das Prinzip der optischen
Bestimmung des Körperfettgehalts
mittels Infrarotlicht ist beispielsweise in der
US 4,928,014 beschrieben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur nicht-invasiven Bestimmung von physiologischen Parametern bereit
zu stellen, die gegenüber
dem Stand der Technik hinsichtlich ihrer Funktionalität erweitert
ist. Insbesondere soll ein Gerät
geschaffen werden, das vom Benutzer komfortabel und häufig verwendet
werden kann, um eine zuverlässige
und frühzeitige
Erkennung von Erkrankungen sowie eine kontinuierliche Überwachung
bestehender Erkrankungen zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung ausgehend von einer Messvorrichtung der eingangs angegebenen
Art dadurch, dass die wenigstens eine Messeinheit in die Tastatur
eines Computers integriert ist.
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Durch
die Integration der diagnostischen Messeinheit der Messeinrichtung
in die Tastatur eines Computers kann der Benutzer des Computers
jederzeit die Messvorrichtung einsetzen, um die ihn interessierenden
physiologischen Parameter zu bestimmen. Die meisten Personen haben
heutzutage Zugang zu Computern, sei es im Büro oder zu Hause. Die Integration
der diagnostischen Messeinheit in die Tastatur des Computers stellt
somit sicher, dass die Messvorrichtung vom Benutzer häufig verwendet werden
kann. Der Benutzer kann praktisch gleichzeitig mit der Arbeit an
dem Computer eine Messung zur Bestimmung der physiologischen Parameter
durchführen.
Vorteilhafterweise muss kein gesondertes Gerät hierfür verwendet werden. Vorteilhaft
ist insbesondere auch, dass die Ermittlung von physiologischen Parametern
unauffällig
erfolgen kann, da sich die diagnostische Messung aus Sicht eines
Dritten nicht von einer anderweitigen normalen Bedienung der Tastatur
des Computers unterscheiden lässt.
Besonders für
Diabetiker bietet sich die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Bestimmung
des Blutglukosespiegels an.
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Gemäß einer
sinnvollen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist die
wenigstens eine diagnostische Messeinheit eine optische Messeinheit
zur Erzeugung von oximetrischen und/oder plethysmographischen Messsignalen.
Dies ermöglicht
es, die Versorgung des Körpergewebes des
Benutzers der Vorrichtung mit Sauerstoff zu überwachen.
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Zweckmäßigerweise
ist die Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung eingerichtet
zur Bestimmung wenigstens eines lokalen metabolischen Parameters,
insbesondere des lokalen Sauerstoffverbrauchs, aus den Signalen
der optischen Messeinheit. Die Auswertungseinheit zieht die mittels
der optischen Messeinheit gewonnenen oximetrischen und/oder plethysmographischen
Messsignale heran, um nicht nur die lokale Sauerstoffkonzentration
am jeweiligen Messort, d. h. insbesondere an den Fingerspitzen des
Benutzers der Tastatur, sondern insbesondere auch den lokalen Sauerstoffverbrauch
als wichtigen Indikator für
die lokale metabolische Aktivität
zu bestimmen. Erkrankungen können
mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
anhand von pathologischen Veränderungen
des Metabolismus erkannt werden.
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Die
optische Messeinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung weist zweckmäßigerweise wenigstens
eine Strahlungsquelle zur Bestrahlung des untersuchten Körpergewebes
mit elektromagnetischer Strahlung, und wenigstens einen Strahlungssensor
zur Detektion der von dem Körpergewebe
gestreuten und/oder transmittierten Strahlung auf. Als Strahlungsquelle
kommen übliche
Leuchtdioden oder auch Laserdioden in Frage, die optische Strahlung,
d.h. Licht im entsprechenden Spektralbereich emittieren. Als besonders
vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Strahlungsabsorption im untersuchten Körpergewebe bei mindestens drei
unterschiedlichen Lichtwellenlängen
gemessen wird, um daraus die Sauerstoffkonzentration des Blutes
und die Durchblutung des Gewebes zu bestimmen.
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Gemäß einer
sinnvollen Ausgestaltung weist die optische Messeinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
wenigstens zwei Strahlungssensoren zur Detektion der von dem Körpergewebe
gestreuten und/oder transmittierten Strahlung auf, wobei die Strahlungssensoren
in unterschiedlichem Abstand zur Strahlungsquelle angeordnet sind.
Dies eröffnet
die Möglichkeit,
Rückschlüsse auf
die jeweils im Körpergewebe
von der Strahlung zurückgelegte Strecke
zu ziehen. Auf dieser Basis kann die Sauerstoffkonzentration im
Blut und im Gewebe in unterschiedlich tiefen Gewebeschichten untersucht
werden. Dabei kann ausgenutzt werden, dass die Messsignale aus den
tiefer liegenden Gewebeschichten stärker vom arteriellen Blut beeinflusst
sind, während in
den oberflächennäheren Regionen
die Strahlungsabsorption stärker
von dem Blut im kapillaren Gefäßsystem
beeinflusst ist.
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Vorteilhaft
ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, bei welcher
wenigstens zwei Strahlungsquellen vorgesehen sind, welche unterschiedliche
Volumenbereiche des untersuchten Körpergewebes bestrahlen. Hierdurch
lässt sich
eine differenzielle Messung der Lichtabsorption einfach realisieren.
Dies ermöglicht
es, Metabolismus-induzierte Änderungen
der Durchblutung des untersuchten Körpergewebes mit sauerstoffreichem bzw.
sauerstoffarmem Blut zu untersuchen. Dabei wird ausgenutzt, dass
sich in Abhängigkeit
von der metabolischen Aktivität
des Gewebes der lokale Sauerstoffverbrauch verändert. Die Bestimmung des veränderlichen
Sauerstoff verbrauchs erlaubt wiederum Rückschlüsse auf den lokalen Energieverbrauch,
der mit dem Sauerstoffverbrauch direkt korreliert ist. Besonders
interessant ist, dass dies wiederum Rückschlüsse auf den Glukosespiegel
zulässt.
Somit erlaubt die erfindungsgemäße Messvorrichtung
vorteilhafterweise auch eine nicht-invasive Bestimmung des Blutglukosespiegels.
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Die
zwei Strahlungsquellen der optischen Messeinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
sollten so ausgelegt sein, dass die von diesen jeweils bestrahlten
Volumenbereiche hinsichtlich der Durchblutung mit sauerstoffarmem
bzw. sauerstoffreichem Blut unterschiedlich betroffen sind. Dies kann
z. B. dadurch erreicht werden, dass die wenigstens zwei Strahlungsquellen
unterschiedliche räumliche
Abstrahlcharakteristiken haben. So können als Strahlungsquellen
z. B. eine Leuchtdiode und ein Laser verwendet werden, die ähnliche
Wellenlängen
(z. B. 630 nm und 650 nm) haben. Die beiden Strahlungsquellen unterscheiden
sich aber durch den Öffnungswinkel
der Abstrahlung. Während
z. B. die Leuchtdiode unter einem großen Öffnungswinkel in das untersuchte
Körpergewebe
einstrahlt, tritt das Licht der Laserdiode unter einem sehr kleinen Öffnungswinkel
in das Körpergewebe
ein. Dies hat zur Folge, dass mit den beiden Strahlungsquellen unterschiedliche
Volumenbereiche des Körpergewebes erfasst
werden. Aufgrund des großen Öffnungswinkels
wird von der Leuchtdiode ein größerer Volumenbereich
der nicht-durchbluteten Epidermis erfasst als von dem Laser. Die
undurchblutete Epidermis ist von einer Änderung der Hämoglobinkonzentration
praktisch nicht betroffen. Dementsprechend ist die Intensität der von
dem Körpergewebe
gestreuten und/oder transmittierten Strahlung der Leuchtdiode weniger
stark von einer Änderung
der Hämoglobinkonzentration
abhängig
als die Intensität
der Strahlung des Lasers. Voraussetzung ist, dass die Wellenlänge der
von den beiden Strahlungsquellen jeweils emittierten Strahlung so
gewählt
wird, dass die Strahlung unterschiedlich stark durch Oxihämoglobin
bzw. Desoxihämoglobin
absorbiert wird. Die Wellenlänge sollte
daher zwischen 600 und 700 nm, vorzugsweise zwischen 630 und 650
nm liegen.
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Die
Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann mit
Vorteil zur Bestimmung des wenigstens einen lokalen metabolischen Parameters
aus der von dem Körpergewebe
gestreuten und/oder transmittierten Strahlung der beiden Strahlungsquellen
ausgebildet sein. Wenn in dem untersuchten Körpergewebe Sauerstoff verbraucht wird,
wird Oxihämoglobin
in Desoxihämoglobin
umgewandelt. Durch einen Vergleich der aus den unterschiedlichen
Volumenbereichen des Körpergewebes stammenden
Strahlung der beiden Strahlungsquellen kann die Änderung des Konzentrationsverhältnisses
von Oxihämoglobin
und Desoxihämoglobin
festgestellt werden. Hieraus ergibt sich wiederum der lokale Sauerstoffverbrauch
und daraus letztlich der Blutglukosespiegel. Somit ist die Auswertungseinheit der
erfindungsgemäßen Messvorrichtung
sinnvollerweise eingerichtet zur Bestimmung des lokalen Sauerstoffverbrauchs
und/oder des Blutglukosespiegels anhand der Intensitäten der
von dem Körpergewebe gestreuten
und/oder transmittierten Strahlung der beiden Strahlungsquellen.
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Sinnvollerweise
sind die Strahlungsquellen und die Strahlungssensoren bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
an der Bedienoberfläche
der Tastatur angeordnet, beispielsweise seitlich beabstandet von
den Bedientasten der Tastatur. Bei dieser Ausgestaltung kann die
optische Messeinheit der Messvorrichtung jederzeit bei der Arbeit
am Computer benutzt werden, beispielsweise indem ein Finger auf
ein Messfeld an der Bedienoberfläche
der Tastatur gelegt wird, in welchem die Strahlungsquellen und die
Strahlungssensoren angeordnet sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung
zusätzlich
eine in die Tastatur integrierte diagnostische Messeinheit zur Erfassung
von lokalen Gewebeparametern, wie Fettgehalt, Wassergehalt und/oder Durchblutung
auf, wobei die Auswertungseinheit eingerichtet ist zur Bestimmung
des wenigstens einen lokalischen metabolischen Parameters aus den
Signalen der optischen Messeinheit und den Gewebeparametern.
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Ein
wichtiger lokaler Gewebeparameter im Sinne der Erfindung ist beispielsweise
die Durchblutung. Damit sind die durchblutungsbedingten Volumenschwankungen
des untersuchten Körpergewebes
gemeint. Zur Erfassung der Durchblutung kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung
insofern mit einer Plethysmographieeinheit herkömmlicher Art (z. B. Photoplethysmograph)
ausgestattet sein. Somit kann die optische Messeinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
gleichzeitig zur Erfassung der lokalen Gewebeparameter genutzt werden.
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Die
Erfindung basiert u. a. auf der Erkenntnis, dass durch die Kombination
der Erfassung von oximetrischen und plethysmographischen Signalen die
Möglichkeit
eröffnet
wird, lokale metabolische Parameter zu bestimmen.
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Für die Ermittlung
des lokalen Sauerstoffverbrauchs sollte mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
zusätzlich
zur oximetrisch bestimmten arteriellen Sauerstoffkonzentration auch
die kapillare Sauerstoffkonzentration im Gewebe bestimmt werden
können.
Hierzu muss allerdings die Zusammensetzung des untersuchten Körpergewebes
bekannt sein. Entscheidende Parameter sind der lokale Fettgehalt
und/oder der Wassergehalt des Körpergewebes.
Diese Parameter können
beispielsweise mittels bioelektrischer Impedanzmessung erfasst werden. Gemäß einer
sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung ist eine herkömmliche
(optische) Oximetrieeinheit mit einer bioelektrischen Impedanzmesseinheit
in einem einzigen Gerät
kombiniert. Aus den mittels der bioelektrischen Impedanzmesseinheit
gewonnenen Messsignalen kann die Zusammensetzung des untersuchten
Körpergewebes
bestimmt werden. Auf dieser Grundlage kann dann aus den oximetrischen Signalen
mittels der Auswertungseinheit der Messvorrichtung die kapillare
Sauerstoffsättigung
im Gewebe ermittelt werden. Für
die bioelektrische Impedanzmessung sind zweckmäßigerweise Elektroden in die
Bedienoberfläche
der Tastatur integriert.
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Eine
sinnvolle Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sieht vor,
dass die bioelektrische Impedanzmesseinheit außerdem zur Erfassung von globalen
Gewebeparametern, wie globaler Fettgehalt und/oder globaler Wassergehalt, ausgebildet
ist. Hierdurch wird die Funktionalität der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
erweitert. Die bioelektrische Impedanzmesseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
kann derart ausgestaltet sein, dass damit sowohl lokale wie auch
globale Gewebeparameter gemessen werden können.
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Die
Zusammensetzung des Körpergewebes kann
mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung auch
optisch bestimmt werden. Das Prinzip der optischen Bestimmung des
Körperfettgehalts
mittels Infrarotlicht ist aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu
kann die optische Messeinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung genutzt
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen in die Tastatur integrierten Wärmesensor zur Bestimmung der
lokalen Wärmeproduktion.
Vorzugsweise ist mittels des Wärmesensors
eine orts-, zeit- und tiefenaufgelöste Wärmemessung am Messort möglich. Anhand
des Wärmeaustauschs
kann auf die lokale Stoffwechselaktivität zurückgeschlossen werden. Außerdem ist
der Wärmesensor
zur Bestimmung der lokalen Durchblutung geeignet. Bezüglich näherer Hintergrundinformationen
zur Wärmemessung
wird auf die Veröffentlichung
von Nitzan et al. verwiesen (Meir Nitzan, Boris Khanokh, „Infrared
Radiometry of Thermally Insulated Skin for the Assessment of Skin Blood
Flow", Optical Engineering
33, 1994, No. 9, S. 2953 bis 2956). Insgesamt liefert der
Wärmesensor Daten,
die mit Vorteil zur Bestimmung von metabolischen Parametern im Sinne
der Erfindung genutzt werden können.
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Die
arterielle Sauerstoffsättigung
(SaO2) und die venöse Sauerstoffsättigung
(SvO2) bestimmen abhängig von der Art des untersuchten
Gewebes die kapillare (arteriovenöse) Sauerstoffsättigung
(StO2). Es gilt: K·SvO2 + (1 – K)·SaO2 = StO2,wobei
K ein gewebeabhängiger
Korrekturfaktor ist, der vom Volumenverhältnis von Arterien zu Venen
im untersuchten Gewebe abhängt.
Im Mittel liegt dieser Wert etwas unter 0,5. Der für das jeweilige
Gewebe maßgebliche
Wert kann gemäß der Erfindung
durch bioelektrische Impedanzmessung ermittelt werden, um dann aus
der obigen Formel die venöse
Sauerstoffsättigung
zu bestimmen. Mittels Wärmemessung und/oder
bioelektrischer Impedanz (Impedanzplethysmographie) kann die Durchblutung
V, d. h. die durchblutungsbedingte Volumenschwankung des Gewebes
bestimmt werden. Nach der Beziehung VO2 = V·(SaO2 – SvO2)kann dann schließlich der lokale Sauerstoffverbrauch VO2 berechnet werden, der ein Maß für die metabolische
Aktivität
am Messort darstellt.
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Durch
eine EKG-Einheit zur Erfassung eines EKG-Signals über zwei
oder mehr EKG-Elektroden wird der Funktionsumfang der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
vorteilhaft erweitert. Gemäß dieser vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung werden mittels der Messvorrichtung plethysmographische
Signale und EKG-Signale kombiniert erfasst und ausgewertet. Die
Auswertungseinheit der Messvorrichtung kann dann mit Vorteil zur
Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Volumenpulssignale und der
EKG-Signale eingerichtet sein. Mittels einer geeigneten Programmsteuerung
ist die Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung dazu in
der Lage, die R-Zacken in dem EKG-Signal automatisch zu erkennen.
Damit wird automatisch der exakte Zeitpunkt des Herzschlags ermittelt.
Weiterhin ist die Auswertungseinheit aufgrund ihrer Programmsteuerung
dazu in der Lage, die Maxima in dem Volumenpulssignal zu erkennen.
Anhand der Maxima in dem Volumenpulssignal ist der Zeitpunkt des
Eintreffens einer bei einem Herzschlag ausgelösten Pulswelle an dem von der
Messvorrichtung erfassten peripheren Messort feststellbar. Somit
kann schließlich
der zeitliche Abstand zwischen einer R-Zacke in dem EKG-Signal und dem darauf
folgenden Maximum in dem Volumenpulssignal ermittelt werden. Dieser
zeitliche Abstand ist ein Maß für die so
genannte Pulswellengeschwindigkeit. Auf der Basis der Pulswellengeschwindigkeit
kann einerseits eine Aussage über den
Blutdruck getroffen werden. Eine Verkürzung der Pulswellengeschwindigkeit
geht nämlich
mit einer Erhöhung
des Blutdrucks einher, während
eine Verlängerung
der Pulswellengeschwindigkeit auf eine Blutdruckerniedrigung schließen lässt. Eine
exakte Bestimmung des Blutdrucks aus der Pulswellengeschwindigkeit
ist allerdings nicht möglich,
es können nur
Tendenzen angegeben werden. Weiterhin ist die Pulswellengeschwindigkeit
von der Dichte des Blutes und insbesondere von der Elastizität der Blutgefäßwandungen
(beispielsweise der Aorta) abhängig. Aus
der Elastizität
der Blutgefäße kann
wiederum auf eine ggf. vorliegende Arteriosklerose geschlossen werden.
Es können
in diese Auswertung auch die Absolutwerte der Herzfrequenz, die
Herzfrequenz variabilität
und entsprechende Arrhythmien des Herzens einbezogen werden. So
können
automatisch Arrhythmien wie Sinus Tachycardia, Sinus Bradycardia,
Sinus Arrest und so genannte Escape Beats festgestellt werden. Anhand
des EKG-Signals können
außerdem
Aussagen über
die zeitliche Dauer der Vorhofkontraktion des Herzens bei einem
Herzschlag, die zeitliche Dauer der Herzkammerkontraktion sowie
die Dauer der Relaxation der Herzkammer usw. festgestellt werden.
Außerdem
sind Vordiagnosen bezüglich
so genannter Blocks in der Leitung der elektrischen Erregungssignale
am Herzen (AV-Block, Bundle Branch-Block usw.) und auch bezüglich Durchblutungsstörungen oder
Infarkten möglich. Weitere
Irregularitäten
im Pulsverlauf sind anhand des Volumenpulssignals feststellbar.
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Durch
die Kombination der Auswertung des EKG-Signals und des Volumenpulssignals
bei der automatischen Auswertung ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung
zur funktionalen Bewertung des Gefäßsystems des Patienten selbsttätig in der
Lage. Auf der Grundlage der automatisch ausgewerteten Signale kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung
den (globalen) kardiovaskulären
Zustand oder allgemein die Fitness des Benutzers grob einschätzen und
bei Anzeichen einer Arteriosklerose oder sonstiger Herz-Kreislauf-Probleme
ein entsprechendes Warnsignal oder einen leicht interpretierbaren
Fitness- oder Risikoindikator für
den Benutzer der Vorrichtung erzeugen und diesen, beispielsweise über einen
an den Computer, mit dem die Tastatur verbunden ist, angeschlossenen
Monitor, anzeigen. Somit kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung vorteilhaft
zur Selbstdiagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen verwendet werden.
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Besonders
vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Kombination der vorgenannten
Messverfahren, nämlich
der Oximetrie, der bioelektrischen Impedanzmessung und der Wärmemessung.
Mittels der Auswertungseinheit der Vorrichtung können sämtliche Messsignale ausgewertet
werden, um daraus die arterielle, die kapillare und die venöse Sauerstoffsättigung
und daraus wiederum die lokale Stoffwechselaktivität zu bestimmen.
Dadurch wird eine hohe Effektivität und Zuverlässigkeit
bei der Erkennung von pathologischen Veränderungen erreicht. Die zusätzliche
EKG-Messung erlaubt, wie oben ausgeführt, Aussagen bezüglich des
Status des Herz-Kreislauf-Systems des Benutzers. Sämtliche Parameter können mit
Vorteil zu einem globalen Index zusammengefasst werden, der für den Benutzer
leicht interpretierbar ist und ihm einen direkten und fundierten Hinweis
auf seinen allgemeinen Gesundheitszustand gibt.
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Die
Kombination der verschiedenen Messverfahren, die in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
wie oben beschrieben, zusammengefasst sind, ist weiterhin vorteilhaft,
weil dadurch eine nicht-invasive Messung der Glukosekonzentration möglich ist,
wie im Folgenden erläutert
wird:
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung
dient zur Messung und zur Auswertung von Daten, die durch den Stoffwechsel
beeinflusst werden. Es leuchtet unmittelbar ein, dass dabei der
Energiehaushalt und die Zusammensetzung der von einem Benutzer der Messvorrichtung
aufgenommenen Nahrung eine große
Rolle spielen. Die Nährstoffe,
die am Stoffwechsel beteiligt sind, sind bekanntlich im Wesentlichen
Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße.
Kohlenhydrate werden zur weiteren Verarbeitung in Glukose, Eiweiße in Aminosäuren, und
Fette in Fettsäuren
umgewandelt. Die Energieträger
werden dann wiederum in den Zellen des Körpergewebes zusammen mit Sauerstoff unter
Abgabe von Energie zu ATP (Adenosintriphosphorsäure) umgewandelt. ATP ist der
eigentliche körpereigene
Energieträger.
Die Verwendung von Glukose zur Erzeugung von ATP ist bevorzugt.
Wenn die Erzeugung von ATP aus Glukose jedoch (z. B. wegen eines
Mangels an Insulin) gehemmt ist, findet stattdessen eine verstärkte Fettsäure-Oxidation
statt. Der Sauerstoffverbrauch ist bei diesem Prozess allerdings
ein anderer.
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Die
Reaktion des Metabolismus des menschlichen Körpers auf eine Nahrungsaufnahme hängt, wie
zuvor erwähnt,
von der Zusammensetzung der Nahrung charakteristisch ab. So reagiert beispielsweise
das vaskuläre
System des Körpers
in Abhängigkeit
davon, wie viel Energie der Körper
zur Verdauung der aufgenommenen Speisen benötigt. Anhand der mittels der
erfindungsgemäßen Messvorrichtung
bestimmbaren Pulswellengeschwindigkeit sowie auch anhand der Blutdruckamplitude
und des Pulses lässt
sich die Reaktion des Körpers
auf die Nahrungsaufnahme bestimmen. Hierzu ist zweckmäßigerweise
die Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Auswertung des
zeitlichen Verlaufs der Pulswellengeschwindigkeit und zur Ermittlung
der Zusammensetzung von einem Benutzer der Messvorrichtung aufgenommener Nahrung
anhand des zeitlichen Verlaufs der Pulswellengeschwindigkeit ab
dem Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme eingerichtet. Die Pulswellengeschwindigkeit,
sowie auch die Blutdruckamplitude und der Puls ändern sich, sobald die Nahrungsaufnahme
beginnt. Die Maxima und die jeweiligen Zeitpunkte der Maxima sind
dabei beeinflusst durch die Nahrungszusammensetzung. Der Verlauf
und die absolute Höhe
von Pulswellengeschwindigkeit, Blutdruckamplitude und Puls können herangezogen
werden, um mittels der Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
die Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung zu bestimmen.
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Der
Metabolismus des menschlichen Körpers
ist im Normalzustand, d. h. in Ruhe und in der so genannten thermoneutralen
Zone, im Wesentlichen durch den Glukosehaushalt bestimmt. Daher
kann die Glukosekonzentration in den Zellen des Körpergewebes
in diesen Normalzustand als reine Funktion der Wärmeproduktion und des Sauerstoffverbrauchs beschrieben
werden. Es gilt: [Glu] = f1(ΔT, VO2),wobei [Glu] für die Glukosekonzentration
steht. Die Wärmeproduktion ΔT kann mittels
des Wärmesensors
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
z.B. aus der Differenz zwischen der arteriellen Temperatur und der
Temperatur, welche die Hautoberfläche bei perfekter thermischer
Isolierung erreichen würde, bestimmt
werden (ΔT
= T∞ – TArterie). f1 (ΔT, VO2) gibt die funktionale Abhängigkeit
der Glukosekonzentration von der Wärmeproduktion und vom Sauerstoffverbrauch
an. Der Sauerstoffverbrauch ergibt sich, wie oben beschrieben, aus
dem Unterschied zwischen venöser
und arterieller Sauerstoffsättigung
und der Durchblutung. Zur Bestimmung der Glukosekonzentration während bzw.
direkt nach der Nahrungsaufnahme muss jedoch ein Korrekturtherm
berücksichtigt
werden, der den Anteil des Fettstoffwechsels am Energiehaushalt
wiedergibt. Es gilt dann: [Glu] = f1(ΔT, VO2) + X·f2(ΔT,
VO2)
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X
ist ein Faktor, der nach der Nahrungsaufnahme negativ ist. Dabei
hängt X
von der Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung ab. Insbesondere
ist X davon abhängig,
in welchem Verhältnis
Fett und Kohlenhydrate am Metabolismus beteiligt sind. Der Faktor
X lässt
sich, wie oben beschrieben, anhand des zeitlichen Verlaufs der Pulswellengeschwindigkeit
bestimmen. X ist 0, wenn reine Kohlenhydrate oder direkt Glukose
aufgenommen werden. Der Betrag von X steigt an, je größer der
Anteil von Fett an der aufgenommenen Nahrung ist. Zur Bestimmung
des Korrekturfaktors X aus dem zeitlichen Verlauf der Pulswellengeschwindigkeit,
der Blutdruckamplitude und/oder des Pulses wird normalerweise eine
Eichung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
zur Anpassung an den jeweiligen Benutzer der Vorrichtung erforderlich
sein. f2 (ΔT, VO2)
gibt für
den Fettstoffwechsel die funktionale Abhängigkeit der Glukosekonzentration
von der Wärmeproduktion und
vom Sauerstoffverbrauch an.
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Die
Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann somit
zur Bestimmung der lokalen Glukosekonzentration aus dem lokalen Sauerstoffverbrauch
und der lokalen Wärmeproduktion
eingerichtet sein. Hierzu muss die Messvorrichtung die geeigneten
Messmodalitäten
aufweisen. Die Ermittlung des Sauerstoffverbrauchs, kann, wie oben erläutert, durch
die Kombination der Oximetrie mit der bioelektrischen Impedanzmessung
erfolgen. Zur Ermittlung der Wärmeproduktion
ist dann noch zusätzlich
ein geeigneter Wärmesensor
erforderlich. Um schließlich
die Glukosekonzentration nach dem oben angegebenen funktionalen
Zusammenhang berechnen zu können,
muss noch der Korrekturfaktor X, beispielsweise aus dem zeitlichen
Verlauf der Pulswellengeschwindigkeit, ermittelt werden. Dies kann, wie
ebenfalls oben erläutert,
durch kombinierte Messung von EKG-Signalen und plethysmographischen Signalen
erfolgen. Zur Bestimmung der Glukosekonzentration sind also zweckmäßigerweise
in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
ein Pulsoximeter, eine EKG-Einheit, eine bioelektrische Impedanzmesseinheit
sowie ein Wärmesensor
kombiniert.
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Die
zuvor skizzierte Methode erlaubt zunächst nur eine Bestimmung der
intrazellulären
Glukosekonzentration. Mit der Blutglukosekonzentration besteht vereinfacht
der folgende Zusammenhang: [Glu]Zelle =
a + b·In
(c·[Glu]Blut)
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Die
Konstanten a, b und c hängen
von der individuellen Physiologie des Benutzers der Messvorrichtung
ab. Somit kann die Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
weiterhin eingerichtet sein zur Bestimmung des Blutglukosespiegels
aus der lokalen Glukosekonzentration, wobei von der Physiologie
des Benutzers der Messvorrichtung abhängige Parameter berücksichtigt
werden müssen.
Diese Parameter können
durch entsprechende Eichung bestimmt werden, beispielsweise durch
Vergleich mit in herkömmlicher
Weise invasiv bestimmten Blutglukosewerten.
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Für die praktische
Realisierung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
bildet vorteilhafterweise der Computer, an den die Tastatur angeschlossen
ist, die Auswertungseinheit, wobei die oben beschriebenen Funktionen
der Auswertungseinheit durch auf dem Computer ablaufende Software
realisiert sind und wobei die mittels der Software ermittelten physiologischen
Parameter mittels des Computers gespeichert werden. Bei dieser Ausgestaltung wird
die bei dem Computer ohnehin vorhandene Datenverarbeitungselektronik
zur Verarbeitung der mittels der diagnostischen Messeinheit gewonnen Messsignale
benutzt. Dies lässt
sich durch Bereitstellung entsprechender Software leicht bewerkstelligen. Gleichzeitig
können
die mittels der Software ermittelten physiologischen Parameter mittels
des Computers gespeichert werden. Dies ermöglicht es einerseits, den Verlauf
einer Erkrankung und die Effekte einer entsprechenden Therapie zu
verfolgen und zu dokumentieren. Andererseits können die gespeicherten Daten,
beispielsweise durch Übertragung über ein
mit dem Computer verbundenes Datennetz, an einen behandelnden Arzt übermittelt
werden, der die Daten dann auswertet, um eine detaillierte Zustandsdiagnostik
durchzuführen.
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Sinnvoll
ist es weiterhin, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eine durch den
mit der Tastatur verbundenen Computer realisierte Diagnoseeinheit
zur Bewertung der mittels der Auswertungseinheit ermittelten physiologischen
Parameter aufweist. Die Funktionen der Diagnoseeinheit können wiederum
durch auf dem Computer ablaufende Software realisiert sein. Die
Auswertungseinheit ist dafür
zuständig,
die erfassten Signale auszuwerten, um daraus die für die Diagnostik
erforderlichen Parameter in der oben beschriebenen Art und Weise
zu bestimmen. Diese Parameter werden dann von der Diagnoseeinheit
weiter verarbeitet, um daraus Rückschlüsse bezüglich etwaiger
Erkrankungen zu ziehen. Die Diagnoseeinheit ist auch dafür zuständig, insbesondere
bei Verwendung der Messvorrichtung zur Selbstdiagnose durch einen
Benutzer, das Vorliegen einer Erkrankung automatisch zu erkennen
und gegebenenfalls ein entsprechendes Warnsignal für den Benutzer
zu erzeugen.
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Sinnvollerweise
ist also die Diagnoseeinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Bestimmung
des Status des Herz-Kreislauf-Systems aus den mittels der Auswertungseinheit
ermittelten Parametern eingerichtet. Gemäß einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist die Diagnoseeinheit außerdem zur
Berechnung eines globalen Fitnessindex auf der Basis des Status
des Herz-Kreislauf-Systems und den (mittels bioelektrischer Impedanzmessung
erfassten) globalen Gewebeparametern eingerichtet. Somit können die
globalen Gewebeparameter genutzt werden, um den globalen Fitnessindex
zu erhalten, der besonders aufschlussreich Auskunft über den
momentanen Gesundheitszustand des Benutzers gibt. Zur Bestimmung
des globalen Fitnessindex können
sämtliche erfassten
Messwerte des Benutzers einbezogen werden. Gegebenenfalls wird eine
Mittelung über
einen vorgebbaren Zeitraum durchgeführt. Neben den kardiovaskulären Messwerten
und den globalen Gewebeparametern (globaler Fettgehalt, globaler
Wassergehalt) können
auch die lokalen Gewebeparameter sowie die lokalen metabolischen
Parameter (z. B. lokaler Sauerstoffverbrauch) mit berücksichtigt
werden. Das Ergebnis ist dann der globale Fitnessindex als einzelner
Wert, der für
den Benutzer der Messvorrichtung besonders einfach interpretierbar
ist.
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Zweckmäßigerweise
ist mit dem Computer der erfindungsgemäßen Messvorrichtung eine Anzeigeeinheit,
beispielsweise ein herkömmlicher
Monitor, zur Anzeige der ermittelten physiologischen Parameter und
zur Ausgabe der mittels der Diagnoseeinheit erzeugten Untersuchungsergebnisse
verbunden.
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Eine
besonders praktische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
ergibt sich, wenn der Computer ein mobiles Gerät, insbesondere ein Notebook,
ein Laptop, ein Palmtop oder ein Handheld ist. In diesem Falle können die
diagnostischen Messungen von dem Benutzer des Computers jederzeit,
auch unterwegs, durchgeführt
werden.
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Bei
photoplethysmographischen Messungen hat der Anpressdruck des Fingers
auf den optischen Sensor signifikanten Einfluss auf die Messsignale. Demzufolge
ist es sinnvoll, die erfindungsgemäße Messvorrichtung mit Mitteln
zur Bestimmung des Anpressdrucks eines auf die Messeinheit aufgelegten Fingers
auszustatten. Es kann sich dabei um herkömmliche Drucksensoren, beispielsweise
in Form eines piezoresistiven Elements handeln. Ebenso möglich sind
optische Verfahren zur Bestimmung des Fingeranpressdrucks. Denkbar
ist es auch, den Fingeranpressdruck aus den (photoplethysmographischen)
Signalen selbst zu bestimmen, da sich der Fingeranpressdruck charakteristisch
auf die Messsignale auswirkt. Der ermittelte Fingeranpressdruck kann
dann bei der weiteren Auswertung der Messsignale berücksichtigt
werden, um den Einfluss des Anpressdrucks beispielsweise auf die
Durchblutung zu kompensieren.
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Eine
sinnvolle Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ergibt
sich durch Integration eines zusätzlichen
Temperatursensors zur Bestimmung der Raumtemperatur in der Umgebung
der Messvorrichtung. Es bietet sich beispielsweise die Verwendung
eines Temperatursensors an, dessen Funktion auf der Messung der
Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Umgebungsluft basiert.
Die Umgebungstemperatur beeinflusst den Metabolismus des menschlichen
Körpers.
Insofern ist es sinnvoll, die Umgebungstemperatur bei der Auswertung
der mittels der Messvorrichtung gewonnenen Messsignale zu berücksichtigen.
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Die
Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann vorteilhafterweise
eingerichtet sein zur Bestimmung der Atemfrequenz aus den Messsignalen
der Messeinheit. So kann die Atemfrequenz beispielsweise anhand
der photoplethysmographisch ermittelten Pulsamplitude abgeschätzt werden.
Die Pulsamplitude hängt
wiederum reziprok von der Herzfrequenz ab.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematische
Ansicht der erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
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2 Darstellung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
anhand eines Blockdiagramms;
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3 Blockdiagramm-Darstellung
der Oximetrieeinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
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4 Blockdiagramm-Darstellung
der Wärmemesseinheit;
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5 Blockdiagramm-Darstellung
der Impedanzmesseinheit der Messvorrichtung;
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6 Blockdiagramm-Darstellung
der EKG-Einheit der Messvorrichtung.
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In
der 1 ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung insgesamt
mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 umfasst
einen Computer 2, der mit einer Tastatur 3 verbunden
ist. In die Bedienoberfläche
der Tastatur 3 sind verschiedene diagnostische Messeinheiten
integriert. Diese berührt
der Benutzer der Vorrichtung zur Durchführung einer Messung mit den
Fingerspitzen. In die Tastatur sind Lichtquellen 4, 4' beispielsweise in
Form von Leuchtdioden integriert, die dazu in der Lage ist, Licht
bei verschiedenen Wellenlängen
zu emittieren. Hierzu können
beispielsweise verschiedene lichtemittierende Halbleiterelemente
in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht sein. Ebenso denkbar ist die Verwendung von Lichtwellenleitern, um
das Licht von verschiedenen Lichtquellen an die Bedienoberfläche der
Tastatur 3 zu führen.
Des Weiteren umfasst die Tastatur 3 einen oder mehrere
Fotosensoren 5. Die Fotosensoren sind in unmittelbarer Nähe zur Lichtquelle 4 bzw. 4' angeordnet.
Die Sensoren 5 empfangen das im Gewebe an der Fingerspitze
des Benutzers gestreute Licht der Lichtquelle 4 bzw. 4'. Weiterhin
ist unmittelbar neben der Lichtquelle 4 bzw. 4' ein Wärmesensor 6 vorgesehen.
Dadurch ist gewährleistet,
dass die Bestimmung der Durchblutung anhand der Wärmemessung
am selben Messort erfolgt wie die optische Messung. Außerdem sind
an der Bedienoberfläche
der Tastatur 3 insgesamt vier Elektroden 7 bzw. 7' zur Messung
der lokalen bioelektrischen Impedanz vorgesehen. Der Benutzer der
Vorrichtung berührt
mit einer Hand jeweils zwei Elektroden 7 bzw. 7' gleichzeitig.
Eine der beiden Kontaktflächen
dient zur Aufprägung
eines elektrischen Stromes am Messort, während die andere Kontaktfläche zur
Spannungsmessung genutzt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt,
dass die Messergebnisse nicht von den Kontaktwiderständen der Messelektroden
beeinflusst sind. Die beiden mit der Bezugsziffer 7 bezeichneten
Elektroden werden außerdem
als EKG-Elektroden einer ebenfalls in die Tastatur 3 integrierten
EKG-Einheit der Messvorrichtung 1 verwendet. Die beiden
Elektroden werden jeweils mit den Fingerspitzen berührt, so
dass sich eine Zweipunkt-Ableitung (Arm-zu-Arm-Messung) ergibt. Die
mittels der verschiedenen in die Tastatur 3 integrierten
Sensoren aufgenommenen Messsignale werden mittels des Computers 2 verarbeitet.
Die so gewonnenen physiologischen Parameter werden dann auf einer
Anzeigefläche 8 eines
an den Computer 2 angeschlossenen Monitors 9 ausgegeben.
Angezeigt werden z. B. die arterielle (SaO2),
die kapillare (StO2) und die venöse (SvO2) Sauerstoffsättigung. Angezeigt wird weiterhin
die ermittelte Herzfrequenz (HR), der Fettgehalt des Gewebes (BF).
Schließlich wird
noch ein Blutglukosewert (BG) angezeigt. Der Benutzer der Messvorrichtung 1 kann
jederzeit die ihn interessierenden physiologischen Parameter ermitteln.
Hierzu legt er lediglich die Finger, mit denen er ansonsten die
Tasten der Tastatur 3 betätigt, auf die Elektroden 7, 7'. Die Parameter
werden dann nach der Verarbeitung der Messsignale mittels des Computers 2 sofort
mittels des Monitors 9 angezeigt. Der Benutzer der Vorrichtung 1 muss
seine Arbeit am Computer 2 also zur Ermittlung der physiologischen Parameter
praktisch nicht unterbrechen.
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Bei
dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind zwei Strahlungsquellen 4 und 4' vorgesehen, welche unterschiedliche
Volumenbereiche des untersuchten Körpergewebes bestrahlen. Hierzu
haben die zwei Strahlungsquellen 4 und 4' unterschiedliche
räumliche
Abstrahlcharakteristiken, nämlich unterschiedliche
Abstrahlwinkel. Bei der Strahlungsquelle 4 handelt es sich
um eine Leuchtdiode, während
es sich bei der Strahlungsquelle 4' um einen Laser, beispielsweise
einen so genannten VCSEL-Laser (engl. "vertical cavity surface emitting laser") handelt. Sowohl
die Leuchtdiode 4 als auch der Laser 4' emittieren
Licht mit sehr ähnlicher
Wellenlänge
(z. B. 630 nm und 650 nm), aber mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln
(z. B. 25° und
55°). Mit der
in der 1 dargestellten Anordnung ist – wie oben beschrieben – eine differenzielle
Messung von Metabolismus-induzierten Änderungen des Sauerstoffgehalts
im Blut möglich.
Hierzu muss die Wellenlänge
der von den beiden Strahlungsquellen 4 und 4' jeweils emittierten
Strahlung in einem Bereich liegen, in welchem das Licht von Oxihämoglobin
und Desoxihämoglobin
unterschiedlich stark absorbiert wird. Für eine Absolutmessung des Sauerstoffgehalts
des Blutes (Sauerstoffsättigung)
müssen
weitere Strahlungsquellen (in der 1 nicht
dargestellt) vorhanden sein, deren Lichtwellenlänge in einem Spektralbereich
liegt, in welchem die Lichtabsorption von Oxihämoglobin und Desoxihämoglobin
im Wesentlichen gleich ist (so genannter isobektischer Punkt). Das
von der Leuchtdiode bzw. von dem Laser emittierte Licht kann mittels
entsprechender Lichtleitfasern an die entsprechende Stelle an der
Bedienoberfläche
der Tastatur geführt
werden. In diesem Fall sind mit den Bezugsziffern 4 und 4' in der 1 die entsprechenden
Faserenden dargestellt. Es ist möglich,
die Leuchtdiode und den Laser so an die entsprechenden Fasern anzukoppeln,
dass sie mit dem gewünschten
unterschiedlichen Öffnungswinkel
in das zu untersuchende Körpergewebe
einstrahlen. Dementsprechend werden mit beiden Strahlungsquellen
unterschiedliche Volumina des Körpergewebes
untersucht. Aufgrund des größeren Öffnungswinkels
ist der Anteil der nicht-durchbluteten Epidermis an dem mittels
der Leuchtdiode untersuchten Körpergewebe
größer als
beim Laser. Das im Körpergewebe
gestreute und teilweise absorbierte Licht sowohl der Strahlungsquelle 4 als
auch der Strahlungsquelle 4' wird
mittels der Sensoren 5 detektiert. Die Sensoren 5 müssen nicht
direkt an der Bedienoberfläche der
Tastatur 3 angeordnet sein. Stattdessen kann das Licht über Lichtleitfasern
den im Inneren der Tastatur 3 angeordneten Sensoren zugeführt werden.
Zur Unterscheidung des Lichtes der Strahlungsquelle 4 von dem
Licht der Strahlungsquelle 4' können die
beiden Lichtquellen 4 und 4' unterschiedlich zeitlich moduliert
betrieben werden, wobei die mittels der Sensoren 5 detektierten
Signale entsprechend demoduliert werden. Alternativ ist es möglich, die
Strahlung der beiden Strahlungsquellen 4 und 4' anhand der
unterschiedlichen Wellenlänge
zu unterscheiden. Die Strahlungsintensität der von den Strahlungsquellen 4 und 4' emittierten
Strahlung wird mit der Weglänge beim
Durchgang durch das Körpergewebe
geschwächt,
wobei der Zusammenhang der Intensitätsschwächung mit der Konzentration
der absorbierenden Substanz (oxigeniertes Hämoglobin) durch das bekannte
Lambert-Beersche Gesetz gegeben ist. Mittels der in der 1 dargestellten
Sensoren 5 können
die interessierenden Parameter der Intensitätsschwächung bestimmt werden, und
zwar getrennt für
die von den Strahlungsquellen 4 und 4' jeweils erfassten
Volumenbereiche des untersuchten Körpergewebes. Die den verschiedenen
Strahlungsquellen 4 und 4' zuzuordnenden Parameter der Intensitätsschwächung können mittels
der Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zueinander
in Beziehung gesetzt werden, um auf diese Weise eine differenzielle
Messung durchzuführen.
Im einfachsten Fall werden aus den Parametern der Intensitätsschwächung der
Strahlung der beiden Strahlungsquellen 4 und 4' jeweils Quotienten berechnet.
Aus Änderungen
dieser Quotienten kann dann auf Änderungen
im Metabolismus zurückgeschlossen
werden. Steigt beispielsweise nach der Nahrungsaufnahme der Blutglukosespiegel,
gelangt (nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung) entsprechend mehr Glukose
in die Zellen des Körpergewebes
und wird dort umgesetzt. Dabei wird Sauerstoff verbraucht. Diesen
Sauerstoff erhalten die Zellen über
das Blut. Dabei wird aus dem oxigenierten Hämoglobin durch Abgabe von Sauerstoff
desoxigeniertes Hämoglobin.
Dementsprechend steigt das Verhältnis
von desoxigeniertem Hämoglobin
zu oxigeniertem an. Aufgrund der unterschiedlichen Öffnungswinkel
der Strahlung der Strahlungsquellen 4 und 4' wirken sich
die Änderungen
der Hämoglobinkonzentration
unterschiedlich auf die jeweilige Intensitätsschwächung aus. Somit können aus
den Quotienten der Parameter der Intensitätsschwächung Veränderungen der Hämoglobinkonzentration
detektiert werden. Dies ermöglicht
es, indirekt auf den Sauerstoffverbrauch zurückzuschließen. Da der Sauerstoffverbrauch
seinerseits von dem Blutglukosespiegel abhängt, kann mittels der erläuterten
differenziellen Messung der Strahlungsabsorption auch der Blutglukosespiegel
ermittelt werden. Als sinnvolle Ergänzung wird parallel zur optischen
Messung eine Bioimpedanzanalyse durchgeführt, wozu die in der 1 dargestellten Elektroden 7 und 7' vorgesehen
sind. Zweck der Bioimpedanzmessung ist vor allem die Bestimmung
der lokalen Durchblutung. Diese kann als weiterer Parameter bei
der Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs und damit auch des Blutglukosespiegels
herangezogen werden. Unterschiedliche Öffnungswinkel der Strahlung
können
auch mit nur einer Strahlungsquellen 4 durch Verwendung
entsprechender optischer Elemente (z.B. Strahlteiler, Linsen etc.)
erzeugt werden.
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Die 2 zeigt
schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung als Blockdiagramm.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine optische Messeinheit 100 zur
optischen Messung der Sauerstoffkonzentration im Blutgefäßsystem
des Körpergewebes
am jeweiligen Messort. Die mittels der optischen Messeinheit 100 erfassten
oximetrischen und plethysmographische Signale werden einer Analyseeinheit 110 zugeführt. Eine
weitere wesentliche Komponente der Vorrichtung 1 ist eine
Wärmemesseinheit 120 zur
Bestimmung der lokalen Wärmeproduktion.
Bei der Wärmemesseinheit 120 handelt
es sich um einen speziellen Wärmesensor,
welcher die jeweils untersuchte Körperstelle isoliert. Diese
Stelle kann somit nur noch Wärme
durch den Blutstrom aufnehmen oder abgeben. Daher ist es möglich, durch die
zeitaufgelöste
Messung der Temperatur die Durchblutung und die Wärmeproduktion
zu bestimmen. Bei einer starken Durchblutung erreicht die untersuchte
Körperstelle
in sehr kurzer Zeit ihre maximale Temperatur. Bei geringer Durchblutung
dauert dies länger.
Zusätzlich
kann über
die Extrapolation der gemessenen Temperatur auf die arterielle Temperatur
geschlossen werden, da die Temperatur am Ort der Messung nur durch
die arterielle Temperatur und durch die lokale Wärmeproduktion bestimmt wird.
Auch die mittels der Wärmemesseinheit 120 erfassten
Messsignale werden der Analyseeinheit 110 zur Weiterverarbeitung
zugeführt.
Außerdem
umfasst die Messvorrichtung 1 eine Impedanzmesseinheit 130,
die zur Erfassung von lokalen Gewebeparametern mittels bioelektrischer
Impedanzmessung dient. Die Messsignale der Impedanzmesseinheit 130 werden
ebenfalls mittels der Analyseeinheit 110 verarbeitet. Schließlich ist
gemäß der Erfindung
noch eine EKG-Einheit 132 zur Erfassung eines EKG-Signals
vorgesehen. Auch die EKG-Einheit 132 ist zur Verarbeitung
der EKG-Signale mit der Analyseeinheit 110 verbunden. Der
optischen Messeinheit 100 sind die Lichtquelle 4 sowie
die Lichtsensoren 5 der in der 1 dargestellten
Tastatur 3 zugeordnet. Die Wärmemesseinheit 120 ist
mit dem Wärmesensor 6 verbunden.
Die Impedanzmesseinheit 130 erfasst Messsignale über die
Elektroden 7 bzw. 7' der
Tastatur 3. Die Analyseeinheit 110 führt eine
Vorverarbeitung sämtlicher
Messsignale durch. Hierzu durchlaufen die Signale ein Bandpass-Filter,
um Störungen
im Bereich der Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz herauszufiltern. Des
Weiteren werden die Signale einer Rauschunterdrückung unterzogen. Nach Passieren der
Analyseeinheit 110 gelangen die aufbereiteten Signale der
optischen Messeinheit 100, der Wärmemesseinheit 120,
der Impedanz-Messeinheit 130 und der EKG-Einheit 132 in
eine Auswertungseinheit 140. Die Auswertungseinheit 140 ist
dafür zuständig, aus den
Messsignalen die für
die Diagnose wesentlichen Parameter zu berechnen. Die Funktionen
der Auswertungseinheit 140 sind im Wesentlichen durch Software
realisiert, die auf dem Computer 2 abläuft. Aus den zeitabhängig aufgenommenen
Messsignalen der Impedanzmesseinheit 130 wird zunächst die Zusammensetzung
des untersuchten Körpergewebes
(Wassergehalt, Fettgehalt usw.) berechnet. Aus den Signalen der
optischen Messeinheit 100 wird die arterielle Sauerstoffsättigung
und – unter
Zugrundelegung der zuvor auf der Basis der Impedanzmessung ermittelten
Gewebeparameter – die
kapillare Sauerstoffsättigung
berechnet. Weiterhin werden aus den Messsignalen der Wärmemesseinheit 120 und aus
den plethysmographischen Daten, die aus der zeitabhängigen Impedanzmessung
ableitbar sind, die Durchblutung und die arterielle Temperatur bestimmt.
Aus den Signalen der EKG-Einheit 132 und denjenigen der
optischen Messeinheit 100 wird die Pulswellengeschwindigkeit
bestimmt. Schließlich werden
mittels der Auswertungseinheit 140 aus den Ergebnissen
sämtlicher
zuvor durchgeführter
Berechnungen die venöse
Sauerstoffsättigung,
und daraus weitere metabolische Parameter, insbesondere der lokale
Sauerstoffverbrauch und die Glukosekonzentration am Messort berechnet.
Die Berechnungsergebnisse werden mittels einer Diagnoseeinheit 150 interpretiert.
Die Diagnoseeinheit 150, die ebenfalls als Software auf
dem Computer 2 implementiert ist, dient zur Bewertung der
mittels der Auswertungseinheit 140 berechneten lokalen
metabolischen Parameter. Die Auswertungseinheit 140 und
die Diagnoseeinheit 150 sind zur Anzeige der Messresultate
mit einer Grafikeinheit 160 verbunden, die ihrerseits den Monitor 9 ansteuert.
Die gewonnenen Daten sind in einer Speichereinheit 170 speicherbar,
und zwar unter gleichzeitiger Speicherung des Datums und der Uhrzeit
der jeweiligen Messung. Außerdem
ist eine Schnittstelleneinheit 180 vorgesehen, die zur
Verbindung des Computers 2 mit einem Datennetzwerk zur Übertragung
der berechneten physiologischen Parameter dient. Über die
Schnittstelleneinheit 180 können sämtliche Daten und Parameter,
insbesondere auch die in der Speichereinheit 170 gespeicherten Daten
und Parameter, an einen nicht näher
dargestellten PC eines behandelnden Arztes übertragen werden. Dort können die
Daten detaillierter analysiert werden. Insbesondere können über einen
längeren Zeitraum
mit der Vorrichtung 1 aufgenommene Daten und Parameter
auf Veränderungen
hin untersucht werden, um daraus Schlussfolgerungen hinsichtlich der
Entwicklung einer bestehenden Erkrankung ableiten zu können.
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Die 3 illustriert
den Aufbau der optischen Messeinheit 100 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Die optische Messeinheit 100 umfasst einen Mikrokontroller 190.
Bestandteil des Mikrokontrollers 190 ist ein Timing-Generator 200.
Dieser erzeugt Steuerungssignale, die einer Modulationseinheit 210 zugeführt werden.
Dadurch wird die zeitliche Modulation der Lichtemission der Leuchtdiode 4 gesteuert.
Die Leuchtdiode 4 ist über
eine Regelungseinheit 220 mit der Modulationseinheit 210 verbunden.
Die Intensität des
von der Leuchtdiode 4 emittierten Lichtes ist außerdem über eine
Leistungssteuerungseinheit 230 anpassbar. Die Leuchtdiode 4 ist
dazu in der Lage, Licht bei zumindest drei verschiedenen Wellenlängen zu
emittieren. Hierzu sind verschiedene Licht emittierende Halbleiterbauelemente
in einem einzigen Gehäuse
der Leuchtdiode 4 vereinigt. Mittels des Timing-Generators 200 wird
die zeitliche Abfolge der Lichtemission bei den verschiedenen Lichtwellenlängen gesteuert.
Die in den Messkopf 3 der Vorrichtung 1 integrierten
Photosensoren 5 sind ebenso wie die Leuchtdiode 4 mit
dem in der 3 schematisch angedeuteten Körpergewebe 240 des
Benutzers in Kontakt. In dem Körpergewebe 240 wird
das Licht der Leuchtdiode 4 gestreut und entsprechend der Sauerstoffkonzentration
des Blutes, das das Gewebe 240 durchströmt, absorbiert. Das gestreute
Licht wird von den Photosensoren 5 registriert. Der Photostrom jedes
Photosensors 5 wird mittels eines Konverters 250 in
eine Spannung umgewandelt, mittels eines Verstärkers 260 verstärkt und
mittels eines Analog/Digital-Wandlers 270 in digitale Messsignale
umgewandelt. Die Digitalsignale werden sodann einem Demodulator 280 zugeführt, der
Bestandteil des Mikrokontrollers 190 ist. Der Demodulator 280 separiert die
aufgenommenen Messsignale nach den entsprechenden Lichtwellenlängen. Schließlich werden
die Signale an die Analyseeinheit 110 weitergegeben.
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Anhand
der 4 wird der Aufbau der Wärmemesseinheit 120 der
erfindungsgemäßen Messvorrichtung
erläutert.
Der Wärmesensor 6,
der mit dem Körpergewebe 240 in
Berührung
ist, weist mehrere nicht näher
dargestellte Temperaturmesselemente sowie ein wärmeleitendes Element auf. Sobald
der Sensor 6 mit dem Gewebe 240 in Kontakt kommt,
beginnt ein Wärmeaustausch.
Mittels der Temperaturmesselemente wird die Temperatur an verschiedenen
Stellen an dem wärmeleitenden
Element des Sensors 6 gemessen. Hieraus kann die in dem
Gewebe 240 lokal produzierte Wärme (orts-, zeit- und tiefenaufgelöst) bestimmt
werden. Die mittels der Temperaturmesselemente erfassten Signale durchlaufen
einen Impedanzwandler 290 sowie einen Verstärker 292 und
werden mittels eines Analog/Digital-Wandlers 300 digitalisiert.
Die digitalen Messsignale werden sodann der Analyseeinheit 110 zur
weiteren Verarbeitung zugeführt.
Ein geeigneter Wärmesensor 6 ist
beispielsweise in der Veröffentlichung
von Ok Kyung Cho et al. (Ok Kyung Cho, Yoon Ok Kim, Hiroshi
Mitsumaki, Katsuhiko Kuwa, "Noninvasive
Measurement of Glucose by Metabolic Heat Conformation Method", Clinical Chemistry
50, 2004, Nr. 10, S. 1894 bis 1898) beschrieben.
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In
der 5 ist der Aufbau der Impedanzmesseinheit 130 der
erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 dargestellt.
Die Impedanzmesseinheit 130 umfasst Elektroden 7 und 7'. Über Kontaktflächen 7 wird
dem untersuchten Körpergewebe 240 ein
Wechselstrom aufgeprägt,
der mittels einer Stromquelle 310 erzeugt wird. Die Stromquelle 310 wird
von einem Sinusgenerator 320 angesteuert. Die Frequenz des
Wechselstroms variiert zwischen 20 kHz und 100 kHz. Über Kontaktflächen 7' wird eine Spannung
als Messsignal am Körpergewebe 240 abgegriffen.
Aus dem Verhältnis
der gemessenen Spannung zu dem aufgeprägten Strom kann auf die Impedanz
des Körpergewebes 240 zurückgeschlossen
werden. Hierzu wird die Spannung mittels eines Verstärkers 330 verstärkt und
mittels eines Filters 340 gefiltert, um Störsignale zu
eliminieren. Wiederum erfolgt eine Digitalisierung mittels eines
Analog/Digital-Wandlers 350. Die digitalisierten Messwerte
werden wiederum der Analyseeinheit 110 zur weiteren Verarbeitung
zugeführt.
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Anhand
der 6 wird der Aufbau der EKG-Einheit 132 der
erfindungsgemäßen Messvorrichtung
veranschaulicht. Die EKG-Einheit 132 erfasst ein EKG-Signal über EKG-Elektroden 7.
Es sind dies die Elektroden der Impedanzmesseinheit 130. Die
Elektroden 7 haben also bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Doppelfunktion. Für
eine brauchbare Zweipunkt-Ableitung
des EKG-Signals wird dadurch erzeugt, dass, wie oben erwähnt, die beiden
Elektroden 7 mit jeweils einer Hand berührt werden. Die beiden Elektroden 7 sind
in die Tastatur 3 integriert. Separate, z. B. über Kabel
angeschlossene Elektroden sind (für eine einfache Zweipunkt-Ableitung
des EKG-Signals) nicht erforderlich. Das abgeleitete EKG-Signal
wird mittels Verstärker 360 und Filter 370 aufbereitet.
Nach Passieren eines weiteren Analog/Digital-Wandlers 380 wird
das Signal an die Analyseeinheit 110 weitergegeben.