DE102010056478A1 - Apparatus for complex long-term monitoring of human autonomic regulation during sleep or falling asleep relaxation phases, has breathing mask comprising forehead pad with sensor unit to non-invasively register vegetative parameters - Google Patents

Apparatus for complex long-term monitoring of human autonomic regulation during sleep or falling asleep relaxation phases, has breathing mask comprising forehead pad with sensor unit to non-invasively register vegetative parameters

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DE102010056478A1 DE201010056478 DE102010056478A DE102010056478A1 DE 102010056478 A1 DE102010056478 A1 DE 102010056478A1 DE 201010056478 DE201010056478 DE 201010056478 DE 102010056478 A DE102010056478 A DE 102010056478A DE 102010056478 A1 DE102010056478 A1 DE 102010056478A1
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Abstract

The apparatus collects and analyzes the systemic coordination of interaction between heart and respiratory rates. A nasal mask (NM) produces breathing air over pressure-generation. A forehead pad (SP) of mask is integrated with sensor unit for non-invasive registration of the vegetative parameters such as heart rate, respiratory rate, oxygen saturation and dermal head movement in the forehead skin. An independent claim is included for device for complex long-term monitoring of human autonomic regulation during sleep or falling asleep relaxation phases.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Beatmungsvorrichtung mit integrierter Sensorik zur nichtinvasiven Erfassung der dermalen Perfusionsdynamik des Menschen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a ventilation device with an integrated sensor system for non-invasive detection of the dermal perfusion dynamics of the human according to the preamble of claim 1.
  • Seit vielen Jahren sind Beatmungsvorrichtungen bekannt, die zur apparativen Therapie verschiedener Beschwerdebilder des sogenannten Schlafapnoe-Syndroms (SAS, Atemstillstände von etwa 10 Sekunden bis zu einigen Minuten während des Schlafs) eingesetzt werden. For many years, ventilation devices are known, which are used (up to several minutes during sleep SAS, apnea of ​​about 10 seconds) to the hardware treatment of various clinical pictures of so-called sleep apnea syndrome. Die Atemstillstände führen zu einer unzureichenden Sauerstoffversorgung aller Körperorgane, also auch der Haut, und damit über eine vegetative Ansteuerung des Körpers zur Beschleunigung des Pulsschlags und weiteren Aufweckreaktionen. The respiratory arrest lead to insufficient oxygenation of all body organs, including the skin, and thus a vegetative control of the body to speed up the pulse rate and other Aufweckreaktionen. Die Folge der Aufweckreaktionen ist ein nicht erholsamer Schlaf, bei unbehandeltem SAS können weitere chronische Gesundheitsstörungen (Bluthochdruck, Herzinfarkte und andere). The result of Aufweckreaktionen is a non-restorative sleep, for untreated SAS can more chronic health disorders (hypertension, heart attacks and others).
  • Die Atemtherapiegeräte nach dem Stande der Technik bestehen meistens aus einer auf die Nase aufzusetzenden Maske, die über einen Schlauch mit einem Gerät mit Gebläse verbunden ist. The respiratory therapy device according to the prior art generally consist of a placed onto the nose mask, which is connected by a tube to a device with a blower. Mit dieser Vorrichtung wird während der Schlafzeit in den Atemwegen ein permanenter Luftüberdruck von etwa 5 bis 20 Millibar erzeugt. With this apparatus, a constant air pressure of about 5 to 20 millibars is generated during the sleep time in the respiratory tract. Die Herztätigkeit erfassen die bekannten Beatmungsgeräte nicht, obschon diese, wie bereits erklärt, sehr empfindlich auf die verminderte Sauerstoffversorgung des Körpers reagiert. The heart activity not capture the known ventilators, although these, as already explained, is very sensitive to the decreased oxygen supply to the body. Diesen Nachteil gilt es nach der Lehre dieser Erfindung zu beseitigen. This disadvantage to be eliminated according to the teachings of this invention. Dazu wird erfindungsgemäß ein optoelektronischer Sensor (Optrode) in die Atmungsmaske integriert, mit Hilfe dessen die wichtigsten Vitalparameter wie Herzfrequenz, Sauerstoffsättigung der Haut und die Atmungsfrequenz auf nichtinvasivem Wege und für den Patienten völlig unbelastend überwacht werden können. To an optoelectronic sensor (Optrode) is integrated into the breathing mask according to the invention, by means of which the most important vital signs such as heart rate, oxygen saturation of the skin and the respiratory rate can be monitored completely unbelastend a non-invasive way and for the patient. In ihrer Minimalkonfiguration besteht die Optrode aus zwei selektiven Lichtquellen (LEDs) mit unterschiedlicher Wellenlänge und einem Fotodetektor, welches die von den dermalen Gefäßen zurückgestreuten Lichtanteile erfasst. In its minimum configuration, the optrode of two light sources is selectively (LEDs) of different wavelengths and a photodetector which detects the back-scattered from the dermal vessels light components.
  • Spätestens seit den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts ist bekannt, dass die Dynamik der Blutvolumenschwankungen in hautnahen Gefäßnetzen am Körper des Menschen bereits unter physiologischen Bedingungen in ihrem Verlauf und frequenzselektiver Zusammensetzung starken individuellen Variationen unterliegen. At least since the 30s of the last century is known that the dynamics of the blood volume fluctuations in its course and frequency selective composition strong individual variations in skin-tight vessel networks in the body of the people already under physiological conditions.
  • In den letzten Dekaden sind eine ganze Reihe von Vorrichtungen zur nichtinvasiven optoelektronischen Erfassung der dermalen Hämodynamik entwickelt worden. In recent decades, a number of devices for non-invasive optoelectronic detection of the dermal hemodynamics have been developed. Vorrichtungen, von denen bei der Formulierung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, sind beispielsweise aus den Patentschriften Devices, one of which is considered in the formulation of the preamble of claim 1 are, for example, from the patents DE 3100610.8 DE 3100610.8 (Blazek und Wienert, 1981), (Blazek and Wienert, 1981) DE 3609075.1 DE 3609075.1 (Schmitt und Blazek, 1986) und (Schmitt and Blazek, 1986) and DE 4226973.3 DE 4226973.3 (Blazek und Schmitt, 1992), bekannt. (Blazek and Schmitt, 1992) are known. Alle diese Vorrichtungen weisen einen optoelektronischen Sensor auf, der wenigstens eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor beinhaltet. All of these devices have an optoelectronic sensor comprising at least one light source and a light detector. Auf diese Druckschriften wird im Übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen Begriffe ausdrücklich verwiesen. To these documents is expressly made in other respects to the explanation of all terms not described in detail here.
  • Die meisten dieser Vorrichtungen gehen methodisch zurück auf das von Most of these devices go methodically back to from ) erstmals beschriebene Prinzip der Photoplethysmographie (kurz PPG). ) Principle, first described photoplethysmography (short PPG).
  • Der PPG-Technik liegt die Tatsache zu Grunde, dass das Licht im nahen Infrarotbereich und großem Teil des Sichtbaren von Hämoglobin bzw. von Blut wesentlich stärker als von Gewebe absorbiert wird. The PPG-technique is based on the fact to reason that the light in the near infrared region and a large part of the visible hemoglobin or blood is much more absorbed as tissue. Da eine Gefäßerweiterung immer mit einer Zunahme des Blutvolumens im Messzenario verbunden ist, vergrößert sich zwangsläufig auch das Absorptionsvolumen. Since vasodilation is always associated with an increase in blood volume in Messzenario, increases inevitably the absorption volume. Sendet man nun selektives Licht geringer Intensität in das Gewebe, so wird ein Detektor in der Nähe der Lichteinkopplung mit Zunahme des Blutvolumens im Messareal weniger Licht empfangen. If one sends selective low intensity light into the tissue, a detector in the vicinity of the light coupling is received with increase in blood volume in the measuring area less light. Auch ist es bekannt, dass die photoplethysmographischen Signale in der Regel aus einem relativ großen nichtpulsatilen Signalanteil (dc, Gleichsignal) besteht, dem ein amplitudenmäßig viel kleineres Perfusionssignal (ac, Wechselsignal), der wiederum aus verschiedenen Frequenzanteilen zusammengesetzt wird, überlagert ist. It is also known that the plethysmographic signals usually from a relatively large non-pulsatile signal component (dc, DC) is the, is superimposed on an amplitude-much smaller perfusion signal (ac, alternating signal), which in turn is composed of different frequency components. Schließlich sind auch optoelektronische Sensoren bekannt, die mehrere Wellenlängen im roten und infraroten Bereich des Spektrums zum Beispiel zur Bestimmung der dermalen Sauerstoffsättigung (Pulsoximetrie) heranziehen. Finally, optoelectronic sensors are known which use multiple wavelengths of the spectrum in the red and infrared region, for example, to determine the dermal oxygen saturation (pulse oximetry).
  • Die Hauptaufgabe der Erfindung liegt darin, das oben Geschriebene erstmalig in Form einer einfach und kostengünstig realisierbaren Beatmungsmaske umzusetzen, wobei die Signale der dort integrierten Optrode zur Überwachung der atmungsabhängigen vegetativen Regulation des Körpers und der systemischen Interaktion zwischen der Atmungs- und Herzschlagfrequenz herangezogen werden können. The main object of the invention is to implement the above-written for the first time in the form of a simple and cost feasible respiratory mask, wherein the signals of the integrated there optrode for monitoring respiration dependent autonomic regulation of the body and the systemic interaction between the respiratory and heart rate can be used. Dies kann wiederum herangezogen werden z. This in turn can be used for. B. zur Optimierung des Beatmungsregiemes während des Schlafs oder auch zur Unterstützung des Einschlafens. As to optimize the Beatmungsregiemes during sleep or in support of falling asleep.
  • Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. A solution of this object is characterized in claim. 1 Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der folgenden Ansprüche. Further developments of the invention are the subject of the following claims.
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im Übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. The invention is described below, without limiting the general inventive idea with reference to embodiments with reference to the drawings, with respect to the disclosure of all not explained in detail in the text details the invention is expressly referred to in the remainder.
  • Es zeigen: Show it:
  • 1 1 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung, bei der die Optrode im Stirnpolster der Atmungsmaske integriert worden ist; the basic structure of the device in which the optrode is integrated into the forehead cushion the breathing mask;
  • 2 2 den prinzipiellen Aufbau der Optrode; the basic structure of the optrode;
  • 3 3 und and 4 4 eine der möglichen Ausführungsform der Vorrichtung, fotografiert aus zwei Blickrichtungen; one of the possible embodiment of the device photographed from two directions of view;
  • 5a 5a typisches Signal am Ausgang der Optrode (dermale Perfusionsänderung als Funktion der Zeit) typical signal at the output of the optrode (dermal Perfusionsänderung as a function of time)
  • 5b 5b Darstellung der einzelnen Hautperfusionsrhythmik aus Representation of each of Hautperfusionsrhythmik 4a 4a in der Frequenzdomäne nach einer Fourier-Transformation. in the frequency domain after Fourier transform.
  • 1 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung und deutet auch das Anlegen der „intelligenten” nasalen Maske (NM) am Gesicht des Patienten (P) bei deren bevorzugter Anwendung im Rahmen der medizinischen Schlafstörungdiagnostik und -therapie an. schematically shows an embodiment of the measurement arrangement according to the invention, and also suggests the application of the "intelligent" nasal mask (NM) on the face of the patient (P) with its preferred application in the context of medical diagnosis and treatment of sleep disorder. Die Optrode ( The Optrode ( 1 1 ) ist im Stirnpolster (SP) der Maske eingebaut und wird über eine elektrische Kabelverbindung ( ) (In the forehead cushion SP) installed to the mask and is (via an electrical cable connection 2 2 ) mit der vorzugsweise im Beatmungsgerät (BG) integrierten Auswerteelektronik ( ) (Preferably with (in the ventilator BG) integrated evaluation 3 3 ) verbunden; ) connected; die hier ausgewerteten Sensorsignale (Vitalparameter-Merkmale) werden nach der Lehre der Erfindung erstmalig zur Steuerung des Beatmungsgerätes kontinuierlich oder zeitselektiv herangezogen. the evaluated here sensor signals (Vital Signs features) can be used for the first time according to the teachings of the invention for controlling the ventilator continuously or time selective. Mit einem biegsamen Schlauch (LA) wird die Maske mit dem Beatmungsgerät luftdicht verbunden. With a flexible hose (LA) the mask with the ventilator is connected airtightly.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Optrode ( A preferred embodiment of the optrode ( 1 1 ) zeigt ) shows 2 2 . , Sie beinhaltet zwei LEDs ( It contains two LEDs ( 1a 1a , . 1b 1b ) mit unterschiedlicher Wellenlänge und einen Fotodetektor ( ) (With different wavelengths and a photodetector 1c 1c ), wobei diese Bauteile durch optische Barrieren ( ), These components (by optical barriers 1e 1e und and 1f 1f ) voneinander räumlich so getrennt sind, damit direkte Reflexionen an der Hautoberfläche (HO) und damit Störsignalkopplung unterdrückt werden kann. ) Are spatially separated from each other as to allow direct reflections on the skin surface (HO) and Störsignalkopplung can be suppressed. Die Optrode kann beispielsweise mit einer beidseitig klebenden, lichttransparfenten Folie ( The optrode (for example, with a double-sided adhesive, film lichttransparfenten 1g 1g ) an der Innenseite des ebenfalls transparenten Wand ( ) (On the inside of the transparent wall also 1h 1h ) des Stützpolsters der Maske befestigt werden und arbeitet in diesem Fall in dem Rflexionsmodus und ist quadratisch oder rotationssymmetrisch ausgebildet und beinhaltet außerdem einen Bewegungssensor ( ) Of the support cushion of the mask and are fixed in this case operates in the Rflexionsmodus and is square or rotationally symmetric, and also includes a motion sensor ( 1d 1d ) zur Detektion der Kopfbewegungen, dessen Signal zur Erkennung der Bewegungsartefakte herangezogen werden kann. ) For detecting the movements of the head whose signal can be used to detect the motion artifacts. Zur Minimierung der Anzahl der elektrischen Leiter in der Kabelverbindung ( (To minimize the number of electrical conductors in the cable connection 2 2 ) kann die Optrode auch dafür notwendige elektronische Schaltkreise in hochintegrierter Form beinhalten. ) May also include requisite electronic circuits in highly integrated form, the optrode.
  • 3 3 und and 4 4 zeigen einen der möglichen Ausführungsbeispiele der „intelligenten” nasalen Maske aus zwei verschiedenen Blickrichtungen und befestigt an einem Kopfphantom. show one of the possible embodiments of the "intelligent" nasal mask from two different directions and mounted on a head phantom.
  • Die Kurvenverläufe in The curves in 5 5 . , zeigen anschaulich ein typisches Perfusionssignal im Stirnbereich, und zwar dargestellt in der Zeit- und Frequenzdomäne. clearly show a typical perfusion signal in the end region, and that illustrated in the time and frequency domain. Verschiedene kardial und respiratorisch gekoppelte Perfusionsrhythmen sind dort ersichtlich, aber auch langsamere Rhythmen, die von diesen zentralen Oszillatoren des Körpers unabhängig sind. Various cardiac and respiratory coupled Perfusionsrhythmen there are visible, but also slower rhythms that are independent of this central oscillators of the body. In der Figur ist auch ein Zeitabschnitt von etwa 5,5 Sekunden gekennzeichnet, in welchem 5 Herzperioden und 1 Atmungsperiode registriert wurde, was einer Herzfrequenz von 1,05 Hz und einer Atmungsfrequenz von 0,21 Hz entspricht. In the figure, also a period of time of about 5.5 seconds, in which 5 has been registered in heart periods, and 1 respiratory period, which corresponds to a heart rate of 1.05 Hz and a respiratory frequency of 0.21 Hz. Dies entspricht der physiologischen, systemischen Interaktion zwischen Herzschlag und Atmung (Kopplung 1:5). This corresponds to the physiological, systemic interaction between heartbeat and respiration (coupling 1: 5). Durch entsprechend synchrone Regelung des Luftüberdrucks in den Atmungswegen mit beispielsweise einem Fünftel der Herzfrequenz können erstmals optimierte Bedienungen zum Einschlafen des Maskenträgers geschaffen werden. Appropriately synchronous control of the air pressure in the respiratory tract, for example, with one-fifth of heart rate optimized operations can be made to fall asleep the first time the mask wearer. Außerdem erlaubt das „Zweiwellenlängen-Messprinzip” der Optrode während der gesamten Tragezeit der Maske eine transkutane Bestimmung der Sauerstoffsättigung im Blut. In addition, the "dual wavelength measurement principle" the optrode allowed during the entire wearing time of the mask a transcutaneous determination of the oxygen saturation in the blood.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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  • Zitierte Patentliteratur Cited patent literature
    • DE 3100610 [0005] DE 3100610 [0005]
    • DE 3609075 [0005] DE 3609075 [0005]
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur Cited non-patent literature
    • AB Hertzman in ”The blood supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph” (Amer. J. Physiol. 124 (1938) [0006] (AB Hertzman in "The blood supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph" Amer. J. Physiol. 124 (1938) [0006]

Claims (7)

  1. Vorrichtung und Verfahren zur komplexen Langzeitüberwachung der humanen vegetativen Regulation während der Schlaf- oder Einschlafentspannungsphasen sowie zur Erfassung und Analyse der systemischen Koordinationsinteraktion zwischen der Herz- und Atmungsfrequenz, bestehend aus einer Atmungsmaske und einem in den Atmungswegen luftüberdruckerzeugenden, dadurch gekennzeichnet , dass in dem Stirnpolster der Maske eine Sensoreinheit zur nichtinvasiven Registrierung der vegetativen Parameter im Bereich der Stirnhaut integriert ist (Herzfrequenz, Atmungsfrequenz, dermale Sauerstoffsättigung und Kopfbewegung). Apparatus and method for complex long-term monitoring of the human autonomic regulation during sleep or Einschlafentspannungsphasen and recording and analyzing the systemic coordination interaction between the cardiac and respiratory frequency, comprising a breathing mask and an air over pressure generating in the respiratory tract, characterized, in that in the forehead cushion mask a sensor unit for non-invasive registration of the vegetative parameters is integrated in the area of ​​forehead skin (heart rate, respiratory rate, oxygen saturation and dermal head movement).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Sensoreinheit zur Regelung des Luftüberdrucks im pneumatischen System der Vorrichtung und den Atmungswegen mit herangezogen werden. Device according to claim 1, characterized in that the signals of the sensor unit for regulating the positive air pressure in the pneumatic system of the apparatus and the respiratory tract will be used with.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit als eine Optrode mit mindestens zwei Lichtquellen und einem Lichtdetektor ausgebildet ist, wobei die Lichtquellen Licht unterschiedlicher Messwellenlängen emittieren. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor unit as a optrode is formed with at least two light sources and a light detector, wherein the light sources emit light of different measuring wavelengths.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit zusätzlich einen Bewegungssensor beinhaltet, dessen Signal zur Detektion und Mustererkennung der Kopfbewegung dient. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensor unit additionally includes a movement sensor whose signal is used for detection and pattern recognition of the head movement.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Optrode in die Atmungsmaske derart integriert ist, daß nur ein leichter und reproduzierbarer Anpressdruck an die Kopfhaut ausgeübt wird und die Hautperfusion damit nicht behindert wird. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optrode is integrated in the breathing mask so that only a light and reproducible contact pressure is applied to the scalp and skin perfusion is thus not hindered.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit den Arbeitsregime der Optrode überwacht, die Messsignale voneinander unabhängig analysiert und auch miteinander korreliert. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control and evaluation unit monitors the working regime of the optrode, the measurement signals independently analyzed and correlated.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen ausgesuchte Licht emittierende Dioden (LED's) oder Laserdioden (LD's) dienen, die wahlweise punktförmig und fokussiert oder diffus und großflächig das ausgesuchte Gewebeareal ausleuchten. serve Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that as light sources selected light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LD's), which optionally punctiform and focused or diffused over a large area to illuminate the selected area of ​​tissue.
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