DE102010056615A1

DE102010056615A1 - Kamerabasierte Transilluminatins-Messvorrichtung zur kontaktlosen, ortsaufgelösten Vitalparameterbestimmung Frühgeborener

Info

Publication number: DE102010056615A1
Application number: DE102010056615A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Beschrieben wird eine optoelektronische, kamerabasierte Vorrichtung zur berührungslosen, ortsaufgelösten Erfassung und Überwachung der Herz- und Atmungstätigkeit Frühgeborener in kontrollierter Umgebung (z. B. einem Inkubator), bestehend in ihrer Minimalausstattung aus – einer von innen beleuchteten weichen Babyauflage (Lichtmatratze des Inkubators), – weiteren selektiv strahlenden Beleuchtungskörpern, – einem kamerabasierten Liswerteeinheit, an der die Ausgangssignale der Videokamera anliegen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine wissenschaftliche Videokamera mit ausreichend hoher Signalamplituden-, Zeit- und Ortsauflösung vorgesehen ist, die die von einem ausgesuchten Bereich des von unten und/oder von oben selektiv beleuchteten Körpers Frühgeborener kommenden und vitalparametertragenden Messlichtstrahlen in ihrer räumlichen, zeitlichen und spektralen Aufteilung gezielt erfasst, selektiert und in elektrische Signale umwandelt, diese Signale einem handelsüblichen Rechnersystem zugefügt werden und dort mit Hilfe spezieller Softwareprogramme derart manipuliert werden, dass sie schließlich in einer kombinierten Visualisierungssoftware sowohl die Herztätigkeit als auch die Respiration, die transkutane Sauerstoffsättigung und die Bewegung des Kindes im Rahmen einer komplexen kontaktlosen Vitalparameterüberwachung wiedergibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontaktlosen Erfassung und Überwachung verschiedener Vitalparameter frühgeborenen Kindern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Da gerade bei Frühgeborenen die Kindershaut nocht nicht ausreichend ausgereift und widerstandfähig ist, ist das Anbringen jeglicher Sensoren nach dem Stand der Technik unwiderruflich mit Hautschäden und damit Schmerzen verbunden, außerdem begrenzen diese mit dem Kindeskörper fest verbundene Sensorarten die Bewegungsfreiheit des Babys. Da sich gleichzeitig das kleine Körper auch mit energiearmen Lichtstrahlen gut durchleuchten kann, bietet hier erfindungsgemäß ein kamerabasiertes Transilluminationsverfahren nach dem Photoplethysmographie Imaging Verfahren (kurz PPGI) einen bedeutenden Fortschritt. Spätestens seit den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts ist bekannt, dass die hautnahen Gefäßnetze am Körper des Menschen sich mit Hilfe optoelektronischer an der haut befestigter Sensorik sowohl im Reflexions- als auch im Transmissionsmodus erfassen lassen. Hierzu sind in den letzten Jahren eine ganze Reihe sogenannter photoplethysmographischer Messvorrichtungen entwickelt worden. Vorrichtungen, von denen bei der Formulierung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, sind beispielsweise aus den Patentschriften DE 3100610 und DE 3609073 bekannt. Diese Vorrichtungen weisen einen Sensor auf, der wenigstens eine Lichtquelle und ein Lichtdetektor beinhaltet. Auf diese Druckschriften wird im Übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen Begriffe ausdrücklich verwiesen.
Die meisten dieser Vorrichtungen gehen methodisch zurück auf das von A. B. Hertzman in "The blond supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph" (Amer. J. Physiol. 124 (1938)) erstmals beschriebene Prinzip der Photoplethysmographie (kurz PPG).
Der PPG-Technik liegt die Tatsache zu Grunde, dass Licht im nahen Infrarotbereich um 800 nm von Hämoglobin bzw. von Blut wesentlich stärker als von Gewebe absorbiert wird. Da eine Gefäßerweiterung immer mit einer Zunahme des Blutvolumens verbunden ist, vergrößert sich zwangsläufig auch das Absorptionsvolumen. Sendet man nun energiearmes Infrarotlicht in das Gewebe, so wird ein Detektor in der Nähe der Lichteinkopplung mit Zunahme des Blutvolumens im Messareal weniger Licht empfangen. Auch im Bereich des sichtbaren Lichtes gibt es genug Kontrast zwischen Blut und Haut, die Eindringtiefe der optischen Strahlung ist bei diesen Wellenlängen jedoch geringer als die Eindringtiefe des Infrarotlichtes.
Überwiegend werden bei der PPG-Testung der dermalen Hämodynamik einkanalige Vorrichtungen verwendet, wobei die zugehörigen Sensoren fest an dem ausgesuchten Messareal angelegt sind.
Die weiterentwickelte PPGI-Methode (der Akronym PPGI steht für Photoplethysmographie-Imaging und ist durch die eingetragene Marke Nr. 39722445 geschützt, s. auch Deutsche Patentanmeldung 10 2007 034 874.8-35 , venöse und biometrische Anwendungen betreffend) stellte deshalb einen großen Schritt vorwärts dar auf dem Weg zur kontaktlosen, ortsaufgelösten Visualisierung der arteriellen und venösen Hämodynamik. Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsvorhabens (BL 200/9-1 und BL 200/9-1) wurde ein solches System realisiert und beschrieben. Das Herzstück der Vorrichtung bildet eine hochempfindliche und damit kostenaufwendige 14 Bit CCD-Videokamera. Ein ähnliches Verfahren ist auch in der Deutschen Patentanmeldung DE 197 41 982 beschrieben worden. Dortige Vorrichtung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass zur Steigerung der Messempfindlichkeit ein besonderes Abbildungssystem vorgesehen ist, das die Messstrahlen in der unmittelbaren Nähe des untersuchten Hautareals in ihrer räumlichen und spektralen Aufteilung gezielt selektiert.
Der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zur Grunde, dass sich die aus der Lehre des Standes der Technik bekannten Nachteile bisheriger Systeme (Sensoren am Kindeskörper) durch gezielte Beleuchtungsstrategien in Verbindung mit einer softwaremäßige Manipulation an dem detektierten Videosignal vollständig eliminieren lassen und erstmals nicht nur nichtinvasive, sondern auch kontaktlose Aufnahme des Perfusionssignals und somit auch ein Langzeitmonitoring Frühgeborener in kontrollierter Umgebung bietet.
Die Hauptaufgabe der Erfindung liegt demnach darin, eine kamerabasierte Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, dass sie neben der transilluminatorischen Erfassung und Visualisierung der wichtigsten Vitalparameter des Kindes auch die Bewegungsmuster des Kindes berührungslos, orts- und zeitaufgelöst, kostensparend und klinisch relevant erfassen und analysieren.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der folgenden Ansprüche.
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.
Es zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung;
2 Beispiel einer PPGI-Perfusionssignalableitung an der transilluminierten Hand, dargestellt in der Zeit-Frequenz- und Waveletdomaine;
3 Detail zur Aufnahme der PPGI-Videosequenzen am transilluminierten Körper im Bereich der vom Untersucher definierter Handregion (ROI = Region Of Interrest);
4 Schematische Beschreibung der softwaremäßigen Strategie zur Reduktion der Bewegungsartefakte. Durch eine Detektion beispielsweise der Körperkonturen oder Erkennung anderer markanten Punkte am Körper lässt sich numerisch aus der gestörten Videosequenz eine bewegungskompensierte Sequenz berechnen.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung und deutet auch das Vorgehen bei deren bevorzugter Anwendung im Rahmen der medizinischen bildgebenden Diagnostik an. Das Baby (B) wird in der Regel in einem Inkubator (1) an einer weichen, transparenten und vom Innenraum der Matratze (2) mit selektiven, kalten Lichtquellen (3a, LEDs mit ausgesuchter Emissionswellenlänge, meistens im unsichtbaren IR-A-Bereich des Spektrums bei etwa 900 nm liegend) beleuchteten und entsprechend temperierten Matratzenoberfläche gelegt. Da das in der Regel verwendete Infrarotlicht ohne große Dämpfungsverluste auch einige Textilien durchdringen kann, können diese zur bequemen Lagerung des Kindes auch verwendet werden. Alternativ kann das Kind auch von Oben mit weiteren Lichtquellen (3b) beleuchtet werden. Eine Videokamera (4) wird auf das ausgesuchte Hautareal des Körpers (B) gerichtet, wobei sich diese auch außerhalb des Inkubators befinden kann, sofern die Inkubatorwand für die verwendeten Messwellenlängen transparent ist. Für eine gezielte Auswahl der zu Signalauswertung zugelassenen Hautpartien kann vorzugsweise ein Objektiv verwendet werden, dem auch ein optischer Filter zur Reduktion der durch das Umgebungslicht Störungen manuell oder automatisch vorgeschaltet werden kann. Durch einen bidirektionalen elektronischen Anschluss der Kamera (4) an eine Datenerfassungs- und Auswertungsanlage (5), vorzugsweise einen Laptop oder PC, kann der eigentliche Messablauf rechnergesteuert ablaufen und auch die gewonnenen Bilddaten (einzelne Bilder oder ganze Bildsequenzen (Filme)) als Rohdaten speichern. Durch nachgeschaltete Datenverarbeitung mit Hilfe von speziellen. Softwarepaketen lassen sich die Rohdaten zuerst einmal derart manipulieren, dass sie für weitere diagnostische Parameterberechnung tauglich sind. Zu dieser Manipulation zählt erfindungsgemäß auch die Erkennung und Eliminierung der Signalartefakte, die beispielsweise bei der gewollten oder willkürlichen Bewegung des Babys entstehen können. Diese „bereinigten” Bilddaten stehen nun im Speicherbereich des Systems (5) zur weiteren Berechnung bereit. Von dort aus können auch die Lichtintensitäten und Beleuchtungsszenarien durch den Untersucher gesteuert werden.
2 zeigt typische PPGI-Perfusogramme, aufgenommen im Stirnbereich des schlafenden Babys, und zwar im Bild 2a als 35 Sekunden lange Zeitreihe, im Bild 2b als zugehöriges Fourier-Spektrum und im Bild 2c zusätzlich in der zweidimensionalen Wavelet-Darstellung. Durch den Vergleich einzelnen Darstellungsformen kann erkannt werden, dass die Pulsfrequenz des Babys in diesem Zeitintervall teilweise erheblich zwischen etwa 150 und 100 BMP schwankte, die Atmungsfrequenz war mit etwa 1 Hz (1 Atmungsphase pro Sekunde annähernd stabil.
3 veranschaulicht schematisch, dass durch die verwendete Transilluminationstechnik gut die Konturen des kleinen Körpers experimentell erkannt werden können. Daraus lassen sich die Bewegungsvektorfelder errechnen, welche wiederum zur Bewegungsdetektion und schließlich zur Kompensation und Reduktion der Bewegungsartefakte (siehe schematische Darstellung einer der möglichen Berechnungsalgorithmen in 4) dienlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3100610 [0002]
DE 3609073 [0002]
DE 102007034874 [0006]
DE 19741982 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. B. Hertzman in ”The blond supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph” (Amer. J. Physiol. 124 (1938)) [0003]

Claims

Optoelektronische, kamerabasierte Vorrichtung zur nichtinvasiven, kontaktlosen und ortsaufgelösten Erfassung der Vitalparameter eines Kindes, bestehend in ihrer Minimalausstattung aus mehreren selektiver Lichtquellen und einer genügend empfindlichen Videokamera-Detektorsystem, welches die vom Körper kommenden Lichtstrahlen erfasst, und einer Steuer- und Auswerteeinheit, an der die Ausgangssignale des Lichtdetektorsystems anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass das lebende Körper derart gelagert wird, damit gezielt von allen Richtungen mit steuerbarer Lichtintensität großflächig oder auch punktförmig die ausgesuchte Körperregion beleuchtet werden kann und eine Videokamera als Ortsaufgelöstes Detektorsystem entsprechende im Transilluminations- und/oder Reflexionsmodus das Körper durchdringenden oder vom diesem zurückgestreuten Lichtanteile erfassen kann.
Vorrichtung und Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur optimalen Durchleuchtung der Körper (B) an einer weichen, lichttransparenten Matratzenoberfläche (2) gelagert wird, welche von Innen durch mehrere gleichmäßig oder konzentriert verteilte Lichtquellen (3b) durchstrahlt wird.
Vorrichtung und Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmatratze ein Teil eines Inkubators ist und die Oberflächentemperatur der bevorzugt im IR-A-Bereich diffus nach oben lichtstrahlenden Matratze überwacht und den optimalen thermoregulatorischen Lagerungsbedingungen für das Kind angepasst werden kann.
Vorrichtung und Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des Frühgeborenen alternativ auch von oben mit weiteren Lichtquellen (3b) beleuchtet werden kann, wobei die verschiedenen möglichen Beleuchtungsszenarios je nach medizinischer Fragestellung von einer Datenerfassungs- und Auswertungsanlage (5) gesteuert und aingestellt werden können und diese auch automatisch die jeweils benötigte Lichtstärke einstellt und anschließend konstant hält.
Vorrichtung und Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Videokamera (4) je nach medizinischer Fragestellung einzelne Bilder oder ganze Bildsequenzen des anvisierten Hautszenarios aufnimmt, diese Aufnahmen als Rohdaten in verschiedenen Speicherbereichen des Steuer- und Auswertesystems (5) abgelegt werden, dort Pixel per Pixel miteinander auf charakteristische Parameter und deren Änderungen auswertet werden und im weiteren Schritt durch spezielle Softwarepakete auf Bewegungsartefakte und störende Fremdlichteinflusse untersucht werden und erst nach deren Eliminierung als korrigierte Bilddaten weiteren Auswertealgorithmen zugefügt werden, die schließlich zur diagnostisch relevanten bildlichen Visualisierung der Venennetze und deren Hämodynamik führen.
Vorrichtung und Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass optische Vorrichtungen und Mittel vor der Kamera vorgesehen sind, die eine Unterdrückung des Einflusses der Raumbeleuchtung ermöglichen.
Vorrichtung und Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass selektive Lichtquellen mit mehreren ausgesuchten Messwellenlängen gleichzeitig das Messobjekt beleuchten und/oder durchleuchten, was wiederum erstmalig eine kontaktlose und auch ortsaufgelöste Bestimmung der Sauerstoffsättigung ausgewählter Körperpartien nach dem bekannten optoelektronischen Prinzup der spektralen Blutvolumenpulsaanalyse erstmalig erlaubt
Vorrichtung und Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Roh-Bilddaten wahlweise online oder auch später mehreren Bildverarbeitungsalgorithmen zur anatomisch topographischen Erkennung der Körperumrisse unterzogen werden mit dem Ziel, die diagnostisch relevanten Bewegungsmuster des Kindes zu erfassen und diese auch zur Reduktion der Artefakte in den registrierten Vitalparameter-Signalen einzusetzen, was wiederum zu einer Steigerung der Messgenauigkeit der Vorrichtung und zur Verbesserung der örtlichen Auflösung führt.