-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Pulsoxymeters, bei dem mit zwei Lichtquellen zur Erzeugung von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenspektren ein Messsignal erzeugt wird und dieses Messsignal digitalisiert wird. Hierbei werden Bewegungsartefakte im Messsignal identifiziert. In Zeitintervallen des Messsignals, in denen die Bewegungsartefakte eine vorgegebene Grenze überschreiten, wird die Auswertung des Messsignals bezüglich der Messgröße (arterielle Sauerstoffsättigung/Puls, Atemfrequenz), die mit dem Betrieb des Pulsoxymeters festgestellt werden soll, ausgesetzt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Pulsoxymeter, bei dem zwei Lichtquellen zur Erzeugung von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenspektren vorgesehen sind und ein Sensor zur Aufnahme eines Messsignals vorgesehen ist. Weiterhin ist ein Rechner vorgesehen, der Bewegungsartefakte im Messsignal identifizieren kann. Außerdem kann der Rechner in Zeitintervallen des Messsignals, in denen die Bewegungsartefakte eine vorgegebene Grenze überschreiten, die Auswertung des Messsignals bezüglich der arteriellen Sauerstoffsättigung aussetzen. Der Rechner weist somit ein geeignetes Programm auf, welches diese Maßnahmen der Identifikation von Bewegungsartefakte und den daraus abzuleitenden Konsequenzen automatisiert vornehmen kann.
-
Das Verfahren der Pulsoxymetrie und zur Anwendung dieses Verfahrens geeignete Messeinrichtungen sind allgemein bekannt. So ist beispielsweise aus der
US 5,662,106 bekannt, dass bei einem Pulsoxymeter eine Alarmfunktion immer dann außer Kraft gesetzt wird, wenn das Fehlen eines gemessenen Pulses auf ein Bewegungsartefakt zurückgeführt werden kann. Hierzu werden die Bewegungsartefakte identifiziert und in den Zeiten, in denen diese verantwortlich für das Fehlen eines Pulssignals sind, wird ein Fehlalarm verhindert. Gemäß
Yong-sheng Yan et al. „Reduction of motion artifact in pulse oximetry by smoothed pseudo Wigner-Ville distribution", Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 2005 werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, wie Bewegungsartefakte ermittelt werden können. Einerseits besteht die Möglichkeit, eine Bewegungsmessung unabhängig mit einem gesonderten Sensor durchzuführen. Auch ist es möglich ein Modell zu bilden, welches das ideale Signal abbildet, so dass durch einen Vergleich des realen Signals mit dem idealen Signal Rückschlüsse auf Bewegungsartefakte gezogen werden können. Zuletzt ist es auch möglich, das Messsignal selbst zu untersuchen und aufgrund seiner Charakteristik auf Bewegungsartefakte zu schließen.
-
Das zur Anwendung kommende Messverfahren muss sicherstellen, dass das gewünschte Nutzsignal (Messung des Pulses aufgrund der arteriellen Sauerstoffsättigung) genügend ausgeprägt ist, damit es von Bewegungsartefakten unterschieden werden kann. Zu diesem Zweck wird die Sensoreinheit des Pulsoximeters gewöhnlich am Finger befestigt. Dies schränkt den Patienten in seiner Handlungsfreiheit ein, da er die Hand nicht uneingeschränkt benutzen kann. Eine Messung des Pulses wird unter diesen Bedingungen unter Alltagsbedingungen deutlich erschwert.
-
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Pulsoxymeters bzw. ein Pulsoxymeter zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, welches auch unter Alltagsbedingungen die Messung des Pulses ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem eingangs angegebenen Verfahren dadurch gelöst, dass die Bewegungsartefakte zusätzlich auf periodisch wiederkehrende Signalverläufe hin untersucht werden. Diese Untersuchung wird automatisch ausgewertet und führt beim Betrieb des Pulsoxymeters zu folgender Fallunterscheidung. So lange keine periodisch wiederkehrenden Signalverläufe der Bewegungsartefakte erkannt werden, wird die Auswertung des Messsignals bezüglich der arteriellen Sauerstoffsättigung auch dann ausgesetzt, wenn die Bewegungsartefakte die vorgegebene Grenze unterschreiten. Sobald jedoch periodisch wiederkehrende Signalverläufe erkannt werden, wird die Auswertung nur noch dann ausgesetzt, wenn die Bewegungsartefakte die vorgegebene Grenze überschreiten.
-
Die Lösung der Aufgabe gelingt auch durch das eingangs angegebene Pulsoxymeter, indem der besagte Rechner die Bewegungsartefakte zusätzlich auf periodisch wiederkehrende Signalverläufe hin untersuchen kann und hierdurch das oben genannte Verfahren mit der genannten Fallunterscheidung durchgeführt werden kann.
-
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Pulsoxymeters bzw. des Verfahrens zu dessen Betrieb eröffnen vorteilhaft die Möglichkeit, dass das Pulsoxymeter statt beispielsweise an einem Finger auch auf dem Torso des Probanden, insbesondere der Brust, platziert werden kann. Hierbei ist nämlich zu berücksichtigen, dass die Platzierung eine vergleichsweise empfindliche Messung des Sauerstoffgehalts im arteriellen Blut erforderlich macht. Wird jedoch ein empfindlicherer Sensor im Pulsoxymeter verwendet, wirken sich auch Bewegungsartefakte eindeutig schneller auf das Messergebnis aus. Dies führt dazu, dass bereits die durch die Atmung des Probanden ausgelösten Bewegungen (Heben und Senken des Brustkorbs) zur Ausbildung von Bewegungsartefakten führen. Da diese Bewegung jedoch kontinuierlich stattfindet, würden auf diesem Wege keine Messphasen mehr nutzbar sein, in denen die Messwerte fehlerfrei gesammelt werden könnten. Zusätzlich wirken sich Bewegungen des Probanden stärker aus als im Falle der Pulsoxymetrie am Finger.
-
Hier setzt die Erfindung an, indem die an sich bekannte Identifizierung von Bewegungsartefakten durch eine Bewertung der Qualität dieser Bewegungsartefakte ergänzt wird. Bewegt sich der Proband gerade, wird sich ein chaotischer Verlauf des Messsignals ergeben, der von seiner Amplitude den periodischen Anteil der Bewegungsartefakte aufgrund der Atembewegungen derart überlagert, dass letzterer nicht mehr festgestellt werden kann. In diesem Zustand ist das Messsignal derart verfälscht, dass Aussagen über den Puls oder andere Vitalfunktionen nicht mehr verlässlich getroffen werden können. Daher wird die Auswertung des Messsignals bezüglich der arteriellen Sauerstoffsättigung während dieser Zeit völlig ausgesetzt, selbst wenn der Signalverlauf der Bewegungsartefakte kurzfristig zufällig unter die vorgegebene Grenze fällt. Sobald jedoch periodisch wiederkehrende Signalverläufe erkannt werden, kann daraus geschlossen werden, dass sich der Proband in einer Ruheposition befindet oder sich nur noch sehr langsam bewegt. Es ist also durchaus möglich, dass außer den Bewegungsartefakten aufgrund der Atmung noch andere Bewegungsartefakte erkannt werden, deren Verlauf jedoch nicht die periodisch wiederkehrenden Signalverläufe aufgrund der Atmung überdecken. Wird ein solcher Zustand erkannt, können Messsignale mit hinreichender Sicherheit erstellt werden, und zwar immer dann, wenn die Bewegungsartefakte die vorgegebene Grenze unterschreiten. Diese Zeitfenster stehen dann für eine Messung des Pulses zur Verfügung.
-
Befindet sich der Proband in einer Ruheposition, so werden die Bewegungsartefakte periodisch abhängig vom Heben und Senken des Brustkorbes einen Wert erreichen, der über der vorgegebenen Grenze liegt, wobei zwischen diesen periodischen Zeitintervallen auch immer Zeitintervalle zur Verfügung stehen, in denen eine Messung erfolgen kann. Die Grenze kann durch unterschiedliche Grenzwerte definiert sein. Die Grenze kann beispielsweise durch einen Maximalwert für die Amplitude des Messsignals definiert sein. Die Grenze lässt sich auch für die Ableitung des Messsignals nach der Zeit definieren, wobei hierdurch insbesondere ruckartige Bewegungen detektiert werden können und so interpretiert werden können, dass die Auswertung des Messsignals ausgesetzt werden muss.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie das zur Durchführung dieses Verfahren geeignete Pulsoxymeter eignet sich insbesondere für ein Monitoring des Probanden im Alltag. Die Tatsache, dass während der Bewegung des Probanden eine Messung vollständig ausgesetzt wird, ist bei diesem Anwendungsfall hinnehmbar, da der Proband im Alltag immer wieder Situationen herbeiführen wird, in denen die Bewegungsartefakte hinreichend gering werden, weil er sich nicht bewegt. Um eine Veränderung des Befindens des Patientens über einen langen Zeitraum aufzuzeichnen, genügen diese Phasen der Bewegungslosigkeit, die eine Messung ermöglichen. Die Messung kann vorzugsweise am Brustkorb des Probanden durchgeführt werden, wobei sich die Sensoreinheit mittels eines Brustgurtes oder besonders vorteilhaft mit einem geeigneten Pflaster auf der Haut des Probanden befestigen lässt. Vorteilhaft wird die Aktivität des Probanden auf diese Weise wenig eingeschränkt, zumal der Sensor durch die Kleidung verdeckt ist und nicht weiter auffällt. Dort ist er im Übrigen auch geschützt vor Beschädigungen oder einem Verlieren.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus der Periodizität der Signalverläufe der Bewegungsartefakte die Atemfrequenz berechnet wird. Da es sich bei den periodischen Bewegungsartefakten um die atmungsbedingten Bewegungen des Brustkorbs handelt, kann die Periodizität dieser Signalverläufe direkt mit der Atemfrequenz korreliert werden. Vorteilhaft kann somit ohne den Einsatz eines hierfür vorgesehenen Sensors die Atemfrequenz als weitere Vitalfunktion des Probanden ermittelt werden. Insbesondere kann der Zusammenhang zwischen Atemfrequenz und Puls ausgewertet werden, der zusätzliche Aussagen über die Vitalfunktionen des Probanden ermöglicht.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bewegungsartefakte durch einen Zusatzsensor erkannt werden. Hierdurch lassen sich vorteilhaft die Bewegungsartefakte besonders genau bestimmen. Als Zusatzsensor können vorteilhaft ein Beschleunigungssensor oder ein Dehnmessstreifen-Sensor zum Einsatz kommen. Der Beschleunigungssensor kann absolute Beschleunigungswerte ermitteln, wobei diese sowohl durch die Atembewegung des Probanden als auch durch seine Bewegung im Raum entstehen können. Ein Dehnmessstreifen-Sensor eignet sich insbesondere dazu, die Periodizität der Bewegungsartefakte aufgrund der Atmung zu ermitteln. Wird der Dehnmessstreifen-Sensor auf der Haut des Probanden appliziert, so wird eine Dehnung der Dehnmessstreifen beim Einatmen erfolgen und diese Dehnung festgestellt werden können. Es ist auch möglich, mehrere Zusatzsensoren zu verwenden, um vorteilhaft eine besonders große Sicherheit gegenüber Messfehlern zu erreichen.
-
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, dass zur Ermittlung des Sauerstoffsgehaltes im Blut der Wechselanteil des Messsignals und zur Erkennung von Bewegungsartefakten der Gleichanteil des Messsignals ausgewertet wird. Bei diesem Messverfahren ist vorteilhaft kein zusätzlicher Sensor notwendig, um Bewegungsartefakte zu ermitteln. Vorteilhaft kann das Pulsoxymeter mit seinen Komponenten auf einen flexiblen Schaltungsträger untergebracht werden. Dieser erlaubt einerseits eine kostengünstige Herstellung, so dass sich das Pulsoxymeter auch für einen Massenmarkt eignet. Außerdem lässt sich durch die Flexibilität des Schaltungsträgers der Tragekomfort verbessern. Insbesondere kann der flexible Schaltungsträger mit einem Pflaster auf der Haut appliziert werden und folgt den Bewegungen der Haut, wodurch ein störendes Gefühl bei dem Probanden weitgehend minimiert wird.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pulsoxymeters in einer räumlichen Ansicht und
-
2 den Signalverlauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Darstellung des Signalverlaufs s in Abhängigkeit von der Zeit T.
-
Ein Pulsoxymeter 11 gemäß 1 ist auf einem flexiblen Schaltungsträger 12 aufgebaut. Der Schaltungsträger 12 weist zwei Lichtquellen 13 auf, die beispielsweise aus LED bestehen können. Die LED können beispielsweise jeweils rotes sichtbares Licht und Licht mit Wellenlängen im Infrarotbereich aussenden. Wichtig ist, dass die beiden Lichtquellen Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ausstrahlen. Außerdem ist zwischen den Lichtquellen 13 ein Sensor 14 angeordnet, der für das von den Lichtquellen 13 ausgesendete Licht empfindlich ist. Wird der flexible Schaltungsträger 12 also auf einer nicht näher dargestellten Haut eines Probanden aufgebracht, so kann das Licht in Richtung der angedeuteten Pfeile in das Körperinnere des Probanden abgestrahlt werden. Der Sensor nimmt das aus dem Körper reflektierte Licht auf.
-
Weiterhin ist auf dem flexiblen Schaltungsträger 12 ein Zusatzsensor 15 montiert, der beispielsweise als Beschleunigungssensor ausgebildet sein kann. Dieser unterstützt die Detektion von Beschleunigungen, die auf Bewegungsartefakte hinweisen. Die genannten Bauelemente sind in nicht näher dargestellter Weise mit einem Rechner 16 verbunden (dies kann beispielsweise durch auf dem flexiblen Schaltungsträger 12 befindliche Leiterbahnen erfolgen), wobei der Rechner die erzeugten Sensordaten in der erfindungsgemäßen Weise verarbeitet und die einzelnen Bauelemente ansteuert. Außerdem weist der Rechner eine als Antenne 17 ausgebildete Schnittstelle auf, über die die relevanten Daten auf andere Geräte übertragen werden können (z. B. ein Armband mit einem Display, welches die betreffenden Vitalfunktionen des Probanden anzeigt). Dieses Armband kann auch als Armbanduhr ausgebildet sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Rechner die Daten an ein Mobiltelefon überträgt. Hierbei können gebräuchliche Standards, wie beispielsweise Bluetooth, zur Anwendung kommen. Über ein Mobiltelefon können die Daten dann auch beispielsweise in einem Gesundheitszentrum überwacht werden, um gefährdeten Probanden im Ernstfall möglichst schnell helfen zu können. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass die Daten in dem Rechner gespeichert und in Zeitabständen ausgelesen werden. Auch kann in den Rechner ein Modul integriert sein, was die Funktion eines Mobiltelefons ersetzt und die Daten direkt an ein Gesundheitszentrum sendet.
-
Um das Pulsoxymeter sicher, beispielsweise auf der Brust des Probanden, zu fixieren, kann ein Pflaster 18 vorgesehen werden, welches eine an die Größe des flexiblen Schaltungsträgers 12 angepasste Aufnahmezone 19 und eine zur Applikation auf die Haut vorgesehene Klebezone 20 aufweist. Die Aufnahmezone 19 kann wie auch der flexible Schaltungsträger 12 mit kommunizierenden Befestigungsmitteln 21, wie beispielsweise einem Klettverschluss, ausgestattet sein, um das Pulsoxymeter sicher auf dem Pflaster zu positionieren und eine Applikation des Pflasters auf der Haut zu erleichtern.
-
In 2 sind in einem Diagramm verschiedene Signalverläufe s in Abhängigkeit von der Zeit T dargestellt. Die Signalverläufe s sind in der Übersichtlichkeit halber übereinander angeordnet, was allerdings nicht mit deren absoluten Betrag gleichzusetzen ist. Die Kurve 22 stellt eine idealisierte Messkurve für den Puls dar, wie diese ermittelt werden würde, wenn dies absolut störungsfrei möglich wäre. Die Pulsfrequenz lässt sich durch den zeitlichen Abstand der Pulsspitzen in Kurve 22 ermitteln. Kurve 23 zeigt eine Messung, die bei der Auswertung des Gleichanteils des infraroten Lichtes der von einer der Lichtquellen 13 ausgesendeten Lichtstrahlung entsteht. Idealisiert dargestellt sind hier die Bewegungsartefakte 26, die aufgrund der Bewegung des Brustkorbs entstehen, wobei Spitzen 24 jeweils am Umkehrpunkt des Brustkorbes zwischen Heben und Senken entstehen. Diese Spitzen 24 liegen in Zeitintervallen II, in denen die Messung ausgesetzt wird. Die Auswirkung der Atmung in den Intervallen II sind nämlich Bewegungsartefakte 26 in den Messkurven 27a, 27b, die den reflektierten und mittels des Sensors 14 aufgenommenen Anteil des Messlichts beeinflussen (dies in periodisch wiederkehrenden Signalverläufen 25). Es ist zu erkennen, dass außerhalb der Zeitintervalle II die Signalverläufe 27a, 27b ausgewertet werden können, da diese den idealen Messwertverlauf gemäß Kurve 22 in ausreichender Genauigkeit wiedergeben. Innerhalb der Intervalle II bewirken die Bewegungsartefakte 26 allerdings, dass eine Auswertung nicht möglich ist, weswegen die Messwerte nicht zur Ermittlung der Pulsfrequenz herangezogen werden. Die Grenze, ab welchem Betrag Bewegungsartefakte zu einer Aussetzung der Messung führen sollen, kann gemäß der eingangs angegebenen Quelle von Yong-sheng Yan festgelegt werden. Einige spezielle Ermittlungsverfahren für die Bewegungsartefakte auslösenden Größen werden im Folgenden noch näher erläutert.
-
Im Zeitintervall I befindet sich der Proband in Bewegung. Es wird deutlich, dass in diesem Fall die Bewegungsartefakte aufgrund der Atmung durch nicht vorhersehbare andere Bewegungen weitgehend überlagert werden und deswegen eine Messwertaufnahme unmöglich wird. In diesem Fall wird die Messung komplett ausgesetzt, auch wenn in einem Teilintervall III die Charakteristik der Pulsaufnahme aufgrund kurzer Bewegungslosigkeit zu erkennen ist. Diese Teilintervalle III sind zu kurz, um zuverlässige Messwerte zu erlangen, weswegen die Aufwertung erst wieder eingeleitet wird, wenn sich dieses Muster längere Zeit einstellt (in 2 nach dem Intervall I). Es kann z. B. die Anzahl fehlerfrei festgelegter Pulszyklen 30 festgelegt werden, die aufeinanderfolgend gemessen werden müssen, bevor die Ausgabe eines Pulses als Messergebnis wieder eingeleitet wird (beispielsweise drei Pulse, wobei diese in das Messergebnis nachträglich einbezogen werden können).
-
Kurve 31 zeigt das Signal, welches im Unterschied zu Kurve 23 real durch Messung des Gleichanteils des reflektierten Infrarotlichts gemessen wird. Es wird deutlich, dass auch dieser Verlauf sich im Zeitintervall I stark chaotisch verhält. In den Zeitintervallen II sowie zwischen diesen ist der Verlauf eindeutig flacher. Zur Definition eines Grenzwertes könnte dieses Messsignal beispielsweise nach der Zeit abgeleitet werden und ein Grenzwert festgelegt werden, der dann eine zu schnelle Änderung des Signals widerspiegelt. Mit Kurve 32 ist ein Sensorsignal gezeigt, welches durch einen Beschleunigungssensor aufgenommen werden kann. Während der Atmung außerhalb des Zeitintervalls I ist zu erkennen, dass ein Signal immer in den Umkehrpunkten des Weges des Brustkorbes durch das Heben und Senken erfolgt. Hierbei treten Beschleunigungen auf, die außerhalb der Grenzwerte 33, angedeutet durch strichpunktierte Linien, liegen. In diesen Fällen wird in den Intervallen II die Generierung eines Messergebnisses ausgesetzt. Im Intervall I liegen die Beschleunigungswerte häufig außerhalb der Grenzwerte 33. Hier wird die Generierung von Messwerten auch dann nicht aufgenommen, wenn das Beschleunigungssignal wie beispielsweise im Intervall III kurzzeitig innerhalb der definierten Grenzwerte 33 liegt. Als Bedingung, unter der die Generierung von Messwerten wieder aufgenommen wird, kann z. B. eine Zeit definiert werden, die verstreichen muss, ohne dass das Beschleunigungssignal außerhalb der Grenzen 33 liegt. Dieses Zeitintervall muss hinreichend kurz gewählt sein, dass innerhalb der normalen Atmung zwischen den Wendepunkten des Brustkorbes zwischen den Intervallen II eine Messung noch erfolgen kann. Neben dem Puls als Messwerte (in Herzschlägen pro Minute: bpm) kann auch die Sauerstoffsättigung des Blutes (SP02 in %) in an sich bekannter Weise ermittelt werden.
-
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
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Yong-sheng Yan et al. „Reduction of motion artifact in pulse oximetry by smoothed pseudo Wigner-Ville distribution“, Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 2005 [0002]
