DE102016006196A1 - Innovatives verfahren und multisensor-plattform zum nichtinvasiven monitoring von physiologischen parameter und blutinhaltstoffe sowie frühdiagnose der pathologischen änderungen und gesundheits-management und ihre anwendung mit smartphone - Google Patents

Innovatives verfahren und multisensor-plattform zum nichtinvasiven monitoring von physiologischen parameter und blutinhaltstoffe sowie frühdiagnose der pathologischen änderungen und gesundheits-management und ihre anwendung mit smartphone Download PDF

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Abstract

Verfahren und Multisensor für nichtinvasive Überwachung von vitalen Parameter und Detektion pathologischer Veränderungen sowie Datafusion und Fuzzy-Interferenzsystem für Berechnung von physiologischen Parameter und Decision Making. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein günstiges Verfahren und einen Multisensor ohne jegliche Nachteile zu schaffen, mit dem ein Monitorring in Bezug auf die Konzentration von Blutinhaltsstoffe wie Hämoglobin, Glukose und Sauerstoff ermöglicht sowie pathologische Änderungen frühzeitig detektiert. Dies gelingt dadurch, dass eine Messung mithilfe von Plethysmographie-Sensoren an mehreren Stellen des Patientenkörpers gleichzeitig durchgeführt wird. Mithilfe von deren optisch ermittelten Werten und weiteren Parameter, wie Tonus mit Piezoelement, Impedanz, EKG, EEG und Temperatur, ist eine zuverlässige Diagnose ermöglicht. Durchführen von Diagnosen mit intelligenter Smartphone-Hülle mit Hardware und Batterie sowie intelligenter Meßvorrichtung für Monitoring, Diagnose und Prävention.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Multisensor zum nichtinvasiven Monitoring und zur Detektion pathologischer Veränderungen. Innovative Multisensor-Plattform und -Portfolio wird für Nichtinvasives Zuverlässiges Monitoring von Physiologischen Parameter, Blutinhaltstoffe (vor allem fraktionelle Sauerstoffsättigung, Hämoglobin- und Glukosekonzentration) und Frühdiagnose der Pathologischen Änderungen (Neuro-, Pulmonal-, Kardiovaskulär- und Krebserkrankungen) eingesetzt. Smart-Sensoren und Datafusion (eventuell mit Big-Data-Processing) mit Mathematischer Modellierung und Fuzzy-Logik ermöglichen Monitoring und Diagnose beim Decision-Making, Feedback der Therapie und Medikamente sowie Consulting und Entertainment beim Internet der Dinge (IOT). Patientenfreundliche und gesundheitsfördernde Medizin sowie Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen stehen hier im Vordergrund. Mehrere einfache Versionen des Multisensors werden mit Smartphone implementiert.
  • In den Industrieländern sind Erkrankungen des Herzkreislaufsystems und Krebs mitunter die häufigste Todesursache. Patienten mit kardiovaskulären Erkrankungen oder die sich bei hohen kardiovaskulären Risiko (aufgrund von einem oder mehreren Risikofaktoren wie Bluthochdruck, Diabetes, Hyperlipidämie oder bereits bestehende Krankheit) befinden, brauchen Früherkennung von weiteren pathologischen Änderungen sowie Behandlung mit Beratung und Medikamenten. Daher ist es wichtig, Früh-Diagnose-Methoden für die Risikobewertung, Risikomanagement und Prävention zu entwickeln. Die frühe zuverlässige Diagnose ist die erste Herausforderung für das Management und die Medikamentöse von Krankheiten. Photoplethysmographie (PPG) ist eine einfache nicht-invasive interessante optische Technik, die einen wertvollen funktionellen Biomarker (enthält zahlreiche Bioinformationen) und potentielles diagnostisches Verfahren darstellt, insbesondere wenn sie mit anderen durch andere einfache biomedizinischen Vorrichtungen gemessenen Parameter wie Elektrokardiogramm EKG und Temperatur sowie mit Piezoelektrischen Signalne kombiniert wird.
  • Ein Mangel an Sauerstoffversorgung kann unter anderem in Notfällen aufgrund verschiedener Ursachen schnell auftreten und bereits nach kurzer Zeit den Tod unter anderem von Gehirnzellen verursachen. Eine Minderversorgung des Gewebes mit Sauerstoff kann erhebliche Folgen für den Organismus haben. Dies äußert sich bei betroffenen Personen durch reduzierte Muskeltätigkeit und geringere Hirnaktivität. Daher ist die rasche Erkennung von Störungen in der Sauerstoffaufnahme und der Sauerstoffverteilung im Körper besonders in der Notfall- und Intensivmedizin von großer Bedeutung. Ein Sauerstoffmangel kann als Ursache neben dem bloßen Fehlen des Sauerstoffs selbst die Ursache haben, dass zum Sauerstofftransport nicht genügend zum Sauerstofftransport geeignetes Hämoglobin zur Verfügung steht.
  • Eine allgemeine Verminderung der Hämoglobinkonzentration kann dabei zur Anämie führen. Allgemeine Müdigkeit, eingeschränkte körperliche Leistungsfähigkeit, Atemnot und Herzklopfen bei Belastung, Kopfschmerzen und Konzentrationsstörungen treten dabei als Symptome auf. Zur Diagnose einer Anämie wird die Hämoglobinkonzentration bis zum heutigen Tag meistens invasiv gemessen, was mit einer hohen Belastung für die Patienten und das Personal verbunden ist. Zudem liegen Ergebnisse einer solchen Messung stets nur mit einer Zeitverzögerung vor, so dass ein kontinuierliches Monitoring bislang in der Regel nicht möglich ist. Es ist in vielen Fällen erforderlich, die Sauerstoffsättigung und der Glukose im Blut zu überwachen um sicherzustellen, dass das Gewebe mit ausreichendem Sauerstoff und genügende Glucose für ihr Überleben und seine normale Stoffwechselprozesse versorgt ist. Fraktionelle Sauerstoffsättigung, Hämoglobin- und Glukosekonzentration sind daher von größerer Bedeutung. Notwendig ist es ferner jede mögliche plötzliche Änderung im Körper, die die Blutzufuhr mit genügendem Sauerstoff und ausreichende Glukose zu bestimmten Gewebe (vor allem Gehirnareale) drosselt, frühzuerkennen. Das heißt, wir müssen die Ursachen der Probleme wie Stenosen im Frühstadium erkennen, um gefährliche Folgen wie Herzinfarkt verhindern zu können. Das Ziel ist es, eine Überwachung und eine Frühdiagnose von Patienten zu ermöglichen, um die Morbidität und Mortalität von kardiovaskulären und neuropathische Erkrankungen zu minimieren sowie mikrovaskulären und makrovaskulären Komplikationen (unter anderem beim Diabetes mellitus) zu vermeiden.
  • Glukosemanagement erfordert ein klares Bild der glykämischen Lage. Menschen mit Diabetes können mit kontinuierlichen Blutzuckerdetektion ihren Blutzuckerspiegel regulieren und das verhilft ihnen so zu mehr Lebensqualität. Dadurch verringern sich die Risiken von Diabetes-Folgeerkrankungen und die Auswirkungen von Unterzuckerungen (Hypoglykämien). Diabetes-Management-System ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem geschlossenen System zur Insulinabgabe, d. h. zur künstlichen Bauchspeicheldrüse (Pankreas). Gestörter Glukosetoleranz, typischerweise durch Hyperglykämie und Insulinresistenz charakterisiert, gilt als eine Etappe in der Entwicklung des Diabetes Mellitus Typ 2 und ein Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Krankheit zu sein. Dieser Multisensor wird die Motivation für Selbst-Kontrolle und Selbstmanagement bei den Patienten mit Diabetes oder Diabetes-Erkrankung erhöhen und nichtinvasive Messung ermöglichen.
  • Um Krankheiten wie Blutzucker genauer zu forschen und analysieren ist eine nichtinvasive kontinuierliche Überwachung erforderlich um mögliche Ursachen zu finden und möglicherweise Medikamente für ihre Heilung zu entwickeln. Dafür werden z. B. zurzeit ca. 10 mal oder mehr für mehrere Tage invasive Messungen dafür durchgeführt. Bei Schwangerschaftsdiabetes braucht die Frau auch so viele Messungen um ihren Blutzuckerwert durch Diät zu einstellen. Bei vielen Krankheiten sind komplexe Analyse und kontinuierliche Überwachung von vielen Parametern erforderlich.
  • Bei Blutdruckmessungen gibt es zwar nicht invasive Geräte, die aber nicht kontinuierlich und unangenehm wegen hohem Pressdruck sind sowie etwa Zeit brauchen. Die Geräte könnten auch nach bestimmter Zeit große Abweichungen aufweisen; sie müssen wieder kalibriert werden. Dies könnten auch viele Leute übersehen oder vergessen, was kein optimales Krankheitenmanagement bedeutet.
  • Die demographische Wandel und Lebensstil sowie beanspruchende Anforderungen und Stressiges Leben mit rasender technischen Entwickelungen fördern viele Neuigkeiten bei der Diagnose um besseren Output zu bekommen. Schnelle, mobile und zuverlässige Messungen sind erforderlich. Es ist von großer Bedeutung für das Monitoring der Vitalparameter und die Prävention oder effektive Behandlung von Pathologien, dass man seine Gesundheit überall und jederzeit überprüfen kann (die Gesundheit sollte doch in der Hand liegen). Das Gerät wird keine entscheidende positive Aussage über Gesundheit erteilen. Wird aber etwas Negatives entdeckt wird der Benutzer (evtl. dringend) empfohlen, einen Arzt möglichst frühzeitig zu besuchen. Das wird besonders schon für viele, die ihren Arzt selten besuchen, sehr hilfreich. Möglicherweise werden Anweisungen und Bemerkungen zur Therapie bei sicherer Diagnose angezeigt.
  • Das Internet als allgegenwärtige Plattform der Vernetzung von Menschen, Informationen und Technik wird so zum „IoT of Health”. Im Krankheitsfall ist der Wunsch eines jeden Patienten ein optimales Krankheitsmanagement, bei dem er durch den Arzt seines Vertrauens (beispielsweise seinen Hausarzt) fachlich unterstützt wird. Gerade bei komplexen Erkrankungen ist häufig die Diagnostik und möglicherweise auch Therapie durch verschiedene Fachärzte erforderlich. Idealerweise kooperiert der koordinierende Hausarzt eng mit den erforderlichen Spezialisten, führt die verschiedenen Befunde und Therapieempfehlung zusammen, bringt für den Patienten in einem persönlichen Gespräch Transparenz in die fachlichen Befunde und hilft ihm den für ihn optimalen Behandlungsweg zu finden. Für Ärzte und medizinisches Personal bedeutet das, dass man mehr Zeit für weitere wichtige Untersuchungen hat.
  • Es besteht ein Bedarf für eine nachhaltige Bereitstellung von Know-how und die Kreativität der zahlreichen globalen Forschungsgruppen, um einfache Geräte, die für Milliarden von Menschen weltweit zugänglich zu entwickeln. Tragbare Multi-Sensoren für die Erkennung von Krankheiten, die nicht leicht zu erkennen, aufgrund der komplexen und häufigsten Symptome sind wichtige Voraussetzung für die nächsten Generation-Diagnosegeräte. An die zu entwickelten Geräte müssen Randbedingungen erfüllt werden, um eine Akzeptanz bei Steak-holder zu ermöglichen. Diese Anforderungen werden im Rahmen des Patentes intensiv berücksichtigt. Die Messung wird so schnell angezeigt, ohne die Genauigkeit der Messung zu beeinträchtigen. Besonders bei Mobilgeräten und Smartphone wird Stromverbrauch verringert. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Detektion pathologischer Veränderungen, vor allem im Herz-Kreislauf-System sowie von Durchblutungsstörungen zu schaffen, welches ein Monitoring des Patienten erlaubt und für diesen bei der Untersuchung möglichst wenig unangenehm ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch den Multisensor gemäß den weiteren Ansprüchen. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen können den weiteren Ansprüchen entnommen werden.
  • Optische Sensoren für mehrere Photoplethysmogrphiesignale, Elektrokardigraphie EKG, Piezoelektrische sowie Temperatur- (auch als IR-Sensoren) und evtl. Feuchtigkeitssensoren und Beschleunigungssensoren stellen bei diesem Patent den Kernsensor dar. Diese Sensoren sind vom Patient ohmisch entkoppelt. Ein EKG-Sensor ist (bis jetzt) mit ohmischen Kontakt mit Patient in diesem Multisensors implementiert. Eine Entkopplung wäre auch möglich, aber wegen Rauschsensitivität ist noch nicht im Sensor implementiert. Impedanz- und Glukosesensoren werden in einer Version des Multisensors integriert. Weitere Sensoren wie EEG, Ultraschall-, elektronische Nase, Ballistokardiographie könnten auch Teil dieses Multisensorssystem sein. Dieser Multiensor wird in verschiedenen Formen, abhängig von seiner Verwendung, eingesetzt. Herzkreislauferkrankungen, Pneumatische Erkrankungen, Hautkrebs und Mammographie sowie in zweite Stufe Glukose werden damit diagnostiziert. Zuverlässige PPG-Sensoren, Sauerstoffsättigung-, Temperatur-, Piezoelektrische Sensoren und EKG-Monitorring mit adaptivem Filter stehen im Vordergrund. Herzzeitvolumen (HZV) und Blutdruck sind in einer Version kontinuierlich berechnet.
  • Mit diesem Multisensor-System werden mehrere Sensoren-Signale detektiert. Eine Default-Einstellung steht zur Verfügung in Abhängigkeit vom Einsatz (Klinische Monitoring und Diagnose, Arzt, Home-Monitoring, Schlafmedizin, Rettungsdienst, Sport, Unterwegs mit Smartphone ...). Durch Datafusion und Decision-Making wird eine Diagnose dargestellt. Ein individualisierter Einsatz ist dabei möglich, wobei Patienten Daten beim ersten Einsatz Eingetragen werden. Eine weitere Option ist die Eintragung von invasiven gemessenen oder sonstige Daten. Im klinischen Bereich oder beim Arzt kann man eine volle Version mit Eingaben und klinischem Decision-Making-Support verwenden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Multisensor zur Detektion pathologischer Veränderungen im Herz-Kreislauf und Pulmonalen System sowie vom autonomen Nervensystem und Krebserkrankungen eingesetzt, mithilfe dessen eine Mehrzahl von Biosignalen (z. B. Plethysmogrammsignalen) gleichzeitig erfassbar sind. Die Auswertung erfolgt über eine mit den Sensoren signalverbundene Recheneinheit (oder mit Cloud-Computing), welche die Signale der Sensoren in Diagnoseparameter umarbeitet, wie sie von Ärzten lesbar sind. Da die viele menschlichen physiologischen Parameter nicht voneinander unabhängig sind, ist es von großer Bedeutung, bei der Diagnose möglichst viele Parameter gleichzeitig zu messen, um eine effektive umfassende und genaue Diagnose zu gewährleisten. Um den Herz- und Blutgewebezustand zu untersuchen sind nicht nur Herzfrequenz, Sauerstoffsättigung oder EKG-Ableitungen von Bedeutung, sondern auch unter anderem die Messung des Blutdrucks und Herzzeitvolumen, eine Bestimmung der Blutinhaltstoffe und die Funktion der Steuerung des Herz-Kreislauf-Systems über Sympathikus und Parasympathikus erforderlich. Eine einfache, nichtinvasive Methode zur Messung der Nervenaktivitäten kann mit der Messung der Herzraten- und Blutdruckvariabilität erreicht werden, indem eine Diagnose mit sichtbarem bzw. nahinfrarotem Licht durchgeführt wird. Im Vordergrund dieser Messungen steht auch die Überwachung der fraktionellen Sauerstoffsättigung und der Hämoglobinkonzentrationen, Atmungssignal sowie der Herzfrequenz, des Blutdrucks, der Temperatur und der Herzfrequenzvariabilität zur Detektion von Pathologien. Weitere kardiovaskuläre Oszillationen werden auch für die Diagnose detektiert. Vor allem werden Herzraten-, Pulsraten-, PPG-Amplituden-, Blutdruck- und Sauerstoffsättigung-Variabilität eingesetzt. Die PPG-Form und seine ersten 4 Ableitungen könnten auch bei der Diagnose (vor allem von Gewebesteifigkeit) hilfreich sein. Die Messungen sind nichtinvasiv und können für längere Zeit ohne Nebenwirkungen zur Überwachung eingesetzt werden.
  • Mit Vorteil ist eine Messung gleichzeitig an mehreren Körperstellen eines Patienten ermöglicht (1). Hierzu weist ein Multisensor eine Mehrzahl von Sensoren auf, so dass verschiedene Körperstellen gleichzeitig mit einem Körpersensor beaufschlagt werden können. Flankierend wird zu der Erfassung von Messwerten, beispielsweise während des Patientenmonitoring, die Körpertemperatur des Patienten kontinuierlich erfasst und dem Multisensor als Parameter zugeführt, so dass auch diesbezüglich und hinsichtlich davon abhängiger Parameter eine ständige Überwachung stattfinden kann. Aus dem gleichen Grund wird mittels eines Drucksensors oder auch über einen Plethysmographie-Sensor eine kontinuierliche Blutdruckmessung vorgenommen.
  • Um eine Überwachung auch visuell durchführen zu können ist es vorteilhaft, wenn die Messwerte nicht nur ermittelt, sondern auch weiterverarbeitet und/oder zur Inaugenscheinnahme ausgegeben werden. Gerade aufgrund teilweise längerer Zeitrahmen von Überwachungen empfiehlt sich ein Ausdruck der Messwerte, etwa in Form einer Kurve. Mit besonderem Vorteil wird beispielsweise sowohl der Blutdruck als auch die Temperatur kontinuierlich ermittelt, so dass eine Bestimmung des Herzzeitvolumens noch genauer über Temperatur- und Blutdruckvariabilität zusätzlich zu weiteren Parametern wie Ballistokardigramm (Beschleunigung von Körperteilen) ermöglicht ist.
  • Die Photoplethysmogramm-Sensoren sind insbesondere Transmissionssensoren, Reflexionssensoren oder Transflexionssensoren. Soweit es sich um Transmissionssensoren handelt, befinden sich die Lichtquelle des optischen Sensors auf einer Seite des zu prüfenden Gewebes und der Detektor auf der anderen Seite. Ein Reflexionssensor weist auf gleicher Seite Lichtquelle und -empfänger auf und ein Transflexionssensor ist beiderseits mit einem Lichtempfänger und eine Seite mit Lichtquelle ausgestattet. Je nachdem, welche Gewebeteile zu untersuchen sind, eignen sich unterschiedliche Sensoren besser oder schlechter dafür.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung handelt es sich bei den verwendeten Lichtquellen um LEDs, die sich wegen ihrer großen Lichtleistung, ihrer geringen Leistungsaufnahme, ihren günstigen Preise, ihrer einfacherer Ansteuerung und ihrer geringen Baugröße besonders eignen. Zudem ist hier eine allenfalls sehr geringe Erwärmung festzustellen, was ansonsten eine Verfälschung der Meßergebnissen bedeuten würde. Alternativ ist jedoch ein Einsatz auch von Laserdioden oder Lampen mit Filtern möglich. Entsprechend werden mit Vorteil Photodioden als Empfänger eingesetzt, wobei auch hier Alternativen in Form von Phototransistoren, Kamera oder CCD-Detektoren bereitstehen. Durch ihre geringe Bauform fördern die genannten Bauteile auch die Möglichkeit, den Multisensor in besonders kleiner Bauform auszuführen, so dass der Sensor auch in Hohlorgane einführbar ist. Insbesondere eignet er sich hierdurch zum Einsatz am ungeborenen Kind und zur Überwachung von Mutter und Fötus während der Geburt. Auch kleine Kapsel mit miniaturisierten Sensoren oder Kamera zur Monitoring und Untersuchung von inneren Organen (wie bei Kapselendoskopie) mit Drahtlose Kommunikation können als Teil des Multisensors eingesetzt werden.
  • Mit Vorteil ist der Multisensor auch mehrpatientenfähig, also in der Lage, mehr als einen Patienten gleichzeitig zu überwachen. Dazu sind dem Multisensor mehrere Sensorengruppen zugeordnet, wobei jede Gruppe einem Patienten angelegt wird und dieser so überwacht werden kann. Etwa beim Einsatz in Katastrophenfällen kann dies hilfreich sein, wenn nur in beschränktem Maße Material zur Verfügung steht. Die Telemedizin gibt die Möglichkeiten, um die Multisensor vor allem in ländlichen Gebiete Tele-Konsultationen mit Fachärzten zu verwenden.
  • Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die von dem Multisensor ermittelten Daten in einem Dateisystem bereitgestellt werden können. Hierzu ist eine Schnittstelle vorzusehen, über welche eine Einspeisung der Messwerte in ein Rechnersystem (oder in Cluod-Computing), etwa ein Klinik-Datensystem und dort vorzugsweise direkt in die betreffende elektronische Patientenkartei bzw. -akte, ermöglicht.
  • Zur Bestimmung des Blutsauerstoffs werden üblicherweise Pulsoximeter verwendet, mit denen auch ein Monitoring der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins möglich ist. Nach dem Lambert-Beer-Gesetz fällt das transmittierte Licht durch eine mit der Lichtintensität I0 durchstrahlten Probe, exponentiell mit der Probedicke d und der Absorptivität der Probe μa, die sich aus der Produktion von der Konzentration der Probe c und ihrem Extinktionskoeffizient ε, ab wie folgt: I = I0·10–ε·c·d Mit dem Pulsoximeter wird die funktionelle Sauerstoffsättigung berechnet, d. h. nur das oxygenierte und das reduzierte Hämoglobin werden berücksichtigt. Die fraktionelle Sauerstoffsättigung, welche das Verhältnis der Konzentration des oxygenierten Hämoglobins zu der Gesamtkonzentration aller Hämoglobinkomponenten, nämlich oxygeniertes Hämoglobin O2Hb, reduziertes Hämoglobin Hb, Carboxyhämoglobin COHb, Methämoglobin MetHb, und Sulfhämoglobin sulfHb darstellt, kann mit dem Pulsoximeter nicht ermittelt werden. Das COHb, das durch Kohlenmonoxidvergiftung entsteht, oder Methb und SulfHb, die bei Einwirkung von Oxidationsmitteln auf Hämoglobin entstehen, werden nicht betrachtet. Diese Hämoglobinformen sind jedoch nicht mehr zum Sauerstofftransport fähig und verfälschen somit den ermittelten Wert für die Sauerstoffsättigung. Das kann im Besonderen beim Carboxyhämoglobin schwerwiegende gesundheitliche Folgen haben oder den Tod verursachen.
  • Bei den entwickelten Methoden zu den nichtinvasiven Messungen werden viele Vereinfachungen verwendet, um die Messungen für ein Monitoring einsetzbar zu machen. Dies bedeutet jedoch zugleich, dass ein einfacher Einsatz der detektierten Signale in den Berechnungen zu einem verfälschten Lösungsansatz führen kann. Der dabei verursachte Fehler lässt sich zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr beheben.
  • Beim sogenannten Pulshämometer wird das einschlägige Lambert-Beer-Gesetz zur Berechnung der gewünschten Hämoglobinkonzentrationen eingesetzt. Dabei werden Blutvolumina bei verschiedenen Wellenlängen durchstrahlt. Bei der Messung soll möglichst gewährleistet werden, dass das gleiche Gewebe, letztendlich also die gleiche Blutprobe, von den eingesetzten Lichtquellen verschiedener Wellenlänge durchstrahlt wird. Durch kleine Störungen wie etwa der Erwärmung der verwendeten Lichtquellen und durch rechnerische Näherungen werden die Ergebnisse schnell unbrauchbar. Es könnte hier unter Umständen mit einem sehr kleinen Signal-Rausch-Verhältnis gearbeitet werden, was eine lediglich ungenaue Messung zur Folge hat.
  • Ein großes Problem bei Durchstrahlung von Gewebe mit vielen Lichtquellen ist die Gleiche Blutvolumina mit allen Wellenlängen durchzustrahlen. Fiberoptik ist eine Lösung, die aber wiederum eine Belastung der Lichtquellen verursacht, die zusätzlich zu komplexe große und teuer Messobjekt führt, wiederum auch durch Belastung von Lichtquellen zu Verschiebung von Wellenlängen und damit wieder Verminderung der Genauigkeit verursacht. In diesem Patent werden zum ersten Mal die Messungen an verschiedenen Körperoberflächen (bevorzugt gleichzeitig) durchgeführt werden, wobei eine Wellenlänge für die Normalisierung gemeinsam ist. Das Problem wird sogar wegen der unterschiedlichen Streuung des Lichtes verschiedener Wellenlänge besonders bei Reflektion an großflächigen Körperteilen auftreten, wenn die Lichtquellen quasi an gleicherer Stelle sind. Dies wird in diesem Patent durch Selektion der Wellenlängen sowie Kalibrationen und Abschätzungen berücksichtigt.
  • Da die Sauerstoffsättigung und die Hämoglobinkonzentration sowie andere Blutinhaltstoffe eine bedeutende Rolle spielen, sollen sie bei der Analyse von den anderen physikalischen Parametern wie beim Potoplethysmogramm und Herzratenvariabilität bei der Herzkreislaufdiagnose berücksichtigt werden. Bei den bisherigen Entwicklungen werden Messungen einer dieser Größen jeweils nur an einem bestimmten Ort durchgeführt. Die Abhängigkeit der Messungen von dem Ort und von den anderen Größen wird nicht genug berücksichtigt, was zu einer irrtümlichen Beurteilung der physiologischen Änderungen führen kann.
  • Die Beziehung zwischen Eingängen und Ausgängen in physiologischen Systemen ist meist nicht linear und bei der Lösung des linearen Gleichungssystems eines inversen Problems haben wir in der Regel ein schlecht gestelltes Problem. Die hier resultierenden Gleichungssysteme werden als schlecht gestellte Probleme (ill posed) betrachtet. Jedes Gleichungssystem hat zur Lösung des schlecht gestellten Problems einen relativen Toleranzwert. Das inverse Problem ist ein typisches schlecht gestelltes Problem. Als Ursache für Auftreten von Fehlern kommen verschiedene Möglichkeiten in Frage, davon sind: Rundungsfehler, Software- und Hardwarefehler, Menschlicher Irrtum. Physikalische Prozesse sind auch immer mit natürlichen Fehlern behaftet. Damit man mit mathematischen schlecht gestellten Problemen umgehen kann, sind im Laufe der Jahre verschiedene Methoden entwickelt worden. Diese Methoden führen zu stabilen Näherungslösungen. Sie werden als Regularisierungsverfahren bezeichnet. Regularisierungsverfahren kann man in zwei Arten unterteilen:
    • • Iterative Regularisierungsverfahren (wie Conjugate-Gradient Verfahren und Landweber Iteration)
    • • Direkte Inversionsverfahren (wie Phillips-Tikhonov-Regularisierung und Abgeschnittene Singulärwertzerlegung
  • Bei Glucose und Hb wird Eindringtiefe des Lichtes verschiedener Wellenlänge berücksichtigt. Aus der vorherigen Betrachtung kam man zu der Idee, das Programm für die Fraktionsberechnung mit einem anderen Programm zu kombinieren, dass die Hämoglobinkonzentration Wert mit sehr hoher Genauigkeit mittels Fuzzy-Expert-System berechnet. Für Glukose-Detektion werden neue Wellenlängen im infraroten IR und roten R Bereich eingesetzt und durch PPG-Signalverhältnisse werden die Konzentrationen berechnet. Auch Fluoreszenz sowie Raman-Streuungssignale werden evtl. dazu gemessen.
  • Das Fuzzy-Interferenz-System ist für die Berechnung der verschiedenen Blutbestandteile wie der Hämoglobinkonzentration, fraktionelle Sauerstoffsättigung, COHb, MetHb, SulfHb und Glukosekonzentration angewendet. Die Regeln werden von Durchschnittswerten der Messung und Interpolation zwischen diesen Messungen erzeugt, um eine hohe Genauigkeit ohne die Notwendigkeit für einen großen Satz von Messungen zu erreichen. Die Anzahl und die Form der Zugehörigkeitfunktionen 41 bis 45 (6) für jede Wellenlänge werden so eingestellt, so dass eine hohe Auflösung und Genauigkeit ohne Redundanzen erhalten. Die Anzahl der Regeln wird dadurch minimiert um System-Komplexität niedrig zu halten. Auch die Reproduzierbarkeit der Messungen wurde getestet. Das Fuzzy-Interferenz-System wird auch beim Decision-Making zur Berechnung von weiteren Parametern sowie zur Diagnoseerstellung von zahlreichen pathologischen Änderungen verwendet.
  • Mit besonderem Vorteil sind dem Multisensor weitere Sensoren zugeordnet, welche im Alltag von Kliniken und Arztpraxen regelmäßig eingesetzt werden, etwa Sensoren zur Ermittlung der venösen Sauerstoffsättigung, zur Erstellung von EKG oder EEG, ein Impedanzsensoren, Ausatemgassensoren, ein Sensor zur Erkennung von Kariesbildung und von anderen pathologischen Änderungen in der Zahnmedizin und/oder chemische Sensoren für Tränen-, Gas- und Schweißanalysen.
  • Insbesondere beim Einsatz mit mehreren Patienten, wodurch eine stärkere Belastung der Rechenkapazität der Recheneinheit (auch Cloud-Computing) erzeugt wird, kann es sinnvoll sein, wenn die Verarbeitung der Messdaten nicht unbedingt online erfolgen muss, sondern auch zu einem späteren Zeitpunkt offline erfolgen kann.
  • Robuste Sensoren, Messkörperstellen und Methoden, Filtern, Sample-Rate, Wellenlängen, Abtastrate und Auflösung sind wichtige Faktoren für eine zuverlässige Berechnung von Blutkomponenten und weiteren physiologischen Parametern und damit zur Überwachung und wertvolle Diagnose von zahlreichen Krankheitsbilder in verschiedenen klinischen Bereichen sowie für Ambient Assisted Living und tragbar personalisierten Gesundheitsversorgung mit Internet der Dinge.
  • Ein wichtiger Faktor bei der Genauigkeit des Detektionsverfahrens ist das Signal-Rausch-Verhältnis. Besonders bei Minderperfusionen führt ein kleines Signal-Rausch-Verhältnis zu schlechten Ergebnissen oder es sind unter Umständen die Messungen auch gar nicht möglich. Es gibt jedoch viele Rauschquellen, die minimiert werden können. Bei sehr kleinen Perfusionen sind die Nutzsignale sehr schwach ausgeprägt. Da sie durch Wechselwirkung zwischen pulsierendem Blut und Licht entstehen, kann man die Perfusion beispielsweise durch Wärme vergrößern. Eine Reaktion hierauf kann jedoch zu langsam erfolgen, teilweise ist es gar nicht möglich. Eine Erhöhung der Anzahl der Photonen, die eine Wechselwirkung mit dem Gewebe haben können, kann zur Signalverbesserung jedoch ebenfalls beitragen. Um das bekannte Problem einer Sättigung des Detektors zu beheben, wird ein konstant absorbierendes Medium vor dem Detektor eingesetzt oder Lichtsender-Detektor-Abstand möglichst groß gehalten. Hierdurch ergibt sich ein klares Signal mit einem geringen Rausch-Signal-Verhältnis. Der Abstand hängt hier von Gefäßarealen, die untersucht werden sollen. Dabei wird abhängig von Lichtwellenlängen und Detektor-Lichtquelle-Abstand bestimmter Arealen untersucht werden. Ein multifunktionaler Pulshemometer wird für die Detektion des PPG-Signals im verschiedenen Körperareale eingesetzt. Der Sensor wird als Transmissions-, Reflektions- und Transflektionssensor eingesetzt. Mehrere Wellenlängen werden eingesetzt um spektroskopisch Blutinhaltsstoffe zu detektieren und bestimmte Gewebearealen mit der geeigneten Wellenlänge zu untersuchen. Der Abstand wird bei kleineren Oberflächenarealen klein gehalten und blaues Licht wird dazu angewendet um nur an der Oberfläche größere Signale zu messen. IR-Licht wird für großflächige und tiefe Areale eingesetzt. Mit hohem Sensordruck werden kleine oberflächige Gefäße gedrosselt und noch tiefere Regionen (z. B große Arterien wie A. Radialis, A. Carotis ...) durchstrahlt und untersucht. Der Sensor wird Hinweise bei der Suche nach bestimmten Arterien geben. Es werden unter bestimmten Bedingungen wie an Stellen wo die Venen in der Nähe der Arterien sogar venöse Signale unter bestimmten Sensordruck detektiert, wobei das detektierte venöse Signal an dieser Stelle spiegelbildlich zum Arteriensignal an einer Achse parallel zu der Zeitachse ist (8a, 8b, 9a und 9b), was eine Messung von venöse Sauerstoffsättigung ermöglicht. Damit wird Sauerstoffverbrauch im Gewebe wird dann aus der Differenz zwischen arterieller und venöser Blutsauerstoffsättigung berechnet.
  • Bei optischen Sensoren werden in diesem Patent neue Konstruktionen und Meßverfahren angewendet. Mehrere Sensoren mit einer gemeinsamen Wellenlänge werden eingesetzt. In anderer Version gibt es für jeden Sensor mindestens ein Sensor, der mindestens eine gemeinsame Wellenlänge hat, wobei aber alle Sensorenignalen in einer Relation für Normalisierung zueinander stehen. Größere Photodiode-Fläche wird größere Signale liefern als kleine PD z. B. mit einer Fläche von nur 8 mm2. Fingerleichtbeugung oder Geweberelaxation am Meßort kann größere Signale liefern. Sensorkonstruktion ist einfach und robust bei Messungen mit Einstellungsmöglichkeiten für adaptive Messungen. Der Sensor ist lichtabgeschirmt, so dass man unter der Sonne messen kann. Der Druck des Sensors ist gleichmäßig auf der Messort (z. B. Finger) verteilt, so dass keinen Druck auf einer Stelle konzentriert ist. Wird ein Reflektionssensor auf einem bestimmten Meßort am Körper des Patienten aufgebracht, so wird der zum Festhalten des Sensors verwendete Druck auf die Meßstelle möglichst so groß eingestellt, dass keine relative Bewegung zwischen Sensor und Probe stattfindet, gleichzeitig aber so klein, dass der diastolische Druck im betrachteten Blutgefäße möglichst nicht überschritten wird. Die durch die Pulswelle verursachte Volumenänderung sollte mit dem Sensor nicht gehindert werden.
  • Genaue Betrachtung von Signalqualität wird bei Druckanpassung des Sensors auf der Applikationsort und Armhebung oder beim Armsinken bei den Fingersensoren oder anderen Reflektionssensoren am Arm oder Hand für größere Amplitude. Das detektierte PPG-Signal wird von der Position des Sensors und damit des Meßortes relativ zur Herzhöhe sowie vom Sensordruck abhängig. Beim niedrigen Sensordruck wird eine Messung am Finger mit Armhebung größere Signale liefern, da der Blutdruck dort niedriger und damit mehr arterielles Blut dorthin fließen wird. Das Gegenteil wird beim Senken des Arms erfolgen. Beim hohen Sensordruck wird eine Messung am Finger mit Armhebung kleinere Signale liefern, da der Blutdruck dort niedriger und damit wegen hohen sensordruck weniger arterielles Blut dorthin fließen kann. Das Gegenteil wird beim Senken des Arms erfolgen.
  • In einer Ausführung ist ein intelligenter Pulshemeometer-Sensor PHM entwickelt (als Pulsoximeter mit der Ermittlung von mehr Blutkomponenten) bei dem der Sensordruck mit feiner Einstellung aufs Gewebe eingestellt werden kann. Auch mehr Anweisungen zur Einstellung der Sensorhöhe sowie die Lage von Körperteilen (z. B. Fingerbeugung statt Streckung oder ganz locker lassen) werden gezeigt. Beim Pulshemometer können auch weitere abgeleitete Parameter wie Pulsrate und ihre Variabilität sowie Atmungssignale angezeigt werden. Werden noch weitere Sensoren wie EKG eingesetzt wird der Multisensor als Pulsmultidiagnostiker PMD genannt. Temperatursensoren und Piezoelektrische Sensoren können sowohl beim PHM als auch beim PMD eingesetzt werden. Für diagnostische Zwecke kann ein Pulshemometer mit zwei Wellenlängen wie Pulsoximeter mit Temperatursensor und/oder Piezosensor als einfacher Sensor eingesetzt werden. Zusätzlich zur Sauerstoffsättigung und Pulsrate werden Herzratenvariabilitäten, PPG-Signal-Analyse (Form und Amplitudenänderung) und weitere Parameter ermittelt.
  • PPG wird in einer Multi-Sensor-Ausführung für Valsalva- oder modifiziertes Valsalva-Manöver zum Feedback und zur Diagnose von kardiovaskulären Pathologien sowie mit mehr Modifikationen zur Blutdruckmessung, z. B. bei individualisierter Diagnose für Hemodialyse-Patienten zur Messung des linken Herzkammerdrucks.
  • Zusätzlich zur verlässigen und robusten Signaldetektion, wie oben beschrieben wurde, sind adaptive Filter bei den oben beschriebenen (vor allem beim optischen) Sensoren eingesetzt, um Nutzsignale (vor allem PPG) bei Bewegungsartefakte und Minderperfusion zu detektieren. Das ist ein wichtiger Bestandteil dieser Erfindung. Adaptiv Filter ist für normales Leben und Sport unumgänglich. Vier Arten von adaptiven Filtern werden angewendet. Mit dem Einsatz von Fuzzy-Logik mit Gewichtung und Decision Making werden die besten Signale unter den ungünstigen Bedingungen detektiert. Eine Methode zur Adaptiven Filterung ist die Diskrete-Sättigung-Transformation, damit kann die adaptive Filterung für die Detektion der Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes und des venösen Blutes (Bewegungsartefakten) bei der Trennung der Signalverhältnisse mit Histogramm von gemischten Venen-Arterien- und Arteriensignalen eingesetzt. Bei einer zweiten Methode werden ein Störsignal-Referenz oder ein Signal-Referenz verwendet. Diese Signale können erzeugt oder bei der Verwendung anderer Sensoren gemessen werden. Um bessere Ergebnisse zu erzielen könnten andere Methode zu dem Referenzsignalgenerierung beitragen. Wir verwenden die least-Mean-Square(LMS)-Methode, wobei anderen Algorithmen auch verwendet werden können, um das eigentliche Signal aus dem verrauschten Signal zu extrahieren. Für die erste Annäherung an um Referenzsignal zu erzeugen, wird ein Tiefpassfilter optional verwendet. Mit dem resultierenden Signal von diesem Low-Pass wird, mit oder ohne eine Datenbank von möglichen Signalformen, ein entsprechendes Referenzsignal erzeugt. Dieses Referenzsignal wird aus den erfassten Signalen subtrahiert um ein Rauschsignal zu erzeugen. Dieses erzeugte Rauschsignal kann modifiziert werden, um den Stör-Referenzsignal zu synthetisieren. Das synthetisierte Rauschsignal wird wiederum aus dem erfassten Signal der Fotodiode abgezogen. Das resultierende Signal kann modifiziert werden, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Die dritte Methode ist beim Einsatz von Wavelet-Transformation. Die vierte Methode ist die Verwendung von Piezoelektrische Sensoren oder Beschleunigungssensoren zur Erzeugung von Nutz- bzw. Rauschsignal-Referenzen.
  • Die Sauerstoffsättigungsverteilung kann mit diesem Multisensor und in einer Version aus Kamerabilder-PPG pixelweise berechnet werden um Krebserkrankungen (Melanome und Mammographie) zu detektieren. Dafür werden auch Signalintensitäten, die eine Indikation für Gewebedurchblutung darstellen, eingesetzt. Erkrankte Gewebe werden mehr durchblutet und mehr Sauerstoff verbrauchen. Damit werden hohe Signalamplituden und niedrige Sauerstoffsättigung gemessen. Um das Signalrauschsignalverhältnis zu erhöhen wird eine bestimmte Anzahl von benachbarten Pixeln (durch gewichtete Mittelung) zu einem Signal zusammengefasst. Die Verteilungsauflösung kann selektiert werden. Lichtquellen können separat (LEDs) oder im Smartphone integriert (Kamerablitz oder LEDs) werden. Andere Kamera kann auch als Detektor eingesetzt werden. Der Sensor kann individualisiert oder allgemein sowie kontaktlos oder direkt an der Haut eingesetzt werden.
  • Für robuste, aussagekräftige Diagnose müssen Messungen unter gleichen standarisierten Bedingungen durchgeführt werden. Für die Detektion pathologischer Änderungen wie Gefäßsteifigkeit sollte die Stellung von Finger (leicht gebeugt und entspannt) oder das Meßobjekt mit einer entwickelten Vorrichtung in bestimmter Position festgehalten werden. Bei vorhandenen Geräte oder Smartphone muss der Finger beispielsweise gestreckt werden um Lichtquellen und Photodetektoren bei Smartphone-Apps-Messungen abzudecken. Das kann Arterieneigenschaften (besonders die Dehnbarkeit) ändern und damit die Signalform sowie – Amplitude ändern. Um Einige Parameter vom Arteriengewebe genauer zu studieren muss man unter gleichen Bedingungen messen. Beim Hohen Druck am Sensor könnten Signale verfälscht werden. Eine Vorrichtung als Zubehör für Smartphone, die eine schnelle angenehme zuverlässige Messung gewährleisten kann, ist konstruiert. Wird Kamerablitz als Lichtquelle einfach wie bis jetzt eingesetzt, könnten Hautverbrennungen erfolgen, die mit diesem Zubehör vermeiden werden. Umgebungslicht, das das Ergebnis verfälschen kann, wird mit dem Zubehör auch stark gedämpft. Mit diesem neuen Design gemäß Ansprüchen 7 und 9 (4, 5 und 6) für einen Zubehör werden viele Mangeln beseitigt. Mit einem Reflektionssensor am Handteller in der Nähe des Daumens kann man PPG schneller und einfacher ohne genaue Einstellungen (weniger druckabhängig sowie Berührungslos mit festem Abstand) detektieren. Transmissionssensor wird bei spektroskopischen Messungen zur Detektion von Blutkomponenten und Blutinhaltsstoffen bevorzugt. Dazu wird ein Zubehör für Smartphone entwickelt. Dieser Zubehör ist flexibel für verschiedene Fingergroßen. Transmissionsmessungen können auch mit zwei Smartphones durchgeführt werden, wobei der Kamerablitz eines Smartphones als Lichtquelle verwendet und die Kamera der zweiten als Detektor eingesetzt wird (5 und 6). Um stabile Signale zu bekommen, wird die beschriebene Vorrichtung für die Kamera und Lichtquellen montiert. Damit werden die Gewebeverbrennungen und Schmerzen vermieden und schnelle Messungen an alle Körperstelle ermöglicht, was eine Detektion von Ischämie, Durchblutungsstörungen- und Krebs- ermöglicht. Vor allem wird es mit Smartphone möglich, Hautkrebs und Mammographie sowie in zweite Stufe Diabetes mellitus zu diagnostizieren. Messungen sollen bei schwachen Signalen an vielen Körperteilen mit einem Band (und nicht mit der Hand) wegen Signalverfälschung durch Bewegungsartefakte befestigt werden.
  • Um den Kamerablitz des gleichen Smartphones bei der Transmission zu verwenden ist eine Vorrichtung mit (Bündel von) Lichtwellenleiter (LWL) entwickelt (6).
  • Die Verteilung der Sauerstoffsättigung, Glukose, PPG-Amplituden- und Temperaturvariabilität sowie Krebserkrankungen können mit den Reflektions- ode Transmissionssensoren detektiert werden. Eindeutiges Display für Signale, Bilder und Texte bei Entertainment wird in diesem Multisensor integriert. Auch Messungen verschiedener Parameter vor, während und nach Mahlzeiten für Gewichtverringerung können damit durchgeführt werden. PMD wird in verschiedenen Versionen mit dem Smartphone angewendet. Als EKG-Sensor wird Ein-Kanal-EKG mit zwei Elektroden die als Handgriffe angewendet und als Teil der Gehäuse oder einer Schutzhülle sind. Drei Elektroden sind auch für Standard Drei-Kanal-EKG möglich. Zusätzlich können mehrere weitere Sensoren eingesetzt werden.
  • Mithilfe effizienter Diagnostik in personalisierte Medizin und unter Einsatz von PPG als funktionelle Biomarker mit weiteren Parametern können innerhalb einer großen Patientenpopulation bestimmte Gruppen identifiziert werden, die verschiedene Behandlungsansätze benötigen – durch andere Medikamente, oder eine höhere bzw. niedrigere Dosierung des gleichen Arzneimittels. Epidemiologische Studien haben gezeigt, dass Feinstaubbelastung mit einem Anstieg der respiratorischen und kardiovaskulären Morbidität und Mortalität) zugeordnet ist. Die Verringerung der Sauerstoffsättigung bei der Luftverschmutzung als Risikofaktor kann von subtilen partikelbedingten pulmonalen Gefäß und/oder entzündliche Veränderungen verursacht werden. Der Multisensor kann dafür eingesetzt werden um umfassende Diagnose durchzuführen. Er kann auch für Atmungstechniken um die Sauerstoffsättigung im normalen Bereich zu halten (wiederlernen wie richtig zu atmen). Feedback von Medikamente und Nahrung oder Getränke (Koffein) kann mit dem PMD ermittelt werden. Zusätzlich zu den hier diskutierten Parametern wird der Multisensor für Sport sowie medizinische Entertainment und Stressmessung eingesetzt.
  • Der Multisensor wird auch bei Ambient-Assisted-Living eingesetzt. Vor allem kann man die Kamera kontaktlos und piezoelektrische Elemente in der Kleidung oder am Boden für Parametermessungen und Fallen-Detektion anwenden. Auch ein Beschleunigungssensor ist für Detektion von Stürzen, Herunter- und Umfallen von Personen geeignet. Piezoelektrische Elemente werden zur Detektion von Ballistokardiogramm sowie Herz- und Pulsrate und ihre Variabilität zur Blutdruckmessung eingesetzt. Andere Drucksensoren werden wie Piezoelemente für Vitalparameterüberwachung in Kleidung, Matratzen sowie Teppichboden oder Bettfüße verwendet. Piezoelemente sind aber sehr günstig kompakt und (vor allem sehr dünn). Ihre Schaltungen haben sehr geringen Stromverbrauch; sie können sogar für Stromgenerierung angewendet werden. Wenn sie mechanisch verformt werden, wird ein Strom erzeugt.
  • Bei Mobilgeräten und Smartphone wird Stromverbrauch bei dem Multisensor mit energiesparende Sensoren verringert. Misst man sein Puls oder Stress mit Smartphone, werden Messungen in einer hellen Umgebung (Tagsüber oder in einem hellen Raum) oder Vorhandensein anderer definierten Lichtquelle ohne Blitz durchgeführt werden und damit Batterie-Entladezeit und -Lebensdauer verlängert werden.
  • Eine mechanische Detektion von einem Plethysmogrammsignal kann in verschiedener Form wie Sphygmogramm hinweg erfasst werden. Messungen können an mehreren Körperteilen eines Patienten (1) vorgenommen werden. Bevorzugt ist das Handgelenk als Meßort für ein hohes Signalrauschverhältnis. Die mechanische Vorrichtung besteht aus Handgelenkband und Stab mit Stift an seiner Spitze zur Aufzeichnung des Plethysmogramms (PG) oder Sphygmogramm auf eine Folie oder Papier. Um weitere Energieverbrauchsverminderung zu ermöglichen wird mit diesem Sensor allein der PG-Verlauf mit manueller Papierzuführ gezeichnet. Die gesamte Meßvorrichtung kann in Form und Größe eines Stiftes mit einem Armband und eine Folie, die auch um den Stift gewickelt ist, so dass nur ein Stiftgroße MessVorrichtung dazu gebraucht wird. Im Gegensatz zu optischem PPG hat das mechanische keine Abhängigkeit in seiner Amplitude von Sauerstoffsättigung. Der Sensor hat einen großen Vorteil, dass er keine Stromversorgung braucht, was wiederum viele Vorteile mitbringt. Die Vorrichtung kann überall eingesetzt werden (z. B. beim Schwimmen zur Diagnose bei Belstungsmessungen wie Pulsmessung). Das Gerät ist nachhaltig so dass keine Batterien oder Akkus gebraucht werden sowie keine Abfallstoffe und damit umweltfreundlich. Pulse sowie Signal-Form und -Amplituden werden für Diagnose eingesetzt. Dieser Sensor kann auch in Kombination mit Lichtdetektor (z. B. Photodide) angewendet werden um automatische Diagnose zu erstellen. Mit Photodioden zur elektronischen Detektion des PGs der mechanischen Vorrichtung kann eine sehr hohe Auflösung erzielt werden, da der Gleichanteil des Signals kann einfach minimiert werden. Der Sensor wird für die Messungen von Dickeänderung zur spektroskopischen Messungen angewendet, um Blutinhaltstoffe zu berechnen. Nach Eichung und genauere Fixierung sowie piesoelektrische Druckmessung kann man auch Blutdruck messen. Mit integrierter Folie zur Aufzeichnung und Hardwareaufbau kann man verschiedene Oszillationen und weitere Signale wie Blutdruck, Atmungssignal Herzraten- sowie Amplitudenvariabilität messen. Das mechanisch detektiertes Signal enthält Oszillationen und noch mehr Informationen über Balistokardiogramm, Sphygmogramm und Seismokardiogramm. In Kombination mit optischen und Piezoelektrischen Sensoren wird das Signal als Referenz für adaptive Filter und zur Berechnung von Blutdruck und Blutinhaltsstoffen weiteren Parameter sowie zur Diagnose von Herzkreislauferkrankungen. Für Blutdruckberechnung konnte die Kombination aus Zeitspannebereich (PTT, Zeitverhältnis der Systole zu Diastole Zeitspanne von PPG-Zyklus und diastolischen Dauer) und Wellenform-Morphologie (Flächenverhältnis der Systole zu Diastole) sowie die Frequenzbereich eingesetzt werden. Eine PG-basierte Blutdruck-Schätzung kann verbessert werden.
  • Wird der Sensor ohne weitere Recheneinheit und ohne Stromversorgung verwendet, wird eine genaue Gebrauchsanweisung zur Diagnose von pathologischer Änderung gebraucht, die mit dem Gerät geliefert wird. Diese Vorrichtung kann überall angewendet werden um erste Diagnose zu erstellen. Messung kann an mehreren Körperteilen wie Finger, Stirn, Arm, Bein, Bauch, Rücken eines Patienten (1) vorgenommen wird. Bevorzugt ist das Handgelenk als Meßort für ein hohes Signalrauschverhältnis. Zur Diagnose könnten auch mehrere Signale gleichzeitig registriert um Signalvergleiche (z. B. bei Symmetrie) durchzuführen.
  • Wie oben beschrieben werden am Handgelenk verschiedene Messungen durchgeführt. Man kann sowohl die arterielle sowie venöse Sauerstoffsättigung messen. Mit optischen und mechanischen Sensoren (optional auch Piezo- und Temperatursensoren) werden PPG, BCG, infraton Oszillogramm und möglicherweise Seismokardiogramm. Zahlreiche Pathologien können mit diesem Multisensor detektiert. Die Differenzierung zwischen alle möglichen Messungsarten braucht aber noch gute Kenntnisse über die Signale und die Befestigung von Sensoren. Aus den detektierten mechanischen Pulsationen werden weiterhin Töne erzeugt, die die Herztöne wiederspiegeln. Hemodynamische Eigenschaften, Herzklappenanomalien und weitere pathologische Änderungen können damit einfach detektiert werden. Ein Vergleich zwischen diesen Pulsgenerierten Töne und Herztöne auch zusammen mit Puls- und Herzratenvariabilitäten sind für die Detektion von Pulsausbreitungsgeschwindigkeit, Blutdruck und Gefäßesteifigkeit eingesetzt.
  • Smartphone kann wie oben beschrieben mit seiner Kamera oder anderer integrierten Sensor (z. B. Photodiode) als Detektor und seinem Blitz, integrierten Lichtquellen oder separaten Lichtquellen für die Diagnose eingesetzt werden. Es gibt keine Smartphone-Apps in diesem Bereich außer der, die die Pulsrate und die Sauerstoffsättigung messen. Sie sind sogar auch nicht ganz zuverlässig. Außerdem sind die Apps noch nicht aks medizinische Geräte zertifiziert. Smartphone kann als Teil des Gerätes sein oder nur als Display angewendet werden. Die eingesetzte Sensoren oder PPG-Images werden für die Berechnung von Hämoglobinkomponenten und fraktionelle Sauerstoffsättigung eingesetzt werden.
  • Bei niedriger Abtastrate bei der Kamera wird beim Bedarf eine Resampling für die Berechnung von Blutkomponenten durchgeführt. Um die Annäherungen durch diese Interpolationen zu kompensieren werden mehre Werte gebraucht um die Interpolationsfunktion genauer zu einstellen. Die Eidringtiefe ist wellenlängenabhängig und von Hämoglobinkonzentration und seinen Fraktionen sowie von Hautfarbe und Gewebestrukturen abhängig. Die Wahl der geeigneten Pixel der Kamerabilder ist entscheidend bei den Berechnungen von Blutinhaltsstoffen durch RGB-Verhältnisse der Bildhelligkeitsintensitäten.
  • Die elektromechanische Entkopplung oder auch die pulslose elektrische Aktivität ist eine besondere Form des Kreislaufstillstandes. Dabei laufen zwar die elektrischen Impulse über das Herz aber die Herzmuskeln kontrahieren nicht. Das Herz wirft also kein Blut mehr aus. Dennoch sieht es z. B. auf dem EKG, welches die elektrische Aktivität des Herzens misst so aus als ob das Herz ganz normal schlagt. Eine solche elektromechanische Entkoppelung kann die verschiedensten Ursachen haben z. B. Vergiftungen, Medikamentenmissbrauch oder eine Lungenembolie. Im Herz-Kreislauf-System werden Herzinsuffizienz (bei Messung der Herzzeitvolumen) und elektromechanische Entkopplung sowie pulslose ventrikuläre Tachykardie (PVT) diagnostiziert. Bei pulsloser elektrischer Aktivität (PEA) oder Asystolie wird ein Video angezeigt wie man ein Herzmassage und Atmung durchführt. Beim Kammerflimmern oder Pulslose Tachykardie wird noch dazu ein Einsatz des Defibrillators verlangt.
  • Ein Notfallgerät wird nicht nur im Rettungsdienst eingesetzt, sondern eine einfache günstige Form, die auch im Automobil eingesetzt werden kann. Eine PMD-Version für Monitoring Vitalparameter beim Fahren oder Fliegen kann angewendet werden. eine Dauermonitoring vom Fahrer kann hier im Fahrzeug integriert werden. Dabei dürfen die Sensoren den Anwender nicht belasten. EKG-Elektroiden sowie PPG-Sensoren können im Lenkrad, in den Sitz oder Pedals integriert werden. Wird in einer Ausführung der Erfindung die Müdigkeit oder Sekundenschlaf entdeckt würde der Fahrer gewarnt.
  • Mit diesem Sensor kann auch mit einer Kamera die Wirbelsäure optisch dargestellt um Vertebral-Metrik-Messungen durchzuführen. Ursachen von Rückenschmerzen könnten damit zum Teil entdeckt werden und die Betroffenen gezielt bei ihrem Selbstmanagement unterstützt werden. Morphologische und PPG-Signal-Analyse erfolgt um genaueren Verlauf der Wirbelsäure sowie Asymmetrie in den beiden Körperhälften zu zeigen. Bilder für die Hüfte und des gesamten Körpers können auch verarbeitet werden.
  • Dieser Multisensor ist für Früherkennung von verschiedenen Krankheiten und für Prävention sehr hilfreich und damit zur Qualitätssteigerung und Kostenersparnis im Gesundheitssystem von großer Bedeutung. Die PMD-Diagnose wird die Beratung und Behandlung durch Ärzte nicht ersetzen. Sie kann als Hinweis auf das (möglicherweise) Vorliegen einer Krankheit oder eines Leidens. Bei einer Krankheit oder bei bestehenden Zweifeln muss man immer einen Arzt aufsuchen. PMD dient dazu die Arbeit der Ärzte zu unterstützen die Spezifität und Sensitivität bei vielen Diagnoseverfahren erhöhen. Das Gerät in seiner verschiedenen Versionen ist nicht invasive, hat keine Nebenwirkungen und einfach zu einsetzen, so dass man es für Früherkennung von pathologische Änderung zur Prävention und Diagnose verwendet. Man wird gezielt bei seinem Selbstmanagement unterstützt. Hierdurch sollen dadurch Komplikationen vermieden und die Lebensqualität erhöht und damit das Leben erleichtert werden.
  • Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 einen Meßaufbau für Überwachung und Diagnose, bei welchem ein Patient an einen Multisensor angeschlossen ist,
  • 2a ein Histogramm, das die Häufigkeit von Verhältnissen von zwei Signalen für arterielles Blut und eine Arteriovenöse Blut-Mischung und sein gefiltertes Signal,
  • 2b ein Histogramm, das die Häufigkeit von Verhältnissen von zwei Signalen für arterielles Blut und eine Ateriovenöse Blut-Mischung mit Störsignale und seine gefiltertes Signal,
  • 3 ein Ablaufdiagramm für das gesamte System zur Monitoring und Diagnose,
  • 4 eine Darstellung der Vorrichtung zur optischen Messungen mit dem Smartphone mit drei Ansichten für Reflektionsmessungen,
  • 5 eine Darstellung der Vorrichtung zur optischen Messungen mit dem Smartphone für Transmissionsmessungen bei der Verwendung von Mehrere Lichtquellen verschiedener Wellenlängen,
  • 6 eine Darstellung der Vorrichtung zur optischen Messungen mit dem Smartphone für Transmissionsmessungen mit Lichtwellenleiter (LWL) für bei der Verwendung des Kamera-Blitzes als Lichtquelle,
  • 7 Darstellung der Fuzzy-Membership-Funktionen Inputs und Outputs für Fuzzy-Interferenz-System
  • 8a ein PPG-Signal von venösen Gefäße wie es direkt aus der Verstärkerschaltung der Photodiode aussieht,
  • 8b ein PPG für venösen Gefäßen wie es üblich angezeigt, um die Änderungen der Blutvolumina zu zeigen,
  • 9a ein PPG-Signal von Atrien wie es direkt aus der Verstärkerschaltung der Photodiode aussieht,
  • 9b ein PPG für Arterien wie es üblich angezeigt, um die Änderungen der Blutvolumina zu zeigen,
  • 10 eine Smartphonehülle mit drei EKG-Elektroden und Vorrichtung zur optischen PPG-Messungen,
  • 11a eine mit PD detektierte Dickeänderung mit mechanischer verstärkung
  • 11b ein mit PD detektierte mechanisch verstärkte Dickeänderung mit Schwingungen,
  • 12 eine Darstellung der an den Handgelenk detektiertes Signal und
  • 13 eine Darstellung das Prinzip der mechanischen Dickeänderungsverstärkung.
  • 1 zeigt einen Messaufbau mit einem Patienten 1, welcher an einen Multisensor zum Monitoring von Vitalparamete rund zur Diagnose von pathologische Änderungen angeschlossen ist. Der Multisensor findet seinen Einsatz unter anderem in der Notfall- und Intensivmedizin, im Operationssaal, bei Patientenverlegungen, bei (Früh-)Geburten, beim Fötalmonitoring während Schwangerschaft und Geburt, im Homecare-Bereich und in der Schlafmedizin. Das Gerät kann zudem in Arztpraxen, Krankenhäusern, im Sport, im Homecare-Bereich, bei Schlafapnoe und zur Biofeedbackmessung eingesetzt werden.
  • Vorliegend ist der Patient 1 über alle Sensoren 2 bis 9 mit dem Multisensor verbunden. Der Blutdruck wird mithilfe mehrerer Plethysmographie-Sensoren erfasst und aufgezeichnet. Gleichzeitig werden weitere Parameter, wie etwa die Temperatur oder insbesondere die Sauerstoffsättigung und die Hämoglobinkonzentration im Blut des Patienten 1 ermittelt und in von einem Arzt lesbare Diagnosewerte umgearbeitet.
  • In Krankenhäusern kann auch ein Gerät für die Überwachung von mehreren Patienten gleichzeitig eingesetzt werden. Dabei werden mit einem Modus die Ergebnisse von der Sauerstoffsättigung, Herzrate und Plethysmogrammsignale dargestellt. Es besteht auch die Möglichkeit, weitere Parameter zu messen, etwa Konzentrationen der berechneten Hämoglobinkomponenten (HbO2, RHb, COHb, Met-Hb, Sulf-Hb) und die gesamte Hämoglobinkonzentration sowie die Sauerstoffsättigung anzuzeigen.
  • Neben den genannten Funktionen kann der Multisensor zusätzlich auch Sensoren zur Ermittlung der venösen Sauerstoffsättigung, zur Erstellung von EKG oder EEG, ein Hautimpedanzsensor, Atemgassensoren, ein Sensor zur Erkennung von Kariesbildung und von anderen pathologischen Änderungen in der Zahnmedizin und/oder chemische Sensoren für Tränen-, Gas- und Schweißanalysen aufweisen, so dass eine umfassende Diagnose des Patienten ermöglicht ist.
  • In Ambient Assited Living können Piezoelemente 16 oder Kameras 17 für Patienten Überwachung und Fallendetektion eingesetzt werden. Beschleunigungssensoren oder Drucksensoren könnten auch dazu verwendet werden.
  • In 2a ist ein Histogramm 18, das die Häufigkeit von Verhältnissen von zwei Signalen für arterielles Blut und eine arteriovenöse Blut-Mischung und seine gefiltertes Signal 19 dargestellt.
  • In 2b ist ein Histogramm 34, das die Häufigkeit von Verhältnissen von zwei Signalen für arterielles Blut und eine Ateriovenöse Blut-Mischung mit gestörten Signale und sein gefiltertes Signal 35 angezeigt.
  • In 3 ist ein Ablaufdiagramm für das gesamte System des Multisensors zum Monitoring und zur Diagnose gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Durch Start- 20 beginnt die Messung der optischen Sensoren 21, 22 und 23. Zur gleichen Zeit kann man auch die Messung der anderen Sensoren: EKG 24, Temperatur- 25, Impedanz- und Beschleunigungs- 26 und Kapnograph-Sensor 27 starten. Weitere Sensoren diskutiert in dieser Erfindung könnten auch bei der Messung starten. Durch eine Signalverarbeitung 28, werden die erfassten Signale weiter verarbeitet und unter Verwendung der oben erwähnten intelligente Algorithmen analysiert. Eine Rückkopplung kann von diesem Gerät durchgeführt werden, um die Erfassung und die Verarbeitung von allen Sensoren zu verbessern. Die Parameter-Berechnungen 29 werden jeweils nach der Aufbereitung der Messdaten durchgeführt. Decision Making beispielsweise mit Fuzzy Logik 30 folgt, bevor das Zeigen der Diagnose 31 erreicht wird. Schließlich folgt die Daten Sendung 32 von der Basisstation an die zentrale Überwachungsstation und Mobiltelefon oder das Senden von Daten 33 vom Mobiltelefon an die zentrale Überwachungsstation. Das Mobiltelefon kann die Daten aus den Sensoren und der Parameter von der Basisstation empfangen.
  • In 4 ist eine Darstellung der Vorrichtung zur optischen Messungen mit dem Smartphone angezeigt: Smartphone-Deckel 37 und Vorrichtung für optische Messungen 36. Man sieht links auch eine Darstellung der Vorrichtung zur optischen Messungen mit dem Smartphone mit drei Ansichten: Draufsicht 38; Vordersicht 39; Seitensicht 40.
  • In 5 ist eine Darstellung der Vorrichtung zur optischen Messungen mit dem Smartphone mit einem Deckel 40a und Lichtquellen 40b für Transmissiondmessungen angezeigt.
  • In 6 ist eine Darstellung der Vorrichtung zur optischen Messungen mit dem Smartphone mit einem Deckel 40a und Lichtwellenleiter 40c für Transmissiondmessungen angezeigt.
  • In 7 ist eine Darstellung der Fuzzy-Membership-Funktionen 41 bis 43 als n Fuzzy-Inputs für Fuzzy-Interferenz-System und Fuzzy-Membership-Funktionen 44 und 45 als m Fuzzy-Outputs des gleichen Fuzzy-Interferenz-System zu sehen. Sie sind als lineare Funktionen angezeigt, wobei andere Beliebige Funktionen sein können.
  • In 8a ist eine Darstellung der an den Venen in der Nähe von Arterien venöses optischen Signal detektiert, wobei das optische venöse Signal spiegelbildlich zum optischen Arteriensignal an einer Achse parallel zu der Zeitachse ist.
  • In 8b ist eine Darstellung der an den Venen in der Nähe von Arterien venöses Signal PPG 47 detektiert, wobei das venöses PPG spiegelbildlich zum Arteriensignal an einer Achse parallel zu der Zeitachse ist.
  • In 9a ist eine Darstellung des optischen detektierten Arteriensignals wie es direkt aus der Verstärkerschaltung der Photodiode aussieht.
  • In 9b ist eine Darstellung der Arteriensignal PPG 49 wie es üblich angezeigt, um die Änderungen der Blutvolumina oder des Blutdruckes zu zeigen.
  • In 10 ist eine Darstellung der Smartphone-Hülle 51 für Tranmissionspulsoximetrie 53 und EKG-Elektroden 52, 54 und 55, die auch für einfaches Tragen des Geräts verwendet.
  • In 11a ist eine Darstellung der an der Radialarterie mecha-optisch detektiertes Plethysmogramm 56.
  • In 11b ist eine Darstellung der an der Radialarterie mecha-optisch detektiertes Oszillationen 57, die aber auch durch Elastizität des Messstabs in Abhängigkeit von Blutdruck und Gefäßeelastizität generiert wird. Die verschiedenen Kurven zeigen Aufnahmen zur verschiedenen Zeiten durch Zeitverschiebung. Man sieht hier wie die Abtastrate die Parameter stark ändern können.
  • In 12 ist eine Darstellung der am Handgelenk (Venen und Arterien) detektiertes Pulsoszillogramm 58. Das Signal zeigt eine Ähnlichkeit mit dem EKG-Signal. Man könnte daraus einfacher eine genauere Pulsrate berechnen. Die Pulsoszillographie stellt ein qualitatives Verfahren zur Registrierung arterieller Pulsationen dar. Im Gegensatz zur arteriellen Druckpulsschreibung, bei der die Pulsationen gezielt von einem bestimmten Gefäß abgeleitet werden, werden bei der Pulsoszillographie Volumenänderungen aller Gefäße im Messbereich erfasst. Die pulsatorische Querschnittsänderung hängt von der Blutdruckamplitude und der Gefäßelastizität ab. Zudem wird sie vom Gefäß- und Muskeltonus beeinflusst. Die synchrone, symmetrische Pulsoszillographie mit Seitenvergleich wird zur Lokalisation von Gefäßstenosen eingesetzt. Es ist mit geeigneten Tests (z. B. Belastungs-, Wärme-, Stautest) möglich, sogar zwischen organischen und funktionellen Durchblutungsstörungen zu unterscheiden.
  • In 13 ist eine Darstellung das Prinzip der mechanischen Dickeänderungsverstärkung zur Messung der Plethysmogramm nach dem Strahlungssatz. Eine Verstärkung von 500 kann kann z. B. erreicht werden wenn bei einem Stablänge von 5 cm die Applikationsort der Pulsationen 0,1 mm vom Scheitelpunkt entfernt ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Patient
    2
    Ohrläppchen Getriebesensor
    3
    Transflexion Sensor mit integriertem Temperatursensor
    4
    Transflexion Sensor (Finger oder Zehen)
    5
    CO2 und Kapnographie-Sensor
    6
    EKG-Sensor
    7
    Hautimpedanzsensor
    8
    Beschleunigungssensor
    9
    Blutdruckmanschette, die künstliche Störungen erzeugen können,
    10
    Basisstation
    11
    Mobiltelefon (oder PDA)
    12
    Überwachungszentrale
    13
    Cloud Computing
    14
    Hardware für Multisensor
    15
    Krankenhaus, Facharzt oder eine Gesundheitsdiensleister
    16
    Decision Making
    17
    Entertainment und Therapie
    18
    Histogramm
    19
    Gefiltertes Histogramm
    20
    Startmessungen
    21
    erste optische Sensormessungen
    22
    zweite optische Sensormessungen
    23
    dritten optischen Sensor transreflection Messungen
    24
    EKG-Messung
    25
    Temperaturmessungen
    26
    Impedanz und Beschleunigungsmessungen
    27
    CO2 und Kapnographie Mess
    28
    Signalverarbeitung und Analyse
    29
    Berechnung von Parametern aus den Mess
    30
    Decision Making beispielsweise mit Fuzzy Logik
    31
    Diagnose zum Nachweis von pathologischen Veränderungen
    32
    Senden der Ergebnisse an das Mobiltelefon
    33
    Senden der Ergebnisse an eine Zentralstation
    34
    Histogramm mit mehreren Peaks
    35
    Gefiltertes Histogramm mit Rauschen
    36
    Smartphone-Deckel
    37
    Vorrichtung für optische Messungen
    38
    Vorrichtung für optische Messungen; Draufsicht
    39
    Vorrichtung für optische Messungen; Vordersicht
    40
    Vorrichtung für optische Messungen; Seitensicht
    40a
    Vorrichtung für optische Reflektion- und Transmission-Messungen
    40b
    Lichtquellen für Transmissionsmessungen
    40c
    Lichtwellenleiter
    41
    Fuzzy-Membership-Funktion 1 als Fuzzy-Input 1 für Fuzzy-Interferenz-System
    42
    Fuzzy-Membership-Funktion 2 als Fuzzy-Input 2 für Fuzzy-Interferenz-System
    43
    Fuzzy-Membership-Funktion n als Fuzzy-Input n für Fuzzy-Interferenz-System
    44
    Fuzzy-Membership-Funktion 1 als Fuzzy-Output 1 für Fuzzy-Interferenz-System
    45
    Fuzzy-Membership-Funktion m als Fuzzy-Input m für Fuzzy-Interferenz-System
    46
    venöses optisches Signal direkt aus der Verstärkerschaltung der Photodiode
    47
    venöses Signal PPG
    48
    Arteriensignal direkt aus der Verstärkerschaltung
    49
    Arteriensignal PPG
    50
    Vorrichtung für optische Messungen; Seitensicht
    51
    Smartphone-Hülle
    52
    EKG-Elektroden 1
    53
    Tranmissionssensor, der auch für einfaches Tragen des Geräts verwendet
    54
    EKG-Elektroden 2
    55
    EKG-Elektroden 3
    56
    an der Radialarterie detektiertes Plethysmogramm
    57
    an der Radialarterie detektiertes Oszillationen
    58
    am Handgelenk detektiertes Pulsozillogramm

Claims (10)

  1. Verfahren zur nichtinvasiven Monitorring von Vitalparameter (fraktionelle Sauerstoffsättigung, Hämogloinkonzentration, Herzraten und Glucose) und Detektion pathologischer Veränderungen im Herz-Kreislauf-System sowie von Durchblutungsstörungen durch eine gleichzeitige Erfassung verschiedener Signale und Parameter mithilfe von Plethysmographie-Sensoren, Piezoelektrische Sensoren, Temperatursensoren und Elektrokardiographie (EKG), wobei eine Auswertung der Signale durch eine mit den Sensoren signalverbundene Recheneinheit erfolgt und mithilfe der Recheneinheit für einen Arzt interpretierbare Diagnoseparameter abgeleitet werden. Aus dem kontinuierlich erfassten Signale werden noch kardiovaskuläre Oszillationen (Variabilität) wie die Herzraten- und Blutdruckvariabilität ermittelt, während die Temperaturvariabilität aus ebenfalls kontinuierlich erfassten Temperaturwerten ermittelt wird. Smart-Sensoren und Datafusion (evtl. durch Analyse von Big-Data) mit mathematischer Modellierung bei der Verwendung von Fuzzy Logik und weiteren Methoden ermöglichen Decision Making für Diagnose, Feedback bei Therapie und Medikamente sowie Consulting, evtl. mit Smartphone oder Internet.
  2. Multisensor gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ermittelte Daten über eine Datenschnittstelle der Recheneinheit in ein Datensystem lesbar sind, zur Auswertung der Biosignale (Z. B. Plethysmogrammsignale) mit einer Recheneinheit signalverbunden ist und mithilfe der Recheneinheit aus den Signalen für einen Arzt interpretierbare Diagnoseparameter ableitbar sind. Der Multisensor kann auch eine Diagnose für Medizinische Personal und Rettungsdienst im Notfall oder für Patienten liefern. Der Sensor wird auch in der Personalisierten Medizin eingesetzt. Weiterhin werden Herzraten-, Pulsraten-, PPG-Amplituden-, PPG-Ableitungen, Blutdruck- und Sauerstoffsättigung-Variabilitäten eingesetzt. Damit werden weitere Pathologien wie Herzfehler, Gewebesteifigkeit aus PPG und weitere Sensoren für Prävention von Krankheiten, Herzzeitvolumen und elektromechanische Entkopplung diagnostiziert. Stressmessung und Entertainment sind weitere Multisensor-Outputs. Der Multisensor kann dadurch gekennzeichnet, dass aus den vorhandenen Sensoren mehrere Sensorgruppen derart gebildet sind, dass jeweils eine Sensorgruppe für jeweils einen Patienten einsetzbar ist. Etwa beim Einsatz in Katastrophenfallen kann dies hilfreich sein, wenn nur in beschränktem Maße Material zur Verfügung steht. Die Telemedizin gibt die Möglichkeiten, um die Multisensor vor allem in ländlichen Gebiete Tele-Konsultationen mit Fachärzten zu verwenden. Zuverlässiger Multisensor mit Experten System zur Monitoring und Prävention von pathologischen Änderungen kann mit Bluetooth oder USB auf Mobile oder Smart Computer angewendet werden.
  3. Multisensor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Plethysmographie-Sensoren als Lichtquellen LEDs, LDs oder eine Lampe mit optischen Filtern zur Selektion bestimmter Wellenlängen und als Detektoren Photodioden, Phototransistoren, CCD-Detektoren oder Smartphonekamera zugeordnet sind. PPG-Signale werden vorzugsweise über mehrere Wellenlängen hinweg erfasst werden. Messung gleichzeitig an mehreren Körperteilen eines Patienten (1) vorgenommen wird. Die fraktionelle Sauerstoffsättigung, welche das Verhältnis der Konzentration des oxygenierten Hämoglobins zu der Gesamtkonzentration aller Hämoglobinkomponenten, nämlich oxygeniertes Hämoglobin O2Hb, reduziertes Hämoglobin Hb, Carboxyhämoglobin COHb, Methämoglobin MetHb, und Sulfhämoglobin sulfHb darstellt, wird mit dem Multisensor ermittelt. Auch venöse Sauerstoffsättigung kann man z. B. am Handgelenk messen bei bestimmten Druck und positionierung des Reflektionssensor. Man sieht, dass die detektierten Signale spiegelbildlich zu Arteriensignal an einer Achse parallel zu Zeitachse sind. Die Plethysmographie-Sensoren sind insbesondere Transmissionssensoren, Reflexionssensoren oder Transflexionssensoren. Für Glukose-Detektion könnten auch Fluoreszenz sowie Raman-Streuungssignale berechnet werden. Haut- und Brustkrebs werden durch Verteilungsdifferenzen der Sauerstoffsättigung und Perfusionsunterschiede von Gewebe frühzeitig detektiert. Das Fuzzy-Interferenz-System ist für die Berechnung der verschiedenen Blutbestandteile wie der Hämoglobinkonzentration, fraktionelle Sauerstoffsättigung, COHb, MetHb und SulfHb sowie Glukosekonzentration angewendet. Die Regeln werden von Durchschnittswerten der Messung und Interpolation zwischen diesen Messungen erzeugt, um eine hohe Genauigkeit ohne die Notwendigkeit für einen großen Satz von Messungen zu erreichen. Die Anzahl und die Form der Zugehörigkeitfunktionen 41 bis 45 (6) für jede Wellenlänge werden so eingestellt, so dass eine hohe Auflösung und Genauigkeit ohne Redundanzen erhalten. Das Fuzzy-Interferenz-System wird auch beim Decision-Making zur Berechnung von weiteren Parametern sowie zur Diagnoseerstellung verwendet.
  4. Multisensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die folgende Methoden für zuverlässige Messungen und hohes Signalrauschverhältnis eingesetzt werden. Der Pressdruck des Plethysmographie-Sensors ist auf dem Meßort (evtl. selbsttätig) dynamisch einstellbar, so dass er kleiner als der diastolische Blutdruck des Patienten ist, aber so groß, dass eine Bewegung auf dem Meßort verhindert ist. Auch für hohe Signalqualität wird ein Sensorhohenmanöver angewendet. Das detektierte PPG-Signal wird von der Position des Sensors und des Meßortes relativ zur Herzhöhe sowie vom Sensordruck abhängig. Beim niedrigen Sensordruck wird eine Messung am Finger mit Armhebung größere Signale liefern, da der Blutdruck dort niedriger wird und damit mehr arterielles Blut dorthin fließen kann. Das Gegenteil wird beim Sinken der Hand erfolgen. Beim hohen Sensordruck wird eine Messung am Finger mit Handsenken größere Signale liefern, da der Blutdruck dort höher und damit mehr arterielles Blut dorthin fließen kann. Das Gegenteil wird bei der Armhebung wegen niedrigerem Blutdruck dort und hohen sensordruck erfolgen. Für hohe Genauigkeit des Detektionsverfahrens ist das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren. Größere Photodiodenfläche (z. B. PD mit ca. 20 mm2) wird größere Signale liefern als üblichen PDs. Fingerleichtbeugung oder Geweberelaxation am Meßort kann größere Signale liefern. Sensorkunstruktion ist einfach und robust bei Messungen mit Einstellungsmöglichkeiten für adaptive Messungen. Der Sensor ist so lichtabgeschirmt, so dass man unter der Sonne messen kann. Der Druck des Sensors ist gleichmäßig, so dass keinen Druck auf einer Stelle konzentriert, sondern der Druck ist gleichmäßig auf der Meßort (z. B. Finger) verteilt ist. Weitere Erhöhung der Genauigkeit erfolgt durch Durchstrahlung gleicher Blutvolumen mit den eingesetzten Wellenlängen des Sensors. Die PPG Messungen können an verschiedenen Körperoberflächen mit mehreren Sensoren gleichzeitig oder hintereinander durchgeführt. Dabei gibt es für jeden Sensor mindestens einen anderen Sensor, der mindestens einen LED gleicher Wellenlänge für die Normalisierung hat, wobei aber alle Sensorensignale in einer Relation für Normalisierung zueinander stehen. Das Problem wegen der unterschiedlichen Streuung des Lichtes verschiedener Wellenlänge besonders bei Reflektion an einen großflächigen Körperteil wird durch Kalibrationen und Abschätzungen berücksichtigt.
  5. Adaptive Filter werden bei den oben beschriebenen Sensoren eingesetzt, um vor allem PPG bei den optischen Sensoren bei Bewegungsartefakte und Minderperfusion zu detektieren, ist ein wichtiger Bestandteil dieser Erfindung. Bis vier Arten von adaptiven Filtern werden angewendet und mit dem Einsatz von Fuzzy-Logik mit Gewichtung und Decision Making werden die besten Signale unter den ungünstigen Bedingungen detektiert. Eine Methode zur Adaptiven Filterung ist die Diskrete-Sättigung-Transformation (3a und 3b), damit kann die adaptive Filterung für die Detektion der Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes und des arteriovenösen Blutes (Bewegungsartefakten) bei der Trennung der Signalverhältnisse von arteriellen und arteriovenösen Signalen mit Histogramm verwendet werden. Bei einer zweiten Methode werden Störsignal-Referenzen und Signal-Referenzen verwendet. Diese Signale werden bei der Verwendung anderer Sensoren (z. B. Beschleunigungssensoren) erzeugt oder gemessen. Um bessere Ergebnisse zu erzielen, andere Methode trägt zu dem Referenzsignalgenerierung bei. Für die erste Annäherung an um Referenzsignal zu erzeugen, wird ein Tiefpassfilter optional verwendet. Mit dem resultierenden Signal von diesem Tief-Pass wird, mit oder ohne Datenbank von möglichen Signalformen, ein entsprechendes Referenzsignal erzeugt. Dieses Referenzsignal wird aus den erfassten Signalen subtrahiert, um ein Rauschsignal zu erzeugen. Dieses erzeugte Rauschsignal kann modifiziert werden, um den Stör-Referenzsignal zu synthetisieren. Das synthetisierte Rauschsignal ist wiederum aus dem erfassten Signal der Fotodiode abgezogen. Das resultierende Signal kann modifiziert werden, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Die dritte Methode ist beim Einsatz von Wavelet-Transformation. Die vierte Methode ist die Verwendung von Piezoelektrische Sensoren oder Beschleunigungssensoren zur Generierung vom Nutz- bzw. Rauschsignal-Referenz.
  6. Multisensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Sensordaten durch die Recheneinheit Online oder Offline durchführbar ist und dass dem Multisensor weitere zusätzliche Sensoren, etwa zur Ermittlung der venösen Sauerstoffsättigung, zur Erstellung von EKG oder EEG, ein Impedanzsensor, Atemgassensoren, ein Sensor zur Erkennung von Kariesbildung und von anderen pathologischen Änderungen in der Zahnmedizin und/oder chemische Sensoren für Tränen-, Gas- und Schweißanalysen, zugeordnet sind. Mecha-optische Sensoren, Piezoelemente oder Beschleunigungssensoren für Ballistokardiogramm und Seismokardiogramm, Herzrate und Pulsrate sowie Blutdruck können optional eingesetzt werden. Weitere Sensoren wie Piezosensoren und Beschleunugungssensoren in Matratzen, Kleidung oder Teppichboden und/oder unter den Betnüsse könnten noch zur Überwachung für Smart-Leben eingesetzt werden. Eine bestimmte Gruppe von diesen Sensoren kann weiterhin für Sportmedizin, Entertainment und Eigenaktivitäten des Patienten fördernde Medizin eingesetzt werden. Mit dieser Erfindung kann eine individualisierte Diagnose mit Long-Term-Monitoring, Home Monitoring, Schalfmedizin und Smartphone für Monitoring und Diagnose durchgeführt werden. Dabei können Patienten Daten (Alter, Größe, Gewicht, Hautfarbe) einmal bei Installation eingetragen. Die Daten werden automatisch wie Alter und PPG aktualisiert. Eine Kalibrierung wird mit dem Multisensor von Anwenderselbst nach bestimmten Eingaben durchgeführt. PPG wird in diesem Sensor für Valsalva oder modifiziertes Valsalva-Manöver für Feedback und Diagnose bei Herz- sowie Venenerkrankungen und oder mit mehr modifikationen zur Blutdruckmessung, vor allem bei personalisierten Diagnose für Hemodialyse-Patienten zur Messung der linken Herzkammerdruck. Ein kompakter Sensor als Nasenpiercing wird für PPG sowie Blutkomponentenkonzentrationen und Temperatur eingesetzt. Mit piezoelektrischem Sensor für Blutdruckmessung kann dieser Sensor besonders beim Sport oder unabhängige Monitoring eingesetzt werden. Das Gleiche Multisensor kann als Halskette, Ohrsensor oder Handgelenksensor angewendet werden. Die Daten können dann drahtlos übertragen werden.
  7. Eine mechanische Detektion von einem Plethysmogrammsignal sowie Sphygmogramm, Ballistokardigramm, Infraton Oszillokardiogramm oder Seismokardiogramm kann in einfacherweise erfasst werden. Messung kann an mehreren Körperteilen eines Patienten (1) vorgenommen wird. Bevorzugt ist das Handgelenk oder Finger als Meßort für ein Signal. Die mechanische Vorrichtung besteht in einer Ausführung aus Handgelenk- oder Gummi-Band und Stab mit einem Stift an seiner Spitze. Die Signalverstärkung erfolgt mechanisch nach dem Prinzip vom Strahlensatz, wobei hier eine große Pulsverstärkung erfolgt. Der Stift zeichnet das Signal auf eine Folie oder Papier. Die gesamte Meßvorrichtung kann in Form und Größe eines Stiftes mit einem Armband und Folie die auch um den Stift gewickelt sind, so dass nur ein Stift dazu getragen wird. Im Gegensatz zu optischen Plethysmogramm hat das Signal keine Abhängigkeit in seiner Amplitude von Sauerstoffsättigung. Der Sensor hat einen großen Vorteil, dass er keine Stromversorgung braucht, was wiederum viele Vorteile mitbringt. Das Gerät ist nachhaltig so dass keine Batterien oder Akkus gebraucht werden, so dass die Vorrichtung überall eingesetzt werden kann. Auch keine umweltbelastenden Abfallstoffe sind vorhanden. Damit ist sie umweltfreundlich; die Vorrichtung kann aus Naturabbauprodukte hergestellt werden. Pulsamplitude und Wellenform werden für Diagnose eingesetzt. Nach Eichung und der Verwendung von weiteren Sensoren kann man auch Blutdruck kontinuierlich messen. Mit Piezoelement und optional eine Photodiode wird Blutdruck kontinuierlich mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit detektiert. Mögliche Pulsdetektion und PPG sowie Ballistkardiogramm kann man durch das Schatten des pulsierenden Stabs am Finger, Handgelenk oder an anderen Körperstellen detektieren. Das mechanische Signal kann auch optisch mit Smartphone-Kamera z. B. als PG-Signal detektiert werden. Zusätzlich kann ein akustisches Signal mit dem Stab erzeugt, die den Herzton repräsentiert, und aufgenommen werden. Ein zweiter Stab kann an der anderen Gelenkseite eingesetzt werden um diese Töne zu generieren. Ein einstellbares offenes Armband mit zwei Stäben an seinem Enden kann dafür und für weitere Zwecke (z. B. Signalvergleich von an A. Ulnaris und A. Radialis für Ischämie-Detektion) angewendet werden. Man kann die Spitzen der beiden Stäbe vor der Smartphone-Kamera stellen um elektronische Diagnose darzustellen. Ein Vergleich zwischen diesen Pulsgenerierten Töne und Herztöne auch zusammen mit Puls- und Herzratenvariabilitäten sind für die Detektion von Pulsausbreitungsgeschwindigkeit und Gefäßesteifigkeit eingesetzt. Beschleunigungssensoren könnten auch hierangewendet werden. Herzzeitvolumen wird aus den detektierten Signalen mit diesen Sensoren gerechnet werden.
  8. Smartphone kann mit seiner Kamera und ihrer Blitz oder anderer integrierten Sensoren (z. B. Photodiode als Detektor) für Monitoring und Diagnose gemäß einer oder mehreren Ansprüche 3 bis 5 eingesetzt werden. Der Kamerablitz oder integrierte bzw. separate Lichtquellen können verwendet werden. Smartphone kann als ein ständiges Gerätes bzw. Teil des Multisensors sein oder als Recheneinheit und Display angewendet werden. Durch Filtereinsatz im Smartphone werden der drei Grundfarben der Kamerabilder Rot, Grün und Blau detektiert um spektroskopische Messungen durchzuführen. Die Sensorensignale oder die Kamera-Bilder mit ihren drei Farbkanäle des PPG-Images Können für die Berechnung von Hämoglobinkomponenten und fraktionelle Sauerstoffsättigung eingesetzt werden. Mit Fluoreszenzmessungen mit Smartphone wird die Glukosekonzentration bei der Verwendung von weiteren optischen Komponenten (Zubehör) und weiteren Sensoren nichtinvasive detektiert werden.
  9. Um stabile Signale und zuverlässige Messungen zu bekommen wird eine Vorrichtung für die Smartphone-Kamera entwickelt und einfach montiert (5a und 5b). Bei der Kamerablitz-Verwendung werden mit dieser Vorrichtung die Unangenehme Fingerlage oder Gewebeverbrennungen vermieden. Der Druck muss damit nicht genau eingestellt werden. Schnelle zuverlässige Messungen an alle Körperstelle werden damit ermöglicht, was zur Detektion von Ischämie, Durchblutungsstörungen und Krebs mit spektroskopischen Messungen dienen kann. Auch Transmissionsmessungen von zwei mobile für bestimmte Zwecke und hohe Signalrauschverhältnisse sind damit möglich. Ein Transmission-Modus kann weiterhin mit verschiedenen LEDs oder mit dem Kamerablitz und einem Lichtwellenleiter (bzw. Reflektoren) mit der oben beschriebenen Vorrichtung eingesetzt werden. Messungen können an vielen Körperteilen besonders bei schwachen Signalen wegen Signalverfälschung durch Zittern optional mit einem Band (statt mit der Hand) zur Befestigung des Sensors erfolgen. Daher ist die rasche Erkennung von Störungen in der Sauerstoffaufnahme und der Sauerstoffverteilung im Körper besonders in der Notfall- und Intensivmedizin sowie für Prävention und Früherkennung von Pathologien mit dem Multisensor jeder Zeit möglich. PMD wird in verschiedenen Versionen mit dem Smartphone angewendet. Als EKG-Sensor wird ein Kanal mit zwei Elektroden, die als Handgriffe und als Teil der Gehäuse des Smartphones sind. Drei Elektroden sind auch möglich für Standard 3-Kanal-EKG. Zusätzlich können mehrere weitere Sensoren eingesetzt werden. PPG-Messungen am Handteller (Daumenseite) sind besser geeignet um mit der Kamera ein Referenzsignal zu speichern. Messungen mit Kamera (auch von Smartphone) können sogar kontaktlos durchgeführt werden. Wobei die Auflösung bei der Detektion von Krebserkrankte Gewebe (Hautkrebs und Brustkrebs) mit der Kamera sowie den Abstand zwischen Kamera und Meßort und der Mittellung von Pixelsignalen eingestellt werden kann.
  10. Das Verfahren gemäß der Ansprüche 3 bis 5, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass man am Handgelenk, Finger oder Handteller mit oder ohne Druck an der Arteria radialis messen kann. Kontakt und kontaktlos (besonders mit Kamera) am Handteller, besonders bei Kälte und einfacher als bei Finger sowie mehr Distanz und auch mit Druck. Sensor wird ganz links Richtung Fingerspitze in Arterienrichtung platziert für große Signale und besseren Griff. Energiesparende Smartphonemessungen so dass, bei genügendem Umgebungslicht oder Vorhandensein anderer definierten Lichtquelle Messungen ohne Blitz durchgeführt werden können. Für pathologische Änderungen wie Gefäßesteifigkeit soll unter standardisierte Bedingungen (z. B. die Stellung von Finger oder Meßobjekt leicht gebeugt und entspannt) gemessen werden, um reproduzierbare und vergleichbare Messungen zu bekommen. Individualisierte Sauerstofsättigung-Messungen sowie Hämoglobinkonzentrationen und pathologische Änderungen aus Kamera-PPG können mit hoher Genauigkeit erreicht werden. Mit Krebs erkrankte Gewebe werden in der Regel mehr Sauerstoff verbrauchen und mehr durchblutet (hohe PPG-Signalintensitäten und niedrige Sauerstoffsättigung). Am Zeigefinger kann man einen besseren Griff haben. Eine Multifunktionale Mobilehülle oder -Taschen mit integrierten Lichtquelle (z. B. LEDs) und Lichtdetektoren (z. B. PDs) sowie Platten als Elektroden für EKG. In einer Version wird auch Fingersensor für Messungen (Transmission, Reflektion oder Transflektion) entwickelt, mit dem man das Mobile noch sicherer tragen kann und möglicherweise gleichzeitig telefonieren. Diese Mobilehülle kann auch ein Stab für die in Anspruch 8 geschriebene mechanische Vorrichtung als Stab für Pulsmessung und Zeichnung von PPG. Mit einer integrierten Schaltung könnte man auch Blutdruck kontinuierlich messen. Die Schaltung dient zur Messung der Applikationsdruck mit einem Drucksensor wie Piezoelektrischem Sensor. Die Sauerstoffsättigungsverteilung kann mit diesem Multisensor und in einer Version aus Kamerabilder-PPG pixelweise berechnet werden um Krebserkrankungen (Melanome und Mammographie) zu detektieren. Dafür werden auch Signal Intensitäten, die eine Indikation für Gewebedurchblutung darstellen, eingesetzt werden. Erkrankte Gewebe werden mehr Sauerstoff verbrauchen, sie werden mehr durchblutet (hohe Signalamplituden und niedrige Sauerstoffsättigung). Um das Signalrauschsignalverhältnis zu erhöhen wird eine bestimmte Anzahl von benachbarten Pixeln (durch gewichtete Mittelung) zu einem Signal zusammengefasst. Die Verteilungsauflösung kann selektiert werden. Lichtquellen können separat (LEDs) oder im Smartphone integriert (Kamerablitz oder LEDs) werden. Andere Kamera kann auch als Detektor eingesetzt werden. Der optische Sensor kann individualisiert oder allgemein sowie kontaktlos oder direkt an der Haut eingesetzt werden.
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