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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Monitoring der Aktivität des menschlichen
autonomen Nervensystems mittels pulsativer Blutvolumen-Wellensignale nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Erkennung
von Aktivität
des menschlichen autonomen Nervensystems nach dem Oberbegriff des
Anspruches 11. Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren
sind durch die US 2002/0029000 bekannt.
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Solche
medizinischen Vorrichtungen und Verfahren zum physiologischen Monitoring
werden zur Erfassung von Aktivität
des autonomen Nervensystems (ANS) auf dem Gebiet der Schlafforschung eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung offenbart insbesondere eine tragbare,
einfache und kostenwirksame elektronische Schlafdiagnosevorrichtung,
die Hardware und Software beinhaltet und eine Aufzeichnung und Signalkonditionierung
einer pulsatilen Blutvolumen-Wellenform gestattet, welche durch
die Verwendung einer photoplethysmograpischen (optisch volumenerfassenden)
Sonde erhalten wird, und dadurch die Analyse pulstransitionaler
Steigungsdaten ermöglicht,
welche repräsentativ
für die
Aktivität im
autonomen Nervensystem (ANS) sind.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Kardiovaskuläres Risiko
steht in direktem Zusammenhang mit schlafbezogenen Atmungsstörungen (SBAS).
Die Zahl der US-Labore, welche Schlaf untersuchen, etwa 2.792, ist
unglaublich niedrig im Vergleich zur Zahl der geschätzten Amerikaner mit
einer chronischen SBAS, knapp über
40 Millionen. Die durchschnittli che Bettenzahl pro Labor beträgt 3,6,
was eine Gesamtzahl an Betten zur Durchführung einer Schlafstudie von
etwa 10.000 ergibt. Dies bedeutet, dass zur Untersuchung aller 40
Millionen Amerikaner 4.000 Patienten pro Bett erscheinen würden. Wenn
365 Tage pro Jahr Schlaftests durchgeführt würden, wäre das Ergebnis erstaunliche
11 Jahre schlüssiger
Untersuchungen, die erforderlich sind, um die gegenwärtige Population
an Individuen zu testen, die an SBAS leiden. Die Zeitdauer wächst, wenn
man die wirkliche Zahl von Tagen pro Jahr betrachtet, an denen Schlaflabore
Patienten tatsächlich untersuchen,
zuzüglich
der Menge an Tests, die aufgrund nicht schlüssiger Untersuchungen erneut durchgeführt werden
müssen,
zuzüglich
der Zahl an Patienten, die laufend nachuntersucht werden müssen, um
zu sehen, ob ihre Behandlung richtig anschlägt. Angesichts dieses Szenarios
ist es nicht überraschend,
dass sich Wartezeiten für
Patienten, die für
einen Schlaftest vorgesehen sind, typischerweise zwischen sechs
Wochen bis sechs Monaten bewegen. Das Problem wird noch wachsen,
da "geschätzt wird,
dass im Jahr 2010 etwa 80 Millionen Amerikaner ein Schlafproblem
haben werden und im Jahr 2050 100 Millionen eines haben werden." Folglich sollte
das Problem mit der Wartezeit für
die Untersuchung zweifellos sofort in Angriff genommen werden, um
den Nachfragestau abzubauen.
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Der
gegenwärtige "Goldstandard" für die Untersuchung
schlafbezogener Atmungsstörungen
ist eine vollständige
Polysomnographie. Eine vollständige
Polysomnographie ist jedoch recht arbeitsintensiv, erfordert eine
beachtliche instrumentelle Ausrüstung und
ist daher ziemlich teuer in der Durchführung. Folglich haben es viele
Schlaflabore schwierig gefunden, mit der Nachfrage für diese
Untersuchung Schritt zu halten, und eine lange Warteliste wird zur Regel.
Dass obstruktive Schlafapnoe (OSA) recht häufig ist, führt zu ernsthaften Komplikationen,
und angesichts der Tatsache, dass es Behandlungsoptionen gibt, ist
es wichtig, dass Personen, die an dieser Krankheit leiden, erkannt
werden.
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Die
Notwendigkeit, das ANS zu erforschen, ist in der Akademikerwelt
seit langem erkannt. Auf dem Gebiet der Mikroneurographie ist bekannt,
dass Schlaf mit schneller Augenbewegung (REM-Schlaf) mit starker
sympathischer Aktivität
verbunden ist. Es hat sich auch gezeigt, dass bei Arousals (Weckreaktionen)
aus Phasen ohne schnelle Augenbewegung (NREM) K-Komplexe auftreten,
die mit sympathischer Aktivität
verbunden sind. Die sympathische Abteilung des ANS bereitet einen
Körper
auf Bewegung vor. Arousals erfordern Bewegung und daher erfordert
ein Arousal sympathische Aktivierung.
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Gewöhnlich haben
Patienten mit OSA, einer Art von SBAS, einen extrem gestörten Schlaf
und zeigen sehr hohe Tagessomnolenz. Obstruktive Schlafapnoe-Ereignisse werden
immer von einem scharfen Anstieg des systolischen Blutdrucks begleitet
(Anstiege des systolischen Blutdrucks sind mit sympathischer Aktivierung
verbunden), auch wenn die üblichen
EEG-Kriterien für
Arousals (ein erkennbares kortikales elektroenzephalographisches
Arousal) nicht erfüllt
sind. Es hat sich herausgestellt, daß die Dauer der Apnoe von Personen,
die EEG-Arousal zeigen,
und von solchen, welche die üblichen,
ein Arousal definierenden Kriterien nicht erfüllen, identisch ist. Der Spitzenwert
des pleuralen Drucks am Ende der Apnoe ist bei beiden Arten von
Arousal identisch, wie es auch die EEG-Frequenzen sind. Diese Befunde
legen den Schluss nahe, dass das Monitoring der kardialen Veränderungen
des Schlafes eine genauere Messung darstellt.
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Es
hat sich erwiesen, dass apnoeische Episoden zu stetigen Anstiegen
in der sympathischen Nervenaktivität führen. Diese Anstiege sind am
ausgeprägtesten
gegen Ende der Apnoe, wenn sich ein Patient bewegt. Diese Ergebnisse
entsprechen genau dem, was man von einer sympathischen Aktivierung
und ihrer Beziehung zu Arousals bei Patienten mit SBAS erwartet.
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Da
die kardiovaskuläre
Kontrolle während des
Schlafes in erster Linie durch Gehirnzustände diktiert wird, die eine
tiefgreifende Veränderung
der ANS-Aktivität
erzeugen, sind viele Untersuchungen zur Beobachtung des ANS durchgeführt worden.
Da die Daten deutlich zeigen, dass eine Beobachtung des ANS oder
der kardialen Veränderungen
im Schlaf genauere Daten liefert, die ein Arousal im Schlaf definieren,
versteht sich, dass diagnostische Untersuchungen ANS- oder kardiales
Monitoring einschließen
müssen.
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Es
ist gezeigt worden, dass bei Übergängen vom
NREM- zum REM-Schlaf den EEG-Arousals, die den REM-Beginn markieren,
Herzfrequenzbeschleunigungen vorangehen. Daher liefert ein Monitoring von
ANS-Aktivität
dem Kliniker nicht nur eine möglicherweise
genauere Untersuchung, sondern die Veränderungen in der ANS-Aktivität gehen
auch den Informationen voraus, die über die EEG-Elektroden beobachtet werden.
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Es
gibt zwei existierende Technologien, die versuchen, das ANS zu beobachten,
nämlich
Pulstransitzeit (PTT) und periphere arterielle Tonometrie (PAT).
Weder PTT noch PAT können
den Anspruch auf ein Monitoring des ANS ohne Hinzunahme zusätzlicher
Sensoren erheben. PTT erfordert den Einsatz von EKG-Elektroden, deren
Selbstanbringung für
einen Patienten aufgrund der Notwendigkeit von Hautreinigung und
-rasur schwierig sein kann. PAT erfordert eine sehr kostspielige
handschuhartige Vorrichtung mit einer Einweg-Fingerdruckmanschette. Außerdem vermehrt
die Hinzunahme zusätzlicher Sensoren
Rauschartefakte und Schwierigkeiten bei der Anwendung am Patienten.
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Im
Stand der Technik wurden mehrere Offenbarungen gemacht, die Verfahren
und Vorrichtungen zur Diagnose und zum Monitoring von Schlaf-Atmungsstörungen mittels
physiologischer Daten lehren, welche aus pulsoximetrisch abgeleiteten
Wellenformen gewonnen werden.
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US-Patent
Nr. 5,398,682 von Lynn (21. März 1995)
offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose von Schlafapnoe
unter Verwendung einer einzigen Schnittstelle mit einem menschlichen Körperteil.
Genauer gesagt wird eine Vorrichtung zur Diagnose von Schlafapnoe
durch Identifizierung der Vorgänge
von Entsättigung
und erneuter Sättigung bei
der Sauerstoffsättigung
von Blut eines Patienten offenbart. Die Steigung der Vorgänge wird
ermittelt und zur Feststellung von Schlafapnoe mit verschiedenen
Informationen verglichen.
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US-Patent
Nr. 6,363,270 B1 von Colla et al. (26. März 2002) offenbart ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Monitoring des Auftretens apnoeischer und
hypopnoeischer Arousals unter Verwendung von Sensoren, die an einem
Patienten angebracht sind, um Signale zu erhalten, die wenigstens
zwei physiologische Variable einschließlich der Blutsauerstoffkonzentration
repräsentieren,
und zur Bereitstellung eines Mittels zur Aufzeichnung des Auftretens
von Arousals. Erhaltene Signale durchlaufen eine Konditionierungsschaltung
und dann eine Verarbeitungsschaltung, wo eine Korrelationsanalyse
durchgeführt wird.
Eine gleichzeitige Änderung
bei wenigstens zwei der verarbeiteten Signale ist bezeichnend für das Auftreten
eines Arousals, welches wiederum anzeigt, dass eine apnoeische oder
hypopnoeische Episode aufgetreten ist. Ein Patient kann so als an Zuständen wie
obstruktiver Schlafapnoe leidend diagnostiziert werden.
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US-Patent
Nr. 6,529,752 B2 von Krausmann und Allen (4. März 2003) offenbart ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Zählen
der Anzahl gestörter Schlafatmungsvorgänge, welche
von einer Person innerhalb einer bestimmten Zeitdauer durchlebt
werden. Ein solcher Zähler
umfasst: (1) einen Sensor für den
Sauerstoffsättigungsgrad
zur Anordnung an einem vorgeschriebenen Ort auf der Person, (2)
einen Konditionierungs- und Steuermodul für die Oximetrie, der den Betrieb
des Sensors steuert und seine Ausgabedaten in Sauerstoffsättigungsgrad- Daten umwandelt (3)
eine Miniatur-Monitoringeinheit mit einem Mikroprozessor, einer
Speichervorrichtung, einem Zeitgeber zur Verwendung bei Zeitstempeldaten,
einem Anzeigemittel und einem Rückruf-Schalter
und (4) Firmware für
die Einheit, welche steuert: (i) die Abtastung und die temporäre Speicherung
der Sauerstoffsättigungsgrad-Daten,
(ii) die Einheit, um die temporär
gespeicherten Daten mittels eines bestimmten Verfahrens zu analysieren,
um das Auftreten der gestörten
Atmungsvorgänge
bei der Person zu erkennen und zu zählen und um den Zeitpunkt des Auftretens
jedes dieser Ereignisse zu speichern, und (iii) die Anzeigemittel,
um bestimmte Informationen betreffend die Anzahl als Reaktion auf
die Betätigung des
Rückruf-Schalters
anzuzeigen.
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US-Patent
Nr. 6,580,944 B1 von Katz et al. (17. Juni 2003) offenbart ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zeitverlaufs von Beginn
und Dauer eines für
eine Schlafatmungsstörung charakteristischen
Ereignisses, während
ein Patient wach ist. Chaotische Verarbeitungsverfahren analysieren
Daten, welche eine kardiorespiratorische Funktion wie Sauerstoffsättigung
und nasalen Luftstrom betreffen. Ausschläge des resultierenden Signals über einen
Schwellenwert hinaus bieten Marker zur Lieferung der durchschnittlichen
Wiederholungsrate für
solche Ereignisse, die bei der Diagnose obstruktiver Schlafapnoe
und anderer respiratorischer Funktionsstörungen nützlich ist.
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Die
obigen Verweisungen machen sämtlich von
Sauerstoffsättigungsdaten
Gebrauch, die mittels Pulsoximetrie gewonnen werden, um Arousals und/oder
Schlafatmungsstörungen
zu bestimmen. Jede erfordert zwangsläufig zusätzliche Analyse und Berechnung
von Blutsauerstoffkonzentrationen, um die Informationen speziell
bei der Diagnose und beim Monitoring von Schlafatmungsstörungen brauchbar zu
machen. Es ist daher ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung,
ein stärker
vereinfachtes Verfahren zur Gewinnung und Analyse physiologischer
Daten bereitzustellen, die ANS-Aktivität zuverlässig repräsentieren.
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Aus
der US 2002/0029000 ist ein Verfahren zur Erfassung von physiologischen
Schlafzuständen eines
Patienten bekannt. Dabei wird über
einen optischen Sensor am Finger eines Patienten der Puls bzw. eine
Veränderung
des Blutvolumens an der Messstelle erfasst und analysiert. An Hand
der gemessenen Daten wird der Schlafzustand des Patienten unter
Berücksichtigung
der Pulsintervalle und Pulshöhe
bestimmt und eine Diagnose über
Schlafstörungen
getroffen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eines oder mehrere
der Probleme beim bisherigen eingangs genannten Stand der Technik
zu überwinden
und eine konstengünstige
und leicht anwendbare Vorrichtung ohne die Notwendigkeit zusätzlicher
Sensoren sowie eine Verbesserung gegenüber der existierenden PTT-
und PAT-Technologie bereitzustellen.
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Dies
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches
1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum verbesserten Monitoring von ANS-Aktivität unter Verwendung eines einzigen
Patientensensors bereit.
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Während des
Schlafs kann eine Vielfalt verschiedener Atmungsstörungen auftreten,
Schnarchen, Hypoventilation, Apnoe, erhöhter Widerstand der oberen
Luftwege und asthmabezogene Zustände eingeschlossen.
Dieses Projekt schlägt
die Entwicklung einer neuartigen Vorrichtung vor, die noninvasiv und
genau häufige
kurze Mikroarousals erfassen kann, welche durch konventionelle Luftstrom-,
Atmungsarbeit-, Pulsoximetrie- und EEG-Verfahren nicht gut erkannt
werden.
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Da
Mikroarousals mit Veränderungen
im Outflow des autonomen Systems in Zusammenhang gebracht wurden,
stellt diese Erfindung eine kleine, tragbare Vorrichtung bereit,
welche die Gestalt des arteriellen Fingerpulses analysiert und dadurch
auf einer Schlag-für-Schlag-Basis
Veränderungen
im Gefäßtonus erfaßt, die
direkt Mikroarousals zuschreibbar sind. Die vorliegende Erfindung
verwendet eine photoplethysmographisch abgeleitete Wellenform des
arteriellen Blutvolumens zur Beobachtung von Veränderungen im peripheren arteriellen Gefäßtonus in
Verbindung mit A/D-Wandlern und einem Mikrokontroller zur Analyse
der Morphologie des pulsatilen Signals.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung gewährleistet eine Erfassung von
Mikroarousals, die sich gut mit der Erfassung durch Pulstransitzeit
(PPT) Vorrichtungen, EEG-Analyse, EKG-Analyse, Ösophagusdruck (Poes) oder eine
Kombination dieser Verfahren messen kann. Obgleich PTT und periphere arterielle
Tonometrie (PAT) beide viel Aufmerksamkeit als Techniken zur Erfassung
von Veränderungen im
ANS während
Schlafuntersuchungen erhalten haben, ist PAT relativ kostspielig
und zeigt PTT Implementierungsprobleme, die durch Bewegungsartefakte
verursacht werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
die Durchlichtintensität
einer vorhandenen FDA-zugelassenen Pulsoximeter-Sonde genutzt werden,
so dass keine zusätzliche
Vorrichtung am Patienten befestigt wird. Wertvolle diagnostische
Informationen können
dann durch elektronische Verarbeitung dieser bestehenden Daten gewonnen
werden.
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Normalisierung
ist eine Methode zur Korrektur um morphologische Veränderungen
der photoplethysmograpischen Pulssignale, die auf der Fingerposition
beruhen (im Gegensatz zu tatsächlichen
Veränderungen
der autonomen Aktivität).
PTT und PAT fehlt ein Mittel zur Signalnormalisierung, und sie können daher
nicht um Fingerpositionsänderungen
korrigieren. Die Normalisierung gewährleistet Immunität gegenüber Artefakten,
die sowohl durch Höhenänderungen
der Fingersonde als auch durch Veränderungen im Blutstrom aufgrund
einer Arterienkompression während
Lageänderungen
des Patienten verursacht werden. Es ist daher ein weiteres Ziel
der vorliegenden Erfindung, ein Mittel zur Normalisierung bereitzustellen,
um eine angemessene Artefaktunterdrückung zu gewährleisten.
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Da
Pulsoximeter ein alternierendes Aufleuchten zweier LEDs mit unterschiedlichen
Wellenlängen
verwenden, ist die vorliegende Erfindung auf die Synchronisierung
mit der gewünschten
LED gerichtet, um die durchgelassene Intensität zu untersuchen, die einer
einzelnen Wellenlänge
zuzuschreiben ist. Alternativ liefern bestimmte Modelle von Oximeter-OEM-Modulen
ein analoges oder digitales Ausgangssignal, das direkt von der vorliegenden
Erfindung genutzt werden kann.
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Ferner
werden Algorithmen zur Erfassung der Steigung und Peak-zu-Peak-Höhe bereitgestellt, und
die Normalisierung kann entweder mit Firmware innerhalb der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung oder durch Software erfolgen, nachdem
die Daten in einen Polysomnographen oder eine andere datenverarbeitende
Vorrichtung heruntergeladen sind.
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Zudem
wird ein Mittel zur Datenspeicherung und zum Datentransfer bereitgestellt
und ein Verfahren zur Anzeige der beobachteten Veränderungen
in der Steigung bereitgestellt. Alternative Ausführungsformen zeigen diese Veränderungen
als Wellenform, Lichtbalken und/oder numerische Informationen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer typischen Pulsoximeter-Meßkonfiguration
auf einem Finger.
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2 zeigt
eine graphische Darstellung der Gefäßgewebekomponenten, die zur
Lichtabsorption, aufgetragen als Absorption versus Zeit, beitragen.
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3 zeigt
eine graphische Darstellung einer einzelnen peripheren Pulswellenform,
aufgetragen als Volumen versus Zeit.
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4 zeigt physiologische Wellenformen im Vergleich
nach Verabreichung vasoaktiver Mittel.
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5 zeigt
eine zweite abgeleitete Wellenform, bestehend aus a-, b-, c- und d-Wellen in
Systole und einer e-Welle in Diastole.
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6 zeigt
eine graphische Darstellung von Veränderungen in der normalisierten
Steigung, aufgetragen als Steigungsverhältnis versus Herzschläge, während eine
Person Valsalva-Manöver
durchführt.
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7 zeigt ein Schlafstadien-Hypnogramm einer
eineinviertelstündigen
Schlafuntersuchung.
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8 zeigt
ein Blockdiagramm der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
ein Blockdiagramm des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Während des
Schlafs kann eine Vielfalt verschiedener Atmungsstörungen auftreten,
Schnarchen, Hypoventilation, Apnoe, erhöhter Widerstand der oberen
Luftwege und asthmabezogene Zustände eingeschlossen.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung,
die noninvasiv und genau häufige
kurze "Mikroarousals" (subkortikale Störungen von
geringer Amplitude, die den normalen Schlaf unterbrechen) erfassen
können,
welche durch konventionelle Luftstrom-, Atmungsarbeit-, Pulsoximetrie-
und EEG-Verfahren nicht gut erkannt werden. Diese subkortikalen
Vorgänge
sind die Folge einer gesteigerten Atmungsarbeit und bewirken eine Unterbrechung
des Nachtschlafs, was zu übermäßiger Tagessomnolenz
führt.
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Mikroarousals
können
mittels Daten erfasst werden, die aus der Extinktion von sichtbarem
oder infrarotem Licht in einem Finger oder anderen Körperteil
eines Patienten gewonnen werden, und durch Analyse von Veränderungen
in der erhaltenen Wellenform des peripheren Blutvolumens, die für Mikroarousals
bezeichnend sind. Insbesondere ist genügend Information in Steigungsänderungen
der ansteigenden Flanke der pulsatilen Blutvolumen-Wellenform enthalten,
um eine Analyse von Veränderungen
im autonomen Nervensystem (ANS) zu gestatten. Diese Technologie
wird hier als pulstransitionale Steigung (PTS) bezeichnet. Während obstruktiver Schlafapnoe
treten sowohl ANS-Reaktionen als auch hämodynamische Reaktionen auf
und werden durch Apnoe, Hypopnoe, Hyperkapnie und Arousal beeinflußt.
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Analyse
der noninvasiven Blutdruckpulswelle hat sich als nützlich für die Evaluierung
von Gefäßbelastung
und -alterung erwiesen. Druckwandler, die an einer palpierbaren
Arterie wie Carotis-, Femoral- oder Radialarterie angeordnet waren,
lieferten eine detaillierte Wellenform von Druck versus Zeit. Diese kontinuierliche
Pulswellenaufzeichnung enthält
genaue Wellenform-, Frequenz- und Wendepunkt-Informationen, die
mit dem menschlichen Auge leicht erkennbar und nicht aus Zahlen
des systolischen und diastolischen Drucks allein erhältlich sind.
Der Fortschritt von Druckwandlern zur Photoplethysmographie gestattet
die Erfassung der Pulswelle an nicht leicht zu palpierenden Orten
einschließlich
Finger und Ohrläppchen.
Photoplethysmographie erfaßt
die Änderungen
in der von Hämoglobin
absorbierten Lichtmenge, was Änderungen
im Blutvolumen entspricht. Änderungen
in der Amplitude der photoplethysmographischen Welle sind verwendet
worden, um die arterielle Compliance zu bewerten, die Wellenkontur
selbst wurde jedoch nicht verwendet, wie dies von der vorliegenden
Erfindung offenbart wird.
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Plethysmographie
ist die Messung von Volumenänderungen
von Gewebe oder einem Organ. Photoplethysmographie mißt Blutvolumenänderungen
in einem Gewebe mittels der partiellen Änderungen in der Lichtdurchlässigkeit.
Eine der häufigsten Anwendungen
dieser Technologie ist die noninvasive Messung der Sauerstoffsättigung
des Hämoglobins in
roten Blutkörperchen
durch eine als Pulsoximetrie bezeichnete Technik. 1 zeigt
eine typische Pulsoximeter-Meßkonfiguration
auf einem Finger. Typischerweise werden zwei verschiedene Lichtwellenlängen (z.B.
660 und 805 nm) auf einer Seite eines Fingers aufgestrahlt, und
die empfangene Intensität wird
auf der gegenüberliegenden
Seite erfaßt,
nachdem sie durch das dazwischenliegende Gefäßgewebe einige Absorption erfahren
hat. Der Umfang an Absorption (und umgekehrt Transmission) ist eine Funktion
der Dicke, Farbe und Struktur von Haut, Gewebe, Knochen, Blut und
anderen Geweben, die das Licht durchquert.
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Die
vorliegende Erfindung ist spezifisch auf alpha-adrenerge Rezeptororte
gerichtet, da die Aktivierung dieser Rezeptoren an bestimmten Orten
am Körper
zu physiologischen Reaktionen wie peripherem Gefäßwiderstand, Mydriasis und
Kontraktion pilomotorischer Muskeln führt, die repräsentativ
für Aktivität des sympathischen
Nervensystems sind. Die bevorzugten Orte umfassen gewöhnlich die
Finger und die große
Zehe (andere Orte werden zur Zeit untersucht) wegen eines erwünschten
Mangels an Beta- oder parasympathischen Rezeptoren an diesen Orten
am Körper.
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Das
transmittierende Licht kommt von lichtaussendenden Dioden (LEDs),
typischerweise im sichtbaren Rot- und im unsichtbaren Infrarot(IR)-Spektrum.
Der optische Empfänger
kann eine Photodiode, ein Photowiderstand oder eine Solarzelle sein.
Durch Verwendung zweier verschiedener Wellenlängen, jede mit unterschiedlichen
Extinktionseigenschaften im oxigenierten und desoxigenierten Blut,
kann das Intensitätsverhältnis zwischen
den beiden empfangenen Signalen analysiert werden und nicht nur
die Intensität.
Daher haben die zuvor erwähnten
abschwächenden
Gewebe keine Auswirkung auf das Verhältnis der Intensitäten, das über Nachschlagetabellen
die prozentuale Sauerstoffsättigung
in der Fingervaskulatur bestimmen kann.
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2 zeigt
die Komponenten von Vaskulaturgewebe, die zur Lichtabsorption beitragen.
Die statische oder DC-Komponente des empfangenen optischen Signals
repräsentiert
Lichtabsorption durch Gewebe, venöses Blut, Pigmente und andere Strukturen.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der AC- oder pulsatilen
Komponente, da der Fokus auf der Untersuchung der Wellengestalt
des systolischen Teils der Blutvolumen-Wellenform liegt. Elektronisch
wird die DC-Komponente
mit einer einfachen RC-Hochpaßschaltung
beseitigt, die eine –3dB-Frequenz von etwa
einem Hertz aufweist.
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Die
durch den Finger hindurchtretende Lichtmenge wird als Transmissionsgrad
T bezeichnet und ist durch: T = I/I0 definiert,
wobei I0 die Intensität des einfallenden Lichts und
I die Intensität
des durchfallenden Lichts ist.
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Die
von einer Substanz absorbierte Menge an Licht einer bestimmten Wellenlänge ist
direkt proportional zu sowohl der Länge des Lichtwegs als auch
der Konzentration des Materials innerhalb des Lichtwegs. Die Extinktion
A ist definiert als der negative Logarithmus des Transmissionsgrades
oder: A = –log
T = –log
I/I0 = αCLwobei α eine Konstante
ist, die als Extinktionskoeffizient bezeichnet wird und von der
Wellenlänge
des durch die Substanz hindurchtretenden Lichts sowie von der chemischen
Beschaffenheit der Substanz abhängt.
C ist die Konzentration der Substanz, und L ist die Weglänge des
absorbierenden Materials.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt nur eine der Wellenlängen von der Pulsoximeter-Sonde,
da das Ziel ist, nur relative Veränderungen der Pulswellengestalt
zu beobachten, welche wiederum von systolischen Blutvolumenänderungen
im Finger abgeleitet wird. Da eine Pulsoximeter-Sonde Teil aller
tragbaren Schlafdiagnose-Screeningvorrichtungen ist, ist ein weiteres
Ziel der vorliegenden Erfindung, das empfangene Lichtintensitätssignal
einer vorhandenen Sonde abzugreifen und dadurch die Notwendigkeit für irgendwelche
zusätzlichen
Patientensensoren zu vermindern.
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3 zeigt
eine typische periphere Pulswellenform. Die Pulshöhe ist die
Zahl der A/D-Zählereignisse
zwischen den Minimal- und Maximalausschlägen jedes Pulses, während die
Steigung ebenfalls in A/D-Zählereignissen
für eine
festgeleg te Zeitdauer, beginnend etwa 40 ms nach Erfassung eines
Minimums, berechnet wird.
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Die
ersten und zweiten abgeleiteten Wellenformen der photoplethysmographischen
Wellenform weisen charakteristische Konturen auf, und die Kontur
der zweiten Ableitung erleichtert die Interpretation der ursprünglichen
Wellen. Die Analyse der zweiten Ableitung einer Fingerspitzen-Photoplethysmogramm-Wellenform hat sich
als guter Indikator für
die Vasokonstriktions- und Vasodilatationswirkungen vasoaktiver
Mittel sowie als ein Index für
linksventrikuläre
Nachlast erwiesen, wie in 4A, 4B und 4C dargestellt.
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4A, 4B und 4C stellen
Wellenformaufzeichnungen dar, welche die Ergebnisse einer Verabreichung
vasoaktiver Mittel zeigen. 4A zeigt
die EKG-Parameter, 4B zeigt
entsprechende PTG- und SDPTG-Wellenformen, und 4C zeigt
entsprechende AoP und AoF-Wellenformen. Ein Anstieg in der späten systolischen
Komponente des Aortendrucks (AoP) und in der PTG nach intravenöser Injektion
von 2,5 mg AGT und eine vertiefte d-Welle im Verhältnis zur
Höhe der
a-Welle (d/a erniedrigt) sind in der SDPTG zu erkennen. Andererseits
erzeugt NTG einen ausgeprägten
Abfall in der späten
systolischen Komponente des Aortendrucks und in der PTG, wobei die
d-Wellen im Verhältnis
zur Höhe
der a-Welle flacher werden (d/a erhöht). AoF zeigt eine steigende
Aortenstromgeschwindigkeit an. Der Augmentationsindex (AI) ist definiert
als das Verhältnis
der Höhe
des späten
systolischen Peaks zu der des frühen
systolischen Peaks, zwei Komponenten des steigenden Aortendrucks
an der anakroten Zacke.
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Gewählte Abkürzungen und Akronyme
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- AGT = Angiotensin
- AI = Augmentationsindex
- NTG = Nitroglycerin
- PTG = Photoplethysmographie
- SDPTG = zweite abgeleitete Welle einer Fingerspitzenplethysmographie,
wobei die Komponenten a bis d der zweiten abgeleiteten Welle in 5 beschrieben
sind. Die zweite abgeleitete Wellenform besteht aus a-, b-, c- und
d-Wellen in Systole und einer e-Welle in Diastole.
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Die
Technologie der pulstransitionalen Steigung (PTS), wie sie in der
vorliegenden Erfindung Anwendung findet, erweitert dieses Konzept
der Verwendung photoplethysmographisch abgeleiteter Wellenformen,
um Veränderungen
im Gefäßdruck zu bewerten,
ob sie nun durch apnoeische Obstruktion oder die feineren Mikroarousals
verursacht wurden, die durch kortikale Mittel nicht nachweisbar
sind. Es wird eine normalisierte Steigung berechnet, indem die während 40
ms Anstiegszeit erreichte Höhe
durch die Maximalhöhe
der Pulswellenform (= Höhe
des späten
systolischen Peaks) geteilt wird. Im Gegensatz zur nachträglichen
Verarbeitung (Analyse nach Aufzeichnung), die von den Verfahren
mit zweiter Ableitung gefordert wird, kann eine normalisierte Steigung
von einer mikroprozessorgesteuerten Vorrichtung in Echtzeit berechnet
werden. Dies wird neben der vorgesehenen Verwendung zum häuslichen Schlafscreening
die Verwendung der vorliegenden Erfindungstechnologie in Laboren
ermöglichen,
die nächtliche
Polysomnograph-Untersuchungen durchführen.
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Da
vasoaktive Arzneimittel eine deutliche und vorhersehbare Wirkung
auf den AI haben, wenn sie durch photoplethysmographische Verfahren
gemessen werden, zeigt folglich die körpereigene hormonelle Steuerung
des arteriellen Systems bei Messungen mittels ähnlicher Techniken vergleichbare Veränderungen
in der Pulswellenform.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine tragbare, einfache und kostenwirksame
Schlafdiagnosevorrichtung und ein ebensolches Verfahren bereit,
die in der Lage sind, Arousals und Mikroarousals zu erfassen, ohne
dass EEG-Elektroden oder zusätzliche
Patientensensoren über
die bei einer typischen Heimuntersuchung getragenen hinaus hinzugefügt werden.
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Da
Mikroarousals mit Veränderungen
im Outflow des autonomen Systems in Zusammenhang gebracht wurden,
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer
kleinen, tragbaren Vorrichtung, welche die Gestalt des arteriellen
Fingerpulses analysiert und dadurch auf einer Schlag-für-Schlag-Basis
Veränderungen
im Gefäßtonus erfasst,
die direkt Mikroarousals zuschreibbar sind. Die vorliegende Erfindung
verwendet eine photoplethysmographisch abgeleitete Wellenform des arteriellen
Blutvolumens zur Beobachtung von Veränderungen im peripheren arteriellen
Gefäßtonus in Verbindung
mit A/D-Wandlern und einem Mikrokontroller zur Analyse der Morphologie
des pulsatilen Signals.
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Die
Erfassung von Mikroarousals durch die vorliegende Erfindung kann
sich gut mit Ergebnissen messen, die mittels Pulstransitzeit-(PPT-)Vorrichtungen,
EEG-Analyse, EKG-Analyse, Ösophagusdruck (Poes)
und Kombinationen dieser Verfahren erzielt werden. Obgleich PTT
und periphere arterielle Tonometrie (PAT) beide viel Aufmerksamkeit
als Techniken zur Erfassung von Veränderungen im ANS während Schlafuntersuchungen
erhalten haben, ist PAT relativ kostspielig und zeigt PTT Implementierungsprobleme,
die durch Bewegungsartefakte verursacht werden.
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Die
Effizienz der vorliegenden Erfindung ist durch ein Monitoring von
Testpersonen bestätigt
worden, die ein "Valsalva-Manöver" durchführten, was die
schnellste und dramatischste Methode zur Erzeugung einer ANS-Entladung
ist – ein
resultierender Anstieg des intrapulmonalen Drucks, verursacht durch
gewaltsames Ausatmen gegen die geschlossene Glottis. Dies erzeugt
eine sympathische Entladung mit nachfolgender Gefäßkonstriktion.
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Eine
typische Reaktion auf das Valsalva-Manöver ist in 6 dargestellt.
Die normalisierte Steigung wächst
signifikant, durchschnittlich um etwa 30%, was von uns als Folge
einer erhöhten
Leitfähigkeit
des Herzgewebes, einer gesteigerten Kontraktionskraft und einer
erhöhten
Starrheit der Arteriolen postuliert wird. 6 zeigt
Veränderungen
in der normalisierten Steigung, die durch die vorliegende Erfindung
während
eines Valsalva-Manövers
erzeugt werden. Der Anstieg im ANS-Outflow beginnt etwa bei Herzschlag 59,
angezeigt durch den scharfen Anstieg der normalisierten Steigung
der pulsativen Arteriolen-Wellenform.
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Weitere
Experimente wurden mittels Untersuchungen von Tagesnickerchen durchgeführt – es wurden
mehrere Untersuchungen kurzer Tagesnickerchen an Freiwilligen, die
unter Schlafentzug standen, durchgeführt, um die Schlafstadien während dieser
Nickerchen zu registrieren und nach Korrelationen zwischen den Stadien
und aufgezeichneten normalisierten PTS-Steigungen zu suchen. Von keiner
dieser Personen war eine gestörte
Schlafatmung bekannt. Freiwillige wurden mit zwei elektroenzephalographischen
Zentrallappen-EEG-Elektroden, zwei Okzipital-EEG-Elektroden, zwei
Elektrookulogramm-(EOG-)Elektroden, einer Kinnelektrode, einem Gerät zur Messung
des nasalen Luftstroms, zwei Bändern
zur Messung des respiratorischen Luftstroms und einer PTS-Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung, die einen normalisierten Steigungswert auf
einer Schlagfür-Schlag-Basis
lieferte, beobachtet.
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Eine
typische Aufzeichnung der normalisierten Steigung (auf einer Skala
von 0 bis 100, wobei 100 vertikal ist) versus Schlafstadien ist
in 7A und 7B dargestellt.
Die Schlafstadien wurden durch einen eingetragenen Polysomnographie-Technologen (RPSGT)
aus den EEG-, EOG- und respiratorischen Wellenformen ermittelt. 7A und 7B zeigen
ein Schlafstadien-Hypnogramm einer eineinviertelstündigen Schlafuntersuchung. 7A zeigt
Schlaf-Verhältnisprozente während der
Dauer der Untersuchung. 7B zeigt
eine graphische Darstellung, die gemäß den Richtlinien zur Schlafaufzeichnung
der American Sleep Academy aus EEG-, EOG- und respiratorischen Wellenformen
gewonnen wurde. Punkt A ist der Beginn des Schlafstadiums 3, der
dem Punkt B auf dem normalisierten Pulssteigungsdiagramm entspricht.
Bereich C ist Stadium 4, und es ist ein definitiver entsprechender
Bereich verringerter Steigungswerte in dem mit D bezeichneten Bereich
zu erkennen. Wenn der Schlaf leichter wird, mit einem Anstieg ab
Punkt E zu Stadium 3 und dann Stadium 2, ist beginnend bei Punkt
F ein entsprechender Anstieg der Steigung zu erkennen.
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In 8 ist
ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung ist batteriebetrieben 81,
mit genügend
Kapazität
für eine 12-stündige nächtliche
Untersuchung; mit analogen Schaltkreisen zur Spannungsregelung und
Stromkonditionierung; die Vorrichtung besitzt eine Schnittstelle 82 für eine OEM-gelieferte
Fingerpuls-Oximetersonde 83; ein Niederfrequenz-Eingangsfilter 84 für Sonden-Eingangssignale;
einen Eingangssignal-Vorverstärker 85;
ein Hochfrequenzfilter 86; eine Signalverstärkerstufe 87 mit
Verstärkungsregelung;
eine Balkendiagrammanzeige zum Anzeigen eines Pulssignals 88;
einen Polygraph-Ausgang 89 für Pulssignaldaten; ein Mittel
zur digitalen Verarbeitung über
einen Mikroprozessor oder Mikrokontroller 810, um eine Erfassung
der Steigung und eine Bestimmung der Peak-zu-Peak-Höhe jedes
systolischen Fingerpulses, eine mathematische Normalisierung der
Steigung, eine Digital-Analog-(D/A-)Wandlung des Steigungswertes
zur polysomnographischen Anzeige und eine digitale Regelung der
Fingersondenverstärkung
zu gewährleisten,
und besitzt eine Statusindikator-LED 812; Benutzersteuereinrichtungen 811 einschließlich Start/Stop-
und Übertragungsfunktionen; einen
Polygraph-Ausgang 813 für
Steigungsverhältnisdaten;
eine Balkendiagrammanzeige 814 zur optischen Anzeige von
Steigungsverhältnisinformationen;
Mittel, um (mindestens) 12 Stunden Datenspeicherung zu ermöglichen,
wie z.B. Onboard-Multimediakarten-Speicherung 815; und
Analog- und/oder Digitalausgänge 816,
um die Ausgabe der pulsatilen Wellenform und eines die normalisierte
Steigung und Steigungsverhältnisdaten
repräsentierenden
Gleichstrompegels zu gewährleisten.
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Die
vorliegende Erfindung gewährleistet
eine konstante Ansteuerung der LED der Pulsoximeter-Fingersonde,
um das Gesamtkonzept der Steigungserfassung ohne eigentliche Verwendung
der Pulsoximeter-Leiterplatte des OEM zu evaluieren. Bei einer alternativen
Ausführungsform
ist eine gedruckte Pulsoximeter-Leiterplatte
(PCB) als Tochterleiterplatte eingebaut (geräteintern).
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Normalisierung
ist eine Methode zur Korrektur um morphologische Veränderungen
der photoplethysmograpischen Pulssignale, die auf der Fingerposition
beruhen (im Gegensatz zu tatsächlichen
Veränderungen
der autonomen Aktivität).
Gegenwärtig verwendeten
Verfahren zum Monitoring der ANS-Aktivität wie PTT und PAT fehlt die
Möglichkeit
zur Normalisierung eingehender Daten, und sie können daher nicht Fingerpositionsänderungen
korrigieren. Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren
zur Normalisierung und gewährleistet
somit Immunität gegenüber Artefakten,
die sowohl durch Höhenänderungen
der Fingersonde als auch durch Veränderungen im Blutstrom aufgrund
einer Arterienkompression während
Lageänderungen
des Patienten verursacht werden.
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Das
gewonnene photoplethysmographische Signal kann normalisiert werden,
um Änderungen
der Peak-zu-Peak-Signalamplitude zu minimieren, die nicht auf ANS-Aktivität zurückzuführen sind.
Anders gesagt: Wenn es einen prozentualen vertikalen Peak-zu-Peak-Anstieg
der pulsatilen Wellenform gibt (und einen folglichen Anstieg in
der Steigung), sonst jedoch keine Wellenformverzerrung, ist der
prozentuale Anstieg wahrscheinlich durch eine Positionsänderung
(im Verhältnis
zum Herzen) der Fingersonde verursacht worden. Wenn dieser gleiche Anstieg
in der Peak-zu-Peak-Höhe
aufträte,
es aber auch eine leichte Verschiebung in der Wellenformgestalt
gäbe, wobei
sie von ihrer sinusförmigen
Gestalt etwas mehr zu einer Rechteckwelle würde, dann ist die größere Steigung
wahrscheinlich von ANS-Aktivität
wie einer gesteigerten Herzkontraktilität bewirkt worden.
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Die
vorliegende Erfindung normalisiert die Steigung jedes Blutdruckpulses,
indem die Steigung durch die Peak-zu-Peak-Höhe desselben Pulses dividiert
wird. Für
jeden pulsatilen Schlag mit einer konstanten Periode und Gestalt über einen
relativ kurzen Zeitraum wird die Normalisierung Abweichungen, die nur
auf die Höhe
zurückzuführen sind,
beseitigen. Sowohl die Höhe
als auch der Peak werden eigentlich als Analog-zu-Digital-(A/D-)Zählereignisse
im Mikrokontroller der PTS-Einheit gemessen werden. Forschungen über den
Fingergefäßtonus haben
gezeigt, daß normalisiertes
Pulsvolumen, ebenfalls photoplethysmographisch abgeleitet, dem herkömmlichen
Pulsvolumen überlegen
zu sein scheint.
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Die
vorliegende Erfindung ist dafür
vorgesehen, eine vorhandene einzelne photoplethysmographische (optisch
volumenerfassende) Sonde und daher vorhandene Pulsoximeter-Technologie
zu nutzen. Da Pulsoximeter ein alternierendes Aufleuchten zweier
LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen verwenden, synchronisiert
die vorliegende Erfindung mit der gewünschten LED, um die durchgelassene
Intensität
zu untersuchen, die einer einzelnen Wellenlänge zuzuschreiben ist. Alternativ
liefern bestimmte Modelle von Oximeter-OEM-Modulen ein analoges
oder digitales Ausgangssignal, das direkt von der vorliegenden Vorrichtung
genutzt werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung eine Auto-Gain-Schaltung, um zu verhindern, dass
die pulsatile Wellenform bei Veränderungen
der Fingerhöhe,
großen
Blutdruckänderungen
und zwischen Patienten mit Fingern unterschiedlicher Dicke und Hautfarbe
gekappt wird. Es gibt außerdem
mehrere Peakerfassungsalgorithmen zur Erfassung des Beginns der
systolischen Anstiegszeit und des Beginns der Diastole. Die Algorithmen
liefern das minimale Quantisierungsrauschen, etwas, das beim Versuch
der Synchronisierung mit dem gerundeten Peak einer Wellenform auftreten kann.
Mit genügend
schneller Abtastung und dem richtigen Schwellenwert zur Erfassung
einer Nullsteigung (Peak) wurde die Schaltung dafür ausgelegt, bei
Rauschen nicht auszulösen
und dennoch empfindlich genug zu sein, um sehr dicht am Peak zu
liegen und nicht infolge einer Erfassung weit jenseits des Peaks
Genauigkeit einzubüßen.
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Alternative
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen Algorithmen für die Steigungserfassung, Peak-zu-Peak-Höhe und Normalisierung
in Form von Firmware innerhalb der Vorrichtung oder durch Software
nach dem Herunterladen der Daten in den Polysomnographen bereit.
Alternative Verfahren der Datenspeicherung und -übertragung sind ebenfalls möglich, einschließlich Multimediakarten-Speicherung,
Computer-Festplattenspeicherung, serieller Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen mit
anderen Geräten
und verschiedener Formen der Telemetrie und Telefonübertragung.
Verschiedene Ausführungsformen
zur Anzeige von Pulsfrequenz und Steigungsverhältnis können Wellenformanzeigen, Lichtbalken
und numerische Informationen umfassen.
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9 zeigt
ein Blockdiagramm des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Dargestellt
sind die Schritte der Anordnung einer photoplethysmographischen
Sonde proximal zu einem einzelnen Körperteil; Ableitung einer kontinuierlichen
pulsatilen Blutdruckwellenform als einer Funktion von Amplitude
und Zeit; Definition eines Zeitintervalls zur Berechnung einer Steigung
der pulsatilen Blutdruckwellenform; Durchführung einer kontinuierlichen
Berechnung der Steigung jeder Blutdruckwellenform über ein
definiertes Zeitintervall; Verarbeitung der Eingabedaten, um die
Peakamplitudenwerte durch eine vorgegebene Zeitkonstan te zu dividieren;
Ausschließung
von Steigungswerten kleiner als eins aus der weiteren Berechnung;
Signalverarbeitung, -konditionierung und Artefaktunterdrückung; Verstärkung und
Filterung normalisierter Steigungswerte; und Bereitstellung von
Ausgabeinformationen, repräsentativ
für Puls und
Steigungsverhältnis,
in Form einer Anzeige, elektronischen Datenausgabe und Datenspeicherung.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf das Gebiet medizinischer Vorrichtungen
und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum physiologischen
Monitoring anwendbar, die zur Erfassung von Aktivität des autonomen
Nervensystems (ANS) auf dem Gebiet der Schlafforschung eingesetzt
werden.
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Vorschriftsgemäß ist die
Erfindung sprachlich mehr oder weniger spezifisch hinsichtlich schlafdiagnostischer
medizinischer Vorrichtungen beschrieben worden. Es versteht sich
jedoch, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten oder beschriebenen
spezifischen Mittel oder Merkmale beschränkt ist, da die dargestellten
oder beschriebenen Mittel und Merkmale bevorzugte Arten der Durchführung der
Erfindung umfassen.
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Zudem
wird, obwohl diese Erfindung in Bezug auf die Verwendung für schlafdiagnostische
Untersuchungen beschrieben ist, für den Fachmann leicht ersichtlich,
dass die Erfindung auch an andere Verwendungszwecke für andere
Formen des medizinischen und nichtmedizinischen Monitorings des
autonomen Nervensystems angepasst werden kann, und die Erfindung
sollte daher nicht als auf Schafuntersuchungsanwendungen beschränkt aufgefasst werden.