DE1150177B - Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des Arterienblutdruckes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum kontinuierlichen Messen des Blutdruckes in Arterien.

Auf vielen Gebieten der Medizin ist es notwendig, den Arterienblutdruck in einfacher und bequemer Art kontinuierlich zu messen. Diese Notwendigkeit besteht im besonderen in Krankenhausoperationsräumen u. dgl. und außerdem in vielen Versuchsgebieten der Medizin, beispielsweise der Raumfahrtmedizin. Besonders auf dem letzteren Gebiet besteht eine dringende Notwendigkeit, eine Einrichtung zu haben, mit deren Hilfe der Blutdruck kontinuierlich gemessen werden kann, wobei das betreffende Lebewesen bestimmte kleinere Bewegungen ohne Unbequemlichkeit durchführen kann.

Bei der üblichen Blutdruckmessung muß das betreffende Lebewesen viele Sekunden lang verhältnismäßig ruhig bleiben und periodische Kreislaufunterbrechungen aushalten. Außerdem ergibt die Messung nur zwei Druckwerte, nämlich den systolischen und den diastolischen Druckwert, gemessen während einer beträchtlichen Zahl von Pulsperioden, wodurch ein wesentlicher Teil der Information ausfällt.

Es sind bereits automatische Verfahren zum Messen von Blutdruck bekannt, und zwar nach dem Prinzip des Sphygmomanometer und des digitalen Plethysmographen. Abgesehen von der begrenzten Information sind diese Verfahren zum Überwachen von Lebewesen nicht befriedigend, und die periodische Unterbrechung der Blutzirkulation verursacht Unbequemlichkeiten. Das Gewicht und die Größe des erforderlichen Druckluftgeräts und die Einrichtung zur Kalibrierung gegenüber dem äußeren Druck sind ebenfalls nachteilig.

Eine kontinuierliche Messung des Blutdruckes ist ferner durch eine Arterienkanülierung möglich, doch ergeben sich hier ernsthafte Nachteile. Zusätzlich zu dem Trauma der ursprünglichen Arterienpunktierung kann die Bewegung des aktiven Lebewesens sekundäre Traumata verursachen, und es besteht daher die Gefahr, daß die Kanüle von der Arterie entfernt wird.

Eine fortlaufende Blutdruckmessung ist auch schon nach dem Prinzip der entspannten Gefäßwand durchgeführt worden. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer den Arm stark umschließenden Manschette, in die eine mit Flüssigkeit gefüllte Pelotte eingebettet ist. Dabei ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, die auf die Pelottenflüssigkeit einen Gegendruck ausübt, der dem vom Blutgefäß auf die Pelottenflüssigkeit ausgeübten Druck entspricht, so daß praktisch keine Veränderung des Pelottenvolumens stattfindet und die elastischen Wirkungen der Gefäßwand

Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des Arterienblutdruckes

Anmelder:

Cutler-Hammer, Inc.,
Milwaukee, Wis. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Höger, Dr.-Ing. E. Maier

und Dipl.-Ing. W. Stellrecht M. Sc, Patentanwälte,

Stuttgart S, Uhlandstr. 16

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. November 1959 (Nr. 855 699)

Walter Edwin Tolles, Oyster Bay, N. Y. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

und des umgebenden Gewebes ausgeschaltet sind. Die Registrierung dieses Gegendrucks ist sonach ein getreues Abbild des Blutdruckes. Diese bekannte Einrichtung ist im Gebrauch ziemlich umständlich, ganz abgesehen davon, daß die starre Einbettung des Armes eine weitgehende Ruhigstellung verlangt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum kontinuierlichen Messen des Arterienblutdruckes ohne Unterbrechung der Blutzirkulation zu schaffen, ohne daß die physische Aktivität und die allgemeine Beweglichkeit des Lebewesens übermäßig behindert wird.

Gemäß der Erfindung ist ferner eine Einrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe kontinuierlich und automatisch der Arterienblutdruck registriert werden kann, so daß keine Überwachung durch einen Arzt erforderlich ist.

Die Erfindung gründet sich auf die Tatsache, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druckwellen im Blutstrom sich mit den Änderungen des Arterienblutdruckes ändert. Obgleich die Beziehung nicht linear ist, ist sie doch in Art einer einwertigen Funktion, und es können daher die Änderungen in der Fortpflanzungsgeschwindigkeit benutzt werden, um die Änderungen im Blutdruck anzuzeigen.

Gemäß der Erfindung besteht die Einrichtung aus einer Druckvorrichtung zum Aufdrücken einer Wechselwelle von erheblich größerer Frequenz als die

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Frequenz der Herzzusammenziehung auf den Arterienblutstrom und aus einer Meßvorrichtung zum Messen der Änderungen der Laufzeit der Wechselwelle zwischen zwei Punkten entlang dem Arterienblutstrom, wobei die Druckänderungen der Wechselwelle vorzugsweise wesentlich kleiner sind als der normale Arterienblutdruck. Bei Druckwellen mit einer festen Frequenz sind Phasenänderungen umgekehrt proportional den Änderungen der Wellerifortpflanzungsgeschwindigkeit und geben daher eine Anzeige der Blutdruckänderungen.

Die Druckvorrichtung besteht zweckmäßig aus einem Sendeumformer, und zum Aufnehmen der Druckänderung des Blutstromes und zur Weitergabe an die Meßeinrichtung, die insbesondere ein Phasenmesser sein kann, ist mindestens ein Empfangsumformer vorgesehen. Es können aber auch zwei im Abstand entlang der Arterie anbringbare Empfangsumformer vorgesehen sein, wobei die Meßeinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie den Phasenwinkel der Ausgangsspannungen der beiden Empfangsumformer mißt. Ordnet man die Empfangsuniformer in einem solchen Abstand vom Sendeumformer an, daß die Aufnahme der durch das Fleisch übertragenen Druckwellen im Vergleich zu denen der Arterie vernachlässigbar sind, dann ist auch eine Verfälschung der Messung durch unmittelbar vom Gewebe übertragene Druckwellen ausgeschlossen. Besonders einfach werden die Verhältnisse, wenn die beiden Empfangsumformer in festem Abstand voneinander angeordnet sind.

Durch Verwendung einer Dauerwellenerregung und das Messen der Änderungen des Phasenwinkels der Druckänderungen an im Abstand angeordneten Punkten werden wichtige Vorteile erzielt. Einige bekannte Phasenmesser sind jedoch gegen Amplitudenänderungen an sich sehr unempfindlich, so daß es erforderlich sein kann, eine Vorrichtung vorzusehen, die die Amplitudenempfindlichkeit des Phasenmessers im wesentlichen beseitigt. Verwendet man z. B. einen Amplitudenbegrenzer in den Ausgangsstromkreisen der Empfangsumformer, dann ist die Phasenmessung im wesentlichen unabhängig von Amplitudenänderungen. Damit beeinflussen Änderungen in der Eingangssignalamplitude, verschiedene Dämpfungen zwischen den Umformern und der Arterie, verschiedene Dämpfungen entlang dem Arterienblutstrom usw. die Genauigkeit der Messung nicht erheblich. Da ferner nur eine Sinuswelle mit einer einzigen Frequenz für die Meßzwecke erforderlich ist, kann eine Filterung verwendet werden, um die Wirkung der Drücke der äußeren Umgebung auszuschalten, die Anlaß zu entsprechenden Ausgangsspannungen in den Empfangsumformern geben könnten. Auch ungünstige Wirkungen infolge der Frequenzverzerrung in der Arterie sind ausgeschaltet.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einer Zeichnung des näheren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Systems gemäß der Erfindung,

Fig. 2 A bis 2 E Wellenformen zur Erklärung des Systems nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Variante des Empfängerteils nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Sendeumformer 10 an einem Ann 11 eines Lebewesens oberhalb einer brachialen Arterie 12 mit Bändern oder sonstwie befestigt. Der Umformer kann irgendeine Form haben und beispielsweise ein Kristall- oder Magnetumformer sein. Die Brachialarterie ist im besonderen geeignet, da sie verhältnismäßig dicht an der Oberfläche liegt und so aufgedrückte Druckwellen aufnehmen und entsprechende Ergebnisse abgeben kann. Es können • jedoch gegebenenfalls auch andere Arterien, wie beispielsweise im Bein oder Hals, verwendet werden.

Der Umformer 10 wird über einen Oszillator 13 mit Energie versorgt, dessen Ausgangsspannung vorzugsweise eine Sinuswellenform hat und im wesentlichen von konstanter Frequenz ist. Die mechanischen Schwingungen des Umformers verursachen auf die Arterienwand einen wechselnden Druck, der seinerseits Druckänderungen im Arterienblutstrom erzeugt.

Diese Druckänderungen konstanter Frequenz werden den normalen Blutdruckänderungen überlagert und werden vorteilhaft mit einer kleinen Amplitude im Vergleich zu den auftretenden Blutdrücken, beispielsweise einer Amplitudenänderung entsprechend einigen wenigen Millimetern Quecksilber, aufrechterhalten.

Ferner ist unterhalb in Flußrichtung relativ zum Umformer 10 ein Paar von auf Druck ansprechenden Empfangsumformern 14 und 15 mit Bändern oder sonstwie am Arm über der brachialen Arterie befestigt, die auf die durch den Sendeumformer erzeugten Teildruckwellen ansprechen und entsprechende Ausgangsleistungen erzeugen. Die Empfangsumformer können kleine, auf Druck ansprechende Mikrophone, und zwar vom Kristalltyp, Magnettyp oder Kondensatortyp od. dgl. sein. Sie sind vorteilhaft als eine Baueinheit angebracht und weisen einen festgelegten Abstand D auf.

Der Sendeumformer kann beim Aufdrücken der Druckänderungen auf die Arterie ebenfalls Druckwellen in der Haut oder in der Nähe der Haut hervorrufen. Es ist infolgedessen vorteilhaft, die Empfängerumformer so weit entfernt vom Eingangsumformer anzuordnen, daß sie auf diese Druckwellen nicht mehr ansprechen.

Die vom Umformer 10 dem Arterienblutstrom aufgedrückten Druckwellen wandern entlang der Arterie mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit, die sich mit dem Blutdruck ändert. Es ist möglich, die Änderungen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit auf verschiedene Art zu messen. Bekanntlich ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit c eine Funktion der Frequenz F der aufgedrückten Welle und der Wellenlänge λ entsprechend der folgenden Gleichung:

= XF.

(D

Damit ergibt eine Messung der Wellenlänge bei einer konstanten Frequenz F die Fortpflanzungsgeschwindigkeit.

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit kann ebenfalls wie folgt ausgedrückt werden:

wobei D den Abstand zwischen den beiden Meßpunkten und t die Zeit bedeutet, die für die Wanderung der Welle von einem Punkt zum anderen erforderlich ist. Es ist auch möglich, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit wie folgt auszudrücken:

_ ^DF
C ~ φ

(3)

wobei φ der Phasenwinkel zwischen den sinusförmigen Wellen an beiden Punkten ist.

Vorzugsweise wird die Blutdruckanzeige durch Messung des Phasenwinkels zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Empfangsumformer 14, 15 erhalten. Zu diesem Zweck werden die Ausgangsspannungen der Empfangsumformer einem Verstärker und einem Phasenmesser 16 zugeführt, und dieser ergibt einen Meßwert, der sich mit dem Phasenwinkel zwischen den beiden ändert. Die Ausgangsspannung des Phasenmessers wird einer Anzeigevorrichtung 17 zugeführt, die beispielsweise ein Anzeigeinstrument, ein Registrierinstrument od. dgl. sein kann.

Die Arbeitsweise der Einrichtung nach Fig. 1 wird durch die in Fig. 2 dargestellten Wellenformen erläutert. Fig. 2 A zeigt eine kontinuierliche Aufzeichnung des Arterienblutdruckes als Funktion der Zeit ungefähr während einer vollständigen Herzperiode. Der systolische Maximaldruck während der Herzzusammenziehung ist bei 21 und der diastolische Minimaldruck während der Herzausdehnung bei 22 angedeutet. Die Wellenform wiederholt sich mit der Frequenz der Herzzusammenziehung normalerweise von der Größenordnung von 72 Perioden pro Minute.

Fig. 2 B zeigt die sinusförmige Druckänderung konstanter Frequenz, wie sie im Arterienblutstrom durch den Sendeumformer 10 hervorgerufen wird. Die Frequenz ist wesentlich höher als die Frequenz der Herzzusammenziehung, beispielsweise von der Größenordnung von 50 bis 300 Perioden pro Sekunde. Diese sinusförmige Druckänderung wird der normalen Arteriendruckänderung überlagert, so daß sich eine resultierende Druckänderung gemäß Fig. 2 C ergibt. Fig. 2 A und 2 B sind der Deutlichkeit halber in verschiedenem Maßstab gezeichnet. Wie in Fig. 2 C angedeutet, hat die aufgedrückte sinusförmige Druckänderung eine Amplitude, die im Vergleich zum normalen Arterienblutdruck klein ist. Damit bleibt der augenblickliche, zu irgendeiner Zeit gemessene Blutdruck im wesentlichen durch die Anwesenheit der überlagerten kontinuierlichen Welle der Druckänderungen unverändert.

Fig. 2 D zeigt die Ausgangsspannung des Phasenmessers 16. Wenn der Blutdruck auf den maximalen oder systolischen Druck ansteigt, erhöht sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit, und der Phasenwinkel zwischen den Ausgängen der Umformer 14 und 15 nimmt entsprechend ab. Bekannt sind bereits eine ganze Zahl von Phasenmessern, und diese können entsprechend den Erfordernissen einer bestimmten Anwendungsart verwendet werden. Es wird hier angenommen, daß der Phasenmesser einen maximalen Meßwert bei Phasenwinkel Null ergibt und kleinere Meßwerte, wenn der Phasenwinkel zunimmt. Damit ändert sich die Ausgangsspannung in einer Art, die der Blutdruckänderung entspricht.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Ausgangsspannung des Phasenmessers nicht notwendigerweise linear proportional zum Blutdruck ist. Änderungen im Blutdruck sind jedoch ohne weiteres erkennbar, und die Größe kann durch eine entsprechende Eichung des Anzeigers bestimmt werden. Es ist auch von Vorteil, die Ausgangsspannung des Phasenmessers einem kontinuierlich arbeitenden Registrierinstrument zuzuführen, so daß eine vollständige Registrierung des Blutdruckes eines Lebewesens erhalten wird. Die Anzeige des Registrierinstrumentes kann in Druckeinheiten geeicht werden, wie dies in Fig. 2 E angedeutet ist, wo der systolische Druck 23 und der diastolische Druck 24 für eine vollständige Herzperiode dargestellt sind.

Die Eichung kann in irgendeiner Art vorgenommen werden. Beispielsweise kann der Blutdruck des Lebewesens durch bekannte Verfahren gleichzeitig mit der Bestimmung durch die Einrichtung gemäß der Erfindung festgestellt und die Anzeigevorrichtung entsprechend geeicht werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Art, in der der

ίο Blutdruck während einer einzelnen Herzperiode sich ändert, dadurch bestimmt werden kann, daß die aufgedrückte Frequenz hoch zur Herzfrequenz ist. Die Frequenzkomponenten der Blutdruckänderung sind ebenfalls erheblich niedriger als die aufgedrückte Frequenz und können ohne weiteres in dem Verstärker so eliminiert werden, daß sie die Messung nicht beeinflussen.

Es kann oft erwünscht sein, den Blutdruck eines Lebewesens in einer Umgebung zu messen, in der der äußere Druck sich ändert. Ferner können Amplitudenänderungen an den Ausgängen der Empfangsumformer infolge vieler Faktoren auftreten. Obgleich beispielsweise die Ausgangsspannung des Oszillators 13 konstant aufrechterhalten wird, kann sich die Druckänderung, wie sie dem Arterienblutstrom durch den Umformer 10 aufgedrückt wird, mit den Änderungen der Dämpfung von der Haut zur Arterie ändern. Ferner kann eine sich ändernde Dämpfung entlang dem Arterienblutstrom und zwischen der Arterie und den Umformern 14 und 15 auftreten. Es ist daher sehr wichtig, daß die Blutdruckanzeige unabhängig von den äußeren Bedingungen und unempfindlich gegen Amplitudenänderungen gemacht wird. In solchen Fällen kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 verwendet werden.

Da eine im wesentlichen konstante sinusförmige Frequenz für die Meßzwecke verwendet wird, ist es möglich, die Ausgangsspannungen der Empfangsumformer so zu verstärken und scharf auszufiltern, daß ein Ansprechen auf andere als die gewünschte Frequenz verhindert wird. Hierdurch werden die Wirkungen von Änderungen des äußeren Druckes bei anderen Frequenzen ausgeschaltet. Zu diesem Zweck werden die Ausgangsspannungen der Umformer 14 und 15 den betreffenden Verstärkern und Filtern 31, 31' zugeführt. Die Filter sind auf die Frequenz des Oszillators 13 (Fig. 1) so abgestimmt, daß eine Sperrung von Frequenzen stattfindet, die wesentlich von der Oszillatorfrequenz verschieden sind.

Die Ausgangsspannungen der Verstärkerfilter 31, 31' werden dann den zugehörigen Begrenzern 32, 32' zugeführt, um so Amplitudenänderungen im wesentlichen zu eliminieren. Bei einer ausreichenden Verstärkung und Begrenzung können die Ausgangsspannungen der Begrenzer 32, 32' im wesentlichen rechteckförmige Wellen sein, deren relative Phase die gleiche wie die der Eingangssinuswellen ist. Diese rechteckigen Wellen werden dann dem Phasenmesser 33 und von dort dem Anzeigeinstrument 17 zugeführt.

Stromkreise zum Messen der Phase zwischen rechteckigen Wellen sind bekannt. Wenn ein Phasenmesser verwendet wird, der im wesentlichen gegen Amplitudenänderungen unempfindlich ist, können die Begrenzer 32, 32' weggelassen werden.

Wie in der Zeichnung dargestellt, wird vorzugsweise ein Paar von Empfangsumformern verwendet, die im Abstand vom Sendeumformer angeordnet sind, und es werden die Änderungen im Phasenwinkel

zwischen den Ausgangsspannungen der Empfangsumformer verwendet, um so eine Anzeige des Blutdruckes zu erhalten. Es ist jedoch auch möglich, nur einen einzigen Empfangsumformer zu verwenden und die Zeit zu messen, die die Druckänderungen in ihrer Wanderung vom Sendeumformer zum Empfangsumformer benötigen. Auch hier wird vorzugsweise die Änderung in der Phase zwischen den aufgedrückten Druckwellen und den empfangenen Druckwellen gemessen.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des Arterienblutdruckes, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Druckvorrichtung zum Aufdrücken einer Wechselwelle von erheblich größerer Frequenz als die Frequenz der Herzzusammenziehungen auf den Arterienblutstrom und aus einer Meßvorrichtung zum Messen der Änderangen der Laufzeit der Wechselwelle zwischen zwei Punkten entlang dem Arterienblutstrom besteht, wobei die Druckänderungen der Wechselwelle vorzugsweise wesentlich kleiner als der normale Arterienblutdruck sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sendeumformer als Druckvorrichtung und mindestens ein Empfangsumformer zum Aufnehmen der Druckänderung des Blutstromes und Weitergabe an die Meßvorrichtung vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßvorrichtung ein Phasenmesser vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Abstand entlang der Arterie anbringbare Empfangsumformer vorgesehen sind und daß die Meßvorrichtung derart ausgebildet ist, daß sie den Phasenwinkel der Ausgangsspannungen der beiden Empfangsumformer mißt.

5. Einrichtung nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Empfangsumformer in einem festen Abstand angeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Amplitudenempfindlichkeit des Phasenmessers im wesentlichen beseitigt.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter zwischen den Empfangsumformern und dem Phasenmesser angeordnet ist, das die Frequenz der Wechselwelle durchläßt und die anderen Frequenzen im wesentlichen aussiebt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 733 703.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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