DE19645579A1 - Heart and blood circulation system function evaluation device - Google Patents
Heart and blood circulation system function evaluation deviceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Arbeitsver fahren zum Betreiben der Vorrichtung zum Bestimmen und Aus werten von Funktionszuständen im Herz-Kreislauf-System.The invention relates to a device and a Arbeitsver drive to operate the device for determining and off evaluate functional states in the cardiovascular system.
Aus Steinmann, J. et al.: "In-vivo-Messung der Sauerstoffsät
tigung des Blutes mit Quarzlichtleitern und einem optischen
Vielkanalanalysator", Biomed. Technik 31 (1986), 246-251 ist
es bekannt, mittels NIR-Rot-Remissions-Photoplethysmographie
wie folgt zu messen:
From Steinmann, J. et al .: "In vivo measurement of blood oxygen saturation with quartz light guides and an optical multi-channel analyzer", Biomed. Technik 31 (1986), 246-251, it is known to measure by means of NIR red remission photoplethysmography as follows:
- - Mit der Wellenlänge 840 nm die relative Menge des Blutes bzw. der Erythrozyten im illuminierten Gewebe, unabhängig von dessen Oxygenierungsgrad, da bei Remissionsmessung in vivo der sog. Hb/HbO2-isobestische Wellenlängenbereich bei 840 . . . 850 nm liegt. Als isobestisch wird dabei definitionsgemäß jener Wellenlängenbereich einer Strahlung bzw. des Lichts bezeichnet, bei dem unterschiedliche chemische Stoffe, z. B. Hämoglobin und Oxyhämoglobin, das durch diese Stoffe hindurchtretende Licht gleichermaßen schwächen, d. h. deren Extinktions- bzw. Schwächungskoeffizient gleich ist. Die NIR-Wellenlänge 840 nm mißt somit relativ zum illuminierten Gesamtgewebe die Blut- bzw. Erythrozytenmenge, die die Mikrogefäße nach dem Fåhraeus-Effekt in Form von Blut volumenpulswellen passiert.- With the wavelength of 840 nm, the relative amount of blood or erythrocytes in the illuminated tissue, regardless of its degree of oxygenation, since the so-called Hb / HbO 2 isobestic wavelength range at 840 for remission measurement in vivo. . . 850 nm. That wavelength range of radiation or light, in which different chemical substances, eg. B. hemoglobin and oxyhemoglobin, weaken the light passing through these substances equally, ie their extinction or attenuation coefficient is the same. The NIR wavelength 840 nm thus measures the amount of blood or erythrocytes relative to the illuminated total tissue, which passes through the microvessels according to the Fåhraeus effect in the form of blood volume pulse waves.
-
- Mit der Wellenlänge 640 nm andererseits die durch 840 nm
erfaßte relative Blut bzw. Erythrozytenmenge hinsichtlich
ihres Oxygenierungsgrades, indem sich das meßbare Licht
intensitätsverhältnis zwischen 640 nm und 840 nm während der
Mikrogefäß- bzw. Kapillarpassage infolge Desoxygenierung
ändern. Aus der Intensitätsänderung des Rückstreusignals
beider Wellenlängen läßt sich sowohl die allgemeine Änderung
der Durchblutung des illuminierten Gewebes als auch die dazu
relative Menge der die desoxygenierenden Kapillaren passie
renden Erythrozyten quantitativ, d. h. oxymetrisch bestimmen,
wie in herkömmlichen Oxymetern realisiert ist. Man definiert
die Sauerstoffsättigung SaO2 des arteriellen Blutes als das
Verhältnis von sauerstoffangereichertem Hämoglobin (HbO2)
und Gesamthämaglobin (HbO2 + Hb + sonstige Formen, wie
Carbosyhämoglobin, Methämoglobin, Sulfhämoglobin):
[nach Handbuch Ohmeda Biox 3740 Pulse].- With the wavelength 640 nm, on the other hand, the relative blood or erythrocyte quantity detected by 840 nm with regard to their degree of oxygenation by changing the measurable light intensity ratio between 640 nm and 840 nm during the microvascular or capillary passage due to deoxygenation. From the change in intensity of the backscatter signal of both wavelengths, both the general change in the blood flow to the illuminated tissue and the relative amount of the erythrocytes passing through the deoxygenating capillaries can be determined quantitatively, ie oxymetrically, as is realized in conventional oximeters. The oxygen saturation SaO 2 of the arterial blood is defined as the ratio of oxygen-enriched hemoglobin (HbO 2 ) and total hemaglobin (HbO 2 + Hb + other forms, such as carbosyhemoglobin, methemoglobin, sulfhemoglobin):
[according to the Ohmeda Biox 3740 Pulse manual].
Andererseits wird allgemein die Sauerstoffsättigung als Ver
hältnis von O2-Gehalt (in Vol.-%) zu O2-Kapazität (in Vol.-%)
definiert (Netter, F.H.: Farbatlanten der Medizin, Bd. 1:
Herz, 3. überarb. u. erw. Auflage, The Ciba Collection of Medical
Illustrations, 1993):
Ein Normalwert von 97% Sättigungsgrad des Blutes im Kapillar
bett wird erhalten bei einem O2-Gehalt von 20,4 Vol.-% und
einer O2-Kapazität von 21 Vol.-%.On the other hand, oxygen saturation is generally defined as the ratio of O 2 content (in% by volume) to O 2 capacity (in% by volume) (Netter, FH: Color Atlas of Medicine, Vol. 1: Heart, 3. revised and expanded edition, The Ciba Collection of Medical Illustrations, 1993):
A normal value of 97% degree of saturation of the blood in the capillary bed is obtained with an O 2 content of 20.4% by volume and an O 2 capacity of 21% by volume.
Ebenso wird eine arteriovenöse Differenz avDO2 der O2-Gehalte
eingeführt (Schmidt, R.F.; Thews, G.: Physiologie des
Menschen. 23. Aufl., Springer-Verlage Berlin/Heidelberg/New
York/London/Paris/Tokyo 1987), indem mit den Werten für die
arterielle O2-Sättigung (SaO2 = 97%) und die venöse O2-
Sättigung (SaO2 = 73%) ein Gehalt an chemisch gebundenem
Sauerstoff im arteriellen und venösen Blut von etwa 0,2 bzw.
0,15 l O2/l Blut invasiv gefunden wurde und damit sich etwa
avDO2 = 0,05 l O2/l Blut im Normalfall ergibt. Demnach werden
normalerweise nur ca. 25% der gesamten O2-Bindungskapazität
des Blutes bei der Passage durch die Gewebekapillaren
ausgeschöpft:
An arteriovenous difference avDO 2 of the O 2 contents is also introduced (Schmidt, RF; Thews, G .: Physiologie des Menschen. 23rd ed., Springer publishers Berlin / Heidelberg / New York / London / Paris / Tokyo 1987), by using the values for arterial O 2 saturation (SaO 2 = 97%) and venous O 2 saturation (SaO 2 = 73%) to have a chemically bound oxygen content in the arterial and venous blood of about 0.2 and 0.15 l O 2 / l blood was found to be invasive and thus approximately avDO 2 = 0.05 l O 2 / l blood normally results. Accordingly, only about 25% of the total O 2 binding capacity of the blood is normally used up when it passes through the tissue capillaries:
d. h. d. H.
avDO2 = 20,4 Vol.-%-15,3 Vol.-% ≈ 5 Vol.-% ≘ 0,05 l O2/l Blut.avDO 2 = 20.4% by volume - 15.3% by volume ≈ 5% by volume ≘ 0.05 l O 2 / l blood.
Als relative arteriovenöse O2-Differenz ergibt sich demnachThe relative arteriovenous O 2 difference is therefore found
SaO2 arteriell - SaO2 venös = 0,24SaO 2 arterial - SaO 2 venous = 0.24
bzw.
respectively.
Ausgehend vom Vorbekannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung und ein aussagefähigeres Arbeitsverfahren zum Betreiben der Vorrichtung zum Bestimmen und Auswerten von Funktionszuständen im Herz-Kreislauf-System anzugeben.Based on the prior art, it is therefore an object of the invention a more advanced device and a more meaningful one Working method for operating the device for determination and evaluating functional states in the cardiovascular system specify.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unab hängigen Patentansprüche, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The task is solved with the characteristics of the independent pending claims, the sub-claims at least include expedient refinements and developments.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß mit der in das Gewebe eingestrahlten Wellenlänge von 640 nm die mit 840 nm gemessene relative Blut- bzw. Erythrozytenmenge hinsichtlich ihres Oxygenierungsgrades erfaßt wird und sich somit für jede Herzaktion bzw. Atmungsperiode die erhaltenen ZeitfunktionenThe invention is based on the basic idea that with the in the tissue irradiated wavelength of 640 nm with 840 nm measured relative amount of blood or erythrocytes with regard their degree of oxygenation is detected and thus for each Heart action or respiratory period the time functions received
x1(t) = xNIR(t),x 1 (t) = x NIR (t),
x2(t) = xROT(t)x 2 (t) = x RED (t)
ähnlich sind. Als entsprechendes Ähnlichkeitsmaß und damit als "Oxygenierungsgrad" (OX-Grad) bzw. Sättigungsgrad analog SaO2 soll der Korrelationsfaktor r(n) = OX(n), d. h. je Herzaktion bzw. Atmungsperiode n, definiert und abgeleitet werden. Es soll damit ebenso die arteriovenöse Differenz der O2-Gehalte nichtinvasiv bestimmt werden.are similar. The correlation factor r (n) = OX (n), ie per cardiac action or respiratory period n, should be defined and derived as a corresponding measure of similarity and thus as a "degree of oxygenation" (OX degree) or degree of saturation analogous to SaO 2 . The arteriovenous difference of the O 2 contents should also be determined non-invasively.
Es stellen dar:They represent:
x1(t) = xNIR(t): Bezugssignal, Sollwert (100%ige Oxygenierung)x 1 (t) = x NIR (t): reference signal, setpoint (100% oxygenation)
x2(t) = xROT(t): Istwert.x 2 (t) = x RED (t): actual value.
Zur Ermittlung der (linearen) Korrelation zwischen diesen
Signalen wird die mittlere quadratische Abweichung ε2(t) mit
einem Kompensationsfaktor a wie folgt gebildet:
To determine the (linear) correlation between these signals, the mean square deviation ε 2 (t) is formed as follows with a compensation factor a:
d. h. bei optimalem Kompensationsfaktor aopt muß "maximale
Ähnlichkeit" erreicht sein, die mittlere quadratische Diffe
renz wird dann minimal, so daß daraus der Korrelationsfaktor
bestimmt werden kann. Man erhält
ie with an optimal compensation factor a opt "maximum similarity" must be reached, the mean square difference then becomes minimal so that the correlation factor can be determined from it. You get
Durch Differentiation folgt
By differentiation follows
bzw. erhält man für den optimalen Kompensationsfaktor
or is obtained for the optimal compensation factor
Durch Einsetzen und Umformen folgt für die minimale mittlere
quadratische Differenz
By inserting and reshaping it follows for the minimum mean square difference
bzw. in normierter Form
or in standardized form
Übertragen auf die Verhältnisse bei der Sauerstoffsättigung im arteriellen und venösen Bereich sowie bei der nichtinvasiven Ermittlung der arteriovenösen Differenz der O2-Gehalte wurde überraschend erkannt, daß:Transferred to the ratios of oxygen saturation in the arterial and venous area and in the non-invasive determination of the arteriovenous difference in the O 2 contents, it was surprisingly recognized that:
der Korrelationsfaktor
the correlation factor
der arteriellen Sättigung SaO2 entspricht. Dieser Wert wird
nachfolgend "Oxygenierungsgrad" [OX-Grad] genannt. Er läßt
sich bei Vorliegen entsprechender Volumenpulsationen je Herz
aktion n bestimmen:
corresponds to the arterial saturation SaO 2 . This value is called "degree of oxygenation" [OX degree] below. It can be determined in the presence of corresponding volume pulsations per heart action n:
Als mittlerer OX-Grad für eine bestimmte Meßdauer (Vorliegen
von N Volumenpulsen bzw. N Herzaktionen) gilt:
The following applies as the average OX degree for a certain measurement duration (presence of N volume pulses or N cardiac actions):
Liegt eine extreme arterielle Durchblutungsstörung vor bzw.
(allgemein ausgedrückt) kann nicht mehr von einer periodischen
Volumenpulsation der Mikrozirkulation gesprochen werden, dann
kann der Korrelationsfaktor als Mittelwert
If there is an extreme arterial circulatory disorder or (generally speaking) it is no longer possible to speak of a periodic volume pulsation of the microcirculation, then the correlation factor can be taken as the mean
innerhalb der festgelegten Meßzeit (z. B. 60 s) bestimmt werden. determined within the specified measuring time (e.g. 60 s) will.
Wird dieses 2-Wellenlängen-Remissions-Verfahren auf die Ver
hältnisse bei der Lunge angewandt, indem der Sensor "lungen
nah" am Körper befestigt wird, so läßt sich je Atmungsperiode
n* eine "arterielle Sättigung in der Lunge" (entspricht dem
pulmonalen Venenblut) ermitteln
If this 2-wavelength remission method is applied to the conditions in the lungs by attaching the sensor "close to the lungs" to the body, then "arterial saturation in the lungs" (corresponds to the pulmonary venous blood) can be obtained for each breathing period n * ) determine
bzw. als arithmetischer Mittelwert bei N* Atmungsperioden
or as an arithmetic mean for N * breathing periods
Aus den ermittelten und dargestellten Verläufen r(n) [mit dem Mittelwert r(n)], r(n*) [mit dem Mittelwert r(n*)] sollen erfindungsgemäß die absoluten und relativen Standardabwei chungen sowie die in den Verläufen auftretenden mittleren Perioden in den entsprechenden Autokorrelationsfunktionen als quasi Gütemaße im Herz-Kreislauf-System bestimmt werden. From the determined and represented courses r (n) [with the Mean r (n)], r (n *) [with the mean r (n *)] according to the invention the absolute and relative standard deviation as well as the average in the courses Periods in the corresponding autocorrelation functions as quasi-quality measures can be determined in the cardiovascular system.
Bezieht man die Standardabweichung (Streuung) SΔOX
Taking the standard deviation (scatter) S ΔOX
auf den Mittelwert OX(n), so soll eine "Oxygenierungsvaria
bilität" OXV eingeführt werden:
to the mean OX (n), an "oxygenation variability" OXV should be introduced:
Eine solche Kenngröße wird auch für die Lunge ermittelt.Such a parameter is also determined for the lungs.
Die minimale mittlere quadratische Differenz
The minimum mean square difference
bzw. in
normierter Form
or in standardized form
läßt sich je Herzaktion n ermitteln und entspricht dem Quadrat
der absoluten und relativen arteriovenösen Differenz der
O2-Gehalte:
can be determined per heart action n and corresponds to the square of the absolute and relative arteriovenous difference of the O 2 contents:
Als relative arteriovenöse Different folgt
As a relative arteriovenous Different follows
Als Näherung wird daraus definiert
It is defined as an approximation
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen und von Figuren näher erläutert werden.The invention is based on exemplary embodiments and Figures are explained in more detail.
Hierbei zeigen:Here show:
Fig. 1 ein aus einem Modell abgeleiteter Zusammenhang zwischen der absoluten und relativen arteriovenösen O2-Differenz sowie des absoluten und relativen arteriellen O2-Gehaltes, Fig. 1 is a derived from a model relationship between the absolute and relative arteriovenous O 2 -difference and the absolute and relative arterial O 2 content,
Fig. 2 den Oxygenierungsgrad vor [a)] und nach einer Infusion von Prostavasin bei einem liegenden Patienten mit pAVK (Meßort Großzehe) und Ruheatmung, Fig. 2 shows the oxygenation before [a)] and after an infusion of Prostavasin at a patient lying with PAD (measurement location big toe), and tidal breathing,
Fig. 3 den Oxygenierungsgrad bei einem 79jährigen liegenden Patienten mit Linksherzinsuffizienz und bei Ruheatmung (Meßort 2. Finger re.), Fig. 3 (re measurement location 2. finger.) The oxygenation in a 79-year olds lying patients with left heart failure and tidal breathing,
Fig. 4 die integrale Mikrozirkulation, gemessen mit NIR-ROT- Remissions-Photoplethysmographie, am Meßort Großzehe re. bei einem 85jährigen Patienten mit pAVK, Fig. 4, the integral microcirculation, measured with NIR-ROT remission photoplethysmography, right at the measuring point big toe. in an 85 year old patient with PAD,
Fig. 5 Remissions-Photoplethysmographie-Signale bei Lungen atmung mit überlagerten Volumenpulsationen am Meßort Oberkörper/Lungennähe, Fig. 5 remission photoplethysmography signals at lungs breathable with superimposed Volumenpulsationen at the measuring point Waist / lung area,
Fig. 6a den Zeitausschnitt einer an einer Fingerbeere gemessenen NIR-Blutvolumenpulsation einschließlich markierte Herzperiodendauern [TH(n) zum n-ten Volumenpuls gehörend usw.], FIG. 6a shows the section of a measured time to a fingertip NIR-labeled Blutvolumenpulsation including heart period durations [T H (n) for n-th volume pulse belonging etc.];
Fig. 6b ein Tachogramm der Herzperiodendauer TH in Abhängig keit des entsprechenden Volumenpulses n als Beispiel, Fig. 6b is a tachogram the heart period T H in Depending ness of the respective volume pulse n as an example,
Fig. 7 ein Tachogramm TH=f(n) für einen 40jährigen Normal probanden, Fig. 7 is a tachogram T H = f (n) subjects for a 40-year Normal,
Fig. 8 die zu Fig. 7 gehörende Autokorrelationsfunktion ΦΔTH(m) einschließlich Kenn- und Normalwerte, Fig. 8 belonging to Fig. 7 auto-correlation function Φ ΔTH (m) including identification and normal values,
Fig. 9 ein aus Fig. 7 abgeleitetes Histogramm der Herz periodendauern einschließlich definierte Grenzen sowie prozentuale Angaben des Auftretens der Perioden in den entsprechenden Bereichen, Fig. 9 is a derived from Fig. 7 histogram of heart period durations including defined boundaries and any percentage details of occurrence of periods in the corresponding regions,
Fig. 10 ein Tachogramm TH=f(n) bei einer 35jährigen Diabetikerin (Typ I WHO), Fig. 10 is a tachogram T H = f (n) at a 35 year old diabetic (type I WHO),
Fig. 11 die zu Fig. 10 gehörende AKF ΦΔTH(m), Fig. 11 belonging to Fig. 10 AKF Φ ΔTH (m),
Fig. 12 ein Tachogramm TH=f(n) bei einer 72jährigen liegenden Patientin bei Ruheatmung mit koronarer 3-Gefäßer krankung, arterieller Hypertonie und Hinterwand infarkt, Figure 12 is a tachogram T H = f (n) incidence. At a 72 year old female patient lying on tidal breathing with coronary 3-Gefäßer, arterial hypertension and posterior myocardial infarction,
Fig. 13 die zu Fig. 12 gehörende AKF ΦΔTH(m), Fig. 13 to 12 is associated. AKF Φ ΔTH (m),
Fig. 14 Die Blutvolumenpulsation des n-ten sowie (n+1)-ten Pulses mit den zugehörigen Flächen Fn und Fn+1 als Maß für die mikrovaskuläre Perfusion an der Meßstelle, einem Mikrogefäßbereich, Fig. 14 th n-The Blutvolumenpulsation and the (n + 1) -th pulse with the corresponding surfaces of F n and F n + 1 as a measure of microvascular perfusion at the measuring point, a micro-vessel region,
Fig. 15 den Verlauf des relativen Füllungsvolumens (Meßort 2. Fingerbeere re.) bei dem Normalprobanden nach Fig. 9, Fig. 15 (measuring site 2. fingertip re.) The course of the relative filling volume is at from normal volunteers after Fig. 9,
Fig. 16 den Verlauf des relativen Füllungsvolumens (Meßort 2. Fingerbeere re.) bei dem Diabetiker nach Fig. 10, und Fig. 16 shows the course of the relative filling volume (measuring site 2. fingertip re.) Wherein the diabetic to Fig. 10, and
Fig. 17 den Verlauf des Oxygenierungsgrades OX=f(n) bei dem Normalprobanden nach Fig. 15. Fig. 17 shows the course of the Oxygenierungsgrades OX = f (n) in the normal subjects according to Fig. 15.
Fig. 1 zeigt die graphische Darstellung der erwähnten Abhän gigkeiten. Es ist ersichtlich, daß bei Oxygenierungsgraden (Sättigungsgraden) von etwa Eins die arteriovenöse Differenz nach Null verläuft, d. h. das arterielle Blut dann nicht entsättigt wird. Die invasiv ermittelten Normalwerte Fig. 1 shows the graphical representation of the abilities mentioned. It can be seen that with degrees of oxygenation (degrees of saturation) of approximately one, the arteriovenous difference runs to zero, ie the arterial blood is then not desaturated. The invasive normal values
SaO2arteriell = 0,97,SaO 2 artery = 0.97,
SaO2arteriell - SaO2venös = 0,24SaO 2 arterial - SaO 2 venous = 0.24
liegen direkt auf dem theoretisch ermittelten Kurvenverlauf.lie directly on the theoretically determined curve.
Die in Fig. 1 angegebenen Maßstäbe für die Absolutwerte bei O2-Gehalt arteriell sowie avDO2 in [l O2/l Blut] beruhen auf einer O2-Kapazität von 21 Vol.-% [nach Rein, H.; Schneider, M.: Physiologie des Menschen, 11. Aufl., Springer Berlin/ Göttingen/Heidelberg 1955, S. 39].The scales given in FIG. 1 for the absolute values for arterial O 2 content and avDO 2 in [l O 2 / l blood] are based on an O 2 capacity of 21% by volume [according to Rein, H .; Schneider, M .: Human Physiology, 11th ed., Springer Berlin / Göttingen / Heidelberg 1955, p. 39].
Fig. 2 zeigt die Verläufe der Oxygenierungsgrade am Meßort Großzehe vor [a)] und nach [b)] Infusionen von Prostavasin bei einem 72jährigen Patienten mit peripherer arterieller Ver schlußkrankheit (pAVK). Neben einer Erhöhung des mittleren Oxygenierungsrades durch diese Infusion wird die Verringerung der Oxygenierungsvariabilität deutlich, z. T. treten atmungs dominante Perioden von 4 bis 5 Herzschlägen auf. Fig. 2 shows the course of the degrees of oxygenation at the measuring site big toe before [a)] and after [b)] infusions of prostavasin in a 72-year-old patient with peripheral arterial occlusive disease (PAD). In addition to an increase in the mean oxygenation wheel by this infusion, the reduction in the oxygenation variability is evident, e.g. Sometimes breath-dominant periods of 4 to 5 heartbeats occur.
Aus Fig. 3 gehen die Oxygenierungsverhältnisse mit z. T. auf tretenden atmungsdominanten Perioden bei einem 79jährigen liegenden Patienten mit Linksherzinsuffizienz und Ruheatmung hervor (Meßort 2. Fi. li).From Fig. 3, the oxygenation ratios with z. T. emerges from dominant respiratory dominant periods in a 79-year-old lying patient with left heart failure and resting breathing (measurement site 2. Fi.li).
Fig. 4 zeigt die Verläufe der mit NIR-ROT-Remissions-Photo
plethysmographie gemessenen integralen Mikrozirkulation am
Meßort Großzehe bei einem 85jährigen Patienten mit pAVK. Da
kaum von periodischen Volumenpulsationen gesprochen werden
kann, wird bei solchen Verläufen der Zeitfunktionen nur der
Mittelwert des Oxygenierungsgrades (Korrelationsfaktors)
FIG. 4 shows the courses of the integral microcirculation measured with NIR-ROT remission photo plethysmography at the measurement site of the big toe in an 85-year-old patient with PAD. Since it is hardly possible to speak of periodic volume pulsations, only the mean value of the degree of oxygenation (correlation factor) is used for such courses of the time functions.
bestimmt. certainly.
In Fig. 5 sind die bei einem Normalprobanden ermittelten Remissions-Photoplethysmographie-Signale bei Lungenatmung mit überlagerten Volumenpulsationen am Meßort (Lungennähe) darge stellt. Der während einer Atmungsperiode TAtmung sich ein stellende Oxygenierungsgrad OX(n*)Lunge wird analog zu OX(n) bestimmt. Zur Unterdrückung der höherfrequenten Volumenpul sationen im NIR- und ROT-Signal wird jeweils der gleiche Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz von ca. 0,6 Hz diesen Signalen nachgeschaltet, um nachfolgend den Oxygenierungsgrad OX(n*)Lunge zu ermitteln.In FIG. 5, which provides detected in a normal subjects remission photoplethysmography signals at pulmonary respiration with superimposed Volumenpulsationen at the measurement site (lung nearby) Darge. The degree of oxygenation OX (n *) in the lungs occurring during a breathing period T breathing is determined analogously to OX (n). To suppress the higher-frequency volume pulsations in the NIR and ROT signals, the same low-pass filter with a cut-off frequency of approx. 0.6 Hz is connected downstream of these signals in order to subsequently determine the degree of oxygenation OX (n *) lung .
Mit der Nahen-Infrarot-Remissions-Photoplethysmographie läßt sich, wie aus DE 42 38 641 bekannt, nichtinvasiv an einem entsprechenden peripheren Ort (z. B. Fingerbeere) die relative Menge des Blutes je Herzschlag bei einer ausgewählten Meßzeit erfassen, die das Mikrogefäßsystem in Form von Volumenpuls wellen passiert. With near infrared remission photoplethysmography leaves as known from DE 42 38 641, non-invasively on one corresponding peripheral location (e.g. fingertip) the relative Amount of blood per heartbeat for a selected measuring time capture that the microvasculature in the form of volume pulse waves happen.
Da die Volumenpulsation an einer "Endstelle" des arteriellen
Gefäßsystems gemessen wird, enthält sie bekanntlich alle
wesentlichen Parameter, die das Zusammenwirken der "Zentrale",
dem Herzen, mit dem dazwischen liegenden Gefäßsystem charak
terisieren:
As the volume pulsation is measured at an "end point" of the arterial vascular system, it is known that it contains all the essential parameters that characterize the interaction of the "central", the heart, with the vascular system in between:
- - Herzperiodendauer TH und deren Veränderung je Herzpulsation während der Meßzeit (z. B. 60 s). In "Perfusion" 7/96, 9. Jahrg., Seiten 268 bis 279, wird dargelegt, daß im Normalfall (keine pAVK auf der "Übertragungsstrecke", keine Stenosen) die dort gemessene Pulsperiodendauer mit der Herzperiodendauer TH mit ausreichender Näherung gleichge setzt werden kann. Als Meßort ist deshalb im allgemeinen die Fingerbeere zu wählen, falls dort keine Durchblutungs störungen auftreten (Cave: niedrigerer Blutdruck auf der Seite der Messung),- Cardiac period T H and its change per heart pulsation during the measuring time (e.g. 60 s). In "Perfusion" 7/96, 9th year, pages 268 to 279, it is stated that in the normal case (no pAD on the "transmission line", no stenoses) the pulse period measured there equates with the cardiac period T H with sufficient approximation can be. In general, therefore, the fingertip should be selected as the measurement site if there are no circulatory disorders (Cave: lower blood pressure on the measurement side),
- - Parameter des Mikro- und arteriellen Makrogefäßbereiches, wie u. a. das relative Füllungsvolumen FV oder der Oxyge nierungsgrad bzw. die arteriovenöse Differenz der O2- Gehalte.- Parameters of the micro and arterial macrovascular area, such as the relative filling volume FV or the degree of oxygenation or the arteriovenous difference in the O 2 contents.
Hierzu sei auf die Veröffentlichungen "Perfusion" 7/96, 9. Jahrgang, Seite 268 bis 279, "Perfusion" 8/96, 9. Jahrg., Seiten 300 bis 310, sowie "European Journal of Medical Research", Vol. 1, 22. Februar 1996, Seiten 237 bis 244 verwiesen, die zur Erläuterung des hier vorgestellten Gegen standes als zugehörig betrachtet werden.Please refer to the publications "Perfusion" 7/96, 9. Vintage, pages 268 to 279, "Perfusion" 8/96, 9th year, Pages 300 to 310, as well as "European Journal of Medical Research ", Vol. 1, February 22, 1996, pages 237 to 244 referenced to explain the counter presented here can be considered as belonging.
Fig. 6a zeigt den Zeitausschnitt einer an einer Fingerbeere
gemessenen NIR-Blutvolumenpulsation einschließlich markierte
Herzperiodendauern [TH(n) zum n-ten Volumenpuls gehörend usw.]
sowie Fig. 6b das daraus abgeleitete Tachogramm TH(n) als
Beispiel. Ersichtlich ist das Auftreten von Herzperioden
dauerabweichungen ΔTH(n) vom Mittelwert
FIG. 6a shows the time segment of an NIR blood volume pulsation measured on a fingertip, including marked cardiac periods [T H (n) belonging to the nth volume pulse, etc.], and FIG. 6b the tachogram T H (n) derived therefrom as an example. The occurrence of cardiac periods can be seen as permanent deviations ΔT H (n) from the mean
In Fig. 7 ist das Tachogramm TH=f(n) bei einem 40jährigen Normalprobanden dargestellt, wo die respiratorische Sinusar rhythmie deutlich wird, während Fig. 8 die zur Herzperioden dauerabweichung ΔTH(n) zugehörige Autokorrelationsfunktion ΦΔTH (m) als Mittelwertfunktion einschließlich Normalbereich sowie in ΦΔTH(m) auftretende Kennwerte (u. a. respiratorische Sinusarrhythmie mit 8 Herzschlägen im Mittel) wiedergibt. FIG. 7 shows the tachogram T H = f (n) in a 40-year-old normal subject, where the respiratory sinus rhythm becomes clear, while FIG. 8 shows the autocorrelation function Φ ΔTH (m) associated with the cardiac period deviation ΔT H (n) as the mean function including normal range as well as characteristic values occurring in Φ ΔTH (m) (including respiratory sinus arrhythmia with 8 heartbeats on average).
Fig. 9 zeigt das für den Normalprobanden nach Fig. 7 sich ergebende Histogramm der Herzperiodendauer einschließlich definierte Grenzen mit prozentualen Angaben des Auftretens der Perioden in den entsprechenden Bereichen. FIG. 9 shows the histogram of the cardiac cycle duration resulting for the normal test subject according to FIG. 7, including defined limits with percentages of the occurrence of the periods in the corresponding areas.
Die Fig. 10 und 11 geben die kardiovaskulären Kennfunktionen bei einer 35jährigen Diabetikerin (Typ I WHO) wieder. Das Auftreten von anormalen langen Grundperioden als Ausdruck eines erhöhten Sympathikotonus bzw. einer veränderten Herzmikrozirkulation ist deutlich. FIGS. 10 and 11 enter the cardiovascular characteristic features at a 35 year old diabetic (type I WHO) again. The occurrence of abnormally long basic periods as an expression of an increased sympathetic tone or a changed cardiac microcirculation is clear.
Die Fig. 12 und 13 zeigen die Verläufe bei einer 72jährigen liegenden Patientin bei Ruheatmung mit koronarer 3-Gefäßer krankung, arterieller Hypertonie und Hinterwandinfarkt. Die Unterschiede zum Normalprobanden nach den Fig. 7, 8 werden ebenso deutlich wie zur Typ I-Diabetikerin nach den Fig. 10, 11. Charakteristisch für den Verlauf nach Fig. 13 ist die geringe Herzfrequenzvariabilität, insbesondere das Auftreten von Perioden von 2 bzw. 3 Herzschlägen. FIGS. 12 and 13 show the courses in a 72-year-old lying patient with resting breathing with coronary 3-vessel disease, arterial hypertension and posterior wall infarction. The differences from the normal test subject according to FIGS. 7, 8 become as clear as from the type I diabetic according to FIGS. 10, 11. Characteristic of the course according to FIG. 13 is the low heart rate variability, in particular the occurrence of periods of 2 or 3 heartbeats.
Als "relatives (mikrovaskuläres) Füllungsvolumen" an einer entsprechenden Meßstelle (einem Mikrogefäßbereich) wird die Fläche eines jeden Volumenpulses, bezogen auf den mittleren Flächeninhalt aller Pulsationen in einem Meßfile (z. B. 80 Volumenpulse) ermittelt, wie Fig. 14 zeigt.The area of each volume pulse, based on the average area of all pulsations in a measurement file (e.g. 80 volume pulses), is determined as "relative (microvascular) filling volume" at a corresponding measuring point (a microvessel area), as shown in FIG. 14.
Fig. 15 zeigt den Verlauf eines solchen relativen Füllungs volumens (Meßstelle 2. Fingerbeere re.) bei dem Normalpro banden nach Fig. 7, Fig. 16 den für den Diabetiker nach Fig. 10 (Meßstelle 2. Fingerbeere re.) Fig. 15 shows the course of such a relative filling volume (measuring point 2nd finger pad right) in the normal band according to Fig. 7, Fig. 16 for the diabetic according to Fig. 10 (measuring point 2nd finger pad right)
Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß analog zum Tachogramm TH=f(n) ein Tachogramm des relativen Füllungsvolumens FV(n) bestimmt werden kann und daraus eine Autokorrelationsfunktion der Abweichung des relativen Füllungsvolumens vom Mittelwert FV1=1 analog zu ΦΔTH(m) ermittelt werden kann:According to the invention, it was recognized that a tachogram of the relative filling volume FV (n) can be determined analogously to the tachogram T H = f (n) and an autocorrelation function of the deviation of the relative filling volume from the mean value FV1 = 1 can be determined analogously to Φ ΔTH (m) can:
ΔFV(n) = FV(n) - FV(n)ΔFV (n) = FV (n) - FV (n)
= FV(n) - 1Damit folgt analog ΦΔTH(m):= FV (n) - 1This means that folgt ΔTH (m):
ΦΔFV(m) = FV(n).FV(n-m) -1.Φ ΔFV (m) = FV (n) .FV (nm) -1.
Bei m=0 erhält man die "Füllungsvolumenvariabilität" FVV
At m = 0, the "filling volume variability" FVV is obtained
während aus ΦΔFV(m) die mittleren Füllungsperioden (z. B. Atmungsdominanz im Normalfall) ersichtlich sind.while Φ ΔFV (m) shows the middle filling periods (e.g. breathing dominance in the normal case).
Erfindungsgemäß wurde des weiteren erkannt, daß ebenso aus dem Tachogramm des Oxygenierungsgrades OX=f(n) eine Autokorrela tionsfunktion der Abweichung des Oxygenierungsgrades vom Mittelwert OX(n) abgeleitet werden kann, wie in Fig. 17 für den Normalprobanden nach Fig. 15 gezeigt wird.According to the invention it was further recognized that an autocorrelation function of the deviation of the degree of oxygenation from the mean value OX (n) can also be derived from the tachogram of the degree of oxygenation OX = f (n), as is shown in FIG. 17 for the normal test subject according to FIG. 15 .
Es ergibt sich mitIt follows with
ΔOX(n) = OX(n) - OX(n)ΔOX (n) = OX (n) - OX (n)
für die Autokorrelationsfunktion analog ΦΔTH(m):for the autocorrelation function analog Φ ΔTH (m):
ΦΔOX(m) = OX(n).OX(n-m) - [OX(m)]2.Φ ΔOX (m) = OX (n) .OX (nm) - [OX (m)] 2 .
Ebenfalls folgt aus ΦΔOX(m=0) die "Oxygenierungsgradvaria
bilität" OXV
Also from Φ ΔOX (m = 0) follows the "oxygenation degree variability" OXV
aus dem Verlauf ΦΔOX(m) die auftretenden mittleren Perioden (z. B. Atmungsdominanz im Normalfall sowie bei Vorliegen von Perfusionsgleichgewicht, siehe Fig. 17). from the course Φ ΔOX (m) the occurring middle periods (e.g. respiratory dominance in the normal case and if perfusion equilibrium is present, see Fig. 17).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die
eingeführten Zustandsfunktionen TH=f(n), FV= f(n), OX=f(n)
sowie
In a further embodiment of the invention, the introduced state functions T H = f (n), FV = f (n), OX = f (n) and
untereinander kreuzkorreliert, d. h. Korrela tionsfaktoren sowie Perioden mPeriode nach dem Bildungs algorithmuscross-correlated with each other, ie correlation factors and periods m period according to the educational algorithm
Φxy(m) = x(n).y(n-m)Φxy (m) = x (n) .y (n-m)
bestimmt:
certainly:
Ebenfalls erfolgt ein Vergleich mit Normalverläufen und -kennwerten.A comparison is also made with normal courses and -characteristics.
Claims (18)
- - Mittel zum Erfassen der Zustandsfunktionen durch nicht in vasive optische und/oder elektrische Messung,
- - Zustandsbeschreibung je Herzaktion und daraus abgeleiteter Auto- und/oder Kreuzkorrelationsfunktionen als verall gemeinerte Mittelwertfunktionen bzw. zugehöriger Amplitu denspektren als Zustandsfunktionen,
- - Mittel zum Speichern und Darstellen der Zustandsfunktionen und
- - Mittel zum Vergleichen der erhaltenen Zustandsfunktionen mit Normalwerten und -verläufen.
- Means for acquiring the state functions by means of optical and / or electrical measurement which is not vasive,
- - Description of the state of each heart action and the auto- and / or cross-correlation functions derived therefrom as generalized mean value functions or associated amplitude spectra as state functions,
- - Means for storing and displaying the status functions and
- - Means for comparing the state functions obtained with normal values and courses.
und das Ähnlichkeitsmaß der Zeitfunktionen sowie der Korrela tionsfaktor ermittelt wird, wobei der Korrelationsfaktor sich aus
ergibt und als Oxygenierungsgrad festgelegt ist.2. Device according to claim 1, characterized in that means for determining the degree of oxygenation of the blood are provided on the basis of a two-wavelength NIR-RED remission photoplethysmography measurement, the time functions x 1 (t) = x NIR (t) andx 2 (t) = x RED (t) per cardiac action
and the similarity measure of the time functions and the correlation factor is determined, the correlation factor being derived from one another
results and is defined as the degree of oxygenation.
zu bestimmen.3. Working method for operating the device according to claim 1 or 2, characterized in that from the undisturbed volume pulsations of the NIR signal in transmission or remission photoplethysmography and in electronic oscillography at a predetermined measuring time the cardiac cycle tachogram T H = f (n ), ie for each heart action n, is derived and represented by periods and deviations from the mean
to determine.
deren Autokorrelationsfunktion
gebildet wird, um daraus die in der Zeitreihe TH=f(n) auf tretenden mittleren Perioden m als Vielfaches der Herzfrequenz darzustellen, und die bei m=0 auftretende Standardabweichung STH als mittlere quadratische Abweichung der Herzperiodendauer bzw. durch Bezug auf den linearen Mittelwert
die Herzfrequenzvariabilität VHF
4. Working method according to claim 2, characterized in that from the deviation of the cardiac period from the linear mean per cardiac action n
their autocorrelation function
is formed to represent the mean periods m occurring in the time series T H = f (n) as a multiple of the heart rate, and the standard deviation S TH occurring at m = 0 as the mean quadratic deviation of the cardiac period or by reference to the linear one Average
the heart rate variability VHF
ersetzt werden.5. Working method according to claim 4, characterized in that in the formation algorithm of Φ ΔTH (m) in the tachogram T H = f (n) occurring extrasystoles by the mean
be replaced.
die Autokorrelationsfunktion
als Zustandsfunktion der Peripherie des Herz-Kreislaufsystems ermittelt wird nach:
woraus bei m=0 eine Herz-Peripherie-Variabilität sowie aus
die auftretenden mittleren Perioden bestimmt und zur Auswer tung mit Normalverläufen verglichen werden.17. Working method according to claim 1, characterized in that from the tachogram
the autocorrelation function
as a status function of the periphery of the cardiovascular system is determined according to:
from which at m = 0 a heart-periphery variability as well
the occurring mean periods are determined and compared with normal courses for evaluation.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19645579A DE19645579A1 (en) | 1996-10-18 | 1996-11-05 | Heart and blood circulation system function evaluation device |
EP97117332A EP0849686A3 (en) | 1996-10-18 | 1997-10-07 | Device and device operating method for assessing and processing the functioning states in the cardiovascular system |
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DE19645579A DE19645579A1 (en) | 1996-10-18 | 1996-11-05 | Heart and blood circulation system function evaluation device |
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Publication Number | Publication Date |
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DE19645579A1 true DE19645579A1 (en) | 1998-04-23 |
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ID=7809176
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DE19645579A Withdrawn DE19645579A1 (en) | 1996-10-18 | 1996-11-05 | Heart and blood circulation system function evaluation device |
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DE (1) | DE19645579A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1446194A2 (en) | 2001-11-21 | 2004-08-18 | Dr. Fischer AG | Operating method for operating a device for the optimised stimulation of at least one proband by means of pulsating electromagnetic and/or electrical fields |
CN116342603A (en) * | 2023-05-30 | 2023-06-27 | 杭州脉流科技有限公司 | Method for obtaining arterial input function |
-
1996
- 1996-11-05 DE DE19645579A patent/DE19645579A1/en not_active Withdrawn
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CN116342603B (en) * | 2023-05-30 | 2023-08-29 | 杭州脉流科技有限公司 | Method for obtaining arterial input function |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |