DE19647877C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung im Blut - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen der konstruktive Aufwand konstant und unabhängig von der Anzahl der verwendeten Wellenlängen ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die Lichtquellen mit einer Regeleinrichtung verbunden sind, die in Abhängigkeit von den am Photodetektor auftretenden Signalen die Intensität der Lichtquellen so regelt, daß die Amplituden am Photodetektor unabhängig von der Wellenlänge konstant bleiben und der Offset mit einer zweiten Regeleinrichtung so geregelt wird, daß der Gleichanteil der Signale aller Auswertebereiche auf einem gemeinsamen Niveau liegt. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung im Blut, bei dem ein zu untersuchendes biologisches Gewebe mit Licht verschiedener Wellenlängen bestrahlt und das auftretende licht mit einem Photodetektor erfaßt und ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Er­ mittlung der Sauerstoffsättigung im Blut gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 3.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind in der WO 94/03102 A1 angegeben. Dabei wird der Gleichanteil der zu messenden Signale an den Photodetektoren mit Hilfe mehrerer Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen und Photodetektoren sowie einer Steuereinheit bei Bewegungs­ artefakten konstant gehalten. Dadurch weichen die medizinisch relevanten Wechselanteile der photoplethysmographischen Pulskurve bei den verschiede­ nen Wellenlängen voneinander stark ab, so daß es schwierig ist, Meßfehler gering zu halten.

Auch sind Oxymeter bekannt, die nach dem Multiplex- und Demultiplex-Prinzip arbeiten. Die photoplethysmograpische Pulskurve wird dabei für mehrere Wel­ lenlängen zwischen 650 nm und 950 nm so aufgenommen, dass die Strah­ lungsquellen im Zeitmultiplexverfahren angesteuert werden, um auf diese Weise die Dämpfung des biologischen Gewebes bei jeder Wellenlänge getrennt aus­ werten zu können. Das vom Photodetektor empfangene Signal wird synchron demoduliert und in mehreren Kanälen verarbeitet, wobei jeder Wellenlänge ein gesonderter analoger Signalkanal zugeordnet ist, in dem das jeweilige Signal getrennt verarbeitet wird. Anschließend werden diese analogen Kanalsignale erneut im Zeitmultiplex einem Analog-Digital-Wandler zugeführt. Die Sauer­ stoffsättigung kann anhand der digitalisierten Werte nach bekannten Bezie­ hungen ermittelt werden.

In der DE 37 23 881 A1 sind ein weiteres Verfahren und eine Schaltungsanord­ nung offenbart, bei dem in analoger Schaltungstechnik mit Hilfe einer Rege­ lungsschleife der Gleichanteil der zu messenden Signale an den Ausgängen der Photodetektoren konstant gehalten wird. Nachteilig ist hierbei, dass die Tiefpaßfilter zur Ermittlung der Gleichanteile große Zeitkonstanten besitzen müssen, um die interessierenden Wechselanteile nicht mit auszuregeln. Damit kann nicht auf schnelle Artefakte reagiert werden. Andererseits werden die interessierenden Wechselanteile über Hochpaßfilter zur Auswertung weiterge­ führt, so dass diese Filter ebenfalls große Zeitkonstanten aufweisen und folglich die Artefakte mit überragen und eine zuverlässige Messung erschweren bzw. verhindern.

Bekannt ist aus der DE 42 10 102 A1 eine schaltungstechnische Lösung zur Minimierung des am Photodetektor auftretenden Rauschens. Bei dieser Lösung sind das Bemessungsverfahren und die Konstruktion aufwendig.

Ein in der DE 196 12 425 A1 angegebenes Gerät zur Messung von Hämoglobin be­ ruht auf bekannten Meßprinzipien. Neu ist hierbei die Unterscheidung der Signale, die durch die Gewebepulsation bzw. Blutpulsation verursacht werden.

Im allgemeinen ist bei bisherigen Verfahren nachteilig, daß für jede Wellenlänge ein identisch aufgebauter Zweig zur Verstärkung, Filterung und Offsetsubtrak­ tion verwendet wird. Damit steigt der konstruktive Aufwand von identischen Baugrupen linear mit der Anzahl der verwendeten Wellenlängen an.

Da das Nutzsignal sehr niederfrequent ist (0,5 ... 5 Hz), müssen die Filter in den analogen Kanälen hohe Zeitkonstanten besitzen. Damit ist es unmöglich, schnel­ le Offsetveränderungen, die vor allem durch Bewegungsartefakte verursacht werden, zu eliminieren. Die langen Abklingzeiten nach einer Störung haben zur Folge, dass das Signal während dieser Zeit nicht verwertbar und eine Messung nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungs­ anordnung anzugeben, bei denen der konstruktive Aufwand unabhängig von der Anzahl der verwendeten Wellenlängen ist und der meßtechnisch relevante Wechselanteil als auch der Gleichanteil für alle verwendeten Wellenlängen verbessert auswertbar und eine sehr schnelle Reaktion auf Artefakten möglich ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe bei dem Verfahren dadurch, dass die Lichtquellen hinsichtlich ihrer Lichtintensität außerdem in der Weise geregelt werden, dass die Amplituden des Wechselanteils der Photodetektor- Signale unabhängig von der Wellenlänge gleich bleiben und bei der Schaltungs­ anordnung dadurch, dass eine weitere Regeleinrichtung zum Regeln der Ampli­ tuden der Wechselanteile des Signals vorgesehen ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das vom Photodetektor empfange­ ne Signal in einem einzigen analogen Zweig verarbeitet werden. Damit ist es möglich, daß der sonst erforderliche Demultiplexer für das vom Photodetektor aufgenommene Signal und der analoge Multiplexer vor dem Analog-Digital- Wandler entfallen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Photodetektor mit einem Summierer verbunden, dessen Signale in einem Verstärker verstärkt und gefiltert und anschließend einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden, dessen digitale Informationen in einem Prozessor so weiterverarbeitet werden, dass die Sauerstoffsättigung ermittelt wird. Dabei wird die Intensität der Lichtquellen von einer Stromquelle geregelt, wobei die Stromquelle von dem Prozessor über einen Digital-Analog-Wandler und dieser Digital-Analog-Wandler sowie die Prozessorsteuerung über einen Zeitgeber (Timer) angesteuert werden.

Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Dynamik des analogen Zweiges erreicht wird, die im Bereich der Zeitmultiplex-Trägerfrequenz liegt, und die deshalb um Größenordnungen höher ist als die Grenzfrequenz des Nutzsignals. Damit ist eine nahezu echtzeitfähige Eliminierung von Artefakten möglich.

Zur qualitativen Erfassung der plethysmographischen Pulskurve ist die Verwen­ dung einer einzigen Wellenlänge ausreichend. Die für die Berechnung der Sauer­ stoffsättigung notwendigen Kurvenpunkte beim Maximum und Minimum lassen sich damit lokalisieren. Daher reicht es aus, die Strahlungsquellen der übrigen Wellenlängen nur im Bereich dieser markanten Punkte anzusteuern. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ergibt sich dadurch, dass eine Energieersparnis erreicht werden kann, die bei etwa 45% bei zwei und bei etwa 80% bei zehn Wellen­ längen liegt. Dies ist besonders für Batteriegeräte von großer Bedeutung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 photoplethysmographische Pulskurven für unterschiedliche Wellen­ längen und identische Intensität der Lichtquellen,

Fig. 2 das Multiplexsignal am Ausgang des Photodetektors nach sequen­ tieller Ansteuerung der Lichtquellen zur Erzeugung gleicher In­ tensität,

Fig. 3 das Multiplexsignal am Ausgang des Photodetektors beim Einsatz eines Mehrgrößenreglers,

Fig. 4 das Multiplexsignal am Ausgang des Summierers nach Subtraktion der Gleichanteile und abgeschlossener Regelung und

Fig. 5 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration wird dem durchbluteten Gewebe mit geeigneten Mitteln Strahlung mit definierten Wellenlängen λ1 ... λn und Intensitäten zugeführt und das transmittierte oder reflektierte Licht von einem Photodetektor 1 aufgenommen. Zu diesem Zweck werden Lichtquellen 9 (Lumi­ niszenzdioden oder Halbleiterlaser) eingesetzt, die von einer im Zeitmultiplex betriebenen Stromquelle 8 angesteuert werden. Jede Lichtquelle Q1 ... Qn er­ hält einen eigenen Pegel, der intern in einem Prozessor 6 bestimmt und mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers 7 gebildet wird.

Bei der Speisung der einzelnen Lichtquellen Q1 ... Qn zur Abgabe von Strahlung konstanter Intensität entstehen plethysmographische Kurven entsprechend Fig. 1. Diese können nur einzeln aufgenommen werden, zum Vergleich sind sie im Simultanverlauf gezeichnet. Für die Bestimmung der Sauerstoffsättigung müs­ sen die Parameter AC und DC der jeweiligen Wellenlänge λ1 ... λn ermittelt werden. Durch die Zeitmultiplex-Steuerung der Lichtquellen Q1 ... Qn zur Ab­ gabe von Strahlung konstanter Intensität entsteht am Ausgang des Photodetek­ tors 1 das in Fig. 2 gezeigte Signal. Die von dem Photodetektor 1 aufgenomme­ nen Intensitäten weichen bei unterschiedlichen Wellenlängen λ1 ... λn stark voneinander ab. Um gleiche Erfassungsqualität für alle Wellenlängen λ1 ... λn zu erreichen, ist es notwendig, den Arbeitsbereich des Analog-Digital-Wandlers 4 mit den Wechselsignalen AC aller Wellenlängen λ1 ... λn zu überdecken. Dies erfordert, daß die Amplituden AC1, AC2 ... ACn möglichst gleich sind. Dazu wird ein Algorithmus verwendet, der mit Hilfe des Digital-Analog-Wandlers 7 und der Stromquelle 8 die Intensitäten der Lichtquellen Q1 ... Qn so regelt, dass die Amplituden AC1 ... ACn am Photodetektor 1 konstant sind.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Signals am Ausgang des Photodetektors 1 für die­ sen Fall dargestellt: Nach abgeschlossener Regelung sind die Amplituden AC1 ... ACn konstant, was zur Veränderung der ohnehin unterschiedlichen Gleichan­ teile DC1 .. DCn führt. Mit einem weiteren Algorithmus und einem weiteren Digital-Analog-Wandler 5 werden die Gleichanteile DC1 ... DCn vom Signal des Photodetektors 1 in einem Summierer 2 subtrahiert.

Mit Hilfe der genannten Regelkreise wird der in Fig. 4 dargestellte identische Signalverlauf für alle Wellenlängen λ1 ... λn erreicht. Dieses Signal wird in einem Verstärker 3 verstärkt und gefiltert und anschließend dem Analog-Digital- Wandler 4 zugeführt. Die vom Analog-Digital-Wandler 4 gelieferte digitale Infor­ mation wird in der Recheneinheit CPU des Prozessors 6 zur weiteren Signalver­ arbeitung und numerischen Berechnung der Sauerstoffsättigung verwendet.

Da der Signalverlauf am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 4 nach abge­ schlossener Regelung für alle Wellenlängen λ1 ... λn identisch ist, reicht für die Bestimmung der interessierenden Kurvenpunkte die Verwendung einer einzigen Wellenlänge aus. Die Werte bei den übrigen Wellenlängen müssen lediglich in der Nähe der Kurvenextrema mit erfaßt werden. Damit ist die Ansteuerung aller Lichtquellen Q1 ... Qn mit stromstarken Impulsen nicht mehr notwendig, und es wird eine insbesondere für batteriebetriebene Geräte wichtige, bedeutende Ener­ gieeinsparung erreicht.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung im Blut, bei dem ein zu untersuchendes lebendes biologisches Gewebe von Lichtquellen mit Licht verschiedener Wellenlängen bestrahlt und danach das transmittierte oder reflektierte Licht mit einem Photodetektor erfaßt und der Gleichanteil sowie die Amplitude des Wechselanteils zum Bestimmen der Sauerstoff­ sättigung ausgewertet wird und bei dem die Lichtquellen hinsichtlich der Lichtintensität in Abhängigkeit der von dem Photodetektor abgegebenen Signale in der Weise geregelt werden, dass der Gleichanteil aller Aus­ wertebereiche der Signale unabhängig von der Wellenlänge auf gleichem Niveau liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen hinsichtlich ihrer Lichtintensität außerdem in der Weise geregelt werden, dass die Amplituden des Wechselanteils der Photodetektor-Signale unabhängig von der Wellenlänge gleich bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Pulskurve qualitativ mittels nur einer angesteuerten Lichtquelle erfaßt wird,
dass aus dieser Pulskurve markante Kurvenpunkte in Form von Maxima und Minima bestimmt werden, und
dass die Lichtquellen der übrigen Wellenlängen nur im Bereich dieser markanten Punkte angesteuert werden.

3. Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung im Blut mit­ tels Pulsoximetrie, bei der mehrere Lichtquellen (Q1 ... Qn) zur Ein­ strahlung von Licht verschiedener Wellenlängen (λ1 ... λn) in ein lebendes biologisches Gewebe und ein Photodetektor (1) zur Aufnahme des von dem Gewebe reflektierten oder durchgelassenen Lichts und Erzeugen eines elektrischen Photodetektor-Signals, ein Verstärker (3) und eine Auswerteeinrichtung (6) für das Signal, eine Ansteuereinrichtung (7, 8) für die Lichtquellen (Q1 ... Qn) sowie eine Regeleinrichtung zum Regeln des Gleichanteils (DC1 ... DCn) des Signals für alle Wellenlängen (λ1 ... λn) auf gleiches Niveau vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Regeleinrichtung zum Regeln der Amplituden (AC1 ... ACn) der Wechselanteile des Signals vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass zum Weiterverarbeiten des Signals an den Photodetektor (1) nach­ einander ein Summierer (2), ein Verstärker (3) zum Verstärken und Fil­ tern, ein Analog-Digital-Wandler (4) und als Auswerteeinrichtung ein Prozessor (6) angeschlossen sind,
dass ein Ausgang des Prozessors (6) mit der Ansteuereinrichtung, die einen Digital-Analog-Wandler (7) und eine Stromquelle (8) aufweist, verbunden ist, wodurch die der Regelung der Amplituden (AC1 ... ACn) dienende weitere Regeleinrichtung gebildet wird,
dass ein weiterer Ausgang des Prozessors (6) über einen zweiten Digital- Analog-Wandler (5) mit dem Summierer (2) verbunden ist, wodurch die der Regelung der Gleichanteile (DC1 ... DCn) dienende Regeleinrichtung gebildet wird, und
dass der Digital-Analog-Wandler (7), die Stromquelle (8), der Analog- Digital-Wandler (4) sowie der Prozessor (6) zum getakteten Ansteuern mit einem Zeitgeber (10) verbunden sind.