DE19651690A1

DE19651690A1 - Neues Verfahren zur Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung

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Publication number: DE19651690A1
Application number: DE19651690A
Authority: DE
Original assignee: Bernreuter Peter Dr-Ing 92289 Ursensollen De
Current assignee: Bernreuter Peter Dr-Ing 92289 Ursensollen De
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: US5922607A; DE19651690C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren, das die Meßgenauigkeit von Pulsoxymetern und vergleichbaren Meßsystemen, die zur in vivo Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung eingesetzt werden, erhöhen soll.

Nach dem heutigen Stand der Technik wird bei Pulsoxymetern die Tatsache genutzt, daß Blut bei unterschiedlichen Wellenlängen je nach Oxygenierungsgrad Licht unterschiedlich stark abschwächt. Aufgrund von Pulswellen ausgehend vom Herzen wird im arteriellen Blutgefäßsystem ein zeitlich schwankender arterieller Blutgehalt im Gewebe hervorgerufen. Dadurch wird eine zeitliche Lichtabsorptionsänderung (Fig. 4) zwischen Lichtsender, dessen Strahlung das Gewebe passiert, und Empfänger, die in einem Pulsoxymetriesensor integriert sind, registrierbar. Die Auswertung der Sensorsignale wird üblicherweise bei Lichtwellenlängen von 660 und 940 nm vorgenommen. Es läßt sich eine Meßvariable Ω (teilweise auch als R bezeichnet) aufstellen, die auf folgende oder ähnlicher Weise gewonnen wird:

Die in der Formel bezeichneten Lichtintensitäten stellen dabei die im Empfänger des Pulsoxymteriesensors empfangenen Lichtintensitäten dar. Die Meßvariable Ω dient als Maß für die Sauerstoffsättigung. Durch die Quotientenbildung zur Bildung der Meßvariable sollen mögliche Meßbeeinflussungen der arteriellen Sauerstoffsättigung durch den Hämoglobingehalt des Gewebes, die Pigmentierung der Haut oder deren Behaarung kompensiert werden. (Siehe auch "Biomedizinische Technik" Band 33; Ergänzungsband 3 S. 6 ff.:"Pulsoxymetrie: Stand und Entwicklung der Technik"; Band 35 Ergänzungsband 1 S. 38 ff.: "Pulsoximetrie" nach K. Forstner Institut für Biomedizinische Technik Stuttgart). Der Einfluß der Perfusion des Gewebes mit Blut, die Pigmentierung und die Behaarung werden bei diesem Meßverfahren nicht berücksichtigt.

Dies führt bei einer Messung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe in einem Bereich von 70 bis 100% bei Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von 940 nm und 660 nm auch zu hinreichend genauen Meßwerten. Zur Messung von niedrigeren arteriellen Sauerstoffsättigungen muß jedoch von einer massiven Beeinflussung der Meßvariable Ω insbesondere durch die Perfusion ausgegangen werden wie sich folgendermaßen (oder entsprechend der Textstelle: IEEE Transactions on biomedical engeneering, vol 38 NO. 12 December 1991: Simple Photon Diffusion Analysis of the Effects of Multiple Scattering on Pulse Oximetry by Joseph M. Schmitt) nachweisen läßt:
Gehen von einem Sender (Seite -1-; Fig. 1) Lichtstrahlen aus, wobei wir in diesem Beispiel 3 Lichtwegsrepräsentanten wählen, die zusammen mit den später zu bestimmenden Gewichtsfaktoren kn die Lichtverteilung im Gewebe charakterisieren sollen, so werden diese bei Perfusion durch unterschiedliche zusätzliche Blutschichtdicken (arterielles Blut, das zusätzlich einströmt der Dicke δ) geschwächt. Nimmt man an, daß die arterielle Pulsation gleich null ist, so erhält man im Empfänger die Lichtintensität:

I_max = I₁+I₂+I₃

Dehnen sich nun die arteriellen Gefäße aufgrund neu einströmenden Blutes vom Herzen aus (das gleiche gilt natürlich auch für venöses Blut), so wird die Blutschichtdicke (bzw. die Lichtabschwächung) für die einzelnen Strahlenwege erhöht und man erhält für die empfangene Intensität:

mit α: Extinktionskoeffizient des arteriellen Blutes

Bildet man nun das Verhältnis aus I_min und I_max erhält man:

Die Koeffizienten kn charakterisieren dabei Streuung und Lichtverteilung im Gewebe.

Zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung müssen mindestens zwei Wellenlängen verwendet werden, bei denen sich die Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Oxygenierung voneinander unterscheiden. Bei erhöhter Absorption werden Lichtanteile, die längere Lichtwegstrecken im Gewebe zurücklegen im Verhältnis stärker gedämpft als jene die kürzere Wege durchqueren.

Ähnliches ist bei einer Variation des Blutgehaltes im Gewebe zu beobachten. Verändert sich der Blutgehalt im Gewebe, dann werden Lichtanteile, die einen längeren Weg im Gewebe zurücklegen anteilsmäßig wesentlich stärker abgeschwächt als jene, die kürzere Wegstrecken passieren. Dadurch wird die mittlere (und differentielle) Wegstrecke, die die im Empfänger des Pulsoxymeters registrierten Photonen zurückgelegt haben, bei zunehmendem Blutgehalt im Gewebe verkürzt.

Legt man zugrunde, daß das Licht im Gewebe gestreut wird, kann man mit obigen einfachen Modell und den folgenden Forderungen:

1. Anzahl der Lichtwegsrepräsentanten n→ ∞;
2. Lichtwegsrepräsentanten kn seien gleichverteilt

schließen:

wobei δ_nax ein Maß für die Perfusion p darstellt.

Setzt man diese Formel für zwei unterschiedliche Meßwellenlängen in eine zum Stand der Technik gehörende Berechnungsvorschrift für die Meßvariable Ω ein, so erhält man eine Abhängigkeit der arteriellen Sauerstoffsättigung SaO₂ von der Variable Ω und der Perfusion p (siehe auch Fig. 2):

⇒ SaO₂=f(Ω,p)

Ähnliche Beeinflussungen können durch die Pigmentierung und Behaarung der Haut auftreten bei Pulsoxymetern, deren Lichtsender über die Haut ins Gewebe einstrahlt.

Das technische Problem besteht darin, die arterielle Sauerstoffsättigung in vivo aufgrund differentieller Absorptionsschwankungen zu bestimmen, ohne daß die Perfusion im Gewebe oder Pigmentierung und Behaarung der Haut das Meßergebnis beeinflussen. Darum muß aus der Schar der möglichen Eichkurven (siehe Fig. 2) diejenige gefunden werden, mit der die arterielle Sauerstoffsättigung am genauesten bestimmt werden kann.

Dieses Problem wird gemäß der in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Durch die Messung der Lichtabschwächung LA im Gewebe, die dadurch gewonnen wird, daß die Ausgangsintensität I₀(t) des Lichtemitters im Sensor bei mindestens einer Wellenlänge in Relation gesetzt wird zur Eingangsintensität I(t), wird aus einer Schar von möglichen Eichkurven diejenige ausgewählt, mit der sich die arterielle Sauerstoffsättigung am genauesten bestimmen läßt. Der Vorteil der Erfindung besteht also darin, daß sich insbesondere bei niedrigen Blutsauerstoffsättigungen die Meßwertgenauigkeit bei Pulsoxymetern deutlich verbessern läßt.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung zur Minimierung des Meßwertfehlers ist in Patentanspruch 2 angegeben.

Durch Auswertung der Meßwertvariable Ω bei einer Wellenlängenpaarung, die in hohem Maße von einem optischen Gewebeparameter abhängt, wird dieser Parameter bestimmt und anhand des bestimmten Parameters diejenige Kalibrationskurve einer weiteren Meßwertvariable einer zusätzlichen Wellenlängenpaarung ausgewählt, die den geringsten Fehler im Hinblick auf die Erzeugung eines Ausgangssignals bewirkt.

Eine erfindungsgemäße Lösung zur Minimierung des Meßwertfehlers ist in Patentanspruch 3 folgendermaßen aufgezeigt:
Dadurch daß die Lichtabschwächung über unterschiedliche Distanzen ausgewertet wird, kann auf die Lichtabschwächung im Gewebe geschlossen werden.

Ein Verfahren zur genauen Bestimmung der Lichtabschwächung im Gewebe bzw. tieferer Gewebeschichten ohne den Einfluß von Behaarung und Pigmentierung der Haut ist in Patentanspruch 4 angegeben.

In Anspruch 5 wir ein Verfahren aufgezeigt daß geeignet ist die Gewebeinhomogenität zu charakterisieren und dadurch den Fehler zu minimieren.

In Anspruch 5 wird die Unterdrückung von Meßwertartefakten durch gleichzeitige Elektrokariographie beschrieben.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben.

1. Beispiel

In Fig. 2 sind zwei Kalibrationskurven über Ω und SaO₂ aufgetragen. Eine Kalibrationskurve wurde bei der Perfusion (Blutgehalt des Gewebes) p1, eine zweite bei der Perfusion p2 aufgenommen. Den jeweiligen Perfusionen entsprechen die Lichtabschwächungen LA1 und LA2. Die Perfusion wird ermittelt, indem die im Sensor empfangene Lichtintensität I(t) in Relation zu der vom Empfänger ausgesendeten Lichtintensität gesetzt wird.

Gemäß Fig. 2 erhält man für Ω=1.4 bei der Perfusion p1 eine Sauerstoffsättigung SaO₂ von etwa 0.6; bei der Perfusion p2 dagegen beträgt SaO₂ nur etwa 0.38. Durch die erfindungsgemäße Erfassung der Perfusion kann also ein Fehler von 22% Sauerstoffsättigung vermieden werden.

2. Beispiel

Wählt man eine oder mehrere Wellenlängenpaarungen die zumindest bereichsweise eine starke Abhängigkeit von Gewebeparametern aufweisen (siehe Fig. 3 für Sauerstoffsättigungswerte unter 30%), so lassen sich nach ungefährer Abschätzung der Sauerstoffsättigung durch eine weitere Wellenlängenpaarung der Gewebeparameter verhältnismäßig genau bestimmen (hier: Blutgehalt im Gewebe). Durch die Bestimmung des Gewebeparameters läßt sich aus einer Schar von Kalibrationskurven, die durch den ermittelten Gewebeparameter charakterisiert sind, diejenige mit dem geringsten Fehler bestimmen.

3. Beispiel

In einem Pulsoxymetriesensor (Se) nach Fig. 5, der auf der Haut (Ha) aufliegt, sind die beiden kombinierten Sende- und Empfangseinrichtungen 5a und 5b eingebaut. Jede Sende und Empfangseinrichtung enthält einen Sender, der aus mehreren Lichtdioden bestehen kann und einem Empfänger, der beispielsweise aus einer Photodiode bestehen kann. Um das Maß der Lichtabsorption LA zu bestimmen, die durch die Perfusion des Gewebes mit Blut entsteht, ermittelt man zunächst die Lichtabsorptionen Lia und Lib. Diese beiden Lichtabsorptionen werden verwendet, um den Lichtabschwächung bedingt durch Behaarung und Pigmentierung zu quantifizieren. Die Lichtabschwächung Li zwischen den Sende- und Empfangseinrichtungen 5a und 5b vermindert man die Lichtabschwächung Li um jeweils der Hälfte der Lichtabschwächungen Lia und Lib, so kann man direkt auf LA schließen und damit auf die Perfusion des Gewebes mit Blut. Mit Hilfe dieser Größe wird die zu dieser Perfusion zugehörige Ω-Sauerstoffsättigungskurve ermittelt und nach der Bestimmung von Ω der arterielle Sauerstoffsättigungswert ausgegeben. Zudem können durch Differenzbildung aus den Lichtabsorptionen Li, Lia und Lib bei verschiedenen Wellenlängen Ω-Werte gewonnen werden, die sich auf ein eng begrenztes Gewebegebiet beziehen.

4. Beispiel

Um die Gesamtabsorption des Gewebes, die vom Blutgehalt , der Oxygenierung des Blutes, dem Gewebe selbst etc., und damit Störeinflüsse auf die Kalibration zu bestimmen, kann man entsprechend Fig. 7 folgendermaßen vorgehen: Man bestimmt die Absorptionen A1, A2, A3 und A4, die sich folgendermaßen zusammensetzten können:

A1= D1 + P1
A2= D1 + P2 + LA;
A3= D2 + P1 + LA;
A4= D2 + P2.

Dabei sind D1 und P1 die Absorptionen die vor der LED1 (D1) und der Photodiode 1 (P1) in der ersten kombinierten optischen Einheit (Fig. 7 links) auftreten. Analog sind D2 und P2 die Absorptionen die vor der LED2 (D2) und der Photodiode 2 (P2) in der zweiten kombinierten optischen Einheit (Fig. 7 rechts) auftreten. LA ist die Absorption, die durch das Gewebe ohne die Behaarung Pigmentierung usw. verursacht wird. Werden die Absorptionen An in der nachfolgenden Weise verknüpft:

A2+A3-A1-A4=2LA,

dann kann daraus unmittelbar die Störbeeinflussung auf die Kalibration, die von LA abhängt quantifiziert werden. Außerdem können auf diese Weise auch noch andere medizinisch relevante Parameter ermittelt werden. Bei der Messung der Gewebeparameter werden Störungen durch Behaarung oder starke Pigmentierung der Haut ausgeschlossen.

Claims

1. Meßverfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe nach der Methode der Pulsoxymetrie ist dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen dem Gewebe zugeführt wird, die vom Gewebe zurückerhaltene Strahlung I(t) bei jeder Wellenlänge in Relation zur emittierten Strahlung I₀(t) gesetzt wird und gemäß dieser Relation aus der Schar der Zuordnungen einer oder mehrerer Meßvariablen (Ω1, Ω2, . . . ) zur Sauerstoffsättigung, diejenige Zuordnung gewählt wird, bei der sich der kleinste Fehler für bei der Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung ergibt.

2. Meßverfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch Ermittlung eines Gewebeparameters anhand einer Wellenlängenpaarung deren Meßwertvariable in hohem Maße von diesem Gewebeparameter abhängt aus einer Schar von Kalibrationskurven diejenige ausgewählt wird, die mit dem kleinsten Fehler bei der Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung behaftet ist.

3. Meßverfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Lichtabschwächungen (LA) bei einer oder mehreren Wellenlängen über unterschiedliche lange Wegstrecken zwischen Sender und Empfänger bzw. durch direkt vom Gewebe zurückgestreutes Licht, wobei der Abstand zwischen Sender und Empfänger gegen null geht, erfolgt und aufgrund dieser gemessenen Lichtabschwächungen (LA) eine Eichkurve zugeordnet wird.

4. Meßverfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe bzw. anderer medizinischer Parameter dadurch gekennzeichnet, daß für kombinierte Sende- und Empfangseinheiten die Absorptionen An bestimmt werden und die Gewebeabsorption LA, die zur direkt zur Bestimmung medizinischer Parameter bzw. zur Ermittlung der am besten geeigneten Eichkurve für ein Pulsoximeter dienen kann, gewonnen wird, indem die Absorptionen An so miteinander verknüpft werde, daß alle Absorptionen Dn und Pn sich gegenseitig aufheben, so daß die Messung unabhängig von Pigmentierung und Behaarung oder anderen Lichtabsorbern auf der Haut ist.

5. Meßverfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß über unterschiedlich Weglängen zwischen Lichtsender und Lichtempfänger bei einer oder mehreren Wellenlängen die differentiellen Absorptionsänderungen zueinander in Relation gesetzt werden und anhand dieser Relation, die die Inhomogenität des Gewebes charakterisiert, diejenige Kalibrationskurve aus einer Schar von bereitgestellten Kalibrationskurven ausgewählt wird, die den kleinsten Meßwertfehler bei der Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung aufweist.

6. Meßverfahren zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung im Gewebe nach vorher genannten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufzeichnung der differentiellen Absorptionsänderung zum Zwecke der Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung gleichzeitig ein Elektrokardiogramm aufgenommen wird, um Meßwertartefakte, die nicht synchron zum Herzen eine Lichtabsorptionsänderung hervorrufen, nicht ausgewertet werden.