DE19703220A1 - Sensor für Pulsoximetrie - Google Patents
Sensor für PulsoximetrieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor für Pulsoximetrie gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei kritischen Gesundheitszuständen ist es wichtig, für eine
kontinuierliche Überwachung der Sauerstoffsättigung des ar
tiellen Blutes zu sorgen. Diese variable Größe ist meßbar
durch ein nichtinvasives Meßverfahren, welches allgemein als
Pulsoximetrie bekannt ist und 1974 von dem Japaner T. Aoyagi
erfunden wurde.
In ihrer Standardausführung wird die Pulsoximetrie in fol
gender Weise angewendet: Von zwei Leuchtdioden (LEDen), die
auf einer Seite einer Fingerklemme angebracht sind, wird
Licht in zwei Wellenlängenbereichen ausgestrahlt, das eine
im roten Bereich bei etwa 660 nm und das andere im nahen In
frarotbereich bei etwa 940 nm. Die Signale aus den beiden
Wellenlängenbereichen werden von einer Fotodiode auf der ge
genüberliegenden Seite der Fingerklemme, nach Durchdringung
des Fingers, eines Ohres oder eines anderen Körperteils er
faßt. Die Trennung der Signale der beiden Wellenlängenbe
reiche erfolgt durch Änderung der Stromzufuhr zu der betref
fenden Leuchtdiode und durch Verwendung von Zeitfenstern in
der Detektorschaltung. Es wird sowohl das statische Signal
überwacht, welches die Stärke des durch den Finger übertra
genen Lichtes representiert, als auch das (überlagerte) Si
gnal, welches sich synchron mit dem Herzschlag ändert, das
heißt, die Signalkomponente, die durch den arteriellen Blut
fluß verursacht wird. Somit erhält man vier Meßwerte, zwei
von jedem Wellenlängenbereich. Durch doppelte Quotientenbil
dung dieser vier Werte erhält man einen numerischen Wert,
der, zumindest annähernd, in einer unzweideutigen Beziehung
zur Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes steht.
Pulsoximetrie wird auf der ganzen Welt allgemein bei Anäs
thesie und auf Intensivstationen zur Überwachung von Patien
ten angewendet. Es wurden auch Versuche unternommen, das
Verfahren bei anderen bestimmten Gelegenheiten zu verwenden,
zum Beispiel bei Untersuchungen, die magnetische Resonanzab
bildung (MRI) verwenden. Es herrschen dann besondere Anfor
derungen an die Patientenüberwachung, da es manchmal notwen
dig ist, den Patienten in Schlaf zu versenken, und eine di
rekte Beobachtung ist wegen des Aufbaus und der Größe des
MRI-Gerätes nicht möglich. Frühere Versuche, Pulsoximeter in
dieser Umgebung zu verwenden, haben ergeben, daß sie aus
folgenden Gründen ungeeignet sind: Einerseits kann das MRI-
Gerät Ströme in die Meßkabel induzieren, die in schlimmsten
Fällen zu Verbrennungen im dem Körperteil führen können, an
welchem der Sensor angeschlossen ist. Andererseits kann die
Stromspeisung der Leuchtdioden die Bilderzeugung des MRI-Ge
räts stören.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für
Pulsoximetrie zu entwickeln, durch den die vorgenannten
Schwierigkeiten überwunden werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Sensor für Pulsoximetrie
vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnen
den Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran
sprüchen genannt.
Die oben genannten Schwierigkeiten werden durch die Erfin
dung dadurch gelöst, daß die Signalübertragung zwischen Pa
tient und Pulsoximetriegerät auf optischem Wege durch opti
sche Fasertechnik erfolgt. Der faseroptische Sensor gemäß
der Erfindung ist ferner so beschaffen, daß Pulso
ximetriegeräte üblicher Art und üblichen Aufbaus verwendet
werden können. Der faseroptische Sensor kann in gleicher
Weise an ein Pulsoximetriegerät angeschlossen werden wie ein
herkömmlicher Sensor, d. h. ohne vorherige Anpassung oder Ei
chung. Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung, da Meß
fehler, die durch Fehler bei der Einstellung oder Eichung
verursacht werden, im schlimmsten Falle zu einer falschen
Behandlung des Patienten führen können.
Das Erreichen der Auswechselbarkeit ohne die Notwendigkeit
von Justierungen oder Eichungen ist zum Teil eine Frage des
grundsätzlichen Aufbaus und zum Teil eine Frage der sorgfäl
tigen Auswahl der Materialien und Bausteine, die bestimmten
Leistungsanforderungen genügen müssen.
Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Sen
sors gemäß der Erfindung,
Fig. 2 detailliertere Ausführungsbeispiele eines zentralen
Funktionselementes des Sensors.
Wie Fig. 1 zeigt, besteht der Sensor gemäß der Erfindung
aus zwei Hauptteilen, von denen der eine der lichtemittie
rende und lichtempfangende Teil 1a, 1b ist, der in einem Ge
häuse 15 untergebracht ist. Die Teile 1a und 1b sind einer
seits an den zweiten Hauptteil des Sensors, namlich das fa
seroptische Kabel 7, angeschlossen und andererseits über ein
elektrisches Kabel 2 und einen Stecker 3 an ein Pulsoxime
triegerät 4.
Das faseroptische Kabel 7 ist aus einer Vielzahl paralleler
optischer Fasern aufgebaut. Diese sind in der Weise unter
teilt, daß ein Bündel 7a den lichtaussendenden Teil 1a mit
der einen Seite einer aus zwei Hälften bestehenden Finger
klemme 8 verbindet, während die andere Seite 9 über ein Bün
del 7b mit dem lichterfassenden Teil 1b verbunden ist. Vor
zugsweise haben die Bündel 7a, 7b getrennte Mäntel aus einem
nichttransparenten Material, um die optische Isolierung zwi
schen den beiden Seiten sicherzustellen.
Die Verbindung des faseroptischen Kabels mit dem lichtaus
sendenden Teil 1a und dem lichterfassenden Teil 1b erfolgt
über Öffnungen 21, 22 in der Wand des Gehäuses 15. Vorzugs
weise sind diese Öffnungen mit Identifizierungsvermerken
versehen, zum Beispiel einer numerischen oder farblichen Co
dierung, und mit Verriegelungsmechanismen, zum Beispiel
Schnappverbindern, so daß die Verbindung und Trennung ohne
Verwendung von Werkzeug und ohne die Gefahr von Verwechslun
gen durchgeführt werden kann. Es kann so das faseroptische
Kabel 7 einschließlich der Klemme 8, 9 ausgetauscht werden
und durch ein entsprechendes Teil anderer Größe in Abhängig
keit von der Größe des Patienten, spezieller Anforderungen
oder dergleichen ersetzt werden.
Die Enden der optischen Fasern an der Klemme 8, 9 sind gebo
gen und in speziell geformten Teilen 17, 18 untergebracht.
Diese sind so ausgebildet, daß sie auf einen Finger 10, ein
Ohr oder ein anderes Körperteil passen, der/das in die
Klemme 8, 9 eingeführt werden soll und durch die Faserenden,
die direkt an der Oberfläche der Haut anliegen, durchleuch
tet werden soll. Das durch den Finger 10 transmittierte
Licht wird von dem empfangenen Faserbündel 7b in dem geform
ten Teil 18a auf der Unterseite 9 der Klemme erfaßt und über
das faseroptische Kabel 7 zu dem lichterfassenden Teil 1b
zurückgeleitet. Normalerweise enthält das Kabel 7 200 bis
400 Fasern mit äußeren Durchmessern von 50 bis 100 µm und
ist mit einem gemeinsamen Mantel 14 zum Schutz gegen mecha
nische Beanspruchungen umgeben. Die beiden Seiten der Klemme
sind längs einer Achse durch den Drehzapfen 19 gegeneinander
beweglich. Die feste Anlage der geformten Teile 17, 18 gegen
den Finger wird von einer Feder 20, zum Beispiel ein elasti
scher Ring, bewirkt.
Der lichtaussendende Teil 1a enthält eine Leuchtdiode 11, die
rotes Licht im Wellenlängenbereich von 650 bis 670 nm aus
sendet, und eine Leuchtdiode 12, die infrarotes Licht im
Wellenlängenbereich von 920 bis 960 nm aussendet. Durch
Schleifen und Polieren der Kapsel der Leuchtdioden und der
Enden 5 der optischen Fasern sowie durch dichte Anlage zwi
schen diesen Oberflächen findet eine effektive Übertragung
von Licht in das faseroptische Kabel 7 statt, während
gleichzeitig die Streuung von Licht in die Umgebung mini
miert wird. Die Leuchtdioden werden mit Stromimpulsen ge
speist, die nach bekannten und standardisierten Mustern von
dem Pulsoximetriegerät 4 erzeugt werden und über elektrische
Leiter in dem verbindenden Kabel 2 der betreffenden Leucht
diode 11, 12 zugeführt werden. Die Stromimpulse passieren
auch einen passiven Leistungsverteiler 23, der in nichtgal
vanischer Weise einen gewissen Teil der Impulsleistung an
einen Leistungsempfänger 24 überträgt, während der größte
Teil der Impulsleistung an die Leuchtdioden 11, 12 weiterge
leitet wird.
Der lichterfassenden Teil 1b enthält einen Fotodetektor 13,
zum Beispiel eine Fotodiode oder einen Fototransistor, der
wie die Leuchtdioden 11, 12 in dichtem körperlichen Kontakt
mit den Faserenden 6 des Teils 7b des faseroptischen Kabels
7 steht, welches das vom Finger 10 zurückkommende Signal
überträgt. Im Fotodetektor 13 werden schwache Stromimpulse
erzeugt, synchron mit den von den Leuchtdioden 11, 12 über
tragenen Lichtimpulsen. Bei der faseroptischen Übertragung
tritt im Vergleich mit einem herkömmlichen Pulsoximetriesen
sor, bei dem die Fotodiode direkt an der Haut anliegt, ein
erheblicher Leistungsverlust ein. Damit das gewöhnliche Pul
soximetriegerät in der Lage ist, diese schwachen Signale zu
erkennen, ist deren Verstärkung in dem Signalverstärker 25
erforderlich, der von dem Leistungsempfänger 24 mit Energie
versorgt wird. Der Ausgang des Signalverstärkers 25 ist über
das Kabel 2 und den Stecker 3 mit dem Pulsoximetriegerät 4
verbunden, wo eine weitere Verstärkung sowie eine Filterung,
Signalverarbeitung und Darstellung des Meßergebnisses erfol
gen.
Der lichtaussendende Teil 1a und der lichterfassende Teil 1b
sind durch einen Schirm 16 sowohl optisch als auch elektro
magnetisch gegeneinander abgeschirmt. Die optische Abschir
mung zwischen den beiden Teilen sollte mindestens 60 dB be
tragen. Die elektromagnetische Abschirmung erstreckt sich
weiter über das Kabel 2 mittels getrennter Abschirmmäntel um
die Detektorleiter und die stromführenden Leiter zu den
Leuchtdioden 11, 12. Dies ist in Fig. 1 nicht dargestellt;
jedoch sind Funktion und Aufbau offensichtlich.
Die Leistungsverteilung über den Leistungsverteiler 23 kann
auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden. Zwei ge
eignete Ausführungen sind in den Fig. 2a und 2b darge
stellt. Fig. 2a zeigt eine Lösung mit einem Impulstransfor
mator 101, dessen Primärwicklung 102 mit dem Stromversor
gungsleiter zwischen dem Pulsoximetriegerät 4 und den
Leuchtdioden 11 und 12 in Reihe geschaltet ist. Die Sekun
därwicklung 103 des Impulstransformators ist an eine Dioden
brücke 105 angeschlossen, welche die in die Sekundärwicklung
103 des Impulstransformators induzierte Spannung gleichrich
tet. Die Primärwicklung 102 entspricht daher dem Leistungs
verteiler 23 in Fig. 1, und die Sekundärwicklung 103 ent
spricht dem Leistungsempfänger 24 in Fig. 1. Ferner ist ein
Spannungsregler 106 vorhanden, der mit dem Ausgang der Di
odenbrücke verbunden ist. Die Ausgangsspannung des Span
nungsreglers ist eine stabile Gleichspannung mit unbedeuten
der Fluktuation. Diese Spannung versorgt den Signalverstär
ker 25 mit Energie, der die vom Fototektor 6 erzeugten
schwachen Stromimpulse verstärkt und das verstärkte Signal
an das Pulsoximetriegerät 4 weitergibt. Der Impulstransfor
mator 101 überträgt somit Leistung (Energie) von dem licht
aussendend Teil des Sensors zu seinem lichterfassenden Teil
ohne galvanische Verbindung. Der Wirkungsgrad dieser Über
tragung ist hoch, insbesondere, wenn der Transformator mit
einem Ferritkern 104, beispielsweise in Toroidform, zwischen
der Primär- und Sekundärwicklung 102, 103 versehen ist.
Fig. 2b zeigt eine Lösung mit einem Optokuppler 110, der
eine Leuchtdiode 111 enthält, die in Reihe mit dem Strom
speiseleiter zwischen dem Pulsoximetriegerät 4 und den
Leuchtdioden 11, 12 geschaltet ist. Die Empfängerseite des
Optokupplers 110 besteht aus einer oder mehreren Fotodioden
oder Solarzellen 112, die bei Bestrahlung eine Spannung er
zeugen. In diesem Falle ist die Leuchtdiode 111 der Lei
stungsverteiler 23 gemäß Fig. 1, und die Fotodioden oder
Solarzellen 112 stellen den Leistungsempfänger 24 dar. An
den Ausgang dieses Leistungsempfängers ist ein Spannungsreg
ler 113 angeschlossen, der eine stabile Gleichspannung mit
unbedeutender Fluktuation liefert. Diese Spannung speist den
Signalverstärker 25, der die schwachen Stromimpulse ver
stärkt und an das Pulsoximetriegerät 4 weitergibt. Der Opto
kuppler 110 überträgt so elektrische Leistung von dem licht
aussendenden Teil des Sensors zu dem lichterfassenden Teil
ohne galvanische Verbindung.
Übliche Werte der über das Kabel 4 vom Pulsoximetriegerät
verfügbaren Leistung betragen 100 bis 500 mW. Zum Betrieb
des Signalverstärkers 25 sind maximal 10 mW erforderlich.
Neben den beschriebenen Übertragungsprinzipien gemäß den
Fig. 2a und 2b ist es auch möglich, thermische, mechani
sche, pneumatische, hydraulische oder akustische Prinzipien
im Rahmen der Erfindung zu verwenden.
Das in der Einleitung genannte Erfordernis, wonach der Sen
sor gemäß der Erfindung in Bezug auf die Pulsoximetriegeräte
austauschbar sein soll, unabhängig von deren Seriennummern,
Typennummern, Modellen, Herstellern usw., führt zu Schwie
rigkeiten sowohl hinsichtlich des oben beschriebenen Aufbaus
als auch hinsichtlich des Leistungsvermögens der verwendeten
Elemente. Beispielsweise sollten die Wellenlängenbereiche
der Leuchtdioden 11, 12 genau angegeben werden. Ihre Ab
strahlung sollte optimiert sein. Für die rote Leuchtdiode
gilt ein unterer Grenzwert von 3 Candela bei maximal zuläs
sigem Strom; für die infrarote Diode gilt eine untere Grenze
von 20 mW pro Steradiant. Ferner sollte die spektrale Emp
findlichkeit der Fotodiode um nicht mehr als den Faktor 2
über das Wellenlängenintervall von 650 bis 960 nm variieren,
und der Störpegel sollte nicht 2 fW/(Hz)1/2 überschreiten
(der Störpegel wird in äquivalenter optischer Leistung ange
geben, dividiert durch die Quadratwurzel der Bandbreite, ge
rechnet in Perioden pro Sekunde, Hz). Die Dämpfung des opti
schen Kabels sollte nicht mehrmals 0,3 dB in diesem Wellen
längenbereich betragen, da die Übertragungslänge oft 10 m
übersteigt. Dies bedeutet, daß nur inorganische Materialien,
wie zum Beispiel hochgereinigtes Glas oder Silica, für den
lichtleitenden Kern der optischen Fasern verwendet werden
kann. Ferner ist es wichtig, daß kein Material des faserop
tischen Kabels 7 oder der Klemme 8, 9 ferromagnetisch ist,
da dies die MR-Bilder stören würde.
Die genannten Ausführungsbeispiele können im Rahmen der Pa
tentansprüche und bekannter Technologien in vielfacher Weise
variiert werden.
Claims (12)
1. Sensor für Pulsoximetrie, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sensor zur faseroptischen Signal
übertragung versehen ist
- - mit einem lichtaussendenden und lichterfassenden Teil (1a, 1b), welcher
- - Leuchtdioden (11, 12) enthält, die Licht in mindestens zwei Wellenlängenbereichen auszustrahlen vermögen,
- - mindestens einen Fotodetektor (13) enthält, und
- - mit einer elektrischen Anschlußvorrichtung (2, 3) an ein Pulsoximetriegerät (4) versehen ist,
- - mit mindestens einem faseroptischen Kabel (7), dessen eines Ende (7) an die Leuchtdioden (11, 12) und den Fo todetektor (13) angeschlossen ist und dessen anderes Ende an eine aus zwei Hälften bestehenden Klemme (8, 9) zur Fi xierung und Durchleuchtung eines Fingers oder eines ande ren durchleuchtbaren Körperteils angeschlossen ist, und
- - mit mindestens einem Leistungsübertrager (23), der einen Teil der verfügbaren, vom Pulsoximetriegerät (4) über die genannte elektrische Anschlußvorrichtung (2, 3) lieferba ren Leistung auf mindestens einen Leistungsempfänger (24) überträgt, der mindestens einen Signalverstärker (25) mit elektrischer Energie versorgt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die genannte elektrische Anschlußvor
richtung aus einem zum Sensor gehörenden Kabel (2) mit einem
oder mehreren Steckern (3) für das Pulsoximetriegerät be
steht.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der lichtaussendende und lich
terfassende Teil (1a, 1b) individuell gegenüber dem faserop
tischen Kabel (7), einschließlich der aus zwei Hälften be
stehenden Klemme (8, 9), und umgekehrt, ohne das Erfordernis
einer Justierung oder Eichung auswechselbar ist.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der licht
aussendende und lichterfassende Teil (1a, 1b) mindestens
eine erste lichtaussendende Diode (12) mit Emission im Wel
lenlängenbereich von 650 bis 670 nM und mindestens eine
zweite lichtaussendende Diode (12) mit Emission im Wellen
längenbereich von 920 bis 960 nM und mindestens einen Foto
detektor (13) enthält.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die genannte erste Diode (12) eine
Emittanz von mehr als zwei Candela hat, daß die genannte
zweite Diode (12) eine Emittanz von mindestens 20 mW/ Stera
diant hat, daß die Empfindlichkeit des Fotodetektors (13) um
weniger als den Faktor zwei in und über die genannten
Wellenlängenbereiche variiert und daß die äquivalente Stör
pegelleistung weniger als zwei fW/(Hz)1/2 beträgt.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das faser
optische Kabel (7) eine Vielzahl von optischen Fasern ent
hält mit einer maximalen Dämpfung von 0,3 dB/Meter im Wel
lenlängenbereich von 650 bis 960 nM.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das opti
sche Kabel (7) eine Vielzahl von optischen Fasern enthält,
die derart in zwei Bündel (7a, 7b) aufgeteilt sind, daß eine
separate optische Verbindung vorhanden ist zwischen jeder
Seite der aus zwei Hälften bestehenden Klemme (8, 9) und dem
lichtaussendenden Teil (1a) bzw. dem lichterfassenden Teil
(1b), wobei zwischen den beiden Seiten eine optische Isola
tion vorhanden ist, die 60 dB überschreitet.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das faser
optische Kabel (7) einen gemeinsamen Mantel (14) hat.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der ge
nannte lichtaussendende und lichterfassende Teil (1a, 1b) in
einem Gehäuse (15) untergebracht ist, welches mit einer op
tische und elektromagnetische Abschirmung (16) zwischen dem
lichtaussendenden Teil (1a) und dem lichterfassenden Teil
(1b) versehen ist.
10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die aus
zwei Hälften bestehende Klemme (8, 9) versehen ist mit zwei
geformte Teile (17, 18) mit Anschlüssen für optische Fasern,
welche Biegungen in Richtung der Ausbreitung des Lichtes
aufweisen, mit einem Drehzapfen (19) für eine Drehbewegung
längs einer Achse und mit einer elastischen Feder (20) zum
Andrücken der beiden Hälften der Klemme gegen den genannten
Körperteil (10).
11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das faser
optische Kabel (7), einschließlich der Klemme (8, 9), voll
ständig aus nicht-ferromagnetischen Materialien besteht.
12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ober
fläche der Faserenden (5, 6) poliert sind und in direktem
Kontakt mit den polierten Oberflächen der lichtaussendenden
Dioden (11, 12) und des Fotodetektors (13) des lichtaussen
denden und lichterfassenden Teils (1a, 1b) gebracht werden
können.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Family
ID=26662490
Family Applications (1)
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DE19703220A Withdrawn DE19703220A1 (de) | 1996-01-30 | 1997-01-29 | Sensor für Pulsoximetrie |
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