DE3318746C2

DE3318746C2 - Einrichtung zur Erfassung und Analyse des Durchblutungszustandes der menschlichen Haut

Info

Publication number: DE3318746C2
Application number: DE19833318746
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr.-Ing. 5100 Aachen Blazek; Thomas Dipl.-Ing. Mühl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-05-24
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1985-08-14
Also published as: DE3318746A1

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Meßeinrichtung zur Analyse und Bewertung analoger Biosignale, die den Durchblutungszustand der menschlichen Haut beschreiben. Sie erlaubt das automatische Einlesen ohne zusätzliche Bedienung, die Analyse und Speicherung analoger Biosignale mit Hilfe eines computergesteuerten Meßplatzes. Dadurch ist einerseits eine Objektivierung der Ergebnisse frei von subjektiven Einflüssen gegeben, und andererseits werden neue, nicht direkt erkennbare Parameter zur fundierten Diagnose bestimmt. Figur 1 zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung. Die von einem konventionellen Gerät (2) erfaßten Biosignale des Patienten (1) werden in einer speziellen, quarzgesteuerten Schnittstelle (3) digitalisiert und aufbereitet, von einem einfachen Kleinrechner (4) eingelesen und in einer Datenbank (5) gespeichert. Die Schnittstelle erfüllt zusätzlich über zwei Steuerleitungen auch die Aufgabe der automatischen Steuerung des Einlesebeginns und -endes des Kleinrechners. Die Auswertung der gespeicherten Meßdaten durch den Rechner (4) wird ermöglicht durch Programmpakete, die spezielle Filterungen und Berechnungsalgorithmen enthalten. Damit können die Biodaten analytisch beschrieben und für besondere medizinische Fragestellungen unter anderem auch frequenzmäßig dargestellt werden.

Description

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Leitungen beispielsweise einer Parallelschnittstelle des Computers zur Steuerung des Beginns und des Endes der Messung frei. In jedem Falle ist es von Vorteil, wenn die Analog-Digital-Umwandlung sowie die weitere Funktion der Schnittstelle quarzgesteuert erfolgt (Anspruch 4).

Das in Anspruch 5 gekennzeichnete Einschreiben der Daten in eine Datenbank erlaubt sowohl das Fortschreiten einer Gefäßerkrankung bei einem Patienten zu kontrollieren als auch die Durchführung und den Vergleich von Reihenuntersuchungen an verschiedenen Patienten beispielsweise einer Altersgruppe oder eines Krankheitsbildes.

Es hat sich herausgestellt, daß eine besonders exakte Diagnose und Untersuchung möglich wird, wenn zusätzlich zu den bereits genannten physikalischen Bewertungsparametern eine Frequenzanalyse des LRR-Ausgangssigftals von der Rechenschaltung, beispielsweise dem bereits genannten Mikrocomputer durchgeführt wird (Anspruch 6).

Diese Frequenzanalyse wird bevorzugt in Form einer Fouriertransformation ausgeführt Die Programmierung einer Fouriertransformation für einen bestimmten Frequenzbereich ist bekannt, so daß die in Anspruch 7 gekennzeichnete Ermittelung neuer physikalischer Bewertungsparameter aus den LRR-Kurven mittels der erfindungsgemäßen Schnittstellenschaltung und beispielsweise einem handelsüblichen Mikrocomputer leicht ausgeführt werden kann.

Dabei ist es gemäß Anspruch 8 besonders vorteilhaft, wenn das Signal digital gefiltert wird, da dann Störungen irgendwelcher An leicht unterdrückt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erfassung und Analyse des Durchblutungszustandes,

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Schnittstellenschaltung,

F i g. 3 eine typische LRR-Venendruckkurve, F i g. 4 ein Flußdiagramm für die Erfassung, Analyse und Auswertung der in F i g. 3 gezeigten Kurve,

Fig. 5 das mit der erfindungsgemäßen Einrichtung gewonnene Diagnoseprotokoll der p^ripheren Hämodynamik zu der Kurve in F i g. 3,

F i g. 6 an der Stirn eines Patienten gemessene Durchblutungsschwankungen,

F i g. 7 ein Flußdiagramra zur Erfassung, Analyse und Auswertung der in Fig.6 gezeigten Durchblutungsschwankun&sn, und

F i g. 8 ein Meßprotokoll der Kreislauf-Rythmenanalyse gemäß F i g. 6 und 7.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Meßeinrichtung der sog. Computerunterstützten Licht-Refelxions-Rheograohie (CLRR). Die von dem Patienten 1 gewonnenen BiosignaJe werden im LRR-Gerät 2 erfaßt und als Funktion der Zeit auf einem x-t-Schreiber dargestellt. Diese Signale werden gleichzeitig in einer speziellen, quarzgesteuerten Schnittstelle J-_3 digitalisiert und aufbereitet und über einenKleinrechner 4 adressiert in die Datenbank 5 eingeschrieben. Die Schnittstelle erfüllt einerseits die Aufgabe des Dateniransfers und andererseits die Aufgabe der automatischen Steuerung des Einlesebeginns und -endes des ■Kleinrechners. Die Daten gönnen entweder unmittelbar oder zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt vom Rech-

ner ausgewertet werden. Die Analyseergebnisse werden dann von einem Printer/Plotter 6 in Form eines Diagnoseprotokolles ausgedruckt.

Fig.2 zeigt das Blockschaltbild der Schnittstelle 3 aus F i g. 1. Sie besitzt auf der Eingangsseite eine Signal- und zwei Steuerieitungen, auf der Ausgangsseite sechs Daten- und zwei Steuerleitungen, alle bezogen auf eine gemeinsame Gerätemasse. Das analoge Biosignal eines konventionellen LRR-Gerätes wird über den Dateneingang A einem 12 Bit Analog-Digital-Wandler 10 zugeführt Die Kontakte des Startknopfes und des Messen-Eichen-Schalters des LRR-Gerätes werden über die Steuerleitungen B und C mit der Schnittstelle verbunden, da die Pegel dieser Leitungen immer den Meßbets ginn (B) und das Ende (C) einer Untersuchung angeben. Sie werden in einer Kontrollogik 12 aufgearbeitet und dienen als Steuersignal F für Einlesebeginn und Ende für den Rechner. Dies ermöglicht das automatische Einlesen der gesamten Daten einer Untersuchung ohne zusätzliche Bedienung des LRR-Geräte· xter der Schnittstelle. Für eine galvanische Trennung zwischen dem LRR-Gerät und der Schnittstelle können die Eingänge A, B und C auch als optische Eingänge ausgeführt werden.

Da die konventionellen Kleinrechner mit 8 Bit Prozessoren ausgerüstet sind, können sie maximal 8 Bit parallel einlesen. Die durch die hohen Anforderungen des Meßproblems notwendige Auflösung des A/D-V/andlers 10 von 12 Bit bewirkt, daß die digita'en Daten nicht direkt eingelesen werden können, sondern zunächst in einen Zwischenspeicher 11 abgelegt werden müssen. Danach werden die Daten in zwei Blöcke mit je 6 Bit aufgeteilt und blockweise nacheinander über sechs Datenleitungen E dem Rechner zugeführt Die dazu notwendige Steuerung des Zwischenspeichers 11 und die Erzeugung eines Steuersignals D zur Unterscheidung der beiden Datenblöcke für den Rechner wird von der Steuerlogik 9 ausgeführt. Sie wird von einen Qusrzoszillator 7 mit nachgeschaltetem Teiler 8 getaktet. Der genaue Quarzzeitgeber als Bestandteil der Schnittstelle ist u .bedingt notwendig, da die Steuerlogik 9 auch die Steuerung des Abtastzeitpunktes des A/D-Wandlers durchführt und die zeitliche Konstanz für die Genauigkeit der durchzuführenden Analyse des Biosignals von großer Bedeutung ist. Damit wird erreicht, daß die Kontrolle des Einlesevorganges ohne zusätzliche Bedienung von LRR-Gerät aus erfolgt und die Steuerung des Datentransfers von der Schnittstelle ausgeht. Außerdem wird durch die spezielle Ausbildung der Schnittstelle erreicht, daß trotz der geforderten hohen Genauigkeit und Auflösung ein einfacher Kleinrechner 4 verwendet werden kann. Diese Aufgabe ist mit keinem der zum Stande der Technik gehörenden Schnittstellen durchführbar.

Die Erfassung, Ar^Iyse und Auswertung der hinter der Schnittstelle in digitaler Form vorliegenden Biodaten wird ermöglicht durch spezielle Programmpakete, die bestimmte Auswahlkriterien, digitale Filterungen, die der besonderen λγι der Biodaten Rechnung tragen. und spezielle Berechnungsalgorithmen beinhalten.

Die Leistungsfähigkeit -.der; erfindungsgemäßen^Meß-⁴methodik inv Vergleich 'zur. zünüStande Öer Technik gehörenden Auswertung wird in den Fig.3 bis 8 an zwei Beispielen demonstriert.

F i g. 3 zeigt eine typische LRR-Venendruckkurye eines venengesunden Mannes (Patienten-Nr. pl/1), gemessen am rechten Bein. Die Bewertung derartiger LRR-Kurven ist z.B. in P 3100 610 oder im In-

form. Arzt, Jg. 10 (1982), 4—9, beschrieben. Fj g. 4 zeigt einen Datenflußplan zur Erfassung, Analyse'und Auswertung des Biosignals aus Fig.3, Fig.5 das CLRR-Protokoll der Diagnose der peripheren Hämodynamik dieses Patienten.

Im ersten Teil des CLRR-Protokolls wird die gespei· cherte Patientennummer, Untersuchungsnummer, Datum der Messung, untersuchte Extremität, Haupttemperatur und die äußerliche klinische Diagnose aufgeführt. Dänach folgt die vom Kleinrechner analysierte LRR-Kurve, wobei in dieser Graphik bereits die wichtigsten physikalischen Bewertungsparameter der venösen Hämodynamik, die venöse Auffüllzeit To und die venöse Drainage dR eingetragen sind. Die Computeranalyse der LRR-Kurve ist in vier Punkten zusammengefaßt. Zunächst werden die Ergebnisse der Berechnung der venösen Auffüllphase angegeben. Neben der nach einem obiektiven Algorithmus bestimmten Auffüllzeit Tn (hier 33,5 Sekunden) wird auch die von den störanfälligen Randbedingungen befreite Abfallzeit Ta (Abfall von 90% auf 10%). die Halbwertzeit Th (Abfall von 100% ?uf 50%) und andere Zeitparameter berechnet. Danach folgt anhand der Amplitudenwerte der gespeicherten LRR-Kurve die Berechnung der Druckdifferenzen durch das Auffüllen und durch die Belastung. Zusätzlich stehen weitere neue Bewertungsparameter wie die Fläche FR unter der LRR-Kurve oder die mittlere Steilheit SR der Auffüllphase zur sicheren Diagnose des Zustandes der venösen Hämodynamik zur Verfügung. Je nach der Fragestellung können aber auch nachträglieh andere Bewertungsparameter berechnet werden, da die Meßdaten vollständig in der Datenbank abgespeichert sind.

In einem zweiten Beispiel zeigt die F i g. 6 einen Ausschnitt aus der an der Stirn eines Patienten gemessenen Durchblutungsschwankungen der Haut (sog. Kreislaufrhythmen), die mit einem LRR-Gerät bei sitzendem Patienten nach dem Stande der Technik aufgenommen wurden. Man erkennt aus dieser Figur neben der schnellen Pulsatorik (Kreislaufrhythmus 1. Ordnung, entspricht der Pulsfrequenz) auch mehrere langsamere periodische Durchblutungsschwankungen, die in der zeitlichen Darstellung jedoch nur sehr schwer deutbar sind. F i g. 7 zeigt einen Datenflußplan zur Erfassung, Analyse und Auswertung des Kreislaufrhythmen-Biosignals aus Fig.6. Hier wird besonderen Schwerpunkt auf den Transfer der Kreislaufrhythmik aus dem Zeit- in den Frequenzbereich über einen speziellen Filter- und Transformationsalgorithmus gelegt. In der F i g. 8 sind die Ergebnisse der erfindungsgemäßen CLRR-Kreislaufrhythmenanalyse dargestellt. Aus dem dort aufgeführten Amplitudendichtespektrum erkennt man, daß die größte Amplitude der Kreislaufrhythmus 1. Ordnung bei ca. 1,1 Hz (ca. 70 Pulse/Minute) hat Die höheren Harmonischen erlauben außerdem diagnostisch wichtige Rückschlüsse auf die Form des arteriellen Pulses. Auch die Kreislaufrhythmen 2. Ordnung (Atemrhythmen) um ca. 0,2 Hz (12/Minute), die Kreislaufrhythmen 3. Ordnung um 0,1 Hz (10 Sekunden) und die Minutenrhythmen um ca. 0,016 Hz werden durch die ω erfindungsgemäße Meßeinrichtung sicher erkannt Die Art dieser Erfassung und Darstellung ist absolut neu und wird nach der Überzeugung der Anmelder neue Möglichkeiten und Wege in der physiologischen Grundlagenforschung eröffnen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 ermöglicht, den aktuellen Hautdurchblutungszustand Patentansprüche: als Funktion der Zeit zu erfassen und beispielsweise auf einem x-t-Schreiber darzustellen. Diese sogenannten

1. Einrichtung zur Erfassung und Analyse des LRR-Kurven (LRRiLicht-Refelxions-Rheographie)

Durchblutiingszustandes der menschlichen Haut mit 5 werden aus dem von dem dermalen Gefäßplexus reflek-

emer mit Ljcht-Refiexions-Rheographie arbeitenden tierten bzw. zurückgestreuten Strahlungsanteil gewon-

Meßemridiitung zur nichtinvasiven optischen Mes- ηεη; die gemessene Helligkeitszunahme ist in etwa um-

sung der Blutentleerung bzw. Blutauffüllung der Ve- gekehrt proportional zu der invasiv in dem jeweiligen

nen oder Arterien, Gefäß gemessenen Druckabnahme,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Schnitt- 10 Klinische Studien haben gezeigt, daß die LRR-Kur-

stellenschaJtung (3) das analoge Ausgangssignal der ven eine große Bedeutung bei der funktionellen Dia-

Meßemnchtung (2) in ein digitales Signal umsetzt gnostik des venösen und arteriellen Systems des Men-

und an ein« Rechenschaltung (4) anlegt sehen haben. Die Nachtei!; dieses Systems sind jedoch

daß an dte Schnittstellenschaltung (3) zusätzlich einerseits, daß aus den LRR-Kurven nur einige wenige

Steuersignale angelegt sind, die den Beginn und das 15 diagnostisch wichtige Aussagen direkt gewonnen wer-

Ende der Messung angeben und die Schnittstellen- den können und andererseits, daß durch die subjektive

schaltung aufgrund dieser Steuersignale das Einle- Beurteilung der LRR-Kurven Fehler in der Auswertung,

ssn des digital umgesetzten Ausgangssignals der Fehlinterpretationen und unter Umständen eine Fehl-

Meßeinnchtung in die Rechenschaltung steuert, und diagnose möglich sind. Zudem erlaubt das in der DE-OS

daß die Reihenschaltung (4) aus diesem digital ge- 20 31 00 610 beschriebene Verfahren bzw. die in dieser

wandelten Ausgangssignai physikalische newer- Druckschrift beschriebene Vorrichtung nur eine zeitli-

tungsparanneter für die analogen LRR-Kurven be- ehe Darstellung der »Biosignale«, so daß eine für man-

rechnet ehe Diagnosefälle wichtige Aussage über die Spektral-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- verteilung der Biosignale nicht möglich ist

zeichnet, daß die Rechenschaltung ein handelsübli- 25 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein-

cher Mikrocomputer ist richtung zur Erfassung und Analyse des Durchblutungs-

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch zustandes der menschlichen Haut gemäß dem Oberbegekennzeichnet, daß die Schnittstellenschaltung (3) griff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß quarzgesteuert äst einerseits die LRR-Signale objektiv und frei von subjek-

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 30 tiven Entscheidungen analysiert und andererseits neue dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen- geeignetere Parameter zur fundierten sicheren Diagnoschaltung (3) das AusgangssigiH der Meßeinrich- se des Durchblutungszustandes der menschlichen Haut tung (2) in einen 12 B.'t-Digitalwert umsetzt und die- bestimmt werden können.

sen Wert in zwei Blöcken mit je 6 ^cn an die Rechen- Ferner soll es möglich sein, die Biosignale, d. h. die

schaltung(4) anlegt ₃₅ Ausgangssignale der LRR-Meßeinrichtung beispiels-

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weise in einer Datenbank zu speichern; hierdurch kann dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen- beispielsweise bei Vergleichsmessungen das Fortschreischaltung (3) zum Vergleich der Meßwerte sowohl ten einer eventuellen Erkrankung rechtzeitig erkannt für einen F'atienten als auch für eine Gruppe von oder eine Früherkennung der peripherer, hämodynami-Patienten die erhaltenen Daten in eine Datenbank 40 sehen Leiden durchgeführt werden.

einschreibt. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1, Wei-

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. terbildungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angedadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung geben.

(4) das zeitliche Ausgangssignai frequenzanalysiert Gemäß Anspruch 1 wird das analoge Ausgangssignal

und zusätzlich zum Amplitudenverlauf der Kreis- 45 der LRR-Meßeinrichtung in ein digitales Signal umge·

laufrhythmik auch die Frequenzzusammensetzung setzt und an eine Rechenschaltung angelegt, die physi-

der Kreislatifrhythmik ermittelt kaiische Bewertungsparameter für die analogen LRR-

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- Kurven berechnet. Derartige Bewertungsparameter zeichnet, daß die Rechenschaltung (4) für einen be- können beispielsweise die nach einem objektiven Algostimmten Frequenzbereich eine Fourier-Transfor- 50 rithmus bestimmte Auffüllzeit To, ü,c Abfallzeit Ta von mation des Ausgangssignals der Meßeinrichtung (2) dem Meßwert 90% auf den Meßwert 10%. die HaIb^ausführt wenzeit Th, d. h. die Zeit in der ein Abfall von 100% auf

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 50% erfolgt, oder andere Zeitparameter sein. Darüber dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung hinaus steuert die Schnittstellenschaltung auch den Be-(4) vor der Analyse des Ausgangssignals das Aus- 55 ginn und das Ende des Meßvorgangs. Die erfindungsgegangssignal digital filtert. mäße Einrichtung erlaubt dem Arzt, sich vollständig auf

den Patienten zu konzentrieren, ohne durch die Bedienung der Einrichtung und insbesondere der Auswertungsteile von der Untersuchung abgelenkt zu sein.

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur 60 Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 2 Erfassung und Analyse des Durchblutungszustandes der , als Rechenschaltung ein handelsüblicher Mikrocompumenschlichen Haut mit einer mit Licht-Refelxions- ter verwendet wird, wie er häufig bereits in Arztpraxen ■ Rheographie ai bellenden Meßeinrichtung zur nichtin- oder Krankenhäusern vorhanden ist. vasiven optischen Messung der Blutentleerung bzw. Auch wenn dieser Mikrocomputer einen Datenbus

Bluiauf füllung der Venen oder Arterien. ₆₅ mit nur 8 Bit verwendet, ist es durch die in Anspruch 3 ^;

Aus der DE-OS 31 00 610 ist eine Meßeinrichtung zur gekennzeichnete Ausbildung der Schnittstelle möglich nichiinvasiven optischen Messung venöser bzw. arte- mit höherer Genauigkeit, beispielsweise 12 Bit, zu mesneller Abfluß- und Durchflußstörungen bekannt, die es sen. Durch die Übertragung von jeweils 6 Bit bleiben