DE3700577A1 - Verfahren und untersuchungsvorrichtung zur untersuchung von menschlichem oder tierischem gewebe oder menschlicher oder tierischer koerperfluessigkeit auf einen bestimmten stoffgehalt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von menschlichem oder tierischem Gewebe oder mensch­ licher oder tierischer Körperflüssigkeit auf einen be­ stimmten Stoffgehalt, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes.

In der Human- und Veterinärmedizin ist es erforderlich, menschliches bzw. tierisches Gewebe oder menschliche bzw. tierische Körperflüssigkeit auf einen bestimmten Stoffgehalt zu untersuchen. Die Untersuchungsergebnisse werden als Grundlage für Diagnostik, zur Überwachung von Körperfunktionen, z.B. bei der Geburtsüberwachung, der Sportmedizin, der Intensivmedizin, der Anästhe­ sie sowie als Beweismittel in der Gerichtsmedizin ver­ wendet.

Dabei spielt die Überwachung von Körperfunktionen auch außerhalb der medizinischen Sphäre, nämlich an umwelt­ belasteten Arbeitsplätzen, z.B. im Bergbau, beim Tief­ seetauchen, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der chemischen Industrie oder beim Hochleistungssport ei­ ne bedeutende Rolle. In vielen Fällen ist dabei ein Eingriff in den Körper unerwünscht, da ein solcher die Körperfunktionen selbst beeinträchtigen kann und die Untersuchungsergebnisse dann nicht zwingend ein Ab­ bild des sonst üblichen Stoffgehalts bieten.

Eine Körperfunktion von außerordentlicher Bedeutung ist die Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes. Zur Durchführung dieser Untersuchung sind bereits Ge­ räte bekannt, die nach unterschiedlichen Verfahren ar­ beiten. Ein unter der Bezeichnung Oxycapnometer S von der Firma Dräger vertriebenes Gerät arbeitet mit Par­ tialdrucksignalen. Dabei muß im Betrieb der Meßbereich der Haut auf eine Meßtemperatur zwischen 41 und 45° erwärmt werden. Dies wird vielfach als unangenehm em­ pfunden. Es ist auch nicht auszuschließen, daß diese Veränderung der natürlichen Umgebung verfälschende Einflüsse auf das Untersuchungsergebnis ausübt. Außer­ dem ist das Meßgerät, wie die Abbildung in einer Pro­ duktinformation zeigt, für einen ortsveränderlichen Einsatz ungeeignet. Die Anschaffungskosten sind außer­ ordentlich hoch.

Vom selben Hersteller wird ein als Pulsoxymeter be­ zeichnetes Gerät angeboten, welches neben der Pulsfre­ quenz auch die Sauerstoffsättigung des arteriellen Blu­ tes erfaßt. Dazu wird Licht mit zwei verschiedenen Far­ ben, rot und infrarot, erzeugt und damit das Gewebe von Finger oder Nase, bei Frühgeborenen auch Fuß oder Zeh durchstrahlt. Photodetektoren im Sensor erfassen das durchgelassene Licht, das durch die Absorbtion im Gewebe und im pulsierenden arteriellen Blut geschwächt wird. Aus dem unterschiedlichen Absorbtionsgrad von sauerstoffreichem und sauerstoffarmen Blut für die bei­ den Farben wird die arterielle Sauerstoffsättigung er­ rechnet.

Der meßtechnische Aufwand ist hier sehr hoch, da zwei verschiedenfarbige Lichtquellen verwendet werden müssen. Dabei können durch Veränderungen der Intensitätsverhält­ nisse der beiden Lichtquellen Meßfehler auftreten. Außerdem erfordert die Auswertung einen hohen Rechen­ aufwand, um Einflüsse des Gewebes auf die Absorbtion des Lichtes durch das Blut auszuschalten. Dieses be­ kannte Gerät ist zwar kompakter und kostengünstiger als das erstgenannte, für einen ortsveränderlichen Ein­ satz aber trotzdem ungeeignet und mit einem Preis auf Dollarbasis von etwa 35 000,- Dollar immer noch sehr teuer in der Anschaffung. Für einen breiten Anwendungs­ bereich kommt es daher nicht in Betracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Untersuchung von menschlichem oder tierischem Gewebe oder menschlicher oder tierischer Körperflüssigkeit auf einen bestimmten Stoffgehalt zu schaffen, welches mit geringem Aufwand eine zuverlässige und insbesondere gegen Alterungseinflüsse der Bauteile sichere Meßwert­ erfassung bietet und zudem einen ortsveränderlichen, universellen Einsatz ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, daß der Stoffgehalt im Gewebe oder in Körperflüssig­ keit menschlicher oder tierischer Art in vielen Fällen farblich in Erscheinung tritt. Ist die Farbe eine ste­ tige Funktion des Stoffgehalts, so kann umgekehrt über eine Farbmessung auf den Stoffgehalt geschlossen wer­ den.

Die Wahrnehmung von Farben durch das menschliche Auge ermöglicht bisweilen eine grobe Abschätzung des Stoff­ gehalts. Eine genaue Bewertung und Klassifizierung der Farbe durch Vergleich mit anderen Farben, auch als ver­ gleichende Photometrie bezeichnet, führt wegen der sub­ jektiven Bewertung jedoch zu keinen reproduzierbaren Ergebnissen. Erst durch eine hochauflösende Spektrome­ trie, wie sie die Erfindung bietet, wird die Farbbe­ wertung und Klassifizierung als Kriterium für den Stoff­ gehalt einsetzbar.

Dabei bedient sich das Untersuchungsverfahren leicht überschaubarer physikalischer Prinzipien, zu deren Durchführung eine ausgereifte und als zuverlässig er­ wiesene Technologie zur Verfügung steht. So kann das zur Durchstrahlung benötigte Licht einer einzigen Ur­ sprungslichtquelle entnommen werden, wodurch Gleich­ laufprobleme unterschiedlicher Lichtquellen bei ver­ schiedenen Betriebszuständen und Alterungserscheinun­ gen vermieden werden.

Durch die Erfassung des durchgetretenen Lichts mit zwei Sensoren und der Division der von den Sensoren aufgenommenen Meßwerte wird der den Farbwert darstel­ lende Quotient intensitätsunabhängig. Dies ermöglicht eine große Variationsbreite in der Gewebedicke und bietet eine hohe Genauigkeit auch bei unterschied­ lichen Absorbtions- oder Intensitätseinflußgrößen.

Die Division zweier Meßwerte ist bei der heute zur Verfügung stehenden Halbleitertechnologie sowohl in analoger als auch in digitaler Weise mit hoher Genauig­ keit durchführbar. Auch die Zuordnung der Farbmeßwerte zu Untersuchungsergebnissen kann in analoger Weise durch eine stetige Funktion oder digital durch eine Tabelle vorgenommen werden. Auch hierfür ist nur ein geringer Aufwand erforderlich. Bedingt durch dieses unkomplizierte Untersuchungsverfahren ist auch der schaltungstechnische und Bauelemente-Aufwand gering, was sich günstig auf den Raumbedarf und die Herstel­ lungskosten sowie auf die laufenden Kosten auswirkt. Dementsprechend wird dem Verfahren sowohl in den ver­ schiedensten gewerblichen Bereichen als auch im Lei­ stungsport und nicht zuletzt in der allgemeinen Medi­ zin ein großes Anwendungsgebiet erschlossen.

Besonders geeignet ist das Verfahren für die Bestimmung der Sauerstoffsättigung im Blut. Die Kenntnis der Sauer­ stoffsättigung des Hämoglobin-Moleküls ist ein aussage­ fähiger Faktor über die Kreislauffunktion. Die Sauer­ stoffsättigung wird relativ in Prozenten ausgedrückt und beträgt beim gesunden Menschen ca. 95 %. Die Sauer­ stoffsättigung ist an der Farbe des arteriellen Blutes (hellrot bis dunkelrot) erkennbar und bildet hinsicht­ lich des Übergangsbereichs von hellrot auf dunkelrot eine analoge Funktion.

Vorzugsweise ist das Licht kontinuierlichen Spektrums Glühlampenlicht mit Normlichtcharakteristik.

Dieses Licht ist am einfachsten mit standardisierten Bauelementen erzeugbar und vereinfacht die Kalibrie­ rung oder Eichung der Sensoren bei einem Austausch der Lichtquellen. Außerdem ist das Verfahren mit diesem Licht universell für unterschiedliche Farben und da­ mit zusammenhängende Untersuchungen geeignet.

Zweckmäßig werden die Spektralbereiche der beiden Sen­ soren so gewählt, daß sie wenigstens den Bereich des sichtbaren Lichts abdecken.

Mit dieser Maßnahme wird der zur Durchführung unter­ schiedlicher Messungen erforderliche Bereich erfaßt. Bei Verwendung von Glühlampenlicht mit Normlichtcha­ rakteristik ist zudem eine Anpassung zwischen dem er­ zeugten und dem gemessenen Spektrum gegeben, und so eine optimale Ausnutzung der Meßmöglichkeiten gege­ ben.

In Weiterbildung der vorgenannten Maßnahme erstreckt sich der ausgewählte Spektralbereich auf eine Wellen­ länge zwischen 380 und 780 nm.

Dadurch wird der Meßbereich auch für Farben zugänglich, die außerhalb des sichtbaren Lichts liegen. Die von der Technologie mit einfachen Mitteln erfaßbaren Spek­ tralbereiche werden so der Messung und Auswertung zu­ gänglich gemacht.

Vorzugsweise wird eine spektrale Auflösung von 1 nm angestrebt.

Mit dieser Auflösung läßt sich eine Genauigkeit erzie­ len, die mit derjenigen anderer aber wesentlich auf­ wendigerer Verfahren vergleichbar ist.

Bei einer praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden wahlweise der Farbwert oder das Un­ tersuchungsergebnis angezeigt. Mehrere Werte oder Er­ gebnisse können gespeichert werden.

Durch diese Ausgestaltung lassen sich vergleichbare Meßreihen aufstellen und so Beziehungen zu anderen körperlichen Einflußgrößen herstellen.

Bei einer Weiterbildung wird das Untersuchungsergebnis mit einem einstellbaren Grenzwert verglichen und bei Erreichen des Grenzwertes ein Alarmsignal gegeben.

Bei dieser Ausführung wird eine ständige Überwachung der Untersuchungsergebnisse auf z.B. lebensbedrohende Änderungen der Körperfunktionen erleichtert. Die Ent­ deckung eines solchen Zustandes ist somit nicht von einer zufälligen Kontrolle abhängig.

In Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Untersuchungsergebnisse in vorgegebenen zeitlichen Ab­ ständen gewonnen.

Diese Maßnahme hilft einmal eine unnötige Flut an Unter­ suchungsergebnissen einzudämmen, zum anderen jedoch als notwendig erachtete Untersuchungsergebnisse automa­ tisch und daher zuverlässig in den erforderlichen Zeit­ abständen zu erhalten.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens werden zusätzlich Intensitätswerte des durchge­ lassenen Lichtes gemessen und mit Farbwerten gemein­ sam ausgewertet.

Durch diese Weiterbildung lassen sich weitere Kriterien und Klassifizierungen der Farbe durchführen, wie z.B. das Absorbtions- oder Reflektionsverhalten gleicher Spektralfarben. Dadurch eröffnen sich weitere Anwen­ dungsmöglichkeiten sowohl in der Medizin, z.B. bei der Standardisierung und Überwachung unterschiedlicher Lösungen sowie auch in anderen industriellen Bereichen.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den An­ sprüchen 2-9.

Die Erfindung betrifft ferner eine Untersuchungsvorrich­ tung zur Untersuchung von menschlichem oder tierischem Gewebe oder menschlicher oder tierischer Körperflüssig­ keit auf einen bestimmten Stoffgehalt, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes.

Diesbezüglich liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Untersuchungsvorrichtung zu schaffen, welche mit gerin­ gem Aufwand eine zuverlässige und besonders gegen Al­ terungseinflüsse der Bauteile sichere Meßwerterfassung bietet und einen ortsveränderlichen, universellen Ein­ satz ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Untersuchungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Durch­ strahlung von Gewebe oder Körperflüssigkeit tierischer oder menschlicher Art mit Licht eines kontinuierlichen Spektrums und die Auswertung des durchgelassenen Spek­ trums. Diese Auswertung gibt Aufschluß über das Vorhan­ densein bestimmter farblich in Erscheinung tretender Inhaltsstoffe und in quantitativer Hinsicht über den Stoffgehalt. Dabei kann der Stoffgehalt auch über se­ kundäre Erscheinungsformen erfaßt werden.

Während das menschliche Auge nur eine grobe Abschätzung der Farbunterschiede vornehmen kann, bietet die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit, sehr genaue und gegen Störgrößen zuverlässige Untersuchungsergeb­ nisse zu erhalten.

Diese Eigenschaft wird dadurch erreicht, daß beide Sensoren nur das Licht derselben Lichtquelle erfassen. Änderungen der Intensität wirken so gleichsinnig aus. Im Zuge der Division der Meßwerte der beiden Sensoren heben sich die gleichsinnigen Auswirkungen gegensei­ tig auf, so daß das Ergebnis intensitätsunabhängig wird. Alterungserscheingungen der Lichtquelle, schwan­ kende Betriebsspannungen oder unterschiedliche Dicken des Gewebes bleiben so ohne Einfluß auf das Untersu­ chungsergebnis.

Die Durchführung der Untersuchung mit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung bleibt auch ohne störenden Einfluß auf die Körperfunktionen, da die Durchstrahlung selbst mit sehr geringer Energie vorgenommen wird und Eingriffe oder äußere Meßbedingungen, wie Erwärmungen oder Abküh­ lungen bestimmter Körperteile nicht erforderlich sind. Dadurch wird sichergestellt, daß die Untersuchungser­ gebnisse den realen, augenblicklichen Zustand des Stoff­ gehalts wiedergeben.

Änderungen werden dabei unmittelbar berücksichtigt, da die Auswertezeit praktisch nur durch die extrem kurze Rechenzeit bedingt ist, die allerdings im Ver­ gleich zu der Änderungsgeschwindigkeit körperlicher Vorgänge vernachlässigbar klein ist.

Das physikalische Meßprinzip läßt sich mit Bauelemen­ ten durchführen, die produktionstechnisch und hinsicht­ lich ihrer physikalischen Eigenschaften sicher beherrsch­ bar sind und durch Massenproduktion kostengünstig sind und einen hohen Qualitätsstandard aufweisen. Dadurch läßt sich die Untersuchungsvorrichtung in ihrer Meß­ genauigkeit eng toleriert und mit langer Lebensdauer realisieren. Der hohe Entwicklungsstand der benötigten Bauelemente hat zu einer Miniaturisierung geführt, die auch der Baugröße der erfindungsgemäßen Untersuchungs­ vorrichtung zugute kommen. Die hohe Integration der Bauelemente sowie der aufgrund der erwähnten Massenpro­ duktion günstige Preis ermöglichen auch eine äußerst kostengünstige Herstellung.

Infolgedessen wird neben medizinischen Spezialbereichen, in denen die Kosten eine weniger große Rolle spielen, auch der gewerbliche Bereich, insbesondere bei Überwachung umweltbelasteter Arbeitsplätze, sowie der Bereich des Hochleistungssports erschlossen.

Vorzugsweise wird als Lichtquelle eine Glühlampe mit Normlichtcharakteristik verwendet.

Durch diese Ausgestaltung wird der Einsatz standardi­ sierter Bauelemente ermöglicht. Ferner läßt sich ein großer Meßbereich erlangen, der den Einsatz der Unter­ suchungsvorrichtung für Untersuchungsarten unterschied­ licher Farben erschließt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Sen­ soren so bemessen, daß sie wenigstens den Spektralbe­ reich des sichtbaren Lichts abdecken. Vorzugsweise sind sie für Lichtwellenlängen zwischen 380 und 780 nm empfindlich.

Bei dieser Ausführung wird der Meßbereich erfaßt, in dem farbliche Veränderungen im Bezug zum Stoffgehalt stehen können. Besonders in Verbindung mit der vorer­ wähnten Glühlampe mit Normlichtcharakteristik wird ei­ ne gute Anpassung der Sensoren an die Lichtquelle er­ zielt, wodurch sich die Eigenschaften der Untersuchungs­ vorrichtung optimal nutzen lassen.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Vorrichtung werden als Sensoren Halbleiterphotodioden unterschied­ licher Dotierung verwendet.

Dies ist eine technisch einfach beherrschbare Möglich­ keit zur Schaffung unterschiedlicher Spektralbereiche bei ansonsten etwa gleichen Eigenschaften der Dioden hinsichtlich Temperatur-, Spannungs- und Belastungs­ einflüsse oder Alterungserscheinungen. Da diese Ein­ flüsse auf beide Halbleiterdioden in gleicher Weise einwirken, heben sie sich bei der Division der Meßwer­ te gegenseitig auf.

In Weiterbildung dieser Ausgestaltung sind die Halb­ leiterphotodioden integral in einem Gehäuse angeord­ net.

Dadurch ist eine noch bessere thermische Kopplung und eine Unterbringung auf einem sehr eng benachbartem Raum gegeben. Die Sensoren sind auf diese Weise in der Lage, praktisch den selben Sektor eines Strahlen­ bündels auszuwerten. Paralaxfehler werden auf diese Weise minimiert.

In weiterer Ausgestaltung lassen sich die Kathoden der Halbleiterphotodioden durch ein gemeinsames Sub­ strat bilden oder wenigstens auf ein gemeinsames Po­ tential legen.

Die erstere Alternative ist herstellungstechnisch be­ sonders elegant und besitzt automatisch die vorgenann­ ten Eigenschaften. Das gleiche Bezugspotential ermög­ licht, interne oder externe Verbindungsleitungen ein­ zusparen und so die Flexibilität eines Verbindungska­ bels zwischen den Sensoren und der Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung zu verbessern.

Als praktische Ausgestaltung sind die Lichtquelle und die Sensoren in Schenkeln einer spreizbaren Klammer an­ geordnet und über ein Kabel mit der Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung verbunden.

Auf diese Weise bilden die Lichtquelle und die Sensoren eine leicht handhabbare Einheit, die bequem an Glied­ maßen sowie an der Nase, den Ohrläppchen oder an Haut­ falten anbringbar ist. Die Bewegungsfreiheit bleibt so erhalten. Außerdem können genau die für die Untersuchung relevanten Körperpartien gezielt untersucht werden.

Vorzugsweise umfaßt die Meßwerterfassungs- und Zuord­ nungsschaltung einen Multiplexer für die Sensoren, einen nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler, einen Mikrorechner sowie ein Anzeigedisplay.

Bei diesem Konzept wird die eigentliche Verarbeitung der Meßwerte digital ausgeführt. Dies hat eine Reihe von Vorteilen. So lassen sich Untersuchungen verschie­ dener Stoffe durch einfache Programmänderungen durch­ führen. Die Ausgabe der Untersuchungsergebnisse kann in einfacher Weise numerisch erfolgen. Das Eichen und Kalibrieren läßt sich automatisch vornehmen und überprü­ fen. Zusätzliche Betriebsarten, wie Intervallmessungen, Alarmgabe, lassen sich mit dem selben Rechner durch einfache Programmerweiterungen durchführen. Der Digi­ talteil ermöglicht außerdem eine automatische Eigen­ überwachung.

Der Einsatz präziser und damit vergleichsweise teurerer Bauelemente wird auf den Analog-Digital-Wandler be­ schränkt. Da dieser Baustein aber bereits in weiten Bereichen der Technik breite Anwendungen gefunden hat, ist auch dieses Bauteil kostengünstig erhältlich.

Vorzugsweise wird ein Analog-Digital-Wandler mit einer Auflösung von wenigstens 18 Bit eingesetzt.

Diese Auflösung bietet bei der üblichen Spektralem­ pfindlichkeit der Halbleiterphotodioden eine optische Auflösung von etwa 1 nm und ist damit in der Genauig­ keit mit anderen, wesentlich aufwendigeren und teure­ ren Meßgeräten konkurrenzfähig.

Als Weiterbildung umfaßt die Meßwerterfassungs- und Zu­ ordnungsschaltung ein Eingabeterminal und gegebenenfalls eine Schnittstelle für einen externen Drucker, Plotter oder Speicher.

Durch diese Ausgestaltung wird die Untersuchungsvor­ richtung besonders anwenderfreundlich, da die Meßwert­ ausgabe in vorgewählter Weise erfolgen kann und sich eine sonst übliche Umrechnung erübrigt. Durch die An­ schlußmöglichkeit eines externen Speichers oder einer Registriereinheit wird zudem der Bedienungs- und Aus­ wertungsaufwand erheblich vermindert. Die Bedienungs­ person kann sich während der Durchführung der Unter­ suchung anderen Aufgaben zuwenden.

Weiterhin umfaßt die Meßwerterfassungs- und Zuordnungs­ schaltung einen einstellbaren Zeitgeber für die Ge­ winnung von Untersuchungsergebnissen in vorgegebenen Abständen.

Soll die Vorrichtung über einen längeren Zeitraum be­ trieben werden und kontinuierlich Meßergebnisse liefern, so kann auf diese Weise die Flut unnötiger Meßergebnis­ se beschränkt werden. Die für notwendig erachteten Untersuchungsergebnisse werden automatisch zu den ge­ nau festgelegten Zeitpunkten durchgeführt und entlasten so die Bedienungsperson.

Vorzugsweise umfaßt die Meßwerterfassungs- und Zuord­ nungsschaltung einen Vergleicher für den Vergleich des Untersuchungsergebnisses mit einem Grenzwert sowie ei­ nen Alarmgeber und/oder einen Ausgang für einen Alarm­ geber.

Diese Ergänzung ist besonders bei der Überwachung lebenswichtiger Körperfunktionen hilfreich, da er die Erkennung von lebensbedrohlichen Zuständen nicht allein von der Aufmerksamkeit der Bedienungs- oder Überwachungs­ person abhängig macht.

Bei einer praktischen Ausführungsform ist die Meßwert­ erfassungs- und Zuordnungsschaltung einschließlich des Anzeigedisplays, des Eingabeterminals sowie der Ener­ gieversorgungszellen in einem Kleingehäuse angeordnet.

Die Vorrichtung kann so am Körper getragen werden, ohne daß die Bewegungsfreiheit störend eingeschränkt wird. Für die Erste Hilfe und Notfallmedizin läßt sich die Untersuchungsvorrichtung auch problemlos in einem Ret­ tungs- oder Notarztkoffer unterbringen und unabhängig von externen Energiequellen speisen.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zusätzlich ein Sensor zur Lichtintensitätsmessung des durchgelassenen Lichts sowie eine mit den Ausgangssig­ nalen der anderen Sensoren gemeinsame Auswerteschaltung für Farbwerte vorgesehen.

Durch diese Erweiterung lassen sich neben intensitäts­ unabhängigen Farbmessungen auch Farbmessungen durch­ führen, deren Charakteristik von Absorbtions- und Re­ flektionseigenschaften des zu untersuchenden Stoffge­ halts abhängen. Neben medizinischen Anwendungen kommen hier auch industrielle Anwendungen auf anderen Gebie­ ten in Betracht. Außerdem wird auch eine Selbstprüfung der Untersuchungsvorrichtung z.B. im Hinblick auf eine Alterung der Lichtquelle hin möglich.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Untersuchungsvorrichtung erge­ ben sich aus den Ansprüchen 11-23, der weiteren Be­ schreibung sowie der Zeichnung, die ein Ausführungs­ beispiel des Gegenstands der Erfindung veranschaulicht.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung des Meßprin­ zips des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrich­ tung,

Fig. 2 ein Diagramm des Spektralbe­ reichs zweier für die Erfin­ dung geeigneter Sensoren,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der er­ findungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 4 eine praktische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung in perspektivischer Dar­ stellung.

Fig. 1 zeigt als schematische Skizze eine Untersuchungs­ vorrichtung nach der Erfindung. Die Vorrichtung umfaßt eine Lichtquelle 10 für ein kontinuierliches Spektrum, im Abstand dazu Sensoren 12, 14 für unterschiedliche, einander überschneidende Spektralbereiche sowie eine Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung 16.

Die Lichtquelle ist als Glühlampe 10 mit Normlicht­ charakteristik ausgebildet. Zur Bündelung der von der Glühlampe 10 ausgehenden Strahlen dient eine Sammel­ linse 52. Im Strahlengang zwischen der Glühlampe 10 und den Sensoren 12, 14 befindet sich das zu untersu­ chende Gewebe 54 oder die zu untersuchende Körperflüs­ sigkeit. Die Sensoren sind als Halbleiterphotodioden 12, 14 unterschiedlicher Dotierung ausgebildet und in­ tegral in einem gemeinsamen Gehäuse 18 angeordnet.

In der Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung 16 werden die von den Halbleiterphotodioden 12, 14 abge­ gebenen Ströme, welche den Spektralanteilen des durch­ gelassenen Lichts entsprechen, erfaßt und gegenseitig dividiert. Der Quotient stellt einen intensitätsunab­ hängigen Farbwert dar. Dieser wird entweder direkt angezeigt oder erst einem Untersuchungsergebnis zuge­ ordnet und anschließend angezeigt.

Die spektralen Charakteristiken der Halbleiterphoto­ dioden 12, 14 sind aus dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm ersichtlich. Über der Abszisse ist die Wellen­ länge lambda und über der Ordinate die spektrale Em­ pfindlichkeit s aufgetragen. Die der jeweiligen Halb­ leiterphotodiode zugeordnete Charakteristik ist mit dem selben Bezugszeichen angegeben wie die Diode selbst.

Die Charakteristiken besitzen etwa die Form einer Glockenkurve und können z.B. dem Empfindlichkeitsver­ halten der Farbsensoren eines menschlichen Auges nach­ empfunden sein. Sie weisen in der Mitte einen flachen Sattel auf, der zu beiden Seiten zunächst zunehmend steiler abfällt. Dann aber wird der Verlauf stetig flacher und läuft schließlich in die Abszisse aus.

Wesentlich für die Durchführung eindeutiger Messungen ist, daß sich die spektralen Charakteristiken über­ schneiden. Um dies an einem Beispiel zu verdeutlichen, sind in Fig. 2 zwei Spektrallinien 56 und 58 gleicher Intensität aber verschiedener Wellenlänge eingezeichnet. Wäre nur die Halbleiterphotodiode 12 vorhanden, dann könnten beide Spektrallinien 56, 58 nicht unterschie­ den werden, da sie beide die Charakteristik der Diode 12 an der selben Empfindlichkeitsschwelle schneiden, nämlich in den Schnittpunkten 1 und 2. Erst unter Ein­ beziehung der Halbleiterphotodiode 14 wird eine Unter­ scheidung möglich. Während die ihr zugeordnete Charak­ teristik einen Schnittpunkt mit der langwelligen Spek­ trallinie 58 bei 3 besitzt, ist ein Schnittpunkt mit der anderen Spektrallinie 56 nicht vorhanden.

Der Spektralbereich, in dem eindeutige Messungen mög­ lich sind, erstreckt sich somit von dem Auslauf der linken Flanke der Charakteristik der Diode 12 bis zum Auslauf der rechten Flanke der Charakteristik der Diode 14. Die Dotierungen der Dioden 12, 14 sind zweckmäßig so gewählt, daß wenigstens der sichtbare Bereich abge­ deckt ist. Vorzugsweise wird die Empfindlichkeit zwischen 380 und 780 nm gelegt.

Die optische Auflösung bei Messungen mit der Vorrich­ tung hängt von der Meßgenauigkeit der Ströme der Halb­ leiterphotodioden ab. Da sich im Sattelbereich und in den flachen Flankenausläufen nur geringe Änderungen der Empfindlichkeit ergeben, ist die optische Auflö­ sung hier am geringsten, an der steilen Flanke hingegen am größten. Technisch ist eine maximale Auflösung von 1 nm möglich, so daß die Meßwerterfassungs- und Zuord­ nungsschaltung 16 zweckmäßig auf diese Meßgenauigkeit ausgelegt wird. Im Vergleich dazu bietet das mensch­ liche Auge nur eine Auflösung von etwa ± 6 nm, wobei noch hinzukommt, daß dies nur bei direktem Vergleich der Fall ist. Für eine absolute Farbenbestimmung ist das menschliche Auge daher ungeeignet.

Soll mit der Vorrichtung nach Fig. 1 z.B. die Sauerstoff­ sättigung im arteriellen Blut ermittelt werden, so wird ein durchbluteter, leicht durchstrahlbarer Körperteil in den Strahlengang gebracht bzw. die Glühlampe 10 und die Halbleiterphotodioden 12, 14 werden auf entge­ gengesetzten Seiten des Körperteils, z.B. des Ohrläpp­ chens, angeordnet. Auf dem Weg durch das durchblutete Gewebe werden die Spektralanteile des von der Glühlampe ausgestrahlten Lichts unterschiedlich stark absorbiert. Der am wenigstens absorbierte Spektralanteil bestimmt den Farbeindruck. Seine Wellenlänge wird als Transmis­ sionswellenlänge bezeichnet.

Die Transmissionswellenlänge des im Blut für den Sauer­ stofftransport zuständigen Hämoglobin-Moleküls ändert sich stark in Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung. Die Abhängigkeit ist eine analoge Funktion, so daß über die Transmissionswellenlänge mit hoher Genauigkeit auf die Sauerstoffsättigung rückgeschlossen werden kann. Dabei entspricht hellrot einer starken Sättigung, die beim gesunden Menschen bei etwa 95 % liegt und dunkel­ rot einer schwachen Sättigung.

Für die Genauigkeit der Messungen spielt die Intensität des Lichts, die absolute Absorbtion des Gewebes oder seine Dicke in einem weiten Bereich keine Rolle. Dies liegt daran, daß sich die Einflüsse auf beide Halblei­ terphotodioden in gleicher Weise auswirken und bei der Division der Meßgrößen aus Zähler und Nenner bzw. Divi­ dent und Divisor herauskürzen. Wichtig ist allerdings dabei, daß beide Dioden 12, 14 den gleichen Ausschnitt des Strahlenbündels empfangen. Sonst könnten Inhomogeni­ täten zu Meßfehlern führen. Die Dioden sind zu diesem Zweck sehr eng benachbart angeordnet und können auch auf einen gemeinsamen Substrat ausgebildet sein. Dies hätte zudem den Vorteil, daß eine gemeinsame Kathode vorhanden ist und somit externe oder interne Brücken zur Einsparung von äußeren Verbindungsleitungen ent­ fallen können.

In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung zeigt Fig. 3 ein Blockschaltbild. Ergänzend zu der in Fig. 1 darge­ stellten Sensoranordnung ist bei dieser Ausgestaltung ein dritter Sensor in Form einer weiteren Halbleiter­ photodiode 50 vorhanden. Diese Diode dient der Intensi­ tätsmessung und erweitert so die Meßmöglichkeiten der Vorrichtung auch auf Untersuchungen, bei denen die Farbintensität eine Rolle spielt. Allerdings ist die­ se Erweiterung nur als Option gedacht und die Diode daher gestrichelt angedeutet. Die Dioden 12 und 14 sowie gegebenenfalls 50 bilden eine Kathode 20 auf dem selben Substrat aus. Dadurch kommt eine Sensor­ anordnung mit den Dioden 12 und 14 mit nur drei Ver­ bindungsleitungen zur Meßwerterfassungs- und Zuord­ nungsschaltung 16 aus, ohne daß es zusätzlich inter­ ner Brücken bedarf.

Die Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung 16 selbst umfaßt einen Multiplexer 30 zur zeitversetzten Anschal­ tung der Halbleiterphotodioden 12, 14 oder 50 an den selben Eingang, einen Analog-Digital-Wandler 32 mit vorzugsweise 14 Bit, einen Mikrorechner 34, ein Anzei­ gedisplay 36, vorzugsweise in Form einer Flüssigkristall­ anzeige, einen Alarmgeber 46 und ein Eingabeterminal 38. Über den Mikrorechner 34 besteht außerdem die Anschluß­ möglichkeit eines externen Druckers 60, Plotters, Spei­ chers oder Alarmgebers.

Der Mikrorechner 34 ist in üblicher Weise aufgebaut mit einer Zentraleinheit 62, einem Festwertspeicher 64 für das Betriebssystem und Anwenderprogramme, einem Schreib-Lese-Speicher 66 für Rechenoperationen und Datenzwischenspeicherungen, einer Eingabeschaltung 68 für die Meßwerte, einer Schnittstelle 40 für ex­ terne Peripheriegeräte sowie einen Datenbus 70. Zur Durchführung von Vergleichen mit eingegebenen Grenz­ werten sowie Messungen in zeitlichen Abständen sind noch Funktionsblöcke 42 für einen Zeitgeber und für einen Vergleicher 44 angedeutet. Da diese Funktionen aber programmgesteuert ablaufen, sind die Funktions­ blöcke 42, 44 dem Festwertspeicher 64 zugeordnet, in­ dem die Programmbefehle in Form von Schaltzuständen vorliegen.

Bei Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Untersuchungs­ vorrichtung wird zunächst über das Eingabeterminal 38 eine oder mehrere gewünschte Betriebsarten aufgerufen. Hierbei können einzelne Betriebsarten einer einzigen Taste oder einer Tastenkombination zugeordnet sein. Als Betriebsarten kommen z.B. in Frage: Eichen, Stoff­ art auswählen, Messen, Vergleichen, Messen in Zeitin­ tervallen, Umrechnen, Speichern, Drucken, Plotten, Funktionskontrolle.

Die aufgrund der Programmierung erzielten Meßergeb­ nisse werden auf dem Anzeigedisplay 36 angezeigt oder z.B. auf dem Drucker 60 ausgegeben. Wird die Vorrich­ tung zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung im arteri­ ellen Blut eingesetzt, so wird zweckmäßig die Betriebs­ art "Messen" in Verbindung mit der Betriebsart "Um­ rechnen" ausgewählt. Es werden dann fortlaufend im Zeitmultiplex abwechselnd der Meßwert der Diode 12 und derjenige der Diode 14 im Analog-Digital-Wandler 32 umgewandelt und in den Schreib-Lese-Speicher 66 übernommen. Die Werte werden dann jeweils dividiert, also z.B. der Meßwert der Diode 12 wird durch den Meß­ wert der Diode 14 geteilt.

Der Quotient stellt eine bestimmte Farbe oder Wellen­ länge dar, nämlich die aktuelle Transmissionswellenlän­ ge der Hämoglobin-Moleküle. Da jedoch zusätzlich zur Betriebsart "Messen" die Betriebsart "Umrechnen" auf­ gerufen ist, wird nicht die Transmissionswellenlänge angezeigt, sondern diese anhand einer gespeicherten Tabelle in Beziehung mit dem Sauerstoffsättigungsgrad in Prozent gebracht und dieser Wert angezeigt.

Eine solche Angabe ist z.B. bei der Geburtsüberwachung, in der Diagnostik, der Anästhesie oder im Training beim Leistungssport von Bedeutung.

Für eine Überwachung oder Meldung gefährlicher oder gar lebensbedrohlicher Situationen, z.B. in der Inten­ sivmedizin oder an umweltbelasteten Arbeitsplätzen, kann alternativ oder zusätzlich die Betriebsart "Ver­ gleichen" aufgerufen werden. In diesem Fall wird ein Grenzwert über das Eingabeterminal eingegeben, z.B. 60% als Sauerstoffsättigung. Wird im Zuge der fort­ laufenden Messung dieser Grenzwert erreicht oder gar unterschritten, so wird der interne Alarmgeber 46 oder auch ein externer aktiviert, damit Gegenmaßnahmen ge­ troffen werden können.

Für eine Langzeitüberwachung, um z.B. die Wirkung be­ stimmter Medikamente zu erforschen, kann auch die Be­ triebsart "Messen in Zeitintervallen" aufgerufen wer­ den. Die Messung erfolgt dann nicht kontinuierlich, son­ dern nur in den vorher über das Eingabeterminal 38 ein­ gegebenen zeitlichen Abständen. Die Registrierung für eine spätere Auswertung kann dann durch den Drucker 60, den Plotter oder den Speicher erfolgen. Diese Peri­ pheriegeräte lassen sich ebenfalls durch eine eigene Betriebsart ansprechen, die über das Eingabeterminal 38 einzugeben ist.

Fig. 4 zeigt schließlich noch eine praktische Ausge­ staltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in räum­ licher Darstellung. Hierbei ist die gesamte Meßwert­ erfassungs- und Zuordnungsschaltung 16 einschließlich des Ausgabedisplays 36, des Eingabeterminals 38 sowie Energieversorgungszellen in einem Kleingehäuse 48 un­ tergebracht, das etwa die Abmessungen eines Digital­ multimeters oder eines Taschenrechners aufweist.

Davon räumlich abgesetzt bilden die Glühlampe 10 mit den Halbleiterphotodioden 12 und 14 eine leicht hand­ habbare und an Ohrläppchen, Nase, Gliedmaßen oder Haut­ falten leicht anbringbare Einheit. Diese Einheit ist als Klammer 26 ausgebildet, deren einer Schenkel 22 die Glühlampe 10 und deren anderer Schenkel 24 die Dioden 12, 14 aufnimmt und über ein Kabel 28 mit der Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung 16 im Ge­ häuse 48 verbunden.

Die Vorrichtung ist daher sehr handlich, leicht und somit bequem am Körper zu tragen. Sie paßt außerdem in kleinste Zwischenräume des Inventars von Erste- Hilfe-Koffern oder Notarzttaschen, so daß sie überall sofort einsatzbereit ist.

Da, wie das Blockschaltbild erkennen läßt, handels­ übliche, hochintegrierte und ausgereifte Bauteile ver­ wendet werden können, sind auch die Herstellungskosten gering. Im Vergleich zu dem eingangs vorgestellten Gerät mit Kosten von 35 000,- Dollar an aufwärts wird hier mit einem Marktpreis von etwa 2000,- Dollar gerechnet. Dabei sind keine Genauigkeitseinbußen zu be­ fürchten.

Claims (23)

1. Verfahren zur Untersuchung von menschlichem oder tierischem Gewebe oder menschlicher oder tierischer Körperflüssigkeit auf einen bestimmten Stoffgehalt, ins­ besondere zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe oder die Körperflüssigkeit mit Licht eines kon­ tinuierlichen Spektrums durchstrahlt wird, daß aus dem durchgelassenen Licht wenigstens zwei einander über­ schneidende Spektralbereiche ausgewählt und gemessen werden, daß ein Meßwert des einen Spektralbereichs durch denjenigen des anderen Spektralbereichs dividiert wird und aus dem Quotienten ein lichtintentsitätsunabhängi­ ger Farbwert ermittelt wird, und daß der Farbwert ei­ nem Untersuchungsergebnis zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Licht kontinuierlichen Spektrums Glühlampenlicht mit Normlichtcharakteristik ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Spektralbereiche wenigstens den Bereich des sichtbaren Lichts abdecken.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ausgewählten Spektralbereiche sich von 380 bis 780 nm erstrecken.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die spektra­ le Auflösung 1 nm beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise der Farbwert oder das Untersuchungsergebnis angezeigt und/oder gespeichert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Unter­ suchungsergebnis mit einem einstellbaren Grenzwert ver­ glichen und bei Erreichen des Grenzwertes ein Alarmsig­ nal gegeben wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Unter­ suchungsergebnis in vorgegebenen zeitlichen Abständen gewonnen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Intensitätswerte des durchgelassenen Lichts gemessen und mit den Farbwerten gemeinsam ausgewertet werden.

10. Untersuchungsvorrichtung zur Untersuchung von menschlichem oder tierischem Gewebe oder mensch­ licher oder tierischer Körperflüssigkeit auf einen be­ stimmten Stoffgehalt, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (10) für ein kon­ tinuierliches Spektrum und in einem Abstand dazu Sen­ soren (12, 14) für unterschiedliche, einander überschnei­ dende Spektralbereiche vorgesehen sind, wobei der Ab­ stand höchstens gleich der maximal durchstrahlbaren Dicke des Gewebebereichs ist, und daß die Sensoren (12, 14) mit einer Meßwerterfassungs- und Zuordnungs­ schaltung (16) verbunden sind.

11. Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Glüh­ lampe (10) mit Normlichtcharakteristik dient.

12. Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (12, 14) wenigstens den Spektralbereich des sichtbaren Lichts abdecken, vorzugsweise zwischen 380 bis 780 nm empfind­ lich sind.

13. Untersuchungsvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren Halbleiterphotodioden (12, 14) unter­ schiedlicher Dotierung dienen.

14. Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterphotodioden integral in einem Gehäuse (18) angeordnet sind.

15. Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (20) der Halbleiterphotodioden (12, 14) ein gemeinsames Substrat oder wenigstens ein gemeinsames Potential bilden.

16. Untersuchungsvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) und die Sensoren (12, 14) in Schenkeln (22, 24) einer spreizbaren Klammer (26) an­ geordnet und über ein Kabel (28) mit der Meßwerter­ fassungs- und Zuordnungsschaltung (16) verbunden sind.

17. Untersuchungsvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 10-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung (16) einen Multiplexer (30) für die Sensoren, einen nachge­ schalteten Analog-Digital-Wandler (32), einen Mikro­ rechner (34) sowie ein Anzeigedisplay (36) umfaßt.

18. Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Wandler (32) eine Auflösung von wenigstens 14 Bit besitzt.

19. Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerter­ fassungs- und Zuordnungsschaltung (16) ein Eingabe­ terminal (38) und gegebenenfalls eine Schnittstelle (40) für einen externen Drucker, Plotter oder Spei­ cher umfaßt.

20. Untersuchungsvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 17-19, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung (16) einen einstellbaren Zeitgeber (42) für die Gewinnung von Untersuchungsergebnissen in vorgegebenen zeitlichen Abständen umfaßt.

21. Untersuchungsvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 17-20, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung (16) einen Vergleicher (44) für einen Vergleich des Unter­ suchungsergebnisses mit einem Grenzwert sowie einen Alarmgeber (46) und/oder einen Ausgang für einen Alarm­ geber umfaßt.

22. Untersuchungsvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 17-21, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungs- und Zuordnungsschaltung (16) einschließlich des Anzeigedisplays (36) und des Eingabe­ terminals (38) sowie Energieversorgungszellen in einem Kleingehäuse (48) angeordnet ist.

23. Untersuchungsvorrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche 10-22, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Sensor (50) zur Lichtintensitäts­ messung des durchgelassenen Lichtes sowie ein mit den Ausgangssignalen der anderen Sensoren (12, 14) gemein­ same Auswerteschaltung für Farbwerte vorgesehen ist.