DE3782416T2 - Vorrichtung zur messung der konzentrationsveraenderung eines blutpigmentes. - Google Patents

Vorrichtung zur messung der konzentrationsveraenderung eines blutpigmentes.

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DE3782416T2 DE19873782416 DE3782416T DE3782416T2 DE 3782416 T2 DE3782416 T2 DE 3782416T2 DE 19873782416 DE19873782416 DE 19873782416 DE 3782416 T DE3782416 T DE 3782416T DE 3782416 T2 DE3782416 T2 DE 3782416T2
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentrationsänderung eines Pigments im Blut in einem lebenden Gewebe.
  • Ein Verfahren, welches als Puls-Oximetrie bekannt ist, kann die Konzentration eines Pigments in dem arteriellen Blut in einem lebenden Gewebe auf nicht-invasive und kontinuierliche Weise messen. Allerdings beträgt die Anzahl der Messungen, die bei diesem Verfahren erreicht werden kann, gewöhnlich nur eine pro Herzschlag, und maximal nicht mehr als einige wenige Messungen. Dies rührt daher, daß es, um einen Meßwert durch Puls- Oximetrie zu erhalten, erforderlich ist, die Lichtmenge, die durch pulsierendes Blut hindurchgegangen ist, zumindest zu zwei Zeitpunkten zu messen, die um einen gewissen Betrag auseinander liegen müssen, um einen korrekten Meßwert sicherzustellen.
  • Das Verfahren der Puls-Oximetrie weist den Nachteil auf, daß bei einer sehr schnellen Änderung der Sauerstoffsättigung des Bluts oder in einem solchen Fall, in welchem die Ausgangsleistung des Herzschlags aus einer Pigmentverdünnungskurve berechnet werden soll, die durch Injizieren eines Pigments in ein Blutgefäß erhalten wurde, es unmöglich ist, die Konzentrationsänderung des Pigments auf wirklich vollständige Weise zu messen, unabhängig von dem Zyklus der Herzschläge.
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um diesen Nachteil des Verfahrens beim Stand der Technik zu eliminieren. Daher liegt ein Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Vorrichtung, welche die Konzentration eines Pigments im Blut auf nicht-invasive und vollständig kontinuierliche Weise durchführen kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt: eine Lichtmengendetektoreinrichtung zum kontinuierlichen Messen der Strahlungsmengen von Licht, welches unterschiedliche Wellenlängen aufweist, die durch lebendes Gewebe, welches pulsierendes Blut enthält, durchgelassen oder reflektiert wurden; eine erste Recheneinrichtung, die dann, wenn die Konzentration oder der Absorptionskoeffizient einer Licht absorbierenden Komponente in dem Blut sich in bezug auf Licht ändert, das eine der genannten Wellenlängen hat, die Strahlungsmengen durchgelassenen oder reflektierten Lichts mit diesen Wellenlängen berechnet, wenn sich das lebende Gewebe in einem Zustand der Ischemie befindet, auf der Grundlage der konstanten und pulsierenden Komponenten der Menge jeder Lichtstrahlung, die durch die Lichtdetektoreinrichtung gemessen wurde, sowohl bevor als auch nachdem die Änderung auftrat; und eine zweite Recheneinrichtung, welche kontinuierlich die Konzentration eines interessierenden Pigments in dem Blut dadurch ermittelt, daß sie Berechnungen auf der Grundlage der Berechnung durch die erste Recheneinrichtung und der Lichtstrahlungsmengen durchführt, die von der Lichtmengendetektoreinrichtung gemessen wurden.
  • Die Änderung der Konzentration einer Licht absorbierenden Komponente kann auch als die Änderung des Absorptionsvermögens von Blut ausgedrückt werden, so daß bei der nachfolgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung die Diskussion unter Bezugnahme auf die Änderung des Absorptionskoeffizienten erfolgt. Die Lichtmengen-Meßeinrichtung, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird, mißt die Lichtmenge, die durch ein lebendes Gewebe hindurchgelassen oder reflektiert wurde. Der Begriff "durch ein lebendes Gewebe reflektierte Lichtstrahlung" bezeichnet das auf ein lebendes Gewebe auftreffende Licht, welches innen gebrochen wird, so daß es außerhalb des Gewebes gelangt. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich allein auf durchgelassenes Licht, jedoch wird darauf hingewiesen, daß dieselbe Erläuterung für reflektiertes Licht gilt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 2 und 3 sind Diagramme, welche das Betriebsprinzip der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung erläutern.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende Weise betrieben. Die Bedienungsperson veranlaßt zunächst eine Änderung des Absorptionskoeffizienten von Blut in bezug auf eine Lichtstrahlung, die eine Wellenlänge aufweist. Die erste Recheneinrichtung ermittelt die konstanten und pulsierenden Komponenten der Menge jeder der Strahlungen durchgelassenen Lichts, welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, auf der Grundlage ihrer Mengen, die von der Lichtmengendetektoreinrichtung sowohl vor als auch nach der Änderung gemessen wurden, und berechnet aus den ermittelten Werten den ischemischen Pegel, oder die Menge jeder Strahlung durchgelassenen Lichts, wenn sich ein untersuchtes, lebendes Gewebe in einem Zustand der Ischemie befindet. Die zweite Recheneinrichtung berechnet kontinuierlich die Konzentration eines interessierenden Pigments im Blut auf der Grundlage der Ischemie-Pegel, die von der ersten Recheneinrichtung berechnet wurden, und der Lichtstrahlungsmengen, die von der Lichtmengendetektoreinrichtung gemessen wurden.
  • Das Betriebsprinzip einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
  • Strahlungen von Licht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen, λ&sub1; und λ&sub2;, gehen durch ein lebendes Gewebe hindurch, und der Absorptionskoeffizient von Blut in bezug auf eine Wellenlänge, λ&sub1;, wird an einem bestimmten Zeitpunkt geändert, beispielsweise durch Injizieren eines Pigments in ein Blutgefäß. Fig. 2 zeigt die sich ergebenden Änderungen der Mengen zweier Strahlungen durchgelassenen Lichts, I&sub1; und I&sub2;. Wie gezeigt unterliegen die Werte von I&sub1; und I&sub2; einer Änderung in Reaktion auf Blutpulsationen. In Fig. 2 werden die konstante und pulsierende Komponente durchgelassenen Lichts mit einer Wellenlänge λ&sub1; (oder λ&sub2;), bevor der Absorptionskoeffizient geändert wurde, durch I&sub1;&sub1; (oder I&sub2;&sub1;) bzw. ΔI&sub1;&sub1; (oder Δλ&sub2;&sub1;) ausgedrückt, und die konstante und pulsierende Komponente durchgelassenen Lichts mit einer Wellenlänge λ&sub1; (oder λ&sub2;), nachdem der Absorptionskoeffizient geändert wurde, werden durch I&sub1;&sub2; (oder I&sub2;&sub2;) bzw. ΔI&sub1;&sub2; (oder ΔI&sub2;&sub2;) ausgedrückt. Hierbei wird nunmehr angenommen, daß der Absorptionskoeffizient von Blut in bezug auf Licht mit der Wellenlänge λ&sub1; vor der Änderung gleich E&sub1;&sub1; war, und E&sub2;&sub1; nach der Änderung. Andererseits nimmt der Absorptionskoeffizient von Blut in bezug auf Licht mit der Wellenlänge λ&sub2; einen konstanten Wert von E&sub2; an.
  • Werden die Lichtstrahlungsmengen mit Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2;, die in einem Zustand der Ischemie durch ein lebendes Gewebe hindurchgegangen sind, als I&sub1;&sub0; bzw. I&sub2;&sub0; bezeichnet, so gelten die nachstehenden Gleichungen entsprechend der allgemeinen Formel zur Ermittlung der Absorption von Licht, welches ein lebendes Gewebe durchquert hat:
  • log {I&sub1;&sub0;/(I&sub1;&sub1; - ΔI&sub1;&sub1;)} = E&sub1;&sub1;C(D&sub1; + ΔD&sub1;) (1)
  • log {I&sub1;&sub0;/(I&sub1;&sub2; - ΔI&sub1;&sub2;)} = E&sub1;&sub2;C(D&sub2; + ΔD&sub2;) (2)
  • log {I&sub2;&sub0;/(I&sub2;&sub1; - ΔI&sub2;&sub1;)} = E&sub2;C(D&sub1; + ΔD&sub1;) (3)
  • log {I&sub2;&sub0;/(I&sub2;&sub2; - ΔI&sub2;&sub2;)} = E&sub2;C(D&sub2; + ΔD&sub2;) (4)
  • wobei C die Konzentration des im Blut enthaltenen Pigments angibt; D&sub1; und ΔD&sub1; die konstante bzw. pulsierende Komponente der Dicke einer Blutschicht bezeichnen, bevor der Absorptionskoeffizient geändert wurde; und D&sub2; und ΔD&sub2; die konstante bzw. pulsierende Komponente der Dicke einer Blutschicht bezeichnen, nachdem der Absorptionskoeffizient geändert wurde.
  • Da ΔlogI = logI - log(I - ΔI) ist, läßt sich Gleichung (1) wie nachstehend angegeben umschreiben:
  • logI&sub1;&sub0; - logI&sub1;&sub1; + ΔlogI&sub1;&sub1; = E&sub1;&sub1;CD&sub1; + E&sub1;&sub1;CΔD&sub1;.
  • Die Gleichungen (2) bis (4) lassen sich auf entsprechende Weise umschreiben. Wenn die pulsierende und konstante Komponente getrennt aus jeder der umgeschriebenen Gleichungen herausgezogen werden, gelten die nachstehend angegebenen Beziehungen:
  • pulsierende Komponenten:
  • ΔlogI&sub1;&sub1; = E&sub1;&sub1; CΔD&sub1; (5)
  • ΔlogI&sub1;&sub2; = E&sub1;&sub2; CΔD&sub2; (6)
  • ΔlogI&sub2;&sub1; = E&sub2; CΔD&sub1; (7)
  • ΔlogI&sub2;&sub2; = E&sub2; CΔD&sub2; (8)
  • konstante Komponenten:
  • log(I&sub1;&sub0;/I&sub1;&sub1;) = E&sub1;&sub1;CD&sub1; (9)
  • log(I&sub1;&sub0;/I&sub2;&sub1;) = E&sub2;&sub1;CD&sub2; (10)
  • log(I&sub2;&sub0;/I&sub2;&sub1;) = E&sub2;CD&sub1; (11)
  • log(I&sub2;&sub0;/I&sub2;&sub2;) = E&sub2;CD&sub2; (12)
  • Gleichung (5) wird durch Gleichung (7) geteilt, und der Quotient als Φ&sub2; bezeichnet. Auf entsprechende Weise wird Gleichung (6) durch Gleichung (8) geteilt, und der Quotient als 2 bezeichnet. Dies ergibt die folgenden Ergebnisse:
  • Φ&sub1; = E&sub1;&sub1;/E&sub2; = ΔlogI&sub1;&sub1;/ΔlogI&sub2;&sub1; (13)
  • Φ&sub2; = E&sub2;&sub1;/E&sub2; = ΔlogI&sub1;&sub2;/ΔlogI&sub2;&sub2; (14)
  • Durch Messung der Werte für ΔlogI&sub1;&sub1;, ΔlogI&sub2;&sub1;, ΔlogI&sub1;&sub2; und ΔlogI&sub2;&sub2; lassen sich Φ&sub1; und Φ&sub2; aus den Gleichungen (13) und (14) bestimmen.
  • Aus den Gleichungen (9) und (11) wird die folgende Beziehung erhalten:
  • log(I&sub1;&sub0;/I&sub1;&sub1;)/log(I&sub2;&sub0;/I&sub2;&sub1;) = E&sub1;&sub1;E&sub2;
  • Da E&sub1;&sub1;E&sub2; = Φ&sub1; ist (vergl. Gleichung (13)), so gilt
  • Φ&sub1; = log(I&sub1;&sub0;/I&sub1;&sub1;)/log(I&sub2;&sub0;/I&sub2;&sub1;) (15).
  • Auf entsprechende Weise wird aus den Gleichungen (10) und (12) die nachstehende Gleichung abgeleitet:
  • Φ&sub2; = log(I&sub1;&sub0;/I&sub1;&sub2;)/log(I&sub2;&sub0;/I&sub2;&sub2;) (16)
  • Aus den Gleichungen (15) und (16) folgt
  • logI&sub1;&sub0; = {Φ&sub1;Φ&sub2;log(I&sub2;&sub2;/I&sub2;&sub1;) - Φ&sub1;logI&sub1;&sub2; + Φ&sub2;logI&sub1;&sub1;)}/(Φ&sub2; - Φ&sub1;) (17)
  • logI&sub2;&sub0; = {Φ&sub2;logI&sub2;&sub2; - Φ&sub1;logI&sub2;&sub1; + log(I&sub1;&sub1;/I&sub1;&sub2;)}/(Φ&sub2; - Φ&sub1;) (18)
  • Durch Ermittlung der Werte von Φ&sub1;, Φ&sub2;, I&sub1;&sub1;, I&sub1;&sub2;, I&sub2;&sub1; und I&sub2;&sub2; lassen sich zwei ischemische Pegel I&sub1;&sub0; und I&sub2;&sub0; aus Gleichung (17) bzw. (18) berechnen.
  • Unter Verwendung der so ermittelten ischemischen Pegel I&sub1;&sub0; und I&sub2;&sub0; wird eine Pigmentverdünnungskurve auf die nachstehend angegebene Weise konstruiert.
  • Zunächst wird angenommen, daß ein Pigment, welches in ein Blutgefäß injiziert werden soll, einen Absorptionskoeffizienten Eg in bezug auf Licht mit einer Wellenlänge λ&sub1; aufweist, und einen Wert von Null (keine Lichtabsorption) in bezug auf Licht mit einer Wellenlänge λ&sub2;. Weiter wird angenommen, daß dieses Pigment im Blut in einer Konzentration Cg vorliegt. Das Hämoglobin im Blut soll einen Absorptionskoeffizienten Eb1 in bezug auf Licht mit einer Wellenlänge λ&sub1; und Eb2 in bezug auf Licht mit einer Wellenlänge λ&sub2; haben.
  • Die Lichtmenge mit der Wellenlänge λ&sub1;, die durch ein lebendes Gewebe hindurchgegangen ist, ist eine Funktion der Zeit und kann als I&sub1;(t) geschrieben werden. Auf entsprechende Weise kann die Lichtmenge mit der Wellenlänge λ&sub2;, die durch das lebende Gewebe hindurchgegangen ist, als I&sub2;(t) geschrieben werden. D ist eine Funktion der Zeit und kann daher als D(t) ausgedrückt werden. Fig. 3 zeigt die zeitlichen Änderungen von I&sub1;(t) und I&sub2;(t), die vor und nach der Injektion eines Pigments gemessen wurden. Unter Verwendung der ischemischen Pegel I&sub1;&sub0; und I&sub2;&sub0; kann die Absorption von Licht, welches eine Blutschicht durchquert hat, die eine Dicke D aufweist, wie nachstehend angegeben ausgedrückt werden:
  • log {I&sub1;&sub0;/I&sub1;(t)} = Eb1CbD(t) + EgCgD(t) (19)
  • log {I&sub2;&sub0;/I&sub2;(t)} = Eb2CbD(t) (20)
  • Nunmehr wird Gleichung (19) durch Gleichung (20) geteilt und der Quotient wie nachstehend angegeben geschrieben:
  • Ψ(t) = log {I&sub1;&sub0;/I&sub1;(t)}/logI&sub2;&sub0;/I&sub2;(t) (21)
  • Dann erhält man die folgende Beziehung:
  • Ψ(t) = (Eb1 Cb + EgCg)/Eb2Cb (22)
  • Gleichung (22) kann wie folgt umgeschrieben werden:
  • Cg = {Ψ(t) - (Eb1/Eb2)}·(Eb2/Eg)·Cb (23)
  • Da Eb1/Eb2 gleich E&sub1;&sub1;/E&sub2; ist (beide Werte geben das Verhältnis des Absorptionskoeffizienten von Hämoglobin im Blut für Licht mit einer Wellenlänge λ&sub1; zu dem von Hämoglobin im Blut für Licht mit einer Wellenlänge λ&sub2; an)
  • Eb1/Eb2 = ΔlogI&sub1;&sub1;/ΔlogI&sub2;&sub1; = Φ&sub1; (24)
  • Daher kann Gleichung (23) umgeschrieben werden, entweder als:
  • Cg = {Ψ(t) - Φ&sub1;)·(Eb2/Eg)·Cb (25)
  • oder als:
  • Cg = {log(I&sub1;&sub0;/I&sub1;(t))/log(I&sub2;&sub0;/I&sub2;(t)
  • - Φ&sub1;} (Eb2/Eg)Cb (26)
  • In diesen Gleichungen ist Eb2/Eg bekannt, Cb kann durch tatsächliche Messung von gesammeltem Blut ermittelt werden, und Φ&sub1;, I&sub1;&sub0; und I&sub2;&sub0; können auf die bereits beschriebene Weise berechnet werden. Daher kann die zeitabhängige Änderung der Konzentration eines interessierenden Pigments im Blut über einen ausreichend kontinuierlichen Zeitraum bestimmt werden.
  • Ein Beispiel für die Vorrichtung, die ausgelegt ist, daß sie nach dem voranstehend beschriebenen Prinzip arbeitet, wird nachstehend beschrieben.
  • Fig. 10 ist ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung. In der Figur wird eine Lichtquelle durch die Bezugsziffer 1 bezeichnet. Von dieser Lichtquelle 1 ausgehendes Licht wird an Lichtempfangselemente 4 und 5 über eine optische Faser 2 bzw. 3 übertragen. Das Filter 2 überträgt Licht mit einer Wellenlänge λ&sub1;, und das Filter 3 überträgt Licht mit einer Wellenlänge λ&sub2;. Verstärkerschaltungen 6 und 7 verstärken die Ausgangssignale von den Lichtempfangselementen 4 bzw. 5. Die optischen Fasern 2 und 3, die Lichtempfangselemente 4 und 5, und die Verstärkerschaltungen 6 und 7 wirken zusammen, um eine Lichtmengendetektoreinrichtung auszubilden.
  • Die Ausgangssignale von der Verstärkerschaltung 6 bzw. 7 werden einer Logarithmus-Berechnungsschaltung 8 bzw. 9 zugeführt.
  • Jede der Schaltungen 8 und 9 wandelt den Wert des zugeführten Signals in einen logarithmischen Wert um, und gibt ein Signal aus, welches diesen logarithmischen Wert anzeigt. Das Ausgangssignal von der Schaltung 8 wird sowohl einer Pulsationskomponenten-Herausziehschaltung 10, als auch Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 11 und 12 sowie einer Subtraktionsschaltung 13 zugeführt. Das Ausgangssignal von der Schaltung 9 wird sowohl einer Pulsationskomponenten-Herausziehschaltung 14, als auch Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 15 und 16 sowie einer Subtraktionsschaltung 17 zugeführt. Die Schaltungen 10 und 14 ziehen die Pulsationskomponenten der Ausgangssignale von den Logarithmusberechnungsschaltungen 8 und 9 heraus und geben die herausgezogenen Pulsationskomponenten an eine Teilerschaltung 20 aus. Die Teilerschaltung 20 teilt den Wert des Ausgangssignals von der Pulsationskomponenten-Herausziehschaltung 10 durch den Wert des Ausgangssignals von der Pulsationskomponenten Herausziehschaltung 14, und liefert ein entsprechende Signal sowohl an eine Φ&sub1;-Speicherschaltung 21 als auch eine Φ&sub2; Speicherschaltung 22. Die Ausgangssignale von den Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 11 und 12 und von der Φ&sub1;- Speicherschaltung 21 werden einer Ischemiepegel-Berechnungsschaltung 23 zugeführt, und die Ausgangssignale von den Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 15 und 16 und von der Φ&sub2;-Speicherschaltung 22 werden einer Ischemiepegel-Berechnungsschaltung 24 zugeführt. Sämtliche voranstehend angegebenen Schaltungen werden auf solche Weise gesteuert, daß sie mit einem Takt betrieben werden, dessen Werte durch eine Steuerschaltung (nicht gezeigt) vorbestimmt sind.
  • Die Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 11 und 12 ziehen, in Reaktion auf ein Taktsignal von der Steuerschaltung, die Konstantkomponenten des Ausgangssignals von der Logarithmus-Berechnungsschaltung 8 heraus, und speichern die herausgezogenen Komponenten. Die Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 15 und 16 ziehen, in Reaktion auf ein Taktsignal von der Steuerschaltung, die Konstantenkomponenten des Ausgangssignals von der Logarithmus-Berechnungsschaltung 9 heraus, und speichern die herausgezogenen Komponenten. Jede der Φ&sub1;- und Φ&sub2;-Speicherschaltungen 21 und 22 speichert die Werte des Ausgangssignals von der Teilerschaltung 20 in Reaktion auf ein Taktsignal von der Steuerschaltung. Die Ischemiepegel-Berechnungsschaltung 23 (oder 24) führt erforderliche Berechnungen auf der Grundlage der Werte durch, die in den Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 11 und 12 (oder 15 und 16) und in der Φ&sub1;-Speicherschaltung 21 (oder der Φ&sub2;-Speicherschaltung 22) gespeicherten Werte, bestimmt den Logarithmus des Ischemiepegels für Licht mit einer Wellenlänge λ&sub1; (oder λ&sub2;), und speichert den ermittelten logarithmischen Wert. Die Logarithmus-Berechnungsschaltung 8 und 9, die Pulsationskomponenten-Herausziehschaltungen 10 und 14, die Teilerschaltung 20, die Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 11, 12, 15 und 16, die Φ&sub1;-Speicherschaltung 21, die Φ&sub2;-Speicherschaltung 22, und die Ischemiepegel- Berechnungsschaltungen 23 und 24 wirken zusammen, um die erste Recheneinrichtung auszubilden.
  • Durch 13 und 17 in Fig. 1 sind Subtraktionsschaltungen bezeichnet. Der Subtrahierer 13 (oder 17) bestimmt die Differenz zwischen dem Wert des Ausgangssignals von den Ischemiepegel-Berechnungsschaltungen 23 (oder 24) und dem Wert des Ausgangssignals von den Logarithmus-Berechnungsschaltungen 8 (oder 9), und gibt die Differenz an eine Teilerschaltung 25 aus. Die Teilerschaltung 25 teilt den Wert des Ausgangssignals von den Subtraktionsschaltungen 13 durch den Wert des Ausgangssignals von dem Subtrahierer 17, und gibt die Ergebnisse an eine Subtraktionsschaltung 26 aus. Die Subtraktionsschaltung 26 bestimmt die Differenz zwischen dem Wert des Ausgangssignals von der Teilerschaltung 25 und dem Wert des Ausgangssignals von der Φ&sub1;-Speicherschaltung 21, und gibt das Ergebnis an eine Multiplizierschaltung 27 ab. Die Multiplizierschaltung 27 multipliziert den Wert des Ausgangssignals von der Subtraktionsschaltung 26 mit einem Wert, der dem in einer Speicherschaltung 28 gespeicherten Wert zugeordnet ist, und gibt das Ergebnis an eine Aufzeichnungseinheit 29 aus. Die Speicherschaltung 28 speichert einen extern eingestellten Wert der Hämoglobinkonzentration im Blut. Die Logarithmus-Berechnungsschaltungen 8 und 9, die Subtraktionsschaltungen 13 und 17, die Teilerschaltung 25, die Subtraktionsschaltung 26, die Multiplizierschaltung 27, und die Speicherschaltung 28 wirken zusammen, zur Ausbildung einer zweiten Recheneinrichtung.
  • Die Vorrichtung mit dem voranstehend beschriebenen Aufbau wird auf die nachstehend angegebene Weise betrieben.
  • Im ersten Schritt präpariert die Bedienungsperson eine Probe des zu analysierenden lebenden Gewebes und setzt die Probe 30 zwischen die Lichtquelle 1 und jedes der optischen Filter 2 und 3. Dies führt dazu, daß die Logarithmus-Berechnungsschaltungen 8 und 9 Signale ausgeben, die logI&sub1; (t) bzw. log I&sub2;(t) repräsentieren, also die Logarithmen von I&sub1;(t) und I&sub2;(t), welche die Lichtstrahlungsmengen mit Wellenlängen von λ&sub1; und λ&sub2; anzeigen, die durch die Probe 30 hindurchgelangt sind. Die voranstehend erwähnte Steuerschaltung (nicht gezeigt) gibt ein vorbestimmtes Taktsignal sowohl an die Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 11 und 15 als auch an die Φ&sub1;-Speicherschaltung 21 ab. In Reaktion auf dieses Taktsignal zieht die Schaltung 11 (oder 15) die konstante Komponente pro Herzschlag des Signalwertes heraus, der von der Logarithmus-Berechnungsschaltung 8 (oder 9) geliefert wird, über einen vorgegebenen Zeitraum, berechnet durch Durchschnitt der herausgezogenen konstanten Komponenten, und speichert den berechneten Mittelwert. Der in der Konstantkomponentenschaltung 11 gespeicherte Wert ist logI&sub1;&sub1;, gezeigt in Fig. 2, der den Logarithmus von I&sub1;&sub1; angibt, oder die Menge des hindurchgelassenen Lichts mit der Wellenlänge λ&sub1;, und der in der Konstantkomponentenschaltung 15 gespeicherte Wert ist logI&sub2;&sub1;, ebenfalls in Fig. 2 gezeigt, der der Logarithmus von I&sub2;&sub1; ist, oder die Menge durchgelassenen Lichts mit der Wellenlänge λ&sub2;. Die Φ&sub1;-Speicherschaltung 21 ermittelt ebenfalls den Mittelwert der Signalwerte, die pro Herzschlag von der Teilerschaltung 20 geliefert werden, über dieselbe Zeitdauer, und speichert diesen Mittelwert. Der in der Φ&sub1;- Speicherschaltung 21 gespeicherte Wert ist Φ&sub1;, der durch Gleichung (13) gegeben ist.
  • In dem nächsten Schritt verursacht die Bedienungsperson eine Änderung des Absorptionskoeffizienten des Bluts in der Probe 30 in bezug auf Licht mit der Wellenlänge λ&sub1;. Dies kann dadurch erfolgen, daß die Sauerstoffsättigung des Bluts geändert wird, oder ein Pigment in eine Vene injiziert wird. Nach dem Auftreten einer Änderung des Absorptionskoeffizienten des Bluts liefert die (nicht gezeigte) Steuerschaltung ein vorbestimmtes Taktsignal sowohl an die Konstantkomponenten-Herausziehschaltungen 12 und 16 als auch an die Φ&sub2;-Speicherschaltung 22. In Reaktion auf dieses Taktsignal zieht die Konstantkomponenten-Herausziehschaltung 12 (oder 16) die konstante Komponente pro Herzschlag des Signalwertes heraus, der von der Logarithmus-Berechnungsschaltung 8 (oder 9) zugeführt wird, über einen vorgegebenen Zeitraum, berechnet den Mittelwert dieser konstanten Komponenten, und speichert den berechneten Mittelwert. Der in der Konstantkomponenten-Herausziehschaltung 12 gespeicherte Wert ist logI&sub1;&sub2;, gezeigt in Fig. 2, also der Logarithmus von I&sub1;&sub2;, oder die Menge durchgelassenen Lichts mit der Wellenlänge λ&sub1;, und der in der Konstantkomponenten-Herausziehschaltung 16 gespeicherte Wert ist logI&sub2;&sub2;, ebenfalls in Fig. 2 gezeigt, also der Logarithmus von I&sub2;&sub2; oder die Menge hindurchgelassenen Lichts mit der Wellenlänge λ&sub2;. Die Φ&sub2;-Speicherschaltung 22 ermittelt ebenfalls den Mittelwert der Signalwerte, die pro Herzschlag von der Teilerschaltung 20 zugeführt werden, über einen zweiten Zeitraum, der dieselbe vorbestimmte Länge aufweist, und speichert diesen Mittelwert. Der in der Φ&sub2;-Speicherschaltung 22 gespeicherte Wert ist Φ&sub2;, das durch Gleichung (14) gegeben ist.
  • Die (nicht gezeigte) Steuerschaltung liefert dann ein vorbestimmtes Taktsignal an beide Ischemiepegel-Berechnungsschaltungen 23 und 24. In Reaktion auf dieses Signal berechnet die Ischemiepegel-Berechnungsschaltung 23 (oder 24) logI&sub1;&sub0; (oder logI&sub2;&sub0;), also den Logarithmus des Ischemiepegels I&sub1;&sub0; (oder I&sub2;&sub0;), entsprechend Gleichung (17) (oder 18)).
  • In einem darauffolgenden Schritt injiziert die Bedienungsperson in die Probe 30 ein Pigment, dessen Konzentration gemessen werden soll. Die Subtraktionsschaltung 13 (oder 17) berechnet die Differenz zwischen logI&sub1;&sub0; (oder logI&sub2;&sub0;), der in der Ischemiepegel-Berechnungsschaltung 23 (oder 24) gespeichert ist, und logI&sub1;(t) (oder logI&sub2;(t)), der von der Logarithmus-Berechnungsschaltung 8 (oder 9) geliefert wird, und gibt die Differenz an die Teilerschaltung 25 aus. Daher gibt die Teilerschaltung 25 Ψ(t) aus, das durch Gleichung (21) gegeben ist. Dann berechnet die Subtraktionsschaltung 26 die Differenz zwischen Ψ(t) und dem Wert von Φ&sub1;, der in der Φ&sub1;-Speicherschaltung 21 gespeichert ist, und gibt die Differenz an die Multiplizierschaltung 27 aus. Die Multiplizierschaltung 27 hält einen vorher geladenen Wert von (Eb2/ Eg)·Cb, wobei die Komponente Cb von der Speicherschaltung 28 geliefert wird, und in dem diskutierten Fall die Konzentration von Hämoglobin in dem Blut angibt, das vorher aus der Probe des lebenden Gewebes 30 gesammelt wurde. Die Multiplizierschaltung 27 multipliziert den Wert von (Ψ(t) - Φ&sub1;) von der Subtraktionsschaltung 26 mit Eb2/Eg)·Cb, und gibt das Produkt an die Aufzeichnungseinheit 29 aus. Auf diese Weise ermittelt die Multiplizierschaltung 27 Cg(t) mittels Durchführung von Berechnungen entsprechend Gleichung (25) oder (26). Die Werte von Cg(t) werden durch die Einheit 29 auf vollständig kontinuierliche Weise aufgezeichnet.
  • Bei der beschriebenen Ausführungsform werden Φ&sub2;, logI&sub1;&sub2; und logI&sub2;&sub2;, die bei der Berechnung ischemischer Pegel verwendet werden sollen, dadurch bestimmt, daß nur ein einziger Wert jedes Parameters pro Herzschlag erhalten und die Einzelwerte gemittelt werden, wie im Falle der Ermittlung ziemlich stabiler Werte von Φ&sub1;, logI&sub1;&sub1; und logI&sub2;&sub1; (also der Werte vor der Injektion des Pigments). Allerdings kann dieses Verfahren nicht die korrekten Werte zur Verfügung stellen, da Φ&sub2;, logI&sub1;&sub2; und logl&sub2;&sub2;, welche die Werte darstellen, die entweder nach der Pigmentinjektion oder nach der Änderung der Sauerstoffsättigung des Bluts erhalten wurden, deutliche Änderungen erfahren haben. Zur Eliminierung dieser Schwierigkeit werden Φ&sub2;, logI&sub1;&sub2; und logI&sub2;&sub2; so berechnet, daß zunächst mehrere Werte für jeden Parameter aus den Daten für einen Herzschlag erhalten werden, und dann diese Werte gemittelt werden. Dann werden die so ermittelten Werte für jeden Herzschlag unverändert gespeichert. Bei der Ermittlung ischemischer Pegel werden die Werte von Φ&sub2;, logI&sub1;&sub2; und logI&sub2;&sub2; für jeden Herzschlag mit denen für Φ&sub1;, logI&sub1;&sub1; und logI&sub2;&sub1; für jeden Herzschlag kombiniert (der Wert jedes Parameters in der zweiten Gruppe ist stabil und kann dadurch bestimmt werden, daß die Werte für mehrere Herzschläge gemittelt werden, wie voranstehend angegeben ist), um so logI&sub1;&sub0; und logI&sub2;&sub0; für jeden Herzschlag zu berechnen. Nach Berechnung dieser Werte von logI&sub1;&sub0; und logI&sub2;&sub0; werden die Werte innerhalb des Bereichs, in welchem die Pigmentkonzentration genügend hoch ist, so daß sie ziemlich stabil ist, ausgewählt und gemittelt. Die so erhaltenen Werte für logI&sub1;&sub0; und logI&sub2;&sub0; sind äußerst verläßlich und lassen die korrekte Messung der Änderung der Pigmentkonzentration zu.
  • Beim Arbeiten mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung muß die Bedienungsperson eine vorgeschriebene Abfolge von Bedienungsschritten durchführen, jeweils für den Fall der Ermittlung ischemischer Pegel und für den Fall der Konstruktion einer Pigmentverdünnungskurve Cg(t) auf der Grundlage der so ermittelten ischemischen Pegel. Falls gewünscht kann die Bedienungsperson ein Pigment zu einem bestimmten Zeitpunkt injizieren, sämtliche Werte von logI&sub1;(t) und logI&sub2;(t) in kontinuierlicher Weise über einen Zeitraum einschließlich dieses Zeitpunkts aufzeichnen, ischemische Pegel durch nachfolgende Analyse der aufgezeichneten Daten ermitteln, und eine Pigmentverdünnungskurve auf der Basis der so ermittelten Ischemiepegel konstruieren. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, daß die Bedienungsperson nur einmal ein Pigment in die Probe lebenden Gewebes einspritzen muß, die analysiert werden soll.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus Analogschaltungen. Allerdings lassen sich schnellere und genauere Messungen dadurch erhalten, daß eine A/D-Wandlung der Signale durchgeführt wird, die von der Lichtmengendetektoreinrichtung produziert werden, und dann die nachfolgende Bearbeitung mit einem elektronischen Computer durchgeführt wird.
  • Zwar werden bei der voranstehenden Ausführungsform eine einzige Lichtquelle und zwei lichtempfangende Elemente verwendet, jedoch ist es offensichtlich, daß die Erfindung nicht hierdurch und hierauf beschränkt ist. Es ist beispielsweise möglich, ein einziges lichtempfangendes Element für zwei alternierend leuchtende Lichtquellen in zeitunterteilter Weise zu verwenden.
  • Wie auf den voranstehenden Seiten beschrieben wurde, kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Änderung der Konzentration eines Pigments im Blut auf ziemlich nichtinvasive und vollständig kontinuierliche Weise durchführen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Messen der Konzentrationsveränderung eines Blutpigments, enthaltend:
Eine Lichtmengendetektoreinrichtung (2-7) zum kontinuierlichen Ermitteln der Lichtstrahlungsmengen (I&sub1;(t), I&sub2;(t)) unterschiedlicher Wellenlängen (λ&sub1;, λ&sub2;), die von einem lebenden Gewebe (30), das pulsierendes Blut enthält, durchgelassen oder reflektiert werden; eine erste Recheneinrichtung (8 + 12, 14-16, 20-24), die, wenn die Konzentration oder der Absorptionskoeffizient einer Licht absorbierenden Komponente in dem Blut sich bezüglich Licht ändert, das eine der genannten Wellenlängen (λ&sub1;, λ&sub2;) hat, die Strahlungsmengen (I&sub1;&sub0;, I&sub2;&sub0;) von durchgelassenem oder reflektiertem Licht der Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, wenn das lebende Gewebe in einem Ischemia-Zustand ist, auf der Grundlage der konstanten und pulsierenden Komponenten der Menge jeder Lichtstrahlung berechnet, die durch die Lichtmengendetektoreinrichtung sowohl vor als auch nach dem Auftreten der Änderung ermittelt worden ist; und eine zweite Recheneinrichtung (13, 17, 25-29), die kontinuierlich die Konzentration (Cg(t)) eines interessierenden Pigments in dem Blut bestimmt durch Ausführung von Rechnungen auf der Grundlage der Berechnungsergebnisse (I&sub1;&sub0;, I&sub2;&sub0;) der ersten Recheneinrichtung und auf der Grundlage der Lichtstrahlungsmengen (I&sub1;(t), I&sub2;(t)), die von der Lichtmengendetektoreinrichtung ermittelt worden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Recheneinrichtung ein Prozessor ist, der eine digitale Verarbeitung des Ausgangs der Lichtmengendetektoreinrichtung ausführt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Recheneinrichtung ein Prozessor ist, der eine digitale Verarbeitung der Ausgänge der Lichtmengendetektoreinrichtung und der ersten Recheneinrichtung ausführt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die zweite Recheneinrichtung ein Prozessor ist, der eine digitale Verarbeitung der Ausgänge der Lichtmengendetektoreinrichtung und der ersten Recheneinrichtung ausführt.
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