DE3804616A1 - Stethoskop mit vorrichtung und verfahren zur erfassung, auswertung und darstellung verschiedener biosignale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stethoskop, das durch zusätzliche Vorrichtungen - Sensoren und Elektronik - eine Gewinnung und Auswertung verschiedener Biosignale an Men­ schen und ihre optische Darstellung erlaubt. Ableitbare Biosignale sind EKG (Elektrokardiogramm), PKG (Phonokardio­ gramm), verschiedene Pulskurven, Korotkoffgeräusche, Lun­ gengeräusche (usw.).

In der Medizin ist das Stethoskop nach wie vor das Instru­ ment für erste Untersuchungen und Diagnosen. Geräusche und Töne des Herzens sowie der Arterien (Korotkoff-Geräusche) werden vom Arzt mit dem Stethoskop auskultiert, um Erkran­ kungen und Abnormitäten bei der Vorfelduntersuchung festzu­ stellen. Eine präzise Diagnose erfolgt mit Hilfe weiterer Informationen aus den o.g. Biosignalen. Liegen diese Infor­ mationen gleichzeitig vor, wird die Diagnoseaussage siche­ rer.

Es gibt eine Reihe von Erfindungen, die eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften durch geometrische Gestal­ tung, Materialauswahl und elektroakustische Signalwandlung anstreben (so z.B. Deutsche Patentanmeldung Nr. DE 30 13 46 602). Stethoskope nutzen nur die akustische Informa­ tion des Schallsignals. Weitere, für die Diagnose relevante Informationen aus den Biosignalen werden mit Stethoskopen nicht genutzt. Unabhängig davon bleibt es Sache der Erfah­ rung und Übung, die subjektiv wahrnehmbaren Klangphänomene den zugehörigen Krankheitsbildern zuzuordnen. Erschwerend ist hierbei in besonderem Maße die Einordnung der Klangphä­ nomene in Systole und Diastole. Auf subjektive Weise ist auch die Beurteilung der diagnostisch wichtigen Geräuschei­ genschaften wie Frequenzumfang, Lautstärke und Dauer nur sehr unvollkommen möglich, zumal das akustische Langzeitge­ dächtnis des Menschen schlecht ist.

Zur Verbesserung der Auskultation müssen also neue ver­ lässliche Verfahren und Vorrichtungen geschaffen werden, die in objektiverer Weise die Beurteilung von Geräuschei­ genschaften ermöglichen und eine zeitliche Einordnung in die Herzevolution erlauben. Hierzu werden in Kliniken oder Fachpraxen Registriergeräte benutzt, die synchron das EKG- Signal und das PKG-Signal darstellen. Die Aufnahme erfolgt über Elektroden und spezielle Herzschallmikrophone. Nach­ teilig hierbei ist die Veränderung des Klangcharakters durch die von Stethoskopen abweichende Übertragungsfunktion von Herzschallmikrophonen, sodaß solche Geräte zur Auskul­ tation nicht geeignet sind. Außerdem eignen sie sich wegen Größe und Gewicht nicht für einen Transport, z. B. zu Haus­ besuchen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die qualitative akustische Information der Auskultation mit dem herkömmlichen Stetho­ skop durch weitere quantitativ meßbare Information zu er­ weitern, um dem Arzt eine objektivere Beurteilung des Herz­ schallsignals ohne spezielle Registriergeräte zu ermögli­ chen. Mit der im folgenden beschriebenen Erfindung wird aber auch eine automatische Messung der Herzschlagfrequenz, die optische Darstellung von Pulskurven und der Korotkoff­ geräusche möglich. Je nach Ausführung sind zusätzlich auch Analysen möglich. Die optische Darstellung von Pulskurven erlaubt eine Beurteilung von Durchblutung und Gefäßzustand, z. B. an der Carotis oder im Bereich der Extremitäten. Die Visualisierung der Korotkoffgeräusche ist als große Hilfe bei der Messung des Blutdrucks nach Riva-Rocci anzusehen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Stethoskop mit Sensoren und miniaturisierter Elektronik zur Meßwertverarbeitung und Biosignaldarstellung erweitert wird, was zusätzlich zur qualitativen auch eine quantitati­ ve Biosignalauswertung für die Diagnose erlaubt. Die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merk­ male beschreiben den Lösungsweg. Die Unteransprüche bezie­ hen sich auf die vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen darin, dem Arzt für die Vorfelduntersuchung, bei der er bislang nur die akustische Information des Stethoskops aus­ werten konnte, mehr Informationen bereitzustellen. Während der Auskultation kann mit der Erfindung eine aussage­ kräftigere Diagnose erfolgen.

Im folgenden werden anhand von Zeichnungen Bestandteile der Erfindung beschrieben.

Sensoren.

Fig. 1 enthält eine Übersicht. Die vom Bruststück 1 des Stethoskops aufgenommenen Schwingungen werden dem Ohr zuge­ leitet. Dies kann akustisch - in bekannter Weise über Ein­ fach- oder Doppelschlauch 3 - erfolgen oder durch elek­ troakustische Wandlung. Direkt am Bruststück oder auch in den schallführenden Leitungen 3 befinden sich Sensoren 2 für die jeweils gewünschten Biosignale. Die Auswahl eines Biosignals und einer Verarbeitung, z. B. Art der Filterung, erfolgt über Funktionswahltasten 4 am Display und Auswerte­ einrichtung 5. Durch zweikanalige Darstellung von EKG- und PKG-Signal wird dem Arzt die eingangs erwähnte zeitliche Einordnung der Geräuschphänome in die Herzaktion in einfa­ cher Weise ermöglicht. Für die Registrierung der EKG- Signale wird das Bruststück des Stethoskops mit drei Kon­ taktflächen 7 nach Fig. 2 versehen, die isoliert vom Brust­ stück (in der Regel aus Metall) angebracht sind. Sie können vorteilhaft höhengleich in die ohnehin vorhandene Gummi­ berandung 6 eingebracht sein. Eine Elektrode dient als in­ differente Elektrode, gegen die die Potentialdifferenz der beiden anderen über bekannte EKG-Verstärker verstärkt und angezeigt wird. Entscheidend ist hier keine standardisierte EKG-Registrierung, sondern die Gewinnung eines Signals zur Kennzeichnung der Herzaktionslänge, damit die zeitliche Einordnung der Schallphänomene gelingt.

Zur Wandlung des Herzschalls können Luftschallmikrophone eingesetzt werden, die sich im Schlauchsystem befinden. Solche für Herzschall geeignete Sensoren können allerdings weniger gut für die Wandlung der Korottkoff-Geräusche und überhaupt nicht für die Erfassung von Pulssignalen aus ver­ schiedenen Körperregionen eingesetzt werden, weil diese Si­ gnale wesentlich niederfrequenter als Herzschallsignale sind und vom Übertragungsbereich durch Luftschallmikrophone nicht abgedeckt werden. Für die Erfassung dieser Signale eignen sich Dehnungsmeßstreifen, PVdF-Folien, optische Ab­ standssensoren, Piezokristalle, induktive, mit Wirbelstrom arbeitende Aufnehmer sowie kapazitive Aufnehmer. Die An­ bringung dieser verschiedenen Sensoren wird im folgenden kurz beschrieben.

Dehnungsmeßstreifen und PVdF-Folien können direkt auf der Membran des Bruststücks aufgebracht werden und dort ver­ bleiben. Ableitkabel, die so biegsam sind, daß sie Membran­ schwingungen nicht behindern, führen das Signal einer ana­ logen Vorverarbeitung zu, deren Aufgaben später beschrieben werden. Bei der Wahl optischer, induktiver oder mit Wirbel­ strom arbeitenden Abstandssensoren empfiehlt sich eine An­ ordnung nach Fig. 3, bei der der jeweilige Abstandssensor 8 (optisch, induktiv, Wirbelstrom) im Inneren des Bruststücks 9 gegenüber der Membran 10 angebracht ist. Die Membran ist mit einem reflektierenden metallischen Belag 11 versehen.

Bei der kapazitiven Sensorausführung wird eine Elektrode ähnlich wie der Abstandssensor 8 herangeführt und als Ge­ genelektrode dient der Belag 11. Auch kann die genannte Membran 10 als eine Elektrode und die Innenseite des Brust­ stücks 12 als vom übrigen Bruststück isolierter metalli­ scher Belag als Gegenelektrode benutzt werden (auch als Isolierung zur Vermeidung von Berührungsspannungen).

Insbesondere sind die Abstandssensoren zur Erfassung niederfrequenter Pulssignale und Korotkoffgeräusche ge­ dacht. Hierfür ist ein Bruststück vorteilhaft, das einen kleineren Durchmesser als das für die Auskultation verwen­ dete hat, und welches nur das interessierende Gefäß über­ deckt, dessen Pulsation dargestellt werden soll. Für diesen Zweck stehen austauschbare, steckbare Bruststücke zur Ver­ fügung. Die Steckverbindung wird direkt hinter dem Brust­ stück oder am Display 5 vorgenommen (siehe Fig. 1).

Mit Aufnehmern, die mit dem Piezoeffekt arbeiten, kann je nach Ausführung eine Beschleunigungs- oder Druckmessung er­ folgen. Da Beschleunigungsmesser sehr kleiner oder leichter Bauart zum Stand der Technik gehören, können diese direkt auf der Membran des Bruststücks aufgebracht und zur Signal­ wandlung verwendet werden. Bei Verwendung eines Druckauf­ nehmers empfiehlt sich die Erstellung eines eigenen Brust­ stücks. Piezoaufnehmer können wegen ihrer Breitbandigkeit den ganzen interessierenden Frequenzbereich für alle Sig­ nale überdecken und als Universalaufnehmer für alle an­ gesprochenen Biosignale, mit Ausnahme der EKG-Signale, die­ nen.

Signalwandlung, -aufbereitung, -auswertung, -darstellung

Die nach der Signalwandlung erforderliche Signalaufberei­ tung, Auswertung und Signaldarstellung sind in Fig. 4 in einem Blockschaltbild dargestellt. Kernstück ist ein Mikro­ prozessor. Für die einzelnen Aufnehmer ist eine dem Stand der Technik entsprechende Verstärkung und Filterung in ei­ ner Vorverarbeitung 13 durchzuführen. Für die Filterwahl sind bei EKG und PKG Normen zu berücksichtigen; für Puls­ signale erfolgt eine Filterwahl so, daß die Kurvenverläufe den in medizinischen Lehrbüchern niedergelegten entspre­ chen. Nach Digitalisieren 14 und Multiplexen 15 der Signale erfolgt ihre Abspeicherung in einem mit dem Prozessor 16 verbundenen Speicher 17. Diese Realisierung eignet sich zu­ sammen mit im Speicher abgelegten Programmen auch zu einer Auswertung der Signale im Hinblick auf Herzschallfrequenz, objektive Lautstärke des Herzschallsignals, Dauer und Fre­ quenzinhalt. Dazu geeignete Verfahren sind grundsätzlich bekannt. Diese Art der Realisierung ist auch vorteilhaft, wenn eine Anzeige 18 nicht über analog arbeitende Displays sondern z.B über digital angesteuerte LCD-Anzeigen erfolgen soll. Die Funktionsauswahl 19 wird über die Bedienknöpfe 4 aus Fig. 1 angesteuert und erlaubt die Auswahl des darzu­ stellenden Signals. Erforderliche Ansteuerungen der Module 13-15 erfolgen über die Steuerleitungen 20. Über Schnitt­ stellen 21 können grundsätzlich auch weitere Geräte (Drucker, Schreiber) z.B. zu Dokumentationszwecken ange­ schlossen werden.

Claims (14)

1. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen zur Gewinnung, Filte­ rung, Auswertung und optischer Darstellung von Biosignalen während der Auskultation dadurch gekennzeichnet, daß wahl­ weise verschiedene Biosignale an der Körperoberfläche mit dazu geeigneten, am Stethoskop angebrachten Sensoren er­ faßt werden, der zugehörige Frequenzbereich ausgeblendet wird, einfache Signalanalysen durchgeführt werden und eine optische Darstellung auf einem Display erfolgt.

2. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß EKG und PKG synchron auf einem Display dargestellt werden und damit dem Arzt die Einordnung der Geräuschphänomene in den Herzaktionsablauf ermöglicht wird.

3. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das PKG zur besseren Amplitudenauflösung auf dem Display allein, aber getriggert durch das EKG (z.B. die R - Zacke), dargestellt wird und so ebenfalls die zeitliche Einordnung durchführbar ist.

4. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Pulssignale über das EKG getriggert darge­ stellt werden.

5. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren, die die Biosignale in elektrische Signale wandeln, mit dem Bruststück des Stethoskops verbunden sind, was eine einfache Handhabung erlaubt.

6. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stethoskop je nach Anwendungszweck über verschiedene steckbare Bruststücke verfügt, die sich jeweils optimal für eine Aufnahme des interessierenden Biosignals eignen.

7. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angeschlossene Zusatzvorrichtung zur Signalregistrie­ rung mit dem Stethoskop eine Einheit bildet.

8. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Display neben Signalverläufen auch objektive Signalkennwerte wie Herzschlagfrequenz, Lautstärke, Fre­ quenzinhalt, Dauer, dargestellt werden.

9. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Registriereinheit den Anschluß externer Zusatzgeräte erlaubt.

10. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandssensoren (optisch, induktiv, Wirbelstrom, kapazi­ tiv), Piezosensoren, Widerstandsmeßbrücken, PVdF-Folien, Mikrophone zur Signalwandlung eingesetzt werden können.

11. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden zur Erfassung des EKGs am Bruststück des Ste­ thoskops angebracht sind.

12. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandssensoren innerhalb des Bruststücks angebracht sind.

13. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stethoskopmembran aus piezoelektrischer PVdF-Folie zur Erfassung von Biosignalen besteht.

14. Stethoskop mit Zusatzvorrichtungen nach Anspruch 1, 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Bruststücks sowie die Membran als Elek­ troden ausgebildet sind, um als kapazitive Sensorausführung zu dienen.