DE4032152A1

DE4032152A1 - Dehnungsstreifen-sensor fuer volumenmessungen an menschlichen extremitaeten

Info

Publication number: DE4032152A1
Application number: DE19904032152
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr Blazek; Hans J Prof Dr Schmitt
Original assignee: ELCAT GES fur IND und MEDIZIN
Current assignee: ELCAT GES fur IND und MEDIZIN
Priority date: 1990-10-10
Filing date: 1990-10-10
Publication date: 1992-04-16

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Erfassung des aktuellen Blutvolumens in menschlichen Extremitäten, mit einem Dehnungssensor, der die menschliche Extremität umschlingt und dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von dem Umfang der Extremität ändert, und einer Steuer- und Auswerte einheit zur Messung des Widerstandes des Dehnungs sensors.

Diese Art von Sensoren werden vor allem bei der Quanti fizierung des venösen Rückstromes aus den Extremitäten im Rahmen der Thrombosediagnostik angewandt. Dabei wird der klassische Venenverschluß-Test wie folgt durchge führt:
Bei ruhendem Patienten wird die (aufgrund der Häufig keit der Venenleiden, meist untere) Extremität etwas erhöht und weich gelagert. Am Oberschenkel wird eine Staumanschette zur Hemmung des Blutabstromes während einer definierten Okklusionsphase angelegt. In der Okklusionsphase ist dadurch der venöse Abfluß des Blu tes unterbunden, der arterielle Einstrom jedoch nicht behindert. Dies führt zunächst zu einer Volumenzunahme bzw. Umfangszunahme im Meßareal distal der Manschette. Die Umfangsänderung wird mit dem Dehnungsstreifen- Sensor als Änderung des elektrischen Widerstandes re gistriert. Wird nach Ende der Stauphase der Druck in der Manschette abgelassen, so kann im Normalfall wegen der großen hydraulischen Leitfähigkeit des physiologi schen Venensystems das gestaute Blut in wenigen Sekun den abfließen. Bei einer Abstrombehinderung (z. B. durch einen hämodynamisch wirksamen Thrombus) ist diese Ent leerung wesentlich verlangsamt.

Die Anwendung der Dehnungsmeßstreifen-Sensoren zur Volumenmessung in der Medizin geht zurück auf GLASER. 1939 beschrieb er eine Vorrichtung mit Quecksilber gefülltem Gummischlauch zur Messung der atembedingten Umfangsänderung des Brustkorbs. 1949 führte dann WHIT- NEY den Quecksilberschlauch in die Gefäßmeßtechnik ein und ist somit der Gründer der Strain-Gauge-Plethysmo graphie (im weiteren kurz SGP genannt). Die Strain-Gauge- Plethysmographie mit Dehnungsmeßstreifen-Sensoren (DMS) bedient sich folgender biophysikalischer Zusammenhänge:
Wenn eine Extremität an der Meßstelle die Querschnitts fläche A und den Umfang U hat, so läßt sich der Zusam menhang mit

beschreiben. Dabei ist g ein "Geometrie-Faktor" der nur von der Form der Querschnittsfläche abhängt, der aber unabhängig von der Größe der Fläche ist (z. B. Kreis: g = 2 _* √, Quadrat: g=4). Hat das Extremitätensegment die Länge L, so gilt:

V = A _* L = L _* U²/g²

Die in der Strain-Gauge-Plethysmographie üblichen Deh nungssensoren bestehen heute aus sehr dünnen Silikon schläuchen, die mit Quecksilber oder mit einem anderen Fluid (z. B. einer Gallium/Indium-Legierung) gefüllt sind. An den Enden der Schläuche befinden sich Elektro den, die den Schlauch abschließen. Hat die Füllung die Leitfähigkeit σ, die Länge l, die Querschnittsfläche a und damit das Volumen v = a _* l, so berechnet sich der Widerstand zwischen den Elektroden zu

R = l/(a _* σ) = l²/(σ _* v)

Entspricht die dehnbare Länge l des Dehnungsmeßstrei fen-Sensor dem Umfang U, so gilt:

l² = U² = g² _* V/L

und

R = (g²/L) _* (1/σ _* v) _* V

Ändert sich das Volumen des Extremitätensegmentes durch Änderung der Blutfüllung, so kann man davon ausgehen, daß die Länge L der Extremität konstant bleibt. Die Volumenänderung äußert sich dann nur in einer Quer schnittsflächen- und Umfangsänderung. Bleibt dabei die Form der Querschnittsfläche erhalten, so gilt:

L/g² = const

Wenn die Temperatur der Füllung innerhalb der Meßzeit konstant bleibt, gilt zusätzlich:

σ _* v = const

Damit ist der Widerstand R proportional zum Volumen. Relative Widerstandsänderungen entsprechen dann direkt den relativen Volumenänderungen des umschlossenen Extremitätensegmentes.

δR = (R-R₀)/R = δV = (V-V₀)/V

Wird der Dehnungssensor doppelt um das Extremitätenseg ment gelegt und hat der Schlauch des Dehnungssensors den gleichen Querschnitt a, dann gilt der Zusammenhang:

l² = 4 _* U² = 4 _* (g²/L) _* V

v = 2 _* l _* a

R = 2 _* (g²/L) _* (1/σ _* v) _* V

Wie im einfach umschlungenen Fall entsprechen bei glei chen Voraussetzungen bezüglich L, G, σ und v auch hier relative Widerstandsänderungen des Dehnungssensors den relativen Volumenänderungen.

Alle bisher bekannten Dehnungsmeßstreifen-Sensor für die Strain-Gauge-Plethysmographie besitzen jedoch den Nach teil, daß die Befestigungsqualität an den zu messenden Extremitäten erhebliche Mängel aufweist. Aus der deut schen Offenlegungsschrift 30 04 471 ist beispielsweise ein Sensor bekannt, der eine Manschette zur Befestigung vorsieht. Da jedoch die Manschette aus meßtechnischen Gründen nicht stramm die Extremität umschlingen darf, verursachen Bewegungen der Manschette bzw. Bewegungen der elektrischen Leitungen zwischen Dehnungsmeßstrei fen-Sensor und Meßsystem oft erhebliche Störungen des Signals. Reproduzierbare Messungen sind somit nur äu ßerst unzureichend durchführbar. Darüberhinaus schlie ßen die konstruktiven Merkmale des Sensors nach der DE- OS 30 04 471 mögliche Applikationsfehler nicht aus, zu denen vor allem die fehlerhafte Umfangserfassung zu zählen ist:
Bei der theoretischen Herleitung wurde nämlich gefor dert, daß der Umfang der Extremität U der einfachen oder doppelten Länge l des Dehnungsmeßstreifen-Sensor entspricht. Dies ist aber mit den Sensoren nach dem Stand der Technik in der Praxis selten der Fall. Ge wöhnlich überstreicht der dehnbare Anteil des Dehnungs meßstreifen-Sensor nur einen Teil des Beinumfanges. Ist z. B. der Umfang zu Anfang der Messung 30 cm und das nichtumschlungene Beinteil 2,5 cm lang, so würde bei einer Volumenänderung von 5% eine Widerstandsänderung von 5,46% gemessen werden. Das entspricht einem rela tiven Fehler von 9,2%!

Eine weitere, oft verbreitete, Fehlerquelle liegt im Vorhandensein von Widerstandsanteilen im Sensorssystem, die nicht von der Längenausdehnung des Sensorstreifens herrühren. Der gesamte Sensorwiderstand setzt sich u. a. aus einem längenabhängigen und aus einem konstanten Teil (z. B. Widerstand der Leitungen zwischen Sensor und Meßgerät) zusammen. Ein konstanter Widerstandsanteil führt zu einer Unterschätzung der wahren Volumenände rung der Extremität.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einem Dehnungssensor für Volumenmessun gen an menschlichen Extremitäten anzugeben, die eine reproduzierbare Befestigung des Dehnungssensor-Gehäuses an der zu untersuchenden Extremität zur Minimierung der Bewegungsartefakte ermöglicht. Zusätzlich soll bei der Messung praktisch die gesamte Umschlingung des Beines gewährleistet sein. Darüberhinaus ist erfindungsgemäß darauf zu achten, daß keine Widerstandsbeiträge, die nicht von der Umfangsänderung der zu messenden Extremi tät herrühren, die Messung verfälschen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgaben ist im Anspruch 1 angegeben.

Erfindungsgemäß sind die beiden Enden des Sensors nach dem Anlegen an die Extremität mit einem Gehäuse verb indbar, das reproduzierbar an der zu untersuchenden Extremität anbringbar ist und das ein Anschlußkabel aufnimmt. Hierdurch ist ein reproduzierbares Anbringen des Sensors an der Extremität gewährleistet. Bevorzugt ist der Dehnungssensor für Volumenmessungen an mensch lichen Extremitäten derart ausgebildet, daß der Deh nungssensor einen elastischen Schlauch aufweist, der mit einem elektrisch leitenden Fluid gefüllt ist, des sen Widerstand gemessen wird (Anspruch 2). Zur exakten Bestimmung der Widerstandsänderung, die sich durch die reine Nettolängen-Änderung des Sensorschlauches ergibt, werden durch das Vierpol-Meßverfahren, weswegen das Anschlußkabel, das das Gehäuse mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbindet, als vierpolige elektrische Leitung ausgebildet ist, jegliche Konstantbeiträge von Leitungswiderständen eliminiert (Anspruch 3).

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen Dehnungssensor,

Fig. 2 schematisch die Patientenlagerung bei einem Venenverschlußtest,

Fig. 3 schematisch die Sensorbefestigung,

Fig. 4a und 4b einen Sensor-Zusatzteil zur Verkürzung des Dehnungsmeßstreifens und zur Verbesserung der Fixierung,

Fig. 5 eine geteilte Ausführung des Sensor-Gehäuses,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer möglichen Alternative des an dem DMS angeschlossenen Steuerungs- und Auswertesystems,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Alternative des Steuerungs- und Auswertesystems,

Fig. 8 die Nomenklatur und Bewertungsparameter der SGP- Kurve.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Sensorgehäuses 1 in runder Form. Die Befestigung an der Haut findet vorzugsweise mit einem beiderseits kleben den Folienring 9 im Bereich der Kontaktfläche 2 statt. Über eine hochwertige zweipolige Stecker-(5)/Buch se(4)-Verbindung wird der Dehnungsmeßstreifen 6 (ein mit einem leitfähigen Fluid gefüllter, dünner, elasti scher Schlauch) mechanisch mit dem Gehäuse 1 bzw. elek trisch mit dem vierpoligen Verbindungskabel 7 artefakt frei verbunden. Der Dehnungsmeßstreifen wird um die Meßextremität geschlungen. Eine Steuer- und Auswerte einheit MS regelt automatisch den Sendestrom durch den Dehnungsmeßstreifen 6 bzw. die am Dehnungsmeßstreifen abfallende Spannung und kalibriert somit automatisch das Meßsignal des Sensors. Die Befestigung des Sensor gehäuses 1 unterbindet wirksam die Übertragung der Störungseinflüsse durch z. B. Bewegung oder Ziehung am elektrischen Kabel 7 an den Dehnungsmeßstreifen 6.

Das Sensorgehäuse 6 wird beim liegenden Patienten (Fig. 2) vorzugsweise an der Vorderseite des Unterschenkels (über den Tibia-Knochen), etwa in Höhe des größten Wadenumfangs befestigt (Fig. 3). Dadurch werden die methodischen Fehler minimiert, die verursacht werden können einerseits durch den nichtdehnbaren Knochenflä chenanteil zu der gesamten als dehnbar angenommenen Fläche der erfaßten "Beinscheibe" und andererseits durch die Beeinträchtigung der Hautausdehnung im Areal unter dem befestigten Sensorgehäuse.

Die Länge des Dehnungsmeßstreifens 6 kann je nach dem Umfang des Beines gewählt werden, was aber bedeutet, daß der Anwender über mehrere Dehnungsmeßstreifen für alle möglichen Extremitätenformen verfügen muß. Ein anderer Lösungsweg besteht darin, daß nur ein langer Dehnungsmeßstreifen, ausreichend für den größten Extre mitätenumfang, verwendet wird. Eine eventuelle notwen dige Verkürzung der Länge des Meßstreifens 6 bei dünne ren Extremitäten kann durchgeführt werden mit Hilfe von einem oder mehreren Befestigungsknöpfen nach Fig. 4. Der Befestigungsknopf 1a wird im Bedarfsfall an der Haut befestigt, vorzugsweise ebenfalls mit einem dop pelt klebendem Folienring 9.

Der Dehnungsmeßstreifen 6 kann um den Hals 8 des Kopfes 1a geführt werden. Dies bewirkt neben der notwendigen Verkürzung auch eine bessere Fixierung des Meßstreifens an der Extremität. Die Verwendung des Befestigungs knopfes ist deshalb zu empfehlen bei Meßprogrammen, bei denen der Patient mit der zu untersuchenden Extremität üben muß.

Fig. 5 zeigt schließlich eine geteilte Form des Sensor gehäuses. Die zwei Gehäuseteile 1b sorgen neben einer verbesserten Haftung auch dafür, daß der Dehnungs meßstreifen 6 sich überlappt, was vorteilhaft für die Meßgenauigkeit ist.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbei spiels der Steuer- und Auswerteeinheit für den erfin dungsgemäßen Sensor. Eine aktive Regelschleife 10 für den durch den Dehnungsmeßstreifen 6 fließenden Strom wird gebildet durch eine zentrale Mikroprozessoreinheit (CPU), einen Digital/Analog-Wandler (D/A) als Treiber stufe zur Stromeinstellung, dem vierpoligen Verbin dungskabel 7, den Dehnungsmeßstreifen 6 und dem Ana log/Digital-Wandler (D/A) zur Digitalisierung und Dem odulation des Meßsignals. Die Treiberstufe versorgt in an sich bekannter Weise (siehe z. B. DE 36 09 075) den Dehnungsmeßstreifen mit einem gepulsten Strom, dessen Mittelwert durch die aktive Regelschleife 10 derart gesteuert wird, daß der Signal/Rausch-Abstand am Ein gang der CPU einen vorgeschriebenen Wert erreicht. Damit wird eine automatische Kallibrierung des Sensor signals erreicht, unabhängig z. B. vom Ruhewiderstand des Dehnungsmeßstreifens. Ferner sind als Bedienungs tasten die Programmtaste P, die Funktionstaste T sowie die Ein/Aus-Taste, vorgesehen. Zur Datenausgabe dient eine LCD-Anzeige, ein Lautsprecher sowie ein analoger und/oder digitaler Signalausgang.

Für den Bedienkomfort und der gesicherten Durchführung einer korrkten Messung werden die einzelnen Phasen des automatischen Meßablaufes durch voneinander unter scheidbaren akustischen und/oder optischen Signalen signalisiert.

Fig. 7 zeigt eine andere bevorzugte Ausführung der Steuer- und Auswerteeinheit. Da der Widerstand des Dehnungsmeßstreifens sehr gering ist (ca. 0,5 Ohm) ergibt sich bei einem Meßstrom von 2 mA ein Spannung sabfall von 1 mV über dem Dehnungsmeßstreifen-Sensor. Einer Volumenänderung von 0,1% entspricht in diesem Beispiel einer Spannungsänderung von 1 µV. Damit eine sichere Verstärkung dieser kleinen Signale möglich ist, wurde ein Trägerfrequenz-Meßprinzip gewählt. Der Chop per-Takt (C-Takt in Fig. 7) wird von einem Timer im Mikrocontroller erzeugt und mit einem Analogschalter realisiert. Über den gleichen Analogschalter wird bei einer Kallibrierung der Meßstau um den Faktor (R1 + R2)/R1 erhöht. So kann die Steilheit des Meß verstärkers automatisch berechnet werden. Damit ist in der gesamten Auswerteelektronik kein manueller Abgleich notwendig. Auch Probleme durch Langzeitdrift der Ver stärkungsstufe mit digital einstellbarer Verstärkung werden so kompensiert.

Mit bekannten Geräten war die Auswertung eines Venen verschlußtestes recht aufwendig, da der Untersucher in der Regel die Kurvenparameter mit "Bleistift und Line al" aus dem Schreiberprotokoll ermitteln mußte. Durch den Einsatz eines Mikroprozessors in den Steuerungs und Auswertesystemen nach Fig. 6 oder 7 wird auch diese Aufgabe automatisiert. Neben der Arbeitserleichterung und Zeitersparnis besteht ein zusätzlicher Vorteil in der Standardisierung der Auswertung. Alle anfallenden Diagnoseparameter werden hierzu von der Steuer- und Auswerteeinheit erzeugt und abgespeichert. Desweiteren ist es möglich alle anfallenden Diagnoseparameter auf eine, an der Steuer- und Auswerteeinheit angeschlossene Ausgabeeinheit auszugeben.

Für den Benutzer dieser Meßvorrichtung ist darüberhin aus eine übersichtliche und gut gegliederte Darstellung aller Bedien- und Auswertefunktionen von großem Vor teil. Aus diesem Grunde sind gezielte Lernprogramme in der Steuer- und Auswerteeinheit abgespeichert, die ein schnelles Vertrautmachen mit der Vorrichtung ermögli chen.

In Fig. 8 ist eine typische Strain-Gauge-Plethysmogra phie-Kurve mit zugehörigen, nach dem derzeitigen Kennt nisstand programmierten Bewertungsparametern, angege ben. Einer beispielsweise 120 sec dauernden Stauphase schließt sich eine 30 sec lange Entleerungsphase an. Wie bereits aufgeführt, kann im Normalfall das gestaute Blut in wenigen Sekunden nach Stauende aus der Extremi tät abfließen, so daß der Parameter "venöser Abstrom VO" als Gradient der Signaländerung relativ hohe Werte erreicht. Beim gestörten Abstrom (z. B. durch eine hämo dynamisch wirksame Thrombose oder Abstromhindernisse anderer Genese) ist die Abstromkinetik wesentlich ver langsamt (Parameter VO, 03, 05 und OC) und auch die Einstromkinetik mit den Parametern AF und VC verändert.

Eine simultane Erfassung dieser Meßdaten an unter schiedlichen Extremitäten ermöglicht zusätzliche Diag noseaussagen bezüglich des zeitlichen Zusammenwirkens physiologischer Prozesse im Körper. So können an einer Steuer- und Auswerteeinheit mehrere Dehnungsmeßstrei fen-Sensoren parallel angeschlossen werden, um zeitlich korrelierte Meßsiganle auszuwerten.

Damit schafft die Erfindung ein nichtinvasives, zeit- und kostensparendes Screening-Meßsystem, das diagnos tisch relevante Verschlüsse der großen Venen ausschlie ßen oder belegen kann und aufwendig invasive Untersu chungsmethoden einsparen hilft.

Claims

1. Vorrichtung zur nichtinvasiven Erfassung des aktuel len Blutvolumens in menschlichen Extremitäten, mit einem Dehnungssensor (6), der die menschliche Extremi tät umschlingt und dessen Widerstand sich in Abhängig keit von dem Umfang der Extremität ändert, und einer Steuer- und Auswerteeinheit (MS) zur Messung des Wider stands des Dehnungssensors, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden des Sen sors nach dem Anlegen an die Extremität mit einem Ge häuse (1) verbindbar sind, das reproduzierbar an der zu untersuchenden Extremität anbringbar und das ein An schlußkabel aufnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor einen elastischen Schlauch aufweist, der mit einem elektrisch leitenden Fluid gefüllt ist, dessen Widerstand gemessen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Widerstandmessung nach dem Vierpol-Verfahren das Anschlußkabel (7) eine vier polige elektrische Leitung (7) ist, die das Gehäuse (1) mit der Steuer- und Auswerteeinheit (MS) verbindet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Ge häuses (1) auf der Haut mit einem beiderseits klebenden Folienring (9) erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Dehnungs meßstreifens (6) mittels Befestigungsknöpfen (1a) einstellbar ist, die von dem Dehnungssensor umschlungen werden und die ebenfalls mit einem beiderseits kleben den Folienring (9) an der Haut anbringbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (1b) teilbar ist, so daß eine gegenseitige Überlappung des Dehnungsmeßstreifens möglich ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerte einheit (MS) den elektrischen Arbeitspunkt des Deh nungssensors (6) rechnergesteuert einstellt und die Kalibrierung des Meßsignals automatisch durchführt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerte einheit (MS) den Start einer Messung erst im hämodyna mischen Ruhestand in der Extremität auslöst.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale im On-Line- Betrieb über eine LCD-Anzeige optisch dargestellbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale über einen elektroakustischen Wandler in Form von hörbaren Tönen oder Tonfolgen umgewandelt werden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Phasen des automatischen Meßablaufes durch voneinander unter scheidbaren akustischen und/oder optischen Signalen signalisierbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerte einheit (MS) Auswerteparameter erzeugt und abspeichert.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnoseparameter auf eine, an der (MS)-Einheit angeschlossene Ausgabeeinheit (z. B. Drucker) ausgegeben werden kann.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteinheit (MS) mehrere Dehnungsmeßstreifen-Sensoren parallel steuert und zeitlich korrelierte Meßsignale bewertet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerte einheit (MS) gespeicherte Lernprogramme aufweist.