DE4110444A1

DE4110444A1 - Druckwellenform-kontrollgeraet

Info

Publication number: DE4110444A1
Application number: DE4110444A
Authority: DE
Inventors: Gary M Drzewiecki; Robert D Butterfield; Edward J Ciaccio
Original assignee: Rutgers State University of New Jersey
Current assignee: Rutgers State University of New Jersey
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1991-10-02
Also published as: FR2660183B1; GB9106330D0; ES2029661A6; CA2038979C; GB2243441A; US5154680A; FR2660183A1; JP3303056B2; JPH0670890A; GB2243441B; CA2038979A1; US5363855A

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein Gerät und ein Verfahren zur Kontrolle oder Überwachung von Wellen formen, und insbesondere ein derartiges Gerät und Verfahren zur nichtinvasiven Kontrolle der Blutdruck wellenform in einem Blutgefäß durch den Nachweis der Verformung einer über das das Gewebe bedeckende Blutgefäß angebrachten Membran.

Seit einiger Zeit wird nach Verfahren zur genauen Kontrolle oder Überwachung der Blutdruckwellenform geforscht. Während invasive Verfahren zur Ermittlung genauer Wellenformen führen, werden sie jedoch aufgrund des Traumas, das beim Patienten ausgelöst wird, in vielen Fällen abgelehnt. Bei einem derartigen Verfahren kommt ein mit Flüssigkeit gefüllter Katheter zur Anwendung, der in die Arterie des Patienten eingeführt wird. Obgleich mittels dieses Verfahrens genaue Messungen erzielt werden können, können jedoch die negativen Wirkungen in vielen Fällen gegenüber der Genauigkeit der durch Anwendung dieses Verfahrens gewonnenen Ergebnisse überwiegen.

Ein weiteres Verfahren zur Kontrolle der Blutdruckwel lenform beim Patienten stellt die weitverbreitete auskultatorische Messung nach Korotkoff dar. Dieses Verfahren ist nichtinvasiv, bietet jedoch nur eine Messung des systolischen und diastolischen Drucks auf intermittierender Grundlage, d. h. durch sie wird die Wellenform in seiner Gesamtheit kontinuierlich nicht ermittelt. Darüber hinaus zeitigt die Anwendung dieses Verfahrens oft ungenaue Ergebnisse.

Das tonometrische Verfahren zur Blutdruckmessung ist nichtinvasiv und stellt somit eine Verbesserung gegenüber den invasiven Techniken dar. Darüber hinaus ist es auch genauer als die vorstehend erwähnte auskultatorische Messung. Das Verfahren ist gegenüber der auskultatorischen Messung nur des systolischen und diastolischen Drucks des weiteren in der Lage, die gesamte Blutdruckwellenform zu liefern.

Bei den bekannten arteriellen Tonometern wird eine Gruppierung einzelner Meßwertaufnehmer oder Transducer elemente unmittelbar am Gewebe angelegt, das über einer Arterie oder ein Blutgefäß liegt, von dem der Blutdruck bestimmt werden soll. Die Elemente erfassen unmittelbar die mechanischen Kräfte in dem Gewebe, mit dem jedes von ihnen in Kontakt steht. Die Elemente der Gruppierung sind derart bemessen und voneinander getrennt angeord net, daß mehrere dieser Elemente den gesamten Durchmesser oder die gesamte Breite des unter ihnen liegenden Blutgefäßes abdecken sollen, d. h. die Größe jedes Elements ist so ausgestaltet, daß es nur einen kleinen Bruchteil des Durchmessers des darunterliegenden Blutgefäßes abdeckt. Der Druck der Elementenanordnung gegen das Gewebe wird erhöht, um das Blutgefäß darunter flachzudrücken, ohne daß es dabei zu einem Verschluß des Gefäßes kommt. Der Flüssigkeitsdruck in der Arterie wird hierbei durch die Gefäßwand und das darüberliegende Gewebe zu den Meßwertaufnehmern oder Transducern geleitet.

Es hat sich herausgestellt, daß man mit einem herkömm lichen Tonometer eine kontinuierliche Kontur der Gewebe beanspruchungen oder -belastungen unter der Elementen gruppierung aufgrund der Verwendung von diskreten Elementen nicht gewinnen kann. Des weiteren wird davon ausgegangen, daß bei den bekannten Verfahren keine Ausgleichseinrichtung für Bewegungsartefakte vorgesehen ist, durch die die Kräfte beeinflußt werden können, die aus der Arterie an die Meßfühler übertragen werden.

Es bestünde somit ein Bedarf, ein Tonometersystem und -verfahren zur Kontrolle des Drucks in einem Gefäß wie einer Arterie zu schaffen, das nichtinvasiv und in der Lage ist, die Gefäßdruckwellenform (natur)getreu umzu formen.

Es wäre dabei auch erwünscht, ein Tonometersystem und -verfahren zu schaffen, mit dem Artefakte ausgeglichen oder kompensiert werden können, die die Genauigkeit des Tonometers bei der Überwachung der Wellenform zu beeinträchtigen vermögen.

Darüber hinaus bestünde ein Bedarf, ein Tonometersystem und -verfahren zu schaffen, das eine bessere Zuver lässigkeit und Wiederholbarkeit bei Druckwellenform messungen besitzt.

Anhand der Erfindung wird auf diese Bedürfnisse eingegangen.

Kurz und allgemein gesprochen, wird durch die Erfindung ein nichtinvasives Tonometersystem und -verfahren zur Kontrolle oder Überwachung der Druckwellenform in einem auf der Oberfläche und dem Umfang liegenden Gefäß wie eine radiale Arterie geschaffen. Das Gerät weist eine planare starre Oberfläche auf, in der zumindest eine dünne, in enger rechtwinkeliger Gestalt ausgebildete Ab fühlmembran eingesetzt ist, die in einem Gehäuse unter gebracht ist, das auf das das in Frage kommende Gefäß überlagernde Gewebe gelegt wird. Hierbei ist die Membran länger als der Durchmesser des Gefäßes zum gezielten Überwachen des Drucks in dem dem in Frage kommenden Ge fäß nächstliegenden Gewebe. Das Tonometer weist auch ei nen Verformungsmeßfühler zum Messen der Verformung der Membran sowohl über dem Gefäß als auch in der Nachbarschaft des Gefäßes und eine Signalaufbe reitungseinrichtung zum Kombinieren der Wellenform des Gefäßes nach Maßgabe der Überwachung durch den Teil der Membran über dem Gefäß mit den Wellenformen des nächstliegenden Gewebes auf, um die tatsächliche Druckwellenform im Gefäß genau zu bestimmen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran aus rostfreiem Stahl gefertigt und weist normalerweise eine Länge auf, die 3- bis 4mal der Länge des nichtverformten Durchmessers des Gefäßes entspricht und über dem Gefäß derart ausgerichtet ist, daß ihre Längsabmessung senkrecht zur Längsachse des Gefäßes liegt. Die Membran ist hinreichend dick ausgestaltet, das darunterliegende Gefäß plattzudrücken, jedoch dünn genug, von den Beanspruchungen oder Belastungen im Gewebe, mit dem sie in Berührung steht, verformt zu werden. Die Verformung der Membran ist klein genug, eine Verzerrung des Gewebe oberflächen-Kontaktbeanspruchungsprofil zu vermeiden. Deshalb ist die Verformung der Membran über ihre Länge den Beanspruchungen oder Belastungen des von ihr kontaktierten Gewebes proportional. Die Verformung der Membran kann durch eine optische Abfühleinrichtung angezeigt werden, und in einer Ausführungsform werden eine Gruppierung von Lichtquellen und -empfänger verwendet. Weil die Strahlen der Lichtquellen und -empfänger überlappen und weil die Membran aus einem einzigen Stück besteht, wird eine kontinuierliche glatte Kurve gewonnen, die die Druckwellenform darstellt.

Die Rückseite der Membran, die mit dem Gewebe nicht in Kontakt steht, dient als gemeinsamer Reflektor gegenüber den im Gehäuse angeordneten Lichtquellen. Lichtleit fasern tragen Licht (gattunggemäß im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Bereich) von einer Licht quelle und beleuchten den Reflektor mit diesem Licht.

Die Membran reflektiert das Licht in Übereinstimmung mit ihrer Verformung. Weitere Lichtleitfasern empfangen das reflektierte Licht und leiten es an Lichttransducer oder -meßgrößenumformer wie Photodetektoren zur Messung der empfangenen Lichtmenge. Es sind vorzugsweise Bündel von Beleuchter- und Empfänger-Lichtleitfasern zu Reihen an geordnet, die der Membran zugewandt sind. Aufgrund der Stellung der Empfänger-Lichtleitfasern und der empfange nen Lichtmenge erstellt ein Prozessor eine Druckwel lenform. Messungen der Verformung der Membran werden in optische Signale und dann in elektrische Signale umgewandelt und stellen die Beanspruchung oder Belastung im kontaktierten Gewebe dar. Diese Verformungsmessungen sind ein getreues Analog der Druckwellenform des Gefäßes.

Bei normalem Betrieb wird die Membran auf das Gewebe über der radialen, ulnaren, oberflächentemporalen oder ähnlicher Oberflächenarterien in Stellung gebracht, die über verhältnismäßig festen (Knochen-, Knorpel-)Struk turen liegen. Die Membran ist dabei derart angeordnet, daß ihre annähernde Mitte über dem Gefäß zu liegen kommt. Dies wird erreicht, indem festgestellt wird, welcher Bereich der Membran die maximale dynamische Verformung mit pulsierenden intraluminalen Druckschwan kungen erfährt. Weil die Membran länger ist als der Durchmesser des Gefäßes, mißt die Membran die Beanspruchungen oder Belastungen in den peripher zum Gefäß liegenden Gewebeflächen. Bereiche der Membran, die dieses das Gefäß umgebende Gewebe abdecken, sprechen auf Beanspruchungen oder Belastungen in dem Gewebe an, die durch Artefakte bedingt sein können. Diese Signale können verwendet werden, die Wirkungen von Bewegungs artefakten auf das Belastungsmessungssignal des in Frage kommenden Gefäßes auszuschalten. Es wird die Bestimmung einer berichtigten Belastungsmessung, bei der die Wirkungen kleiner Schwankungen bei der Plattdrückung re duziert wurden, bewerkstelligt, indem eine Bruchzahl der durchschnittlichen lateralen Belastungen aus den Bela stungsmessungen unmittelbar über dem Gefäß abgezogen wird. Der Bruch oder die Bruchzahl der abzuziehenden lateralen Belastung wir kontinuierlich angeglichen oder nachgestellt, um das im resultierenden Gefäßsignal enthaltene Rauschen oder diesbezüglichen Störschall auf ein Mindestmaß zurückzuführen.

Die Stärke der elektromagnetischen Energiequelle sollte idealerweise während der Messungen sowie zwischen Kali brierungen konstant gehalten werden. In der Praxis läßt sich dies jedoch nur schwer bewerkstelligen. Es können Temperaturveränderungen, Altern und sonstige Faktoren zu Schwankungen der Lichtstärke führen. Hierbei wird eine Einrichtung verwendet, die Stärke der Energiequelle zur Verringerung möglicher Meßfehler selbsttätig zu regeln. Die Stärke oder Intensität der Energiequelle wird unmittelbar über einen Pfad gemessen, der an der Reflexion von der Membran her nicht beteiligt ist. Der gemessene Ausgang wird mit einem gewünschten Pegel ver glichen, und die gewonnene Differenz wird zum selbst tätigen Regeln der Stärke der Quelle so lange geregelt, bis die Differenz bei Null liegt. Durch die rückge koppelte Regelung wird die Stabilität der Energiequelle gewährleistet.

Bei einer Ausführungsform werden darüber hinaus ähnlich ausgestaltete Membranen längs des Gefäßes an Stellen angeordnet, die zur ersten Membran proximal und distal liegen. Die Anatomie der meisten Gefäße ändert sich auf ihrer Länge. Es kann deshalb bevorzugte Stellen auf dem Gefäß geben, die zur Kontrolle oder Überwachung geeignet sind. Für die Mehrzahl der Membranen kann von dieser bevorzugten Stelle aus die schnelle Bestimmung und Erhaltung der Messungen leichter durchgeführt werden.

Die Merkmale der Erfindung und deren technische Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der aufgeführten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Tonometers nach der Erfindung, das in einem Gehäuse eingeschlossen ist und eine kontinuierliche Membran besitzt,

Fig. 2 eine schematiche Ansicht eines Tonometers in Übereinstimmung mit den Grundgedanken der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungs form einer Anordnung von Bündeln aus Lichtleitfaserka beln zur Verwendung mit einer kontinuierlichen Membran,

Fig. 4 eine Teilansicht der überlappenden Strahlen der Lichtleitfasern, die die kontinuierliche Membran beleuchten,

Fig. 5 ein Schaltschema einer Ausführungsform einer zur Steuerung des Ausgangs einer Glühlichtquelle verwendeten Schaltung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Funktion der Membran gegenüber dem Gewebe sowohl über dem als auch peripherisch zum in Frage kommenden Gefäß,

Fig. 7 ein Blockschaltdiagramm des mit der Membran sowie den Membranverformungsmeßfühlern verwendbaren Verarbei tungsschaltkreises,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Druckmeßfühlers mit zwei Membranen und

Fig. 9 eine Ansicht einer Ausführungsform mit einem beweglichen Spiegel zum Abtasten des Lichts über dem Reflektor.

Gemäß den nur zu Darstellungszwecken herangezogenen Zeichnungen ist die Erfindung verkörpert durch ein Tonometer zur nichtinvasiven Kontrolle oder Überwachung der Druckwellenform in einem in Betracht kommenden Gefäß, das von ihm abgedeckt wird.

Nach den Fig. 1 und 2 ist das Tonometer in Form einer Handsonde 10 ausgebildet, die vorzugsweise zumindest eine allgemein rechteckige Membran 12, die über das das Gefäß 14 überlagernde Gewebe, beispielshalber eine Arterie, gelegt wird, und darüber hinaus eine Einrichtung zum Erfassen der Verformung der Membran 12 aufweist. Das Gefäß 14 liegt, wie die Fig. 2 zeigt, über einem darunterliegenden festen Knochengefüge 15.

Bei der hier bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 12 reflektierend. Eine Lichtquelle 16 zur Beleuchtung und mehrere Lichtleitfasern 18 sind vorgesehen, um das Beleuchtungslicht an die reflektierende Membran 12 zu übertragen. Das Tonometer weist darüber hinaus mehrere Empfängerlichtleitfasern 20 zum Aufnehmen des von der reflektierenden Membran zurückgestrahlten Lichts sowie Lichttransducer (Lichtmeßwertumformer oder -aufnehmer) wie Phototransistoren zum Messen 22 der aus der Membran 12 aufgenommen Lichtmenge und zum Erzeugen, als Reaktion darauf, eines elektrischen Signals auf. Das erzeugte Signal wird an eine Datenverarbeitungseinheit 21 geleitet, die ihrerseits eine Wellenform an das Datensichtgerät 23 liefert.

Schwankungen in der von den Empfängerlichtleitfasern 20 aufgenommenen Lichtmenge sind proportional den Bela stungen oder Beanspruchungen des kontaktierten Gewebes sowohl über als auch seitlich vom Gefäß 14. Diese Bela stungen korrelieren mit dem systolischen, diastolischen und Durchschnittsdruck und liefern einen Anhalt für die Positionierung der Handsonde 10.

Durch Anlegen des Tonometers 10 an das das Gefäß 14 überlagernde Gewebe 24 wird hinreichende Kraft aufgebracht, das Gefäß gemäß Fig. 2 nieder- und flachzudrücken. Durch ein begrenztes Flachdrücken des Gefäßes kommt die normale Krümmung des Gefäßes zum Verschwinden und es läßt sich nunmehr der Flüssig keitsdruck des Gefäßes an die Membran 12 übertragen.

Somit wird die Gefäßwand 14 in diesem Bereich dazu gezwungen, sich allgemein parallel zur Oberfläche des Gewebes 24 zu legen. Die Wandkrümmungsbelastung des Gefäßes wird im wesentlichen eliminiert, so daß die an der Gewebeoberfläche getastete Belastung allgemein dem Druck innerhalb der Arterie proportional ist.

Mit einem nach den Grundgedanken der Erfindung gestalteten Tonometer werden die Belastungen in dem über dem betroffenen Gefäß 14 liegenden Gewebe gemessen. Wie die Fig. 1 zeigt, weist das Tonometer 10 ein Gehäuse 26, das eine Oberfläche 28 besitzt, von der ein Teil sich zur Verformung des Gewebes 24 und zum Plattdrücken des Gefäßes 14 eignet, und zumindest ein Membranglied 12 auf, das in einem Gehäuse 26 eingesetzt und zweckmäßig ausgebildet ist, mit dem dem Gefäß nächstliegenden Gewebe 24 in Kontakt gebracht sowie kontinuierlich als Reaktion auf die in der Nähe des Gefäßes 14 auftretenden Gewebebelastungen verschoben zu werden.

Die Membran 12 weist in dieser Ausführungsform ein dünne kontinuierliche Platte auf, die derart bemessen ist, daß sie etwa 3- bis 8mal länger ist als der Durchmesser eines typischen hier in Betracht kommenden Gefäßes. Die Membran 12 wird z. Zt. aus rostfreiem Stahl gefertigt, obgleich sie auch aus anderen Werkstoffen wie Aluminium oder Kupfer sowie aus geeigneten verformbaren reflektierenden Kunststoffolien, Schichpreßstoff-Erzeug nissen oder sonstigen Werkstoffen hergestellt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist die Oberfläche der den Lichtleitfasern zugewendeten Membran 12 beschichtet, so daß sie hochreflektierend ist und somit für die Strahler- oder Emitterfasern 18 eine Reflexionsziel oberfläche bietet. Die Emitter-Lichtleitfasern 18 und die Empfänger-Lichtleitfasern 20 können in Bündeln angeordnet sein, wie dies die Fig. 1 und 3 zeigen.

Die Mittelfaser 18 dient der Beleuchtung eines Abschnitts der Membran 12, wogegen die umgebenden Fasern 20 der Aufnahme des von der Membran 12 reflektierten Lichts dienen. Bei einer anderen Ausführungsform können die Fasern auch anders als in der konzentrischen Art der Fig. 3 angeordnet sein, sie können beispielshalber wahlfrei ausgelegt werden.

Nach den Fig. 2 und 4 wird durch die Beleuchtungs fasern 18 eine überlappende Beleuchtung der Membran 12 vorgesehen. Die Lichtquelle 16 versorgt die Emitter fasern 18 mit Licht, die die Beleuchtung an die reflektierende Membran 12 übertragen, die ihrerseits die Beleuchtung reflektiert. Die reflektierte Beleuchtung wird aufgenommen und durch die Empfängerlichtleitfasern 20 hindurch dem Photoempfänger 22 (Fig. 2) zugeführt, der ein Signal liefert, das dem von der reflektierenden Membran aufgenommen Licht proportional ist. Die Strahlen der Empfängerfasern 20 überlappen ebenfalls. Fasern, die hochnumerische Aperturen haben, können zum Erzielen dieses Ergebnisses verwendet werden. Das Signal wird dann von der Signalverarbeitungseinheit 30 aufgenommen. Das Merkmal überlappender Faserbündel ermöglicht erhöhte Störspannungspegel sowie eine kontinuierliche, glatte Kurve, die für die Druckwellenform charakteristisch ist.

Es können Laserlicht, Lampen mit hoher Wattleistung sowie Licht emittierende Dioden als alternative Quellen elektromagnetischer Strahlung verwendet werden, obgleich eine Leuchtlampe gegenwärtig als Lichtquelle bevorzugt wird. Eine Leuchtlampe benötigt, obgleich selbstregelnd, annähernd 40 bis 50 Minuten, um sich zu stabilisieren. Eine Instabilität der Lichtquelle kann zu Ungenauig keiten bei der Wellenformanzeige führen, es sei denn, es kommen Mittel zur Anwendung, durch die derartige Instabilitäten ausgeglichen werden. Nach Fig. 2 besteht ein Mittel, eine Kontrolle über den Ausgang der Lampe 16 vorzusehen, darin, eine weitere Lichtleitfaser 30 zum Leiten des Lichtausgangs der Lampe unmittelbar an einen Detektor 32 zu verwenden und das erfaßte Signal an einem Lampensteuerung oder -kontrolleinrichtung zu liefern.

Ein Rückkopplungsregelkreis nach Fig. 5 wurde eingesetzt, um durch ihren Steuerstrom die Lampen lichtstärke zu regeln. Da der Lampenausgang eine nicht lineare Funktion ist, ist die Stromstabilisierung kritisch. Um Schwankungen zu vermeiden, ist ein RC-Fil ter in dem Fehlerverstärker-Rückkopplungsschaltkreis vorgesehen. Hierdurch wird die Lichtstärke der Lampe bei Null Fehler über eine lange Zeitspanne aufrechterhalten. In der Ausführungsform nach Fig. 5 lagen die Widerstände R1 und R2 bei 10 Kiloohm, der Widerstand R3 lag bei 30 Kiloohm, die Vorrichtung D1 war ein MRD36N, die Vorrichtung D2 ein CA3140T, die Transistoren T1 und T2 waren 2N2222, der Transistor T3 ein 40409 und die Lampe hatte eine Nennspannung von 5 Volt und eine Nennstrommstärke von 115 mA, der Kondensator C1 hatte 10 µF und der Kondensator C2 1000 µF.

Die während der Druckwellenform-Überwachung auftretende Bewegung kann Artefakte erzeugen, indem sie Beanspru chungen oder Belastungen im Gewebe beeinflußt, auf das das Tonometer drückt, so daß es zu unbrauchbaren Druck messungen kommen kann. Eine derartige Bewegung kann auf grund von kleinen, durch die Bewegung des Patienten oder der Bedienungsperson verursachte Veränderungen der Versetzung des Tonometerkopfes gegenüber dem Gefäß auftreten. Nach dem grundlegenden Erfindungsgedanken lassen sich Bewegungsartefakte verringern oder aus schließen. Wie die Fig. 6 zeigt, kann ein Mittelbereich 36 der Membran 12 allgemein unmittelbar über das in Frage kommende Gefäß 14 plaziert werden, während die Endbereiche 38 der Membran über dem Gewebe angelegt werden, das sich in der Nähe oder Umgebung des Gefäßes 14 befindet. Während der Mittelbereich 36 Gefäß druckbelastungen sowie durch Bewegungsartefakte verursachte Belastungen erfährt, erfahren die Endbe reiche der Membran 12 fast ausschließlich nur durch Bewegungsartefakte verursachte Belastungen. Obgleich sie in jedem Bereich aufgenommen werden, sind die durch Be wegungsartefakte verursachte Belastungen nicht in jedem Bereich dieselben. Deshalb können die Bewegungsartefak tensignale, die in den Endbereichen 38 der Membran 12 erfaßt werden, mit den Signalen aus dem Mittelbereich 36 kombiniert werden, um eine genauere Wellenform zu liefern und die Auswirkungen der Bewegung des Patienten wesentlich zu verringern. Einen für eine derartige Korrektur anwendbaren Schaltkreis zeigt die Fig. 7.

Da das Tonometer nach der Erfindung Gewebekontaktbe lastungen in Bereichen messen kann, die sowohl unmittelbar über dem Gefäß als auch vom Gefäß entfernt liegen, kann ein Signal erzeugt werden, das eine Kombination aus Druckwellenform plus (als S(t) bezeichnetes) Verschiebungsgeräusch oder -störschall ist, und es können Signale erzeugt werden, die charak teristisch sind für das (als (N(t) bezeichnete) Verschiebungsgeräusch alleine. Ideel wäre es möglich, einfach die zeitveränderliche (hochpaßgefilterte) Komponente des Geräuschsignals (N_f(t)) vom Drucksignal S(t) abzuziehen, um die nicht gewünschte Verschiebungs veränderung auszukorrigieren. Somit wäre das korrigierte oder berichtigte Signal einfach:

P_berichtigt(t) = S(t) - N_f(t).

In der Praxis unterscheidet sich die Amplitude des Ver schiebungsgeräuschs oder -störschalls, das bzw. der im Gewebe gerade über dem Blutgefäß erzeugt wird, von der Amplitude, die im entfernt vom Gefäß liegenden Gewebe erzeugt wird. Bleibt die Beziehung konstant, läßt sich der berichtigte Druck ermitteln durch:

P_berichtigt(t) = S(t) - A N_f(t),

wobei A ein konstanter Multiplikations- oder Bereichs faktor ist.

Falls die Beziehung zwischen dem mittig und seitlich induzierten Bewegungsgeräusch für alle Personen konstant wäre, könnte ein Festkoeffizient "A" in der vorstehenden Gleichung verwendet werden. Bedauerlicherweise bleibt der in einem Bereicht erzeugte Artefaktdruck gegenüber dem in einem anderen Bereich über der Zeit auch für ein und dieselbe Person nicht konstant. In der Fig. 6 ist das Gewebe in Form einer Reihe von Federn wie in einer Matratze dargestellt, wobei der Betrag der von jeder Feder erzeugten Kraft einfach gegeben ist durch ihre Verschiebung malgenommen mit ihrer Federkonstante K. Bei eigentlichem Gewebe variieren die Konstanten für jede "Feder" mit der Zeit, und zwar aufgrund von Faktoren, zu denen die Visco-Elastizität oder das Fließverhalten, Veränderungen der Durchströmung (Durchblutung) sowie die Temperatur und dgl. zu rechnen sind. Wegen der Veränder lichkeit der Beziehung zwischen dem in entfernt liegenden Bereichen bestehenden Geräusch (N(t)) und der Geräuschkomponente des Signals genau über dem Gefäß ist es nicht so richtig, für den Ausgleich einfach einen einzelnen Quotientenfaktor wie den o. a. Faktor "A" zu setzen. Folglich kommt hier ein Verfahren zum dynamischen Auswählen des an N_f(t) anzulegenden Koef fizienten zur Anwendung.

In der Fig. 7 ist das aus dem Bereich unmittelbar über dem Gefäß 14 stammende Signal gegeben durch S(t), und die Signale aus den Bereichen entfernt vom unmittelbar über dem Gefäß liegenden Bereich sind gegeben durch N_f(t). Die Konstante "A" wird ersetzt durch einen Parameter "a", mit dem das hochpaßgefilterte Geräusch- oder Störschallsignal 40 multipliziert wird. Der Wert "a" wird bei einer Ausführungsform wie folgt bestimmt.

Zunächst werden die Produkte des Maßstabfaktors und der zeitvarianten Komponente des Geräuschkanals gebildet:

(a + dA) * N_f(t) und (a - dA) * N_f(t),

worin dA gewählt ist als eine Konstante, die gattungsgemäß kleiner ist als 5% des Bereichs von A, was 0 bis 1 ist, so daß ein typisches dA bei 0,05 liegen könnte. Die Wahl eines kleineren dA führt dazu, daß mehr Zeit erforderlich ist, auf den besten Wert für "a" aus- oder einzuregeln, wogegen größere Werte zu einer weniger wirksamen Störschall- oder Geräuschaufhebung führen. In der obigen Gleichung steht das Symbol * für Multiplizieren.

Zweitens werden die Differenzen zwischen diesen maßstäblichen Geräuschsignalen und der zeitvarianten (durch Hochpaßfilter weggenommener Durchschnittswert) Komponente des Impulssignals S_f(t) beispielshalber durch Eingangsdifferenzverstärker 44 gebildet:

Differenzsignale = S_f(t) - (a +/- dA) * N_f(t).

Drittens werden die Differenzsignale quadriert, um zwei Signale zu erzeugen, die nur der Amplitude der Diffe renzen proportional sind:

Quadrierte Differenzen = Differenzsignale².

Viertens sind die quadrierten Differenzsignale 46 bei 48 tiefpaßgefiltert, wobei das Zeitverhalten des verwendeten Filters eine Ansprechzeit hat, die sich über viele Herzschläge erstreckt.

Es wird nun die Betriebsweise des Systems beschrieben. Hierbei sind in einem Falle, in dem das Störschall- oder Geräuschsignal 0 ist, die Filterausgänge genau das hochpaßgefilterte quadrierte Impulssignal (zeitvarianter Teil) und das tiefpaßgefilterte sind, wobei durch das quadrieren das Impulssignal gezwungen wird, nur in einer Richtung wirkend zu sein, d. h. in bezug auf Null stets positiv läuft. Die Wirkung des Tiefpaßfilters auf dieses Signal liegt darin, den Mittelwert des quadrierten Impulssignals zu finden. Somit sind unter diesen Bedingungen der Ausgang der beiden LPF1 (Low Pass Filter = Tiefpaßfilter) und LPF2 genau das Mittel der quadrier ten Impulssignale und dieselben in beiden Eingängen des Komparators oder Grenzwertmelders 50. Der Komparator ausgang würde unter diesen Bedingungen um eine oder zwei Zählungen aufwärts- und rückwärtssschalten.

In dem Fall, in dem das Störschall- oder Geräuschsignal einen beliebigen endlichen Wert in sowohl dem Impuls signal- und dem Geräuschsignalkanal hat, veranlassen die sich unterscheidenden Multiplikatoren (a + dA und a-dA), daß ein größerer oder kleiner Teil der Störschall- oder Geräuschenergie dem Impulssignal hinzu addiert wird. Dies führt bei einem der LPFs dazu, daß es einen größeren Durchschnittswert als das andere erzeugt.

Fünftens läßt der Komparator 50 den Wert "a" mittels der Aufwärts- und Rückwärtszähleinrichtung 52 sowie den Digital-Analog-Umsetzer 54 zu einem Wert hin zu- bzw. abnehmen, der den niedrigsten LPF-Ausgang (d. h. das geringste Geräusch) erzeugt. Bei Weiterführung dieses Vorgangs wird schließlich der beste Wert von "a" gefunden (d. h. der Wert, der den geringsten stati stischen Gesamtfehler erzeugt), und hiernach wird die Richtung der Veränderung von "a" umgekehrt, weil nunmehr die weitere Veränderung von "a" in dieselbe Richtung auf einen zunehmenden Fehler zulaufen würde. Die selbst tätige Umkehrung setzt ein aufgrund der Tatsache, daß das entgegengesetzte LPF den größten Durchschnitts geräuschpegel erzeugt.

Sechstens wird zum Erzeugen einer störschall- oder geräuschreduzierten Ausgangswellenform das ursprünglich geräuschverseuchte Impulssignal aus dem Komparator 50 mit der besten Wahl von "a" +/- dA multipliziert mit dem gefilterten Geräuschkanalsignal kombiniert, das selbst tätig von einem der beiden Schalter 56 im Differenz verstärker 58 gewählt wird, um zu

P_out(t) = S(t) - (a +/- dA)N_f(t)

zu gelangen.

In dieser Ausführungsform wird die selbsttätige Wahl von a+dA oder a-dA bewerkstelligt, indem der Ausgang vom Komparator 50 als Führungsgröße an den Schaltern 1 und 2 zur Anwendung kommt. Ist der Komparatorausgang zutref fend, so wird dadurch angezeigt, daß LPF1 die höchste Störschall- oder Geräuschenergie hat. Es bedeutet auch, daß LPF2 das niedrigste Geräusch (entsprechend einem Koeffizienten a-dA) in seinem Ausgang aufweist. Der zutreffende oder wahre Zustand des Komparators führt dazu, daß das mit dem Term (a-dA) multiplizierte Geräuschsignal dem hereinkommenden Gefäßsignal S(t) hin zuaddiert wird, um den Ausgang mit größter Geräusch- oder Störschallfreiheit zu erhalten.

Die Bruchzahl der abzuziehenden seitlichen Belastung wird bestimmt durch kontinuierliches Angleichen der Bruchzahl, um das in dem sich ergebenden Gefäßsignal enthaltene Geräusch auf ein Mindestmaß zurückzuführen. Der zu verwendende optimale Koeffizient wird bestimmt, indem die Ausführung der beiden geringfügig unterschied lichen Koeffizienten bei der Reduzierung des mittleren quadratischen Geräuschgehalts des Gefäßsignals getestet und danach der Koeffizient nach Bedarf vergrößert oder verkleinert wird, um den niedrigsten mittleren quadra tischen Geräusch- oder Störschallgehalt zu erzeugen. Die Bruchzahl der abzuziehenden seitlichen Belastung wird bestimmt durch kontinuierliches Angleichen der Bruch zahl, um das in dem sich ergebenden Gefäßsignal enthaltene Geräusch auf ein Mindestmaß zurückzuführen.

Ein Vorteil der Druckwellenformüberwachung nach dem zugrundeliegenden Erfindungsgedanken besteht darin, daß ein Messen der kontinuierlichen Belastungskontur über dem Gewebe im Gefäßbereich 14 (Fig. 2) möglich ist. Die Handsonde 10 (Fig. 1) wird vom Benutzer derart plaziert, daß die Längsachse der rechteckigen Membran 12 (Fig. 2) allgemein senkrecht zur Achse von Gefäß 14 gegen das Gewebe über dem Gefäß sowie beidseitig vom Gefäß ausgerichtet ist. Das Messen der kontinuierlichen Bela stungskontur kann vorzugsweise gleichzeitig auf einem Sichtanzeigegerät oder Bildschirm 32 (Fig. 1) zur Bear beitung in Dialog-Betriebsweise dargestellt werden. Ein besonderer Bereich der Membran kann dann zum Überwachen des Blutdrucks ausgewählt werden.

Bei einer Ausführungsform wurde eine aus rostfreiem Stahl gefertigtte Membran mit 0,81 mm breiter und 0,005 mm dicker Abmessung gewählt, wobei mit diesen Maßen und den Leitfaser-Lichempfindlichkeitsdaten vorhergesagt wird, daß die Druckempfindlichkeit bei 3,5 mV/mmHg liegen sollte. Alle Kanäle der Meßfühler der Faserver formung können aufgezeichnet, in einen abtastenden und verweilbefähigten Analog-Digital-Umsetzer eingegeben und für die Computeranalyse digitalisiert werden.

Somit wird durch die Druckwellenform-Überwachung oder Kontrolle nach der Erfindung eine kontinuierliche Kurve der Druckwellenform geschaffen, indem eine konti nuierliche Membran über dem in Betracht kommenden Gefäß und über das umgebende Gewebe zur Anwendung gebracht wird. Durch das Überwachungs- oder Kontrollgerät läßt sich das Mittel der Signale nehmen, indem die Strahlen der Meßfühler zur Erzielung der kontinuierlichen Kurve überlappt werden. Das Gerät kann nicht nur den diastolischen und systolischen Druck, sondern auch die gesammte Wellenform zur Darstellung bringen. Es können im Prozessor Mittel zum digitalen Speichern von Daten zu Vergleichs- oder Weiterbearbeitungszwecken eingesetzt werden.

Die Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Sätzen Lichtleitfaserbündeln 60, 62. Eine einzelne Membran 14 deckt diese beiden Sätze ab. Die Lichtleitfaserbündel 60, 62 liegen in im Tonometerkopf 68 ausgebildeten getrennten Rillen 64 bzw. 66. Durch Verwendung mehrerer Membrane läßt sich der Tonometerkopf über das in Betracht kommende Gefäß in Stellung bringen. Es lassen sich somit mehrere Druckwellenformen auf dem Gefäß gewinnen, von denen eine besser sein kann als andere. Es ist bekannt, die sich die Anatomie eines Gefäßes in seinem Längsverlauf verändert, wobei derartige Veränderunge die der Dicke des überlagernden Gewebes, der Knochen-, Bänder-, Muskel- und Sehnenlage und -steifigkeit unter und neben dem Gefäß sowie die der Größenordnung des Gefäßes selbst sind. Es kann also bessere Stellen auf dem Gefäß geben, an denen die Druckwellenformen überwacht werden können.

Die Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein beweglicher Spiegel 70 verwendet wird, einen Strahl aus einem Sender 72 an die Membran 12 zu reflektieren. Der Strahl wird hierbei von der Membran an einen Empfänger 74 reflektiert, von dem die Stärke und der Ort des reflektierten Lichts bestimmt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform können die Lichtquellen und die Detektoren unmittelbar neben der Membran plaziert werden, indem ein LED-Feld längs einer Reihe nächstliegend zur reflektierenden Membran sowie eine Serie von Photozellendetektoren in einer anderen, gleich neben dem lichtemittierenden Feld liegenden Reihe zur Aufnahme des von der Membran reflektierten Lichts verwendet werden. Hierdurch entfällt der Bedarf an Lichtleitfasern.

Während hier mehrere besondere Ausführungsformen besprochen und beschrieben wurden, ist jedoch selbst verständlich, daß verschiedene Abwandlungen hiervon vorgenommen werden können, ohne dabei vom Erfindungsge danken abzugehen. Demgemäß soll die Erfindung auch nicht hierauf beschränkt, sondern nur durch die Ansprüche begrenzt sein.

Claims

1. Druckwellenform-Kontrollgerät zum nichtinvasiven Überwachen der Druckwellenform in einem Gefäß, gekennzeichnet durch
eine Membran zum Andrücken an das das Gefäß bedeckende Gewebe sowie an das das Gefäß umgebende Gewebe und zum kontinuierlichen Verformtwerden über einer vorbestimmten Länge als Reaktion auf Belastungen in dem Gewebe, an das es angedrückt wird, wobei diese Länge größer bemessen ist als der Gefäßdurchmesser,
einen Verformungsmeßfühler zum Abtasten der Verformungen längs des Membrangliedes und zum Erzeugen eines für die Verformung der Membran bei ihrem Andruck an das Umgebungsgewebe charakteristischen Umgebungsbelastungs signal sowie eines für die Verformung der Membran bei ihrem Andruck an das das Gefäß abdeckende Gewebe charakteristischen Gefäßbelastungssignals und
eine Verarbeitungseinheit zum Aufnehmen des Umgebungs belastungssignals sowie zum anpassenden Vereinigen dieses Signals mit dem Gefäßbelastungssignal, um das Um gebungsbelastungssignal vom Gefäßbelastungssignal wegzu nehmen und zum Erzeugen eines für eine derartige Vereinigung charakteristischen Wellenformsignals.

2. Kontrollgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßfühlereinrichtung vorgesehen ist, über einer vorbestimmten Länge der Membran eine kontinuierliche Abtastung durchzuführen, wobei die Länge so gewählt ist, daß sie sich vollständig über das Gefäß erstreckt und das Umgebungsgewebe miteinschließt.

3. Kontrollgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membran eine reflektierende Oberfläche auf einer Seite aufweist, die nicht dazu vorgesehen ist, gegen das Gewebe gedrückt zu werden, und daß die Meßfühlereinrichtung Mittel zum Übertragen elek tromagnetischer Strahlung zur reflektierenden Oberfläche sowie Mittel zum Messen der von der reflektierenden Oberfläche zurückgestrahlten elektromagnetischen Strah lung sowie zum Erzeugen eines Signals aufweist, das charakteristisch ist für die Menge der aufgenommenen reflektierten elektromagnetischen Strahlung.

4. Kontrollgerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus dem sichtbaren, dem infraroten und dem ultravioletten Bereich des Lichts.

5. Kontrollgerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel zum Übertragen der elektromagnetischen Strahlung Lichtleitfasern zum Leiten von Energie zur reflektierenden Oberfläche aufweisen und daß die Mittel zum Messen Empfängerlichtleitfasern zum Aufnehmen der von der reflektierenden Oberfläche zurückgestrahlten Energie aufweisen.

6. Kontrollgerät nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Senderlichtleitfasern und die Empfängerlichtleitfasern nächstliegend zur reflektieren den Oberfläche des Membranglieds in Reihen angeordnet sind.

7. Kontrollgerät nach Anspruch 1, gekennzeich net durch Mittel zum Regeln der Intensität der an die reflektierende Oberfläche geleiteten Energie ein schließlich einer Rückkopplungsschleife zu einer Quelle dieser Energie.

8. Kontrollgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß von der Verarbeitungseinheit das Umfangsbelastungssignal vom Gefäßbelastungssignal abge zogen wird.

9. Kontrollgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß von der Verarbeitungseinheit der mittlere quadratische Störschall, der durch zwei inkrementell verschiedene Proportionalitätskoeffizienten erzeugt wird, verglichen wird und die Koeffizienten in die Richtung iterativ angeglichen werden, die den geringsten Störschall erzeugt.

10. Druckwellenform-Kontrollgerät zum nichtinvasiven Überwachen der Druckwellenform in einem Gefäß, gekennzeichnet durch
eine Membran zum Andrücken an das das Gefäß bedeckende Gewebe sowie an das das Gefäß umgebende Gewebe und zum kontinuierlichen Verformtwerden über einer vorbestimmten Länge als Reaktion auf Belastungen in dem Gewebe, an das es angedrückt wird, wobei diese Länge größer bemessen ist als der Gefäßdurchmesser,
einen Meßfühler zum Ausführen der kontinuierlichen Abtastung der Verformungen längs einer vorbestimmten Länge des Membrangliedes, wobei die gewählte Länge sich vollständig über den Gefäßdurchmesser erstreckt und Umgebungsgewebe miteinschließt, und zum Erzeugen eines für die Verformung der Membran bei ihrem Andruck an das Umgebungsgewebe charakteristischen Umgebungsbelastungs signal sowie eines für die Verformung der Membran bei ihrem Andruck an das das Gefäß abdeckende Gewebe charakteristischen Gefäßbelastungssignals und
eine Verarbeitungseinheit zum Aufnehmen des Umgebungs belastungssignals sowie zum anpassenden Vereinigen dieses Signals mit dem Gefäßbelastungssignal, um das Um gebungsbelastungssignal vom Gefäßbelastungssignal wegzu nehmen und zum Erzeugen eines für eine derartige Vereinigung charakteristischen Wellenformsignals.

11. Kontrollgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß von der Verarbeitungseinheit das Umgebungsbelastungssignal vom Gefäßbelastungssignal ab zieht.

12. Verfahren zum nichtinvasiven Überwachen der Druckwellenform in einem Gefäß, gekennzeich net durch
Erstellen einer Membran zum Andrücken an das das Gefäß abdeckende Gewebe sowie an das das Gefäß umgebende Gewebe, um kontinuierlich über einer vorbestimmten Länge als Reaktion auf die Belastungen im Gewebe, gegen das sie gedrückt wird, verformt zu werden, wobei die Länge größer ist als der Gefäßdurchmesser,
Abtasten der Verformungen längs des Membrangliedes,
Erstellen eines Umgebungsbelastungssignals, das für die Verformung der Membran nach Maßgabe des Andrucks an das Umgebungsgewebe charakteristisch ist,
Erstellen eines Gefäßbelastungssignals, das für die Verformung der Membran nach Maßgabe des Andrucks an das das Gefäß abdeckende Gewebe charakteristisch ist,
anpassendes Vereinigen des Umgebungsbelastungssignals mit dem Gefäßbelastungssignal, um das Umgebungsbe lastungssignal von dem Gefäßbelastungssignal wegzunehmen und
Erstellen eines für eine derartige Vereinigung charakteristischen Wellenformsignals.

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeich net durch den Verfahrensschritt des Abziehens des Umgebungsbelastungssignals vom Gefäßbelastungssignal.

14. Kontrollgerät nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß von der Verarbeitungseinheit der von zwei inkrementell verschiedenen Proportionalitäts koeffizienten erzeugte mittlere quadratische Störschall verglichen wird und die Koeffizienten in die Richtung iterativ angeglichen werden, die den geringsten Störschall erzeugt.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Verfahrensschritt des anpassenden Vereinigen den Vorgang des Vergleichen des mittleren quadratischen Störschalls, der von zwei inkrementell verschiedenen Proportionalitätskoeffizienten erzeugt wird, und den Vorgang des iterativen Angleichens der Koeffizienten in die Richtung umfaßt, die den geringsten Störschall erzeugt.