DE4210102A1

DE4210102A1 - Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundierten Gewebes

Info

Publication number: DE4210102A1
Application number: DE19924210102
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Rall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1992-03-27
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2012-03-28
Also published as: DE4210102C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum opti schen Bestimmen von Kenngrößen perfundierten Gewe bes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Puls oximeter und eine Vorrichtung zur Blutdruckmessung.

Unter den zahlreichen bekannten Kenngrößen perfun dierten Gewebes, deren meßtechnische Bestimmung in der Medizin genutzt wird, gibt es eine Reihe sol cher, welche durch Anwendung spektralphotometri scher Methoden bestimmbar sind. So ist beispiels weise bekannt, die prozentuale Sauerstoffsättigung des im Blut mitgeführten Hämoglobins mit einem so genannten Millikan-Smaller-Oximeter zu bestimmen. Da die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins von der kardiorespiratorischen Funktion des Patienten ab hängt, kann umgekehrt durch die direkte Messung des Sauerstoffgehaltes des Hamöglobins auf die Atem- und Kreislauffunktion geschlossen werden. In der Praxis sind dabei zu unterscheiden a) einerseits die in-vitro-Oximetrie, bei welcher eine arterielle oder venöse Blutentnahme mit nachfolgender diskon tinuierlicher Analyse in einem Oximeter stattfin det, sowie b) die in-vivo-Oximetrie andererseits, welche wiederum einzuteilen ist in ba) eine inva sive Methode, welche eine kontinuierliche intrava sale Oximetrie mittels fieberoptischem Katheder darstellt, sowie bb) eine nicht-invasive Methode, die als Pulsoximetrie bekannt ist und nur für arte rielles Blut verwendet werden kann.

Da aufgrund des nicht-invasiven Charakters der Pulsoximetrie der Patient erheblich weniger bela stet wird, ist dieses Verfahren vorzuziehen, wann immer seine Anwendung als medizinisch indiziert angesehen werden kann. Bei der Pulsoximetrie wird die spektrale optische Absorption von perfundierten Gewebe bei vorbestimmten Wellenlängen gemessen und ausgewertet. Bedingt durch die Mechanik der Herzak tion pulsiert der Blutfluß in den Arterien, wodurch sich die arteriellen Gefäße im Rhythmus der Herzak tion geringfügig ausdehnen und wieder erschlaffen. Wird Licht geeigneter Wellenlänge durch ein Volumen arteriell durchbluteten Gewebes (z. B. eine Finger kuppe oder ein Ohrläppchen) hindurchgeleitet, so kann bei einer Messung der relativen Intensität des durch das Gewebe hindurchgetretenen Lichtes festgestellt werden, daß diese Intensität im Rhyth mus der Herzaktion moduliert ist. Die Amplitude dieser Schwankung beträgt typischerweise einige Promille bis einige Prozent, bezogen auf die em pfangene Gesamtlichtintensität. Diese Schwankung wird als pulsatiles Signal bezeichnet. Hervorgeru fen wird dieses pulsatile Signal durch eine geringfügige Zu-und Abnahme der Schichtdicke des arteri ellen Blutes im Gewebe, wodurch die Absorption der durch das Gewebe tretenden Strahlung ebenfalls zu- bzw. abnimmt. Mit Sauerstoff beladenes Hämoglobin (Oxyhämoglobin HbO₂) weist einen anderen spektralen Absorptionsverlauf als desoxygeniertes Hämoglobin (Hb) auf.

Wird die Absorption des perfundierten Gewebes bei zwei verschiedenen Wellenlängen (beispielsweise 660 nm und 940 nm) gemessen, so kann beispielsweise aus dem relativen Verhältnis der Absorptionswerte bei beiden Wellenlängen anhand vorbestimmter Kalibrie rungskurven auf das Verhältnis von Oxyhämoglobin zu Hämoglobin geschlossen werden. Dieses Verhältnis stellt ein Maß für die Sauerstoffsättigung (SaO₂) dar. Darüber hinaus gibt es weitere Hämoglobinar ten, die im Blut vorkommen können und die sich durch ihre eigenen spektralen Absorptionsverläufe auszeichnen. Durch Hinzunahme weiterer geeigneter Wellenlängen in das Meßverfahren kann auch ihr An teil im Gesamtblut erfaßt werden. Zu solchen Hämo globinarten gehören z. B. das Carboxyhämoglobin (HbCO), welches bei Kohlenmonoxidvergiftungen vor kommt, sowie das Methämoglobin.

Da die Lichtabsorption in einem Volumen perfundier ten Gewebes nicht nur von der Absorption des darin fließenden arteriellen Blutes, sondern auch von der Eigenfarbe des Gewebes sowie von der Absorption von venösem Blut, welches im betrachteten Gewebevolumen vorhanden sein kann, abhängt, ist eine Auswertung der Gesamtabsorption für sich genommen unzurei chend. Wird jedoch für die Auswertung der pulsatile Anteil der gemessenen Absorptionssignale ausge nutzt, so kann davon ausgegangen werden, daß der pulsatile Anteil der Lichtabsorption durch den schwankenden Fluß des arteriellen Blutes hervorge rufen wird. Da üblicherweise der venöse Blutfluß im Gegensatz zum arteriellen Blutfluß nicht pulsiert, kann eine Bestimmung beispielsweise der Sauerstoff sättigung des arteriellen Bluts aus dem pulsatilen Signalanteil ausgeführt werden.

Als Lichtquellen für die Sensoren üblicher Pulsoxi meter werden herkömmlicherweise Leuchtdioden (LEDs) benutzt. Die Kriterien für die Auswahl geeigneter LEDs sind dabei in erster Linie die erzielbare Hel ligkeit und die Toleranz der Reproduzierbarkeit der Wellenlänge.

Die Reproduzierbarkeit der vorbestimmten Wellenlän gen, bei denen die Absorptionsmessungen durchgefüh rt werden, ist von besonderer Bedeutung, da sich die spektrale Absorption insbesondere des nicht mit O₂ beladenen Blutes in den für eine Messung beson ders geeigneten Wellenbereichen mit der Wellenlänge rasch ändert. Bereits wenige nm Verschiebung der Wellenlänge des Meßlichtes führen zu einer starken Veränderung der Kalibrationskurve des Pulsoximete rs, welche den Zusammenhang zwischen den optischen Absorptionseigenschaften, beispielsweise der Sauer stoffsättigung (SaO₂) beschreibt. Wird diese Kali brationskurve nicht der tatsächlichen Wellenlänge der verwendeten Lichtquellen angepaßt, können unzu lässige Fehler in der Anzeige der Sauerstoffsätti gungswerte auftreten.

Herkömmlicherweise versuchen Hersteller von Puls oximetern dieses Problem dadurch zu lösen, daß die verwendeten LEDs vor dem Einbau in die Pulsoxime ter-Geräte nach der tatsächlichen Wellenlänge selektiert werden. In der klinischen Praxis besteht jedoch ein Bedarf, die Pulsoximeter-Sensoren als Einmalartikel zu verwenden, wodurch dieses Verfah ren wirtschaftlich wenig vorteilhaft erscheint. Ein anderer bekannter Ansatz besteht darin, die für die Pulsoximeter-Sensoren verwendeten LEDs nach ihrer tatsächlichen Wellenlänge zu klassifizieren und die tatsächliche Wellenlänge in einem geeigneten Stecker, mit dem der Sensor an das Pulsoximeter-Ge rät angeschlossen wird, in geeigneter Weise zu co dieren. Das Pulsoximeter-Gerät wählt dann intern eine für den einzelnen Sensor geeignete Kalibrie rungskurve aus.

Die Wellenlänge des von einer LED emittierten Lichtes hängt jedoch nicht nur von der Vorgeschich te ihrer Herstellung, sondern auch von ihrer Be triebstemperatur ab. Diese wiederum wird von der elektrischen Betriebsleistung der LED, der Umge bungstemperatur sowie von den thermischen Wider ständen und Kapazitäten des Sensoraufbaus beein flußt. Bei Betrieb einer LED mit ihrem höchstzuläs sigen Strom kann sich die Wellenlänge des emittier ten Lichtes um einen völlig unakzeptablen Wert von ca. 10 nm verändern. Ferner kann es aus Sicher heitsgründen wünschenswert sein, die LEDs des Sen sors nicht mit einem hohen Strom zu betreiben. Bei manchen Sensor-Ausführungen sind die LEDs in Nach barschaft zu biologischem Gewebe angeordnet. Werden sie dann mit hohem Strom betrieben, können sie eine hohe Temperatur annehmen und unter Umständen im um liegenden Gewebe Verbrennungen verursachen.

An sich können diese Nachteile herkömmlicher Puls oximeter gelöst oder vermindert werden, indem die Leuchtdioden mit geringer Leistung betrieben wer den. Eine derartige Vorgehensweise verschlechtert jedoch bei herkömmlichen Pulsoximetern das Signal/ Rauschverhältnis des Ausgangssignals derart, daß sie praktisch nicht in Betracht kommt.

Ein weiterer Problemkreis tritt dann auf, wenn auf grund bestimmter medizinischer Indikationen, bei spielsweise in der pränatalen Medizin oder in der Geburtshilfe, eine Miniaturisierung des Sensors angestrebt wird. Aus der Druckschrift DE 38 10 008 C1 ist ein Pulsoximeter zur Verwendung in der pränatalen Medizin bzw. bei der Geburtshilfe bekannt, bei dem ein vaginal einführbarer Sensor träger vorgesehen ist, an dessen freiem Ende eine Sensoreinrichtung gelagert ist, welche Sensor bereiche aufweist, die mit einem Meßgerät verbunden sind. Ein Sensorbereich sendet Licht aus, welches das kindliche Gewebe durchdringt und von einem Em pfänger empfangen wird. Eine Ausgestaltung dieses bekannten Pulsoximeters ist dadurch gegeben, daß die Sensorbereiche mittels Lichtleitern mit einer am Endbereich des Sensorträgers angeordneten Licht quelle bzw. einem lichtempfindlichen Element ver bunden sind. Durch Verwendung von Lichtleitern steht zum einen unmittelbar am Sensor eine Licht quelle zur Verfügung, die sich effektiv wie eine Kaltlichtquelle verhält; zum anderen ist es mög lich, eine vollständige elektrische Trennung des am Patienten anzubringenden Sensorteils von der elektronischen Einrichtung zu erzielen. Auf der anderen Seite weist diese bekannte Anordnung den Nachteil auf, daß die durch die Lichtleiter gerin gen Querschnitts insgesamt hindurchdringende Licht menge um Größenordnungen geringer ist als bei Vor richtungen, bei denen beispielsweise eine Leuchtdi ode und/oder ein Photodetektor unmittelbar am Gewe be angebracht sind. Daher ist das mit einer derar tigen Anordnung bislang erzielbare Signal/Rausch verhältnis erheblich schlechter als bei Anordnungen ohne zwischengeschaltete Lichtwellenleiter.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung steht beispiels weise in Zusammenhang mit der indirekten Blutdruck messung nach dem bekannten Okklusionsprinzip, wobei eine um den Oberarm des Patienten gelegte Gummiman schette, die mit einem Manometer verbunden ist, aufgepumpt wird, bis der Puls an der an der Arteria radialis nicht mehr zu tasten ist. Über ein Nadel ventil wird der Manschettendruck langsam ernie drigt. Wenn der systolische Blutdruck in der Arte rie den Manschettendruck gerade überwindet, ist der erste Pulsschlag tastbar. Der diastolische Blut druck kann durch Auskulatation der Korotkoff-Töne bei weiter abnehmendem Manschettendruck bestimmt werden. Um dieses Verfahren der Blutdruckmessung zu automatisieren, ist es insbesondere erforderlich, das manuelle Pulsfühlen durch andere Techniken zu ersetzen. Es sind verbreitet Blutdruckmeßgeräte im Gebrauch, die ein in geeigneter Weise akustisch mit einer Arterie in Verbindung stehendes Mikrophon aufweisen, dessen Ausgangssignal in einer Auswerte vorrichtung verarbeitet wird, um den Pulsschlag und die Korotkoff-Töne auszufiltern. In der Praxis be steht ein Bedarf nach Geräten, mit denen in einem Meßvorgang sowohl der Blutdruck als auch die Sauer stoffsättigung des im Blut mitgeführten Hämoglobins erfaßt werden kann. Beim Stand der Technik sind hierzu verhältnismäßig aufwendige Meßgeräte erfor derlich, die sowohl einen Mikrophonsensor als auch einen optischen Pulsoximetrie-Sensor aufweisen. Eine optische Detektion des Pulsschlages durch Be stimmung der pulsschlagabhängigen Extinktionsände rung pulsatilen Gewebes stößt jedoch im Prinzip auf ähnliche Probleme, wie sie vorstehend bereits für Pulsoximeter beschrieben sind.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundier ten Gewebes in Vorschlag zu bringen, das die vor stehend genannten Nachteile nicht oder in wesent lich vermindertem Umfang aufweist. Aufgabe der Er findung ist es insbesondere auch, ein Pulsoximeter in Vorschlag zu bringen, das die vorstehend genann ten Nachteile nicht oder in wesentlich vermindertem Umfang aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Vor richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, insbesondere für ein Pulsoximeter, gelöst durch die in dessen Kennzeichenteil angegebenen Merkmale. Für eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruches 2, insbesondere ein Blutdruckmeßge rät, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die in dessen Kennzeichenteil angegebenen Merkmale. Den Unteransprüchen 3 bis 43 sind vor teilhafte Weiterbildungen der Gegenstände derjeni gen Patentansprüche zu entnehmen, auf die sie je weils rückbezogen sind. Die Gegenstände der Patent ansprüche 1 bzw. 2 sind jeweils für sich genommen erfinderisch.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe daher bezüglich des ersten Aspektes gelöst durch eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundier ten Gewebes, insbesondere ein Pulsoximeter, mit mindestens einer ersten und einer zweiten Licht quelle, welche jeweils Lichtstrahlung einer ersten bzw. einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge aus senden, wobei die Lichtquellen derart angeordnet sind, daß die von ihnen ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe eindringen kann; minde stens einem Photodetektor, der so angeordnet ist, daß er das von den Lichtquellen ausgesandte, durch das perfundierte Gewebe hindurchgetretene Licht de tektiert; einer Zeitsteuereinheit, die Steuersigna le derart an die Lichtquellen liefert, daß die Lichtquellen fortwährend einander abwechselnd Licht aussenden, wobei in diesen Ablauf eine oder mehrere Dunkelphasen eingefügt sein können, in welchen kei ne der beiden Leuchtdioden Licht aussendet; einer mit dem Ausgang des Photodetektors verbundenen Ein gangsstufe, sowie mit einer mit einem Ausgang der Eingangsstufe sowie der Zeitsteuereinheit verbunde nen Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrich tung mindestens ein eine zu messende Kenngröße an zeigendes Ausgangssignal liefert, wobei der durch die Eingangsstufe im Zusammenwirken mit dem Photo detektor erzeugte Rauschanteil im Ausgangssignal der Eingangsstufe nicht größer als der durch Schrotrauschen bedingte Rauschanteil im Photostrom des Photodetektors ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe daher bezüglich des zweiten Aspektes gelöst durch eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundier ter Gewebe, insbesondere ein Blutdruckmeßgerät, mit mindestens einer Lichtquelle, welche Lichtstrahlung aussendet, wobei die Lichtquelle derart angeordnet ist, daß die von ihr ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe eindringen kann; mindestens einem Photodetektor, der so angeordnet ist, daß er das von der Lichtquelle ausgesandte und durch das perfundierte Gewebe hindurchgetretene Licht detek tiert; einer mit dem Ausgang des Photodetektors verbundenen Eingangsstufe sowie mit einer mit einem Ausgang der Eingangsstufe verbundenen Auswerteein richtung, wobei die Auswerteeinrichtung mindestens ein eine zu messende Kenngröße anzeigendes Aus gangssignal liefert, wobei der durch die Eingangs stufe im Zusammenwirken mit dem Photodetektor er zeugte Rauschanteil im Ausgangssignal der Eingangs stufe nicht größer als der durch Schrotrauschen be dingte Rauschanteil im Photostrom des Photodetek tors ist.

Eine wesentliche Funktion einer Eingangsstufe der Auswerteelektronik in einem Pulsoximeter ist es, den durch einen Photoempfänger fließenden Photo strom möglichst rauscharm in eine als Maß für den Photostrom dienende, beispielsweise in eine zu die sem Strom proportionale oder in logarithmischer Ab hängigkeit stehende Ausgangsspannung oder einen entsprechenden Ausgangsstrom umzuwandeln. Üblich ist es, den Photostrom in eine proportionale Span nung umzusetzen. Daher wird in den folgenden Aus führungen von einer linear arbeitenden "Strom-/ Spannungs-Wandlereinrichtung" gesprochen, ohne daß damit eine Beschränkung der geoffenbarten techni schen Lehre auf linear arbeitende Strom-/Spannungs- Umsetzer zum Ausdruck gebracht werden soll.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine Reihe von Nachteilen bekannter Pulsoximeter dadurch vermieden werden kann, daß die elektrisch mitein ander verbundene Kombination aus dem Photodetektor und der Eingangsstufe einer elektronischen Auswer teschaltung, die die von dem Photodetektor ge lieferten Ströme verarbeitet und beispielsweise in einen Spannungswert umsetzt, gegenüber dem Stand der Technik auf erfinderische Weise so verbessert wird, daß sie wesentlich empfindlicher wird und vor allem rauschärmer arbeitet. Ein auf diese Weise verbessertes Pulsoximeter kann beispielsweise der art eingestellt werden, daß die zur Lichterzeugung verwendeten LEDs bei wesentlich geringeren Be triebsleistungen als herkömmlicherweise betrieben werden. Dadurch ist es erheblich leichter möglich, unerwünschte Schwankungen der Wellenlänge zu mini mieren. Ebenso eröffnen die erfindungsgemäßen Ver besserungen eines Pulsoximeters die Möglichkeit, zur Messung verwendetes Licht durch dünne Glasfa sern zu leiten, welche lediglich einen sehr gerin gen Lichtfluß zulassen.

Auch bei einer idealen Eingangsstufe, welche per definitionem als rauschfrei angenommen wird, d. h., von der angenommen wird, daß sie keinen eigenen (thermischen) Rauschbeitrag liefert, darf nicht von dem Einfluß des durch das Schrotrauschen des Photo detektors bedingten Rauschanteils in der zum pul satilen Signal gehörenden Komponente des Photostro mes auf den Rauschanteil im zu gewinnenden Meßwert signal abgesehen werden. Das Signal/Rausch-Verhält nis und damit die Aussagekraft des Meßwertsignals kann nicht besser sein, als es der Schrotrauschef fekt zuläßt.

In ihrer allgemeinsten Form legt die erfinderische Bemessungsregel fest, daß der thermische Rauschbei trag des Photodetektors und der Strom-Spannungs- Wandlereinrichtung nicht größer als der durch das Schrotrauschen im Photodetektor erzeugte Rauschbei trag ist, wobei der durch das Schrotrauschen im Photodetektor erzeugte Rauschbeitrag im Verhältnis zum Rauschanteil in der Meßwertanzeige hinreichend klein gehalten wird, indem ein Mindest-Gleichstrom anteil im Betrag des Photostroms des Photodetektors vorgesehen ist.

Der durch das Schrotrauschen des Photodetektors bedingte, auf den Wechselstromanteil des Photostro mes I_PD bezogene Rauschstrom i_N berechnet sich nach der Gleichung:

mit

e elektrische Elementarladung (ca. 1,6 · 10^-19 C);
Δf spektrale Bandbreite des pulsatilen Sig nals.

Das durch das Schrotrauschen bedingte, auf den Gleichstromanteil von I_PD bezogene Signal/Rausch- Verhältnis S/N berechnet sich aus (1) nach der Gleichung:

Erfindungsgemäß geht die Bemessungsregel zunächst davon aus, daß das durch biologische und allgemein meßtechnische Gegebenheiten des Meßprinzipes be dingte, von einem idealen, in sich keine zusätzli chen Rauschquellen enthaltenden Pulsoximeter zu er wartende Signal/Rausch-Verhältnis der Meßwertanzei ge nicht in übermäßiger Weise durch das Schrotrau schen im Photodetektor bestimmt wird. Insbesondere wird gefordert, daß das durch das Schrotrauschen des Photodetektors bedingte Signal/Rausch-Verhält nis kleinere, höchstens gleiche Werte als das durch biologische und allgemein meßtechnische Gegebenhei ten des Meßprinzipes bedingte Signal/Rausch-Ver hältnis annimmt.

Aus dem von J.A. Pologe verfaßten Aufsatz "Pulse Oximetriy: Technical Aspects of Machine Design", veröffentlicht in: Int. Anesthesiology Clinics Vol. 25, N° 3, 1987, ist ein Auswerteverfahren für die Pulsoximetrie bekannt. Die folgenden Darlegungen zum Signal/Rausch-Verhältnis eines idealen Pulsoxi meters beziehen sich auf das darin beschriebene Auswerteverfahren.

Eine erste wesentliche Größe für die Bestimmung des Mindestwertes des auf den Gleichstromanteil von I_PD bezogenen Signal/Rausch-Verhältnisses S/N ist ein auf das pulsatile Signal bezogener Modulationsgrad m des von dem Photodetektor empfangenen pulsatilen Lichtes. Der Modulationsgrad m ist definiert als der Quotient aus der Amplitude (Spitze-Spitze) des emfangenen pulsatilen Wechsellichtanteils dividiert durch die Amplitude des Anteils an konstantem, nicht moduliertem Lichtfluß. Typische Werte für den Modulationsgrad m liegen bei etwa m = 0,01 bis m = 0,05 für übliche, an einer Fingerkuppe anzubringen de Sensoren, und bei etwa m = 0,001 bis m = 0,005 für Sensoren insbesondere nach der vorstehend ge nannten Druckschrift DE 38 10 008 C1.

Eine zweite wesentliche Größe für die Bestimmung des Signal/Rausch-Verhältnisses S/N eines idealen Pulsoximeters ist ein auf das pulsatile Signal be zogener Präzisionsindex p. Der Präzisionsindex p ist definiert als der Quotient aus dem Rauschanteil der Wechsellichtamplitude (Spitze-Spitze) des vom Photodetektor empfangenen pulsatilen Lichtes divi diert durch die pulsatile Wechsellichtamplitude selbst. Ein für Messungen an biologischen Systemen noch sinnvoller Wert für den Präzisionsindex p liegt erfahrungsgemäß bei p ≈ 0,02. Ein schlechte rer Wert für den Präzisionsindex p ist in bestimm ten Fällen hinzunehmen, bei denen die biologischen und meßtechnischen Gegebenheiten einen besseren Wert nicht zulassen. Eine Verbesserung des Gesamt meßwertes ist dann durch eine Mittelwertbildung über geeignet bemessene Zeiträume möglich, da sich beispielsweise die Sauerstoffsättigung nur langsam mit der Zeit ändert.

Der Mindestwert des auf den Gleichstromanteil von I_PD bezogenen Signal/Rausch-Verhältnisses S/N er rechnet sich zu:

Das auf Effektivwerte der Amplituden umgerechnete Signal/Rausch-Verhältnis S/N aus Gleichung (3) be rechnet sich gemäß

Aus Gleichung (2) und (4) folgt, daß der Gleich stromanteil im Photostrom I_PD nicht beliebig klein gewählt werden darf; vielmehr errechnet sich ein benötigter (Mindest-)Photostrom I_PDr, der nicht unterschritten werden darf:

Bei der Veranschlagung eines relevanten Bemessungs wertes für die spektrale Bandbreite Δf des pulsati len Signals ist zu berücksichtigen, daß bei Feten Pulsfrequenzen bis zu ca. 180 min^-1 entsprechend ca. 3 Hz auftreten können. Da das pulsatile Signal nicht sinusförmig ist, erweist es sich als sinn voll, den Oberwellengehalt bis mindestens ein schließlich der dritten harmonischen Oberwelle zu berücksichtigen, d. h. die Bandbreite Δf ist mit Δf ≈ 9 Hz anzusetzen.

Bei Annahme der vorstehend erläuterten Bemessungs größen folgt aus Gleichung (5) beispielsweise für einen fetalen Sensor (m = 0,005)

I_PDr = 10,3 nA.

Das diesem Photostrom I_PD = I_PDr im Photodetektor eingeprägte Schrotrauschen -Na errechnet sich dann gemäß Gleichung (1) zu

i_Na = 5,7 · 10^-14 A · Hz^-1/2

wobei für dieses Berechnungsbeispiel davon ausge gangen wird, daß der Photodetektor keine Eigenver stärkung aufweist, d. h., daß er insbesondere nicht als Avalanche-Diode ausgeführt ist.

Es ist bekannt, daß für die Rauschspannung u_N an einem Ohm′schen Widerstand R gilt:

mit u_N = Rauschspannung
R = Widerstand
k = Bolzmann′sche Konstante
T = absolute Temperatur
Δf = Bandbreite.

Aus dem Ohm'schen Gesetz

U = RI (7)

folgt in Verbindung mit der Gleichung (1) für den Rauschstrom I_N:

d. h., der Rauschstrom i_N fällt umgekehrt proportio nal mit der Quadratwurzel aus dem Widerstandswert R.

Ein Mindestwert R_MIN für einen Widerstand R, der einen im Vergleich mit i_Na kleineren oder höchstens gleichen thermischen Rauschstrom i_N verursacht, weist somit einen Wert R_MIN ≈ 5 MΩ auf. Wird das thermische Rauschen des Strom-/Spannungs-Wandlers ganz überwiegend in einem Widerstand R oder in ei ner anderen Einrichtung, die bezüglich des von ihr hervorgerufenen thermischen Rauschens gleichartig wirkt, erzeugt, so ist ihr Widerstandswert bzw. ein entsprechender effektiver Widerstandswert größer als R_MIN zu dimensionieren.

Aus dieser Bemessungsregel für die erfindungsgemäße Lösung folgt ferner, daß die äquivalente Rauschlei stung NEP (Noise Equivalent Power) der mit einem bestimmten Photodetektor gepaarten Strom- Spannungs- Wandlereinrichtung eine vorbestimmte maximale äqui valente Rauschleistung NEP_max nicht überschreiten darf, um die vorstehend genannten Vorteile zu er langen.

Für die äquivalente Rauschleistung NEP des gesamten Photoempfängersystems gilt:

wobei die Empfindlichkeit S (Sensitivity) des Pho todetektors bei Verwendung einer üblichen Photodi ode mit etwa 0,5 AW^-1 anzusetzen ist.

Konkret darf diese äquivalente Rauschleistung NEP_max einen Wert von im wesentlichen 0,1 pW/ nicht überschreiten. Bei einer bevorzugten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Wert NEP_max von im wesentlichen 36 fW/ nicht überschritten. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet insbesondere auch bei aus DE 38 100 C1 be kannten Sensoren die durch die Erfindung erzielba ren Vorteile, gerade wenn - was bei diesen Sensoren in der Praxis häufig vorkommt - der Photostrom bei ungefähr 1 nA liegt. Schließlich wird bei einer be sonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Wert NEP_max von im wesentlichen 11 fW/ nicht überschritten. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform können auch extrem lichtschwache Sensorbauformen verwendet werden, bei denen der Photostrom beispielsweise bei ungefähr lediglich 0,1 nA liegt.

Diese erfindungsgemäße Bemessungsregel kann auf verschiedenerlei Wegen in vorteilhafte Ausführungs formen umgesetzt werden. Folgende Rauscheinflußgrö ßen sind dabei insbesondere zu berücksichtigen: a) thermisches Rauschen an ohm′schen Widerständen; b) Stromrauschen an Eingangstransistoren; c) Schrot rauschen des durch den Photodetektor fließenden Stromes, falls der Photodetektor einen Übergang mit Gleichrichtwirkung, z. B. einen pn-Übergang, auf weist; und d) thermisches Rauschen bei geschalteten Kondensatoren.

Die entsprechenden Bemessungsregeln für bestimmte Ausführungsformen sehen beispielsweise die Verwen dung sehr hochohmiger Widerstände oder als Wider stände wirkender geschalteter Transistoren mit ei nem über einem Schwellenwert R_MIN liegenden Wider standswert in einer Strom-/Spannungs-Wandlerein richtung vor. Bei anderen Ausführungsformen der Er findung wird die äquivalente Rauschleistung NEP durch Verwendung eines verstärkenden photosensiti ven Elementes, beispielsweise eines Photomultipli ers oder einer Avalanche-Photodiode, als Photode tektor auf erfindungsgemäße Werte herabgedrückt. Schließlich werden andere Ausführungsformen der er findungsgemäßen Lösung dadurch bestimmt, daß Photo dioden mit einer besonders geringen Sperrschichtka pazität Verwendung finden.

Bei der Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Lö sung ist zu beachten, daß die Verwendung sehr hoch ohmiger Widerstände in Verbindung mit Schaltungska pazitäten oder auch mit parasitären Kapazitäten zu relevanten Zeitkonstanten führen kann, die den Fre quenzgang des Strom-/Spannungs-Wandlers derart be einträchtigen können, daß die Takt- bzw. Modulati onsfrequenz f_CLK der Ansteuerung der Lichtquellen (auch als "Trägerfrequenz" bezeichnet) nicht mehr mit der erforderlichen zeitlichen Auflösung verar beitet werden kann. Wird beispielsweise ein Wider stand R = 50 MΩ eingesetzt, der mit parasitären Ka pazitäten von C = 0,1 pF zusammenwirkt, resultiert daraus eine Zeitkonstante τ = RC = 5 µs, d. h. die Grenzfrequenz beträgt etwa 30 kHz. Dieser Wert stellt oft bereits eine erhebliche Einschränkung für den Anwendungsbereich eines Pulsoximeters dar; beispielsweise ist es oft vorteilhaft, die LEDs bei einer Taktfrequenz f_CLK » 1 kHz zu betreiben, um insbesondere Einflüsse von moduliertem Fremdlicht (Leuchtstofflampen!) ausschalten zu können. Soll bei derartigen Betriebsfrequenzen auch die 10. Oberwelle eines Rechtecksignals übertragen werden, sind Bandbreiten Δf » 10 kHz erforderlich. Diese Überlegungen unterstreichen die Bedeutung des Fre quenzganges bei der Dimensionierung der erfindungs gemäßen Ausführungsformen.

Solche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lö sung, welche sehr hochohmige Widerstandsbauelemente aufweisen, können durch eine besondere Gestaltung dieser Bauelemente besonders vorteilhaft ausgestal tet werden. Wird ein hochohmiges Widerstandsbauele ment beispielsweise in zylindrischer Form mit einem sehr großen Verhältnis von Bauteillänge zu Bauteil durchmesser ausgeführt, so kann zwar die parasitäre Kapazität zwischen den Endkappen vermindert werden. Hierbei darf jedoch nicht übersehen werden, daß bei einer derartigen Ausführungsform über die gesamte Länge des Bauelementes verteilte parasitäre Kapazi täten zu umliegenden, insbesondere auf Massepoten tial gelegten Schaltungsteilen bestehen, beispiels weise zwischen der Widerstandsschicht des hochohmi gen Widerstandsbauelementes und einem metallischen Gehäuse. Um die Wirkung dieser parasitären Kapazi täten zu vermindern oder ganz auszuschalten, er weist es sich als vorteilhaft, das hochohmige Bau element - je nach Symmetrieverhältnissen des Auf baus - beispielsweise ganz oder teilweise mit einem Hohlzylinder aus einem niederohmigeren Widerstands material zu umgeben, wobei dieser äußere Hohlzylin der an seinen Stirnflächen jeweils mit einem elek trischen Anschluß versehen ist. Mittels dieser An schlüsse wird der Widerstands-Hohlzylinder derge stalt in die elektrische Schaltung eingebaut, daß die zeitliche Änderung des Oberflächenpotentials an jeder Stelle der Oberfläche des Widerstands-Hohlzy linders auch bei den beim Betrieb der Schaltung auftretenden Wechselströmen möglichst genau der zeitlichen Änderung des Oberflächenpotentials an der direkt gegenüberliegenden Stelle der Oberfläche des hochohmigen Widerstandsbauelementes entspricht, so daß die parasitären Kapazitäten auch bei Ände rungen des Oberflächenpotentials des hochohmigen Widerstandsbauelementes nicht umgeladen werden.

Die vorstehend unter Bezugnahme auf Pulsoximeter erläuterten und zur Erfindung gehörenden Merkmale lassen sich durch den Fachmann ohne weiteres auch auf nach dem Funktionsprinzip verwandte Meßvorrich tungen, insbesondere auf die vorstehend bereits er wähnten Blutdruckmeßgeräte, übertragen. Die Erfin dung ist jedoch nicht auf Pulsoximeter und Blut druckmeßgeräte beschränkt. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß die zur Erfindung gehörenden Merkmale überhaupt auf alle einschlägigen Meßvor richtungen übertragen werden können, bei denen op tische Extinktionswerte anzeigende pulsatile Signa le an perfundiertem Gewebe abgenommen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung für das genannte Blut druckmeßgerät unterscheidet sich von derjenigen für das Pulsoximeter im wesentlichen dadurch, daß statt zweier auf vorbestimmten Wellenlängen arbei tender Lichtquellen, die in einer vorbestimmten Weise sequentiell angesteuert werden, lediglich eine einzelne gepulst oder evtl. kontinuierlich ar beitende Lichtquelle, die erforderlichenfalls auch ein breiteres Spektrum an Lichtstrahlung emittieren darf, verwendet wird. Eine der Zeitsteuereinrich tung des Pulsoximeters vergleichbare Einheit kann bei Verwendung einer nicht modulierten Lichtquelle entfallen; auch die Funktion der Auswertestufe un terscheidet sich von derjenigen eines Pulsoxime ters. Die die Erfindung konstituierenden Merkmale des Pulsoximeters sind jedoch auf das Blutdruckmeß gerät übertragbar.

Im folgenden wird die Erfindung in Gestalt mehre rer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemaßen Pulsoximeters.

Fig. 2 bis 12 zeigen Schaltbilder verschiedener Ausfüh rungsbeispiele von Strom-/Spannungs-Wand lereinrichtungen des erfindungsgemäßen Pulsoximeters nach Fig. 1.

Fig. 13 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Wider standsbauelementes, insbesondere eines langgestreckten, hochohmigen Widerstands bauelementes, welches von einer elek trisch niederohmig leitenden Abschirmung umgeben ist.

Fig. 14 zeigt ein Ersatzschaltbild einer vorteil haften Ausführung eines langgestreckten hochohmigen Widerstandsbauelementes in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1.

Fig. 15 zeigt eine Schnittansicht einer vorteil haften Ausführung eines langgestreckten hochohmigen Widerstandsbauelementes in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1.

Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht einer anderen Ausführung eines hochohmigen Widerstands bauelementes in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1.

Der in der folgenden Beschreibung verwendete Fach begriff "Masse" oder "Massepotential" bezeichnet ein festes Bezugspotential. Dort, wo Verhältnisse bezüglich Wechselspannungen oder Wechselströmen dargestellt werden, ist dieser Begriff stets als Wechselstrom-Masse zu verstehen, welche bekannter maßen beispielsweise gegenüber einem anderen Gleichspannungs-Bezugspotential mit einer willkür lichen, jedenfalls zeitlich konstanten Gleichspan nung vorgespannt sein kann.

Ein erfindungsgemäßes Pulsoximeter nach Fig. 1 weist eine Sensoreinheit 1 auf, in der sich eine erste Leuchtdiode LED1 einer ersten vorbestimmten Nenn-Wellenlänge LAMBDA₁ und eine zweite Leuchtdi ode LED 2 einer zweiten vorbestimmten Nenn-Wellen länge LAMBDA₂ einerseits und ein Photodetektor PD andererseits gegenüberstehen. Zwischen den Leucht dioden LED1, LED2 und dem Photodetektor PD ist ein Volumen perfundierten Gewebes 2 dergestalt angeord net, daß das von den Leuchtdioden LED1 bzw. LED2 ausgesandte Licht nach dem Hindurchtreten durch das perfundierte Gewebe 2 den Photodetektor PD er reicht.

Die Leuchtdioden LED1, LED2 sind mit jeweils einem ersten Ausgang Φ₁ bzw. einem zweiten Ausgang Φ₂ ei ner Zeitsteuereinheit 3 verbunden. Die Zeitsteuer einheit 3 steuert die Leuchtdioden LED1, LED2 so, daß fortwährend beide Leuchtdioden einander abwech selnd ein- bzw. ausgeschaltet sind. Der Ausgangs strom des Photodetektors PD wird dem Eingang einer Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4 zugespeist. Die Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4 wandelt den Ausgangsstrom I_PD des Photodetektors in eine dazu proportionale Ausgangsspannung U_PD um. Diese Signalspannung U_PD wird einer Auswerteeinrichtung 5 zugespeist. Die Zeitsteuereinheit 3 weist ferner einen dritten Ausgangsanschluß Φ*₁ sowie einen vierten Ausgangsanschluß Φ*₂ auf, welche jeweils mit entsprechenden Eingängen der Auswerteeinrich tung verbunden sind. Über diese zusätzlichen Aus gänge Φ*₁, Φ*₂ der Zeitsteuereinheit 3 wird die Taktinformation bezüglich der Einschaltzeiten der Leuchtdioden LED1, LED2 an die Auswerteeinrichtung 5 übermittelt.

Beim Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Pulsoxi meters wird das perfundierte Gewebe 2 abwechselnd von dem von der ersten Leuchtdiode LED1 bzw. dem von der zweiten Leuchtdiode LED2 emittierten Licht durchstrahlt, wobei das durch das Gewebe hindurch tretende Licht von dem Photodetektor PD aufgenommen und in einen Photodetektor-Ausgangsstrom I_PD umge setzt wird. Um dieses Stromsignal I_PD möglichst rauscharm und mit ausreichender Verstärkung in ein zur Weiterverarbeitung in der Auswerteeinrichtung 5 verwendbares Spannungssignal U_PD umzusetzen, wird es der Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4 zuge speist. Die Auswerteeinrichtung 5 ermittelt aus dem Spannungssignal U_PD den Verlauf der spektralen Ab sorption des perfundierten Gewebes 2 bei den vorbe stimmten Wellenlängen der ersten bzw. zweiten Leuchtdiode LED1, LED2 und ermittelt aus diesen spektralen Absorptionswerten auf herkömmliche Weise die jeweils interessierenden Kennwerte, z. B. abso lute oder relative Hämoglobinkonzentrationen.

Fig. 2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausfüh rungsbeispiel für eine Strom-/Spannungs-Wandlerein richtung 4. Ein mit einer geeigneten Vorspannung U_B vorgespannter Photodetektor PD, beispielsweise eine Photodiode, ist an einen Meßwiderstand R_M an geschlossen. Die an dem Meßwiderstand R_M abfallende Spannung U_M wird dem Eingang eines Verstärkerele ments AMP zugeführt. Das Verstärkerelement AMP weist einen Ausgang auf, an dem die Ausgangs- Signalspannung U_PD abgenommen wird. Erfindungsgemäß ist der Widerstandswert des Meßwiderstandes R_M größer als ein vorbestimmter Mindest-Widerstands wert R_min.

Bekannte Pulsoximeter weisen in einer Strom-/Span nungs-Wandlereinrichtung Meßwiderstände auf, deren Widerstandswert im Rahmen der übrigen schaltungs technischen Gegebenheiten möglichst gering gehalten wird. Dies wird u. a. damit begründet, daß gemäß der obenstehenden Gleichung bei einem Meßwiderstand mit geringerem Widerstandswert die Rauschspannung ge ringer ist. Im Gegensatz zu dieser bekannten Bemes sungsregel ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß für den Widerstandswert des Meßwiderstandes R_M ein mög lichst großer Wert vorgesehen ist.

Im Gegensatz zu einem bestehenden Vorurteil der Fachwelt ist es nämlich vorteilhaft, den kritischen Widerstandswert R_MIN für eine Strom-/Spannungs- Wandlereinrichtung 4 eines Pulsoximeters möglichst groß, jedenfalls größer als 5 MΩ, in einer bevor zugten Ausführungsform größer als 50 MΩ, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform größer als 500MΩ zu wählen.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Strom-/Spannungs-Wandlerein richtung 4. Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 2 dadurch, daß das Verstärkerelement AMP in Fig. 2 durch einen FET- Spannungsverstärker in Source-Schaltung näher spe zifiziert ist. Die über dem Meßwiderstand R_M abfal lende Spannung U_M wird dem Gate-Anschluß eines ersten FET-Transistors TR1 zugeführt. Der Source- Anschluß des ersten FET-Transistors TR1 ist über einen zweiten Widerstand R₁ mit Masse verbunden. Der Drain-Anschluß des ersten FET-Transistors TR1 ist über einen dritten Widerstand R₂ an eine Ver sorgungsspannung U_V angeschlossen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Strom-/Spannungs -Wandlereinrichtung 4 mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker OP ist in Fig. 4 dargestellt. Der Operationsverstärker OP weist einen nicht-invertierenden Eingang, der an Masse geschaltet ist, sowie einen invertierenden Eingang, der über einen Widerstand R_G mit einem Ausgang rückgekoppelt ist, auf. Der durch eine Vor spannung U_B vorgespannte Photodetektor PD ist gleichfalls an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geschaltet. Da der durch den Photodetektor PD fließende Ausgangsstrom bei diesem Ausführungsbeispiel durch den Gegenkopp lungswiderstand R_G geleitet wird, gilt hier für den Widerstandswert des Gegenkopplungswiderstandes R_G die gleiche Bemessungsregel wie für den Wider standswert des Meßwiderstandes R_M der Ausführungs beispiele der Fig. 2 und 3. An dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP wird die Ausgangsspan nung U_PD abgegriffen.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strom-/Spannungs-Wandlereinrich tung 4, die sich von dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstär kers OP über einen fünften Widerstand R₃ an Masse geschaltet ist. Der Photodetektor PD ist zwischen den invertierenden und den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geschaltet.

Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP ist über einen Gegenkopplungswiderstand R_G an den Ausgang des Operationsverstärkers OP geschal tet. Vom Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers wird das Ausgangspanungssignal U_PD abgegriffen. Erfindungsgemäß ist die Summe der Widerstandswerte R₃+R_G jedenfalls größer als der vorbestimmte Min destwiderstandswert R_MIN.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strom-/Spannungs-Wandlereinrich tung 4, das sich von dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß der Operationsverstärker OP durch einen ersten FET- Transistor TR1 ersetzt ist. Die Gegenkopplung er folgt durch einen zwischen dem Gate-Anschluß und dem Drain-Anschluß des ersten FET-Transistors TR1 geschalteten Gegenkopplungswiderstand R_G < R_Min. Der Source-Anschluß des FET-Transistors TR2 ist über einen fünften Widerstand R₄ an Masse geschal tet, wohingegen der Drain-Anschluß über einen sech sten Widerstand R₅ an eine Versorgungsspannung U_V angeschlossen ist.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4, die sich von dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß die Verstärkungsstufe in Kaskode-Schaltung mit einem ersten FET-Transistor TR1 und einem zweiten Transistor TR2 - beispiels weise einem zweiten FET-Transistor - ausgestaltet ist. Dabei wird die Gate-Vorspannung des zweiten FET-Transistors TR2 durch einen zwischen eine Ver sorgungsspannung U_V und Masse geschalteten aus ei nem siebenten Widerstand R₅ sowie einem achten Wi derstand R₆ aufgebauten Spannungsteiler bestimmt. Die Gegenkopplung erfolgt über einen Gegenkop plungswiderstand R_G, der zwischen den Drain-An schluß des zweiten Transistors TR2 und den Gate-An schluß des ersten FET-Transistors TR1 geschaltet ist. Der durch die Transistoren fließende Längs strom erzeugt an dem dritten Widerstand R₂ die Aus gangsspannung dieser Stufe. Ein Vorteil dieser Schaltungsanordnung insbesondere gegenüber der in Fig. 6 gezeigten Schaltung besteht darin, daß die Grenzfrequenz größer ist, weil die Miller-Kapazität von Feldeffekt-Transistoren bei Kaskode-Schaltungen den Frequenzgang nur in geringem Maße beeinflußt.

Fig. 8 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strom-/Span nungs-Wandlereinrichtung 4, welche auf einem an dersartigen Funktionsprinzip als die bisher vorge stellten Ausführungsbeispiele gründet. Die Um wandlung eines durch einen Photodetektor PD flie ßenden Stromes I_PD in einen Spannungswert erfolgt nicht über einen Ohm′schen Widerstand, sondern über eine Kapazität C₁, welche periodisch über eine parallel zu dieser Kapazität C₁ geschaltete erste Schalteinrichtung SW1 entladen wird. Die an der Ka pazität C₁ anliegende Spannung U_M ist an den Ein gang eines Verstärkerelements AMP angelegt. An dem Ausgang des Verstärkerelements AMP wird die dem Ausgangsstrom I_PD dem Photodetektor PD entspre chende Signalspannung U_PD abgegriffen. Die erste Schalteinrichtung SW1 wird mit einer genügend hohen Frequenz f_SW ≈ f_CLK angesteuert. Bevorzugt wird eine phasenstarre Kopplung beider Wechselspannun gen f_SW und f_CLK. Die Schaltereinrichtung SW1 wech selt dabei periodisch mit der Frequenz f_SW zwischen einem ersten Betriebszustand, in welchem sie elek trisch leitfähig ist, und einem zweiten Betriebszu stand, in welchem sie elektrisch nichtleitend ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Ausgangs strom I_PD des Photodetektors PD mittels der ersten Kapazität C₁ integriert, wobei nach der Erfassung des jeweiligen Meßwertes durch eine nachfolgende Stufe 5 die auf der Kapazität C₁ gesammelte Ladung über die Schalteinrichtung SW1 entladen wird.

Bei dieser Ausführungsform dürfen insbesondere die Kapazitäten des Photodetektors PD sowie die Ein gangskapazität des Verstärkers AMP nicht vernach lässigt werden, da besonders die Kapazität des Photodetektors in der Praxis häufig nicht als klein gegenüber C₁ angenommen werden kann.

Das bei dieser Anordnung auftretende thermische Rauschen entspricht daher ungefähr demjenigen eines Ohm′schen Widerstandes R mit

wobei C_S die Summe aus der Kapazität C1, der Kapa zität des Photodetektors PD und der Eingangskapazi tät des Verstärkers AMP sowie eventueller Streuka pazitäten bezeichnet.

Aus Gleichung (10) folgt in Verbindung mit Glei chungen (1) bis (9) eine Bemessungsregel für die Ausführungsform nach Fig. 8:

Somit gilt erfindungsgemäß:

f_SW · C_S < 0,2 · 10^-6 Ω^-1.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt:

f_SW · C_S < 0,2 · 10^-7 Ω^-1.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt:

f_SW · C_S < 0,2 · 10^-8 Ω^-1.

Fig. 9 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strom-/Span nungs-Wandlereinrichtung 4. Diese Schaltung weist einen Operationsverstärker OP mit einem invertie renden Eingang und einem nicht-invertierenden Ein gang auf, wobei der nicht-invertierende Eingang an Masse gelegt ist. Der invertierende Eingang ist über eine zweite Kapazität C₂ an einen Ausgang des Operationsverstärkers OP geschaltet. Parallel zu der zweiten Kapazität C₂ ist eine zweite Schaltein richtung SW2 geschaltet. Der Ausgangsstrom I_PD des Photodetektors PD wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP zugeführt.

Fig. 10 zeigt einen Schaltplan eines weiteren Aus führungsbeispiels entsprechend dem in Fig. 9 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel, wobei jedoch der nicht-invertierende Eingang des Operationsver stärkers OP über eine dritte Kapazität C₃, welche über eine dritte Schalteinrichtung SW3 kurz geschlossen und entladen werden kann, an Masse ge schaltet ist. Der Photodetektor PD ist zwischen den invertierenden Eingang und den nicht - invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geschaltet. Beide Schalteinrichtungen SW1, SW2 wechseln peri odisch und gleichphasig zwischen einem elektrisch leitfähigen ersten Betriebszustand und einem elek trisch nichtleitenden zweiten Betriebszustand.

Bei der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform - wie auch bei der in Fig. 5 dargestellten Ausfüh rungsform - wird der Photodetektor PD praktisch ohne Vorspannung betrieben. Ist eine Vorspannung gewünscht, kann beispielsweise der Operationsver stärker OP selbst so aufgebaut werden, daß an sei nen Eingängen eine Offsetspannung entsteht, die der gewünschten Vorspannung der Photodiode gleicht.

Fig. 11 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strom-/Span nungs-Wandlereinrichtung 4. Diese Schaltung weist einen Operationsverstärker OP mit einem invertie renden und einem nicht-invertierenden Eingang auf. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsver stärkers OP ist an Masse geschaltet. Der Ausgangs strom I_PD des Photodetektors PD wird über eine er ste, in einem Optokoppler OC angeordnete Photodi ode D₁ abgeleitet. Der Optokoppler weist ferner eine optisch mit der Photodiode D₁ in Verbindung stehende Leuchtdiode D₂ auf, die über einen Hilfs widerstand R₈ zwischen den Ausgang des Operations verstärkers OP und Masse geschaltet ist. Der mit dem Photodetektor PD verbundene Anschluß der Photo diode D₁ ist an den invertierenden Eingang des Ope rationsverstärkers OP geschaltet. Der andere An schluß der Photodiode D₁ ist an eine Versorgungs spannung U_V geschaltet. Bei dieser Schaltung arbei tet der Operationsverstärker OP in einem gegenge koppelten Betrieb, wobei die Gegenkopplung durch die beschriebene spezielle Anschaltung des Opto- Kopplers OC erfolgt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 tritt kein thermisches Rauschen an hochoh migen Widerständen auf. Allerdings führen die pn- Übergänge in den Photohalbleitern D1 und D2 des Optokopplers OC jeweils zu einem durch Schrotrau schen bedingten Term im Rauschanteil des im Gegen kopplungszweig fließenden Stroms mit einer ent sprechenden Rauschzahl von insgesamt 3 dB. Da bei dieser Anordnung jedoch keinerlei hochohmige Wider stände verwendet werden, wird die obere Grenzfre quenz nicht durch Zeitkonstanten aus einem hochoh migen Widerstandswert und schwer ausschaltbaren Pa rasitärkapazitäten begrenzt.

Fig. 12 zeigt ein Schaltbild einer im Frequenzgang verbesserten Ausführungsform einer Strom-/Span nungs-Wandlereinrichtung des erfindungsgemäßen Pulsoximeters nach Fig. 1. Die dort gezeigte Grund schaltung entspricht derjenigen aus Fig. 4; jedoch ist parallel zum vierten Widerstand R_G eine Parasi tärkapazität C_RG eingezeichnet, die insbesondere aus der räumlichen Anordnung der gegenüberliegenden Anschlußkappen des Widerstandsbauelementes R_G her rührt. Diese Parasitärkapazität C_RG stellt für Wechselspannungen einen Leitwert im Rückkoppelungs zweig der Schaltung dar, welcher den Verstärkungs faktor bei zunehmender Frequenz durch die zunehmen de Gegenkopplung begrenzt. Diesem Effekt wird durch einen zehnten Widerstand R9, der mit dem vierten Widerstand R_G in Reihe geschaltet ist, sowie einer zwischen Masse und dem Verbindungsknoten zwischen dem vierten Widerstand R_G und dem zehnten Wider stand R₉ geschalteten vierten Kapazität C₄ begeg net, wobei folgende Bemessungsregel der Zeitkon stanten τ gilt:

R_G · C_RG = τ = R₉ · C₄ (12)

R_g « R_G (13)

D.h., die Zeitkonstante aus dem vierten Widerstand R_G und der dazugehörigen Parasitärkapazität C_RG ist gleich der Zeitkonstante aus dem zehnten Widerstand R₉ und der vierten Kapazität C₄. Beispielsweise wäre unter der Annahme R_G = 500 MΩ, C_RG = 0,5 pF anzusetzen R₉ = 5 kΩ sowie C₄ = 50 nF.

Fig. 13 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Wider standsbauelementes, insbesondere eines langge streckten, hochohmigen Widerstandsbauelementes R_G, welches von einer elektrisch leitenden Abschirmung umgeben ist. Während die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform lediglich die zwischen den An schlußkappen des vierten Widerstandes R_G sich aus bildende Parasitärkapazität C_RG berücksichtigt, zeigt Fig. 13 schematisch das Zusammenwirken konti nuierlich über die Gesamtlänge des Widerstandsbau elementes R_G verteilter infinitesimaler ohmscher Teilwiderstände R⁰, R¹, R², . . . , R^m mit infinitesi malen Parasitärteilkapazitäten C⁰, C¹, C², . . . , C^m, welche zwischen infinitesimalen Flächenelementen auf der Oberfläche des Widerstandsbauelementes R_G und beispielsweise auf Massepotential gelegten um liegenden leitfähigen Teilen, beispielsweise Gehäu sewänden, bestehen.

Die verteilten Parasitärteilkapazitäten C⁰, C¹, C², . . . , C^m bewirken nicht nur einen Tiefpaßeffekt, sondern auch einen Signalverzögerungseffekt.

Fig. 14 zeigt ein Ersatzschaltbild einer vorteil haften Ausführung eines insbesondere langgestreck ten hochohmigen Widerstandsbauelementes in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform ist das hochohmige Wider standsbauelement R_G nicht von metallisch leitenden, jedenfalls sehr niederohmigen Teilen umgeben, son dern von einem Widerstandsmaterial, welches über die Länge des hochohmigen Widerstandsbauelementes R_G einen Widerstandswert aufweist, der zwar sehr viel kleiner als dessen Widerstandswert ist, der jedoch groß genug ist, um bei in der Halbleiter- Schwachstromtechnik üblichen Spannungen im Bereich von beispielsweise 1 V bis 10 V einen Strom von einigen mA fließen zu lassen; ein bevorzugter Wert liegt beispielsweise insbesondere bei 10 kΩ.

Der auf diese Weise gebildete Schirmwiderstand be wirkt die Ausbildung kontinuierlich über seine Ge samtlänge verteilter infinitesimaler ohmscher Teil widerstände R_S ⁰, R_S ¹, R_S ², . . . , R_S ^m, die mit den Parasitärteilkapazitäten C⁰, C¹, C², . . . , C^m zusam menwirken. Der Schirmwiderstand ist an jeder sei ner Stirnseiten mit einem ersten bzw. zweiten elek trischen Anschluß A, B versehen. Der erste Anschluß A des Schirmwiderstandes R_S ist dann bei einer Aus führungsform nach Fig. 4 an Masse geschaltet, wäh rend der zweite elektrische Anschluß B an den Aus gang des Operationsverstärkers OP geschaltet wird. Ein erster Anschluß D des hochohmigen Widerstandes R_G liegt an derselben Seite der Anordnung wie der erste Anschluß A des Schirmwiderstandes R_S und ist an den invertierenden Eingang des Operationsver stärkers OP geschaltet. Ein zweiter Anschluß E des hochohmigen Widerstandes R_G ist an den Ausgang des Operationsverstärkers OP geschaltet.

Fig. 15 zeigt eine Schnittansicht einer vorteilhaf ten Ausführung eines langgestreckten hochohmigen Widerstandsbauelementes R_G in einem erfindungsge mäßen Pulsoximeter nach Fig. 1. Das hochohmige Wi derstandsbauelement R_G besteht aus einem isoliere renden Grundkörper 6, der beispielsweise aus einem geeigneten Keramikmaterial gefertigt sein kann. Auf der Oberfläche des isolierenden Grundkörpers 6 ist eine Widerstandsschicht 7 aufgebracht. An den bei den Stirnseiten des isolierenden Grundkörpers 6 ist jeweils eine metallische Anschlußkappe 8 ange bracht, die mit der Widerstandsschicht 7 elektrisch in Verbindung steht. Koaxial um das hochohmige Wi derstandsbauelement R_G herum ist der Schirmwider stand R_S angeordnet, der beispielsweise aus gepreß tem Graphit bestehen kann. An beiden Stirnseiten weist der Schirmwiderstand jeweils einen elektri schen Anschluß A bzw. B auf.

Diese vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsge maßen Lösung ist nicht auf koaxiale Anordnungen aus einem Widerstandsbauelement R_G und einem Schirmwi derstand R_S beschränkt; vielmehr richtet sich die räumliche Ausgestaltung und Anordnung des Schirmwi derstandes nach den Symmetrieverhältnissen der Aus gestaltung des hochohmigen Widerstandsbauelementes R_G. Beispielsweise kann das hochohmige Widerstands bauelement R_G in Gestalt eines längsgestreckten flachen Streifens ausgeformt sein. In diesem Fall besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schirm widerstandes R_S beispielsweise aus zwei elektrisch parallelgeschalteten, in den Abmessungen mit dem Widerstandsbauelement R_G ungefähr korrelierenden Widerstandsstreifen, die über bzw. unter dem Wider standsbauelement R_G und bei gleicher Flächenorien tierung parallel zu diesem angeordnet sind.

Ein Schirmwiderstand R_S kann auch bei einer Ausfüh rungsform nach Fig. 2 vorgesehen werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß der Schirmwiderstand R_S zwischen Masse und dem Ausgang des Verstärkungsele mentes AMP geschaltet wird und daß das Verstär kungselement als Impedanzwandler mit einer Span nungsverstärkung gleich eins aufgebaut ist. Eine höhere Signalverstärkung für die an dem Meßwider stand R_M abfallende Spannung kann dann durch ein zweites Verstärkungselement (nicht dargestellt) re alisiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht da rin, das hochohmige Widerstandsbauelement R_G sehr klein und kompakt auszuführen. In diesem Fall steigt einerseits zwar die Parasitärkapazität zwi schen den Widerstandsendkappen an; andererseits tritt die Bedeutung der an der Oberfläche der wi derstandsaktiven Schicht ausgebildeten verteilten Parasitärkapazitäten zurück. Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht einer derartigen anderen Ausführung eines hochohmigen Widerstandsbauelementes in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1. Zwei Anschlußkappen 9 sind an den Enden eines Isolier körpers 10 befestigt. Ein hochohmiger Widerstands körper 11 ist sehr klein ausgeführt und weist eine Länge von typischerweise weniger als etwa 2 mm auf. Der elektrische Anschluß des Widerstandskörpers 11 erfolgt bevorzugt durch relativ dünne Leiterbahnen 12, die eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlußkappen 9 und dem Widerstandskörper 11 her stellen. Eine technische Ausgestaltung als Chipwi derstand bzw. SMD-Bauelement kann zu besonders gün stigen Ergebnissen führen.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nach den Fig. 1-16 ist ein Photodetektor PD vor gesehen, der auf verschiedene Weise technisch aus geführt werden kann. In Betracht kommen einerseits Photodioden ohne Eigenverstärkung, andererseits Avalanche- Photodioden oder andere Photodetektoren mit Eigenverstärkung, insbesondere Photomultiplier.

Bei der Auswahl von Photodioden als Photodetektor PD ist der Einfluß der dem Halbleiterbauelement inhärenten Sperrschichtkapazität zu beachten. Her kömmliche Pulsoximeter weisen Photodioden auf, die nach möglichst geringem Dunkelstrom selektiert sind, da das Schrotrauschen des Dunkelstromes einer Photodiode mit der Quadratwurzel des Dunkelstromes zunimmt. Üblicherweise finden daher Photodioden mit einem Dunkelstrom I_D < 100 pA in herkömmlichen Pulsoximetern Verwendung. Photodioden mit einem derart geringen Dunkelstrom I_D weisen jedoch häufig eine große Sperrschichtkapazität C_pn < 100 pFmm^-2 auf.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung weisen daher - im Gegensatz zu einer entge genstehenden ständigen Übung der Fachwelt bei der Dimensionierung herkömmlicher Pulsoximeter - solche Photodioden auf, deren Sperrschichtkapazität klei ner als 10 pFmm^-2 ist, denn die nach Gleichung (9) in Verbindung mit Gleichung (10) bei moduliertem Licht auftretenden Wechselspannungsverhältnisse an der Sperrschichtkapazität sorgen für die Erzeugung eines thermischen Anteils äquivalenter Rauschlei stung NEP, der bei hohen Sperrschichtkapazitäten den Vorteil des geringeren Schrotrauschens auf zehrt. Darüber hinaus führt eine größere Sperr schichtkapazität dazu, daß das Eingangsspannungs rauschen des verstärkenden Elementes sich stärker auf die äquivalente Rauschleistung NEP des Photo detektorsystems auswirkt. Generell führt ein nie drigerer Gesamt-Leitwert Y am Eingang des verstär kenden Elementes dazu, daß der Signalstrom des Pho todetektors PD nur eine geringe Eingangsspannung am verstärkenden Element erzeugt. Dies führt dazu, daß das äquivalente Eingangsrauschen des verstärkenden Elementes stärker in die äquivalente Rauschleistung NEP eingeht. Insbesondere bewirkt jede Erhöhung der Kapazität des Photodetektors PD eine unerwünschte Steigerung des Gesamt-Leitwertes Y besonders bei hohen Taktfrequenzen f_CLK. Sind hohe Gesamt-Leit werte Y infolge vorgegebener Photodetektoren PD unvermeidbar, ist das verstärkende Element so zu dimensionieren, daß sein Eingangsspannungsrauschen hinreichend klein wird. Dabei ist darauf zu achten, daß die Eingangskapazität des verstärkenden Elemen tes durch diese Maßnahme nicht wesentlich über die Summe aller sonstigen am Eingang liegenden Kapazi täten, insbesondere unter Berücksichtigung der Ka pazität des Photodetektors PD, ansteigt.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen wird davon ausgegangen, daß die Leuchtdioden LED1, LED2 binär angesteuert werden, d. h., eine Leuchtdi ode emittiert zu jedem Zeitpunkt entweder kein Licht oder Licht bei einer vorgegebenen Nennlei stung. Die Anstiegs- bzw. Abfall-Flanken der von der Zeitsteuereinheit 3 gelieferten Signale Φ₁, Φ₂ sind sehr steil. Es sind auch Pulsoximeter bekannt, bei denen die Leuchtdioden LED1, LED2 mit einem Analogsignal, insbesondere mit einem sinusförmigen Signal, angesteuert werden. Wie ohne weiteres ein zusehen ist, sind die zur Erfindung gehörenden Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung unmittelbar auch auf derartige Trägerfrequenz-Pulsoximeter übertragbar.

Claims

1. Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenn größen perfundierten Gewebes (2), insbesondere Pulsoximeter, mit

a) mindestens einer ersten (LED1) und einer zweiten (LED2) Lichtquelle, welche je weils Lichtstrahlung einer ersten bzw. einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge aussenden, wobei die Lichtquellen (LED1, LED2) derart angeordnet sind, daß die von ihnen ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe (2) eindringen kann;
b) mindestens einem Photodetektor (PD), der so angeordnet ist, daß er das von den Lichtquellen (LED1, LED2 ) ausgesandte, durch das perfundierte Gewebe (2) hin durchgetretene Licht detektiert;
c) einer Zeitsteuereinheit (3), die Steuer signale (Φ₁, Φ₂) derart an die Lichtquel len (LED1, LED2) liefert, daß die Licht quellen (LED1, LED2) fortwährend einander abwechselnd Licht aussenden, wobei in diesen Ablauf eine oder mehrere Dunkel phasen eingefügt sein können, in welchen keine der beiden Leuchtdioden (LED1, LED2) Licht aussendet;
d) einer mit dem Ausgang des Photodetektors (PD) verbundenen Eingangsstufe (4), sowie mit
e) einer mit einem Ausgang der Eingangsstufe (4) sowie der Zeitsteuereinheit (3) ver bundenen Auswerteeinrichtung (5), wobei die Auswerteeinrichtung (5) mindestens ein eine zu messende Kenngröße anzeigen des Ausgangssignal (U_OUT) liefert;
dadurch gekennzeichnet, daß
f)der durch die Eingangsstufe (4) im Zusammenwirken mit dem Photodetektor (PD) erzeugte Rauschanteil im Ausgangssignal der Eingangsstufe (4) nicht größer als der durch Schrotrauschen bedingte Rausch anteil im Photostrom des Photodetektors (PD) ist.

2. Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenn größen perfundierten Gewebes (2), insbesondere Blutdruckmeßgerät, mit

a) mindestens einer Lichtquelle (LED1), wel che Lichtstrahlung aussendet, wobei die Lichtquelle (LED1) derart angeordnet ist, daß die von ihr ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe (2) eindringen kann;
b) mindestens einem Photodetektor (PD), der so angeordnet ist, daß er das von der Lichtquelle (LED1) ausgesandte und durch das perfundierte Gewebe (2) hindurchge tretene Licht detektiert;
c) einer mit dem Ausgang des Photodetektors (PD) verbundenen Eingangsstufe (4); sowie mit
d) einer mit einem Ausgang der Eingangsstufe (4) verbundenen Auswerteeinrichtung (5), wobei die Auswerteeinrichtung (5) minde stens ein eine zu messende Kenngröße an zeigendes Ausgangssignal (U_OUT) liefert;
dadurch gekennzeichnet,
e) daß der durch die Eingangsstufe (4) im Zusammenwirken mit dem Photodetektor (PD) erzeugte Rauschanteil im Ausgangssignal der Eingangsstufe (4) nicht größer als der durch Schrotrauschen bedingte Rausch anteil im Photostrom des Photodetektors (PD) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (PD) zu sammen mit der Eingangsstufe (4) eine äquiva lente Rauschleistung kleiner etwa 0,1 pW/ liefert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Eingangsstu fe (4) im Zusammenwirken mit dem Photodetektor (PD) erzeugte Rauschanteil im wesentlichen gleich dem durch Schrotrauschen bedingten Rauschanteil des Photodetektors (PD) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen ersten Widerstand (R_M) sowie ein Verstärkerelement (AMP) aufweist, wobei ferner ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B) geschaltet ist, ein zweiter Anschluß des Photodetektors (PD) an einen ersten Anschluß des ersten Widerstandes (R_M) geschaltet ist, ein zweiter Anschluß des ersten Widerstandes (R_M) auf ein Bezugspoten tial gelegt ist, ein Eingang des Verstärker elements (AMP) an den Schaltungsknoten, der den Photodetektor (PD) und den ersten Wider stand (R_M) miteinander verbindet, geschaltet ist, wobei der Widerstandswert des ersten Wi derstandes (R_M) im wesentlichen größer als 5 MΩ ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Widerstandswert des ersten Widerstandes (R_M) im wesentlichen größer als 50 MΩ ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Widerstandswert des ersten Widerstandes (R_M) im wesentlichen größer als 500 MΩ ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkerelement (AMP) einen ersten Feldeffekt-Transistor TR1, einen zweiten Widerstand (R₁) sowie einen dritten Widerstand (R₂) aufweist, wobei der Gate-Anschluß des ersten Feldeffekt-Transi stors (TR1) den Eingang des Verstärkerelemen tes (AMP) bildet, der Source-Anschluß des er sten Feldeffekt-Transistors (TR1) über den zweiten Widerstand (R₁) an das Bezugspotential gelegt ist, und wobei der Drain-Anschluß des ersten Feldeffekt-Transistors (TR1) über den dritten Widerstand (R₂) an eine Versorgungs spannung (U_V) gelegt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen Operationsverstärker (OP) mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertie renden Eingang und einem Ausgang sowie einen vierten Widerstand (R_G) aufweist, wobei der vierte Widerstand (R_G) zwischen den invertie renden Eingang und den Ausgang des Operations verstärkers (OP) geschaltet ist, ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vor spannung (U_B), ein zweiter Anschluß des Photo detektors (PD) an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist und der nicht-invertierende Eingang des Opera tionsverstärkers (OP) auf das Bezugspotential gelegt ist, wobei der Widerstandswert des vierten Widerstandes (R_G) im wesentlichen grö ßer als 5 MΩ ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Widerstandswert des vierten Widerstandes (R_G) im wesentlichen größer als 50 MΩ ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Widerstandswert des vierten Widerstandes (R_G) im wesentlichen größer als 500 MΩ ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Photodetektor (PD) zwischen den invertierenden Eingang und den nicht-in vertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist und dadurch, daß der nicht- invertierende Eingang des Operationsver stärkers über einen fünften Widerstand (R₃) auf das Bezugspotential gelegt ist, wobei die Summe aus dem Widerstandswert des vierten Wi derstandes (R_G) und dem Widerstandswert des fünften Widerstandes (R₃) im wesentlichen grö ßer als 5 MΩ ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Summe aus dem Widerstands wert des vierten Widerstandes (R_G) und dem Widerstandswert des fünften Widerstandes (R₃) im wesentlichen größer als 50 MΩ ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Summe aus dem Widerstands wert des vierten Widerstandes (R_G) und dem Widerstandswert des fünften Widerstandes (R₃) im wesentlichen größer als 500 MΩ ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen ersten Feldeffekt-Transistor (TR1), einen vierten Widerstand (R_G), einen fünften Widerstand (R₄) sowie einen sechsten Wider stand (R₅) aufweist, wobei ferner ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vor spannung (U_B) geschaltet ist, der Gate-An schluß des ersten Feldeffekt-Transistors (TR1) an einen ersten Anschluß des Photodetektors (PD) geschaltet ist, der Source-Anschluß des ersten Feldeffekt-Transistors (TR1) über den fünften Widerstand (R₄) an das Bezugspotential gelegt ist, wobei der Drain-Anschluß des er sten Feldeffekt-Transistors (TR1) über den sechsten Widerstand (R₅) an eine Versorgungs spannung (U_V) gelegt ist, und dadurch, daß ein vierter Widerstand (R_G) zwischen den Gate-An schluß und den Drain-Anschluß des ersten Feld effekt-Transistors (TR1) geschaltet ist, wobei der Widerstandswert des vierten Widerstands (R_G) größer als 5 MΩ ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß der Widerstandswert des vierten Widerstandes (R_G) größer als 50 MΩ ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß der Widerstandswert des vierten Widerstandes (R_G) größer als 500 MΩ ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, 16 oder 17, ge kennzeichnet durch einen zweiten Transistor (TR2), wobei der erste (TR1) und der zweite (TR2) Transistor in der Art einer Kaskode- Schaltung miteinander verschaltet sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Ober fläche des vierten Widerstandes (R_G) der Ober fläche eines Schirmwiderstandes (R_S) beabstan det gegenüberliegend angeordnet ist, wobei zeitliche Änderungen des elektrischen Oberflä chenpotentials jeweils gegenüberliegender Oberflächenbereiche des vierten Widerstandes (R_G) und des Schirmwiderstandes (R_S) in jedem Betriebszustand der Vorrichtung im wesentli chen gleich sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schirmwiderstand (R_S) einen mit Bezugspotential verbundenen ersten An schluß (A) und einen mit dem Ausgang des Ope rationsverstärkers verbundenen zweiten An schluß (B) aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirmwiderstand (R_S) als Hohlzylinder ausgebildet ist, der koaxial um den vierten Widerstand (R_G) herum angeord net ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirmwiderstand (R_S) aus mindestens zwei elektrisch parallelge schalteten, in den Abmessungen dem vierten Widerstand (R_G) im wesentlichen entsprechenden Widerstandsstreifen gebildet ist, die benach bart zu dem vierten Widerstand (R_G) und bei gleicher Flächenorientierung parallel zu die sem angeordnet sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Ober fläche des vierten Widerstandes (R_G) so ge formt ist, daß die parasitären Kapazitäten zu benachbarten, auf Massepotential liegenden elektrischen Leitern kleiner als ungefähr 0,1 pF, vorzugsweise kleiner als 0,01 pF sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn zeichnet, daß der vierte Widerstand (R_G) ein an den Enden mit je einem Anschluß (9) verse henes elektrisch isolierendes Substrat (10), einen in oder auf dem isolierenden Substrat (10) angeordneten hochohmigen Widerstandskör per (11) aufweist, wobei die Fläche des hoch ohmigen Widerstandskörpers (11) im wesentli chen kleiner als 4 mm², vorzugsweise kleiner als 0,25 mm² ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) eine erste Kapazität (C₁), eine erste Schalteinrichtung (SW1) sowie ein Verstärker element (AMP) aufweist, ferner dadurch, daß ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B), ein zweiter Anschluß des Photodetektors (PD) an einen ersten An schluß der ersten Kapazität (C₁) geschaltet ist, ein zweiter Anschluß der ersten Kapazität (C₁) auf ein Bezugspotential gelegt ist, ein Eingang des Verstärkerelements (AMP) an den Schaltungsknoten, der den Photodetektor (PD) und die erste Kapazität (C₁) miteinander ver bindet, geschaltet ist, und dadurch, daß die erste Schalteinrichtung (SW1) der ersten Kapa zität (C₁) parallelgeschaltet ist, wobei die erste Schalteinrichtung (SW1) periodisch zwi schen einem elektrisch leitenden ersten Be triebszustand und einem elektrisch nichtlei tenden zweiten Betriebszustand wechselt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die erste Schalteinrichtung (SW1) betätigt wird, und der Summe aus dem Ka pazitätswert der ersten Kapazität (C₁) sowie aller anderen am Eingang des Verstärkerelemen tes (AMP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-6 Ω^-1 ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die erste Schalteinrichtung (SW1) betätigt wird, und der Summe aus dem Ka pazitätswert der ersten Kapazität (C₁) sowie aller anderen am Eingang des Verstärkerelemen tes (AMP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-7 Ω^-1 ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die erste Schalteinrichtung (SW1) betätigt wird, und der Summe aus dem Ka pazitätswert der ersten Kapazität (C₁) sowie aller anderen am Eingang des Verstärkerelemen tes (AMP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-8 Ω^-1 ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen Operationsverstärker (OP) mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertie renden Eingang und einem Ausgang, eine zweite Kapazität (C₂) sowie eine zweite Schaltein richtung (SW2) aufweist, wobei die zweite Ka pazität (C₂) zwischen den invertierenden Ein gang und den Ausgang des Operationsverstärkers (OP), ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B), ein zweiter An schluß des Photodetektors (PD) an den inver tierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist und der nicht-invertieren de Eingang des Operationsverstärkers (OP) auf das Bezugspotential gelegt ist, und dadurch, daß die zweite Schalteinrichtung (SW2) der zweiten Kapazität (C₂) parallelgeschaltet ist, wobei die zweite Schalteinrichtung (SW2) peri odisch zwischen einem elektrisch leitenden er sten Betriebszustand und einem elektrisch nichtleitenden zweiten Betriebszustand wech selt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die zweite Schalteinrichtung (SW2) betätigt wird, und der Summe aus dem Ka pazitätswert der zweiten Kapazität (C₂) sowie aller anderen am Eingang des Operationsver stärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-6 Ω^-1 ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die zweite Schalteinrichtung (SW2) betätigt wird, und der Summe aus dem Ka pazitätswert der zweiten Kapazität (C₂) sowie aller anderen am Eingang des Operationsver stärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-7 Ω^-1 ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die zweite Schalteinrichtung (SW2) betätigt wird, und der Summe aus dem Ka pazitätswert der zweiten Kapazität (C₂) sowie aller anderen am Eingang des Operationsver stärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-8 Ω^-1 ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn zeichnet, daß der Photodetektor (PD) zwischen den invertierenden Eingang und den nicht-in vertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist, ferner dadurch, daß der nicht-invertierende Eingang des Operationsver stärkers über eine dritte Kapazität (C₃) auf das Bezugspotential gelegt ist, und dadurch, daß eine dritte Schalteinrichtung (SW3) der dritten Kapazität (C₃) parallelgeschaltet ist, wobei die dritte Schalteinrichtung (SW3) peri odisch und vorzugsweise gleichphasig mit der zweiten Schalteinrichtung (SW2) zwischen einem elektrisch leitenden ersten Betriebszustand und einem elektrisch nichtleitenden zweiten Betriebszustand wechselt.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die Schalteinrichtungen (SW2, SW3) betätigt werden, und der Summe aus dem Kapazitätswert aus einer Serienschaltung der zweiten Kapazität (C₂) und der dritten Kapazität (C₃), sowie dem Kapazitätswert aller anderen am Eingang des Operationsverstärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-6 Ω^-1 ist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die Schalteinrichtungen (SW2, SW3) betätigt werden, und der Summe aus dem Kapazitätswert aus einer Serienschaltung der zweiten Kapazität (C₂) und der dritten Kapazi tät (C₃), sowie dem Kapazitätswert aller ande ren am Eingang des Operationsverstärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-7 Ω^-1 ist.

36. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekenn zeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfre quenz, mit der die Schalteinrichtungen (SW2, SW3) betätigt werden, und der Summe aus dem Kapazitätswert aus einer Serienschaltung der zweiten Kapazität (C₂) und der dritten Kapazi tät (C₃), sowie dem Kapazitätswert aller ande ren am Eingang des Operationsverstärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2·10^-8 Ω^-1 ist.

37. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen Operationsverstärker (OP) mit einem invertierenden Eingang, mit einem nicht-inver tierenden Eingang und mit einem Ausgang sowie einen Optokoppler (OC) aufweist, wobei der Op tokoppler (OC) zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstär kers (OP) geschaltet ist, und dadurch, daß ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B) geschaltet ist, ein zweiter Anschluß des Photodetektors (PD) an den invertierenden Eingang des Operationsver stärkers (OP) und der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OP) auf das Bezugspotential gelegt ist.

38. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Photodetektor (PD) mindestens ein von dem Gleichlichtanteil der empfangenen Lichtmenge verursachter Photogleichstromanteil fließt, bei dem der durch Schrotrauschen bedingte Rauschanteil im Ausgangsstrom des Photodetek tors (PD) ein Signal/Rausch-Verhältnis des im Photostrom enthaltenen pulsatilen Signals be wirkt, welches nicht geringer ist als für ein vorgegebenes Signal/Rausch-Verhältnis für Wer te des die zu messende Kenngröße anzeigenden Ausgangssignals (U_OUT) erforderlich ist.

39. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pho todetektor (PD) eine Empfindlichkeit größer 10 AW^-1 aufweist.

40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekenn zeichnet, daß der Photodetektor (PD) als Ava lanche-Diode ausgeführt ist.

41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekenn zeichnet, daß der Photodetektor (PD) als Pho tomultiplier ausgeführt ist.

42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (PD) als Photodiode mit einer Sperrschichtka pazität kleiner als 10 pFmm^-2 ausgeführt ist.

43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekenn zeichnet, daß die Photodiode (PD) eine Sperr schichtkapazität kleiner als 1 pFmm^-2 auf weist.