DE4210102C2

DE4210102C2 - Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundierten Gewebes

Info

Publication number: DE4210102C2
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: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2012-03-28
Also published as: DE4210102A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundierten Gewebes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Pulsoximeter und eine Vorrichtung zur Blutdruckmessung.

Unter den zahlreichen bekannten Kenngrößen perfundierten Gewebes, deren meßtechnische Bestimmung in der Medizin genutzt wird, gibt es eine Reihe solcher, welche durch Anwendung spektralphotometrischer Methoden bestimmbar sind. So ist beispielsweise bekannt, die prozentua le Sauerstoffsättigung des im Blut mitgeführten Hämoglobins mit einem sogenannten Millikan-Smaller-Oximeter zu bestimmen. Da die Sauer stoffsättigung des Hämoglobins von der kardiorespiratorischen Funktion des Patienten abhängt, kann umgekehrt durch die direkte Messung des Sauerstoffgehaltes des Hämoglobins auf die Atem- und Kreislauffunktion geschlossen werden. In der Praxis sind dabei zu unterscheiden a) einer seits die in-vitro-Oximetrie, bei welcher eine arterielle oder venöse Blutentnahme mit nachfolgender diskontinuierlicher Analyse in einem Oximeter stattfindet, sowie b) die in-vivo-Oximetrie andererseits, welche wiederum einzuteilen ist in ba) eine invasive Methode, welche eine kon tinuierliche intravasale Oximetrie mittels fieberoptischem Katheder darstellt, sowie bb) eine nicht-invasive Methode, die als Pulsoximetrie bekannt ist und nur für arterielles Blut verwendet werden kann.

Da aufgrund des nicht-invasiven Charakters der Pulsoximetrie der Pa tient erheblich weniger belastet wird, ist dieses Verfahren vorzuziehen, wann immer seine Anwendung als medizinisch indiziert angesehen wer den kann. Bei der Pulsoximetrie wird die spektrale optische Absorption von perfundiertem Gewebe bei vorbestimmten Wellenlängen gemessen und ausgewertet. Bedingt durch die Mechanik der Herzaktion pulsiert der Blutfluß in den Arterien, wodurch sich die arteriellen Gefäße im Rhythmus der Herzaktion geringfügig ausdehnen und wieder erschlaffen. Wird Licht geeigneter Wellenlänge durch ein Volumen arteriell durch bluteten Gewebes (z. B. eine Fingerkuppe oder ein Ohrläppchen) hin durchgeleitet, so kann bei einer Messung der relativen Intensität des durch das Gewebe hindurchgetretenen Lichtes festgestellt werden, daß diese Intensität im Rhythmus der Herzaktion moduliert ist. Die Amplitu de dieser Schwankung beträgt typischerweise einige Promille bis einige Prozent, bezogen auf die empfangene Gesamtlichtintensität. Diese Schwankung wird als pulsatiles Signal bezeichnet. Hervorgerufen wird dieses pulsatile Signal durch eine geringfügige Zu- und Abnahme der Schichtdicke des arteriellen 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 Hämo globin (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 Kalibrierungskurven auf das Verhältnis von Oxyhämoglobin zu Hämoglobin geschlossen werden. Dieses Verhältnis stellt ein Maß für die Sauerstoffsättigung (SaO₂) dar. Darüber hinaus gibt es weitere Hämoglobinarten, die im Blut vorkom men können und die sich durch ihre eigenen spektralen Absorptions verläufe auszeichnen. Durch Hinzunahme weiterer geeigneter Wellenlän gen in das Meßverfahren kann auch ihr Anteil im Gesamtblut erfaßt werden. Zu solchen Hämoglobinarten gehören z. B. das Carboxyhämo globin (HbCO), welches bei Kohlenmonoxidvergiftungen vorkommt, sowie das Methämoglobin.

Da die Lichtabsorption in einem Volumen perfundierten 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 ge nommen unzureichend. Wird jedoch für die Auswertung der pulsatile Anteil der gemessenen Absorptionssignale ausgenutzt, so kann davon ausgegangen werden, daß der pulsatile Anteil der Lichtabsorption durch den schwankenden Fluß des arteriellen Blutes hervorgerufen wird. Da üblicherweise der venöse Blutfluß im Gegensatz zum arteriellen Blutfluß nicht pulsiert, kann eine Bestimmung beispielsweise der Sauerstoffsätti gung des arteriellen Bluts aus dem pulsatilen Signalanteil ausgeführt werden.

Als Lichtquellen für die Sensoren üblicher Pulsoximeter werden herköm mlicherweise Leuchtdioden (LEDs) benutzt. Die Kriterien für die Aus wahl geeigneter LEDs sind dabei in erster Linie die erzielbare Helligkeit und die Toleranz der Reproduzierbarkeit der Wellenlänge.

Die Reproduzierbarkeit der vorbestimmten Wellenlängen, bei denen die Absorptionsmessungen durchgeführt werden, ist von besonderer Bedeu tung, da sich die spektrale Absorption insbesondere des nicht mit O₂ beladenen Blutes in den für eine Messung besonders geeigneten Wellen bereichen mit der Wellenlänge rasch ändert. Bereits wenige nm Ver schiebung der Wellenlänge des Meßlichtes führen zu einer starken Ver änderung der Kalibrationskurve des Pulsoximeters, welche den Zusam menhang zwischen den optischen Absorptionseigenschaften und beispiels weise der Sauerstoffsättigung (SaO₂) beschreibt. Wird diese Kalibrations kurve nicht der tatsächlichen Wellenlänge der verwendeten Lichtquellen angepaßt, können unzulässige Fehler in der Anzeige der Sauerstoffsätti gungswerte auftreten.

Herkömmlicherweise versuchen Hersteller von Pulsoximetern dieses Problem dadurch zu lösen, daß die verwendeten LEDs vor dem Einbau in die Pulsoximeter-Geräte nach der tatsächlichen Wellenlänge selektiert werden. In der klinischen Praxis besteht jedoch ein Bedarf, die Pulsoxi meter-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-Gerät angeschlossen wird, in geeigneter Weise zu codieren. Das Pulsoximeter-Gerät wählt dann intern eine für den einzelnen Sensor geeignete Kalibrierungskurve aus.

Die Wellenlänge des von einer LED emittierten Lichtes hängt jedoch nicht nur von der Vorgeschichte ihrer Herstellung, sondern auch von ihrer Betriebstemperatur ab. Diese wiederum wird von der elektrischen Betriebsleistung der LED, der Umgebungstemperatur sowie von den thermischen Widerständen und Kapazitäten des Sensoraufbaus beein flußt. Bei Betrieb einer LED mit ihrem höchstzulässigen Strom kann sich die Wellenlänge des emittierten Lichtes um einen völlig unakzeptab len Wert von ca. 10 nm verändern. Ferner kann es aus Sicherheits gründen wünschenswert sein, die LEDs des Sensors nicht mit einem hohen Strom zu betreiben. Bei manchen Sensor-Ausführungen sind die LEDs in Nachbarschaft zu biologischem Gewebe angeordnet. Werden sie dann mit hohem Strom betrieben, können sie eine hohe Temperatur annehmen und unter Umständen im umliegenden Gewebe Verbrennungen verursachen.

An sich können diese Nachteile herkömmlicher Pulsoximeter gelöst oder vermindert werden, indem die Leuchtdioden mit geringer Leistung be trieben werden. Eine derartige Vorgehensweise verschlechtert jedoch bei herkömmlichen Pulsoximetern das Signal/Rauschverhältnis des Aus gangssignals derart, daß sie praktisch nicht in Betracht kommt.

Ein weiterer Problemkreis tritt dann auf, wenn aufgrund bestimmter medizinischer Indikationen, beispielsweise 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 be kannt, bei dem ein vaginal einführbarer Sensorträger vorgesehen ist, an dessen freiem Ende eine Sensoreinrichtung gelagert ist, welche Sensor bereiche aufweist, die mit einem Meßgerät verbunden sind. Ein Sensor bereich sendet Licht aus, welches das kindliche Gewebe durchdringt und von einem Empfänger empfangen wird. Eine Ausgestaltung dieses be kannten Pulsoximeters ist dadurch gegeben, daß die Sensorbereiche mittels Lichtleitern mit einer am Endbereich des Sensorträgers angeord neten Lichtquelle bzw. einem lichtempfindlichen Element verbunden sind. Durch Verwendung von Lichtleitern steht zum einen unmittelbar am Sensor eine Lichtquelle zur Verfügung, die sich effektiv wie eine Kaltlichtquelle verhält; zum anderen ist es möglich, 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 Lichtlei ter geringen Querschnitts insgesamt hindurchdringende Lichtmenge um Größenordnungen geringer ist als bei Vorrichtungen, bei denen beispiels weise eine Leuchtdiode und/oder ein Photodetektor unmittelbar am Gewebe angebracht sind. Daher ist das mit einer derartigen Anordnung bislang erzielbare Signal/Rauschverhältnis erheblich schlechter als bei Anordnungen ohne zwischengeschaltete Lichtwellenleiter.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung steht beispielsweise in Zusammen hang mit der indirekten Blutdruckmessung nach dem bekannten Okklu sionsprinzip, wobei eine um den Oberarm des Patienten gelegte Gummi manschette, die mit einem Manometer verbunden ist, aufgepumpt wird, bis der Puls an der Arteria radialis nicht mehr zu tasten ist. Über ein Nadelventil wird der Manschettendruck langsam erniedrigt. Wenn der systolische Blutdruck in der Arterie den Manschettendruck gerade über windet, ist der erste Pulsschlag tastbar. Der diastolische Blutdruck kann durch Auskulatation der Korotkoff-Töne bei weiter abnehmendem Man schettendruck bestimmt werden. Um dieses Verfahren der Blut druckmessung zu automatisieren, ist es insbesondere erforderlich, das manuelle Pulsfühlen durch andere Techniken zu ersetzen. Es sind ver breitet Blutdruckmeßgeräte im Gebrauch, die ein in geeigneter Weise akustisch mit einer Arterie in Verbindung stehendes Mikrophon aufweisen, dessen Ausgangssignal in einer Auswertevorrichtung verar beitet wird, um den Pulsschlag und die Korotkoff-Töne auszufiltern. In der Praxis besteht ein Bedarf nach Geräten, mit denen in einem Meßvor gang sowohl der Blutdruck als auch die Sauerstoffsättigung des im Blut mitgeführten Hämoglobins erfaßt werden kann. Beim Stand der Technik sind hierzu verhältnismäßig aufwendige Meßgeräte erforderlich, die sowohl einen Mikrophonsensor als auch einen optischen Pulsoximetrie-Sen sor aufweisen. Eine optische Detektion des Pulsschlages durch Be stimmung der pulsschlagabhängigen Extinktionsänderung pulsatilen Gewebes stößt jedoch im Prinzip auf ähnliche Probleme, wie sie vorste hend bereits für Pulsoximeter beschrieben sind.

Aus der Druckschrift US 4,781,195 A ist eine Vorrichtung zum Auf zeichnen von Blutparametern im wesentlichen mit den Merkmalen der jeweiligen Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 2 bekannt.

Aus dem Aufsatz von Franke, M.: "Rauscharmer, übersteuerungsfester Fotoverstärker", in: "radio fernsehen elektronik" Nr. 38, 1989, Seiten 701 und 702, sind allgemeine physikalische Zusammenhänge über die Rauschquellen in Fotoverstärkern bekannt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstig herzustellende und präzise arbeitende Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenn größen perfundierten Gewebes in Vorschlag zu bringen, die die vor stehend genannten Nachteile nicht oder in wesentlich vermindertem Um fang aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere auch, ein kostengünstig herzustellendes und präzises Pulsoximeter in Vorschlag zu bringen, das die vorstehend genannten Nachteile nicht oder in wesentlich vermindertem Umfang aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Vorrichtung 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 Patentanspruches 2, ins besondere ein Blutdruckmeßgerät, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die in dessen Kennzeichenteil angegebenen Merkmale. Den Unteransprüchen 3 bis 43 sind vorteilhafte Weiterbildungen der Ge genstände derjenigen Patentansprüche zu entnehmen, auf die sie jeweils rückbezogen sind.

Der erste Aspekt der Erfindung steht daher im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundierten Gewebes, insbesondere einem Pulsoximeter, mit mindestens einer ersten und einer zweiten Lichtquelle, welche jeweils Lichtstrahlung einer ersten bzw. einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge aussenden, wobei die Lichtquellen derart angeordnet sind, daß die von ihnen ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe eindringen kann; mindestens einem Photodetektor, der so angeordnet ist, daß er das von den Licht quellen ausgesandte, durch das perfundierte Gewebe hindurchgetretene Licht detektiert; einer Zeitsteuereinheit, die Steuersignale derart an die Lichtquellen liefert, daß die Lichtquellen fortwährend einander abwech selnd Licht aussenden, wobei in diesen Ablauf eine oder mehrere Dun kelphasen eingefügt sein können, in welchen keine der beiden Leucht dioden Licht aussendet; einer mit dem Ausgang des Photodetektors verbundenen Eingangsstufe, sowie mit einer mit einem Ausgang der Eingangsstufe sowie der Zeitsteuereinheit verbundenen Auswerteein richtung, wobei die Auswerteeinrichtung mindestens ein eine zu mes sende Kenngröße anzeigendes Ausgangssignal liefert, wobei der durch die Eingangsstufe im Zusammenwirken mit dem Photodetektor erzeugte Rauschanteil im Ausgangssignal der Eingangsstufe nicht größer als der durch Schrotrauschen bedingte Rauschanteil im Photostrom des Photode tektors ist.

Der zweite Aspekt der Erfindung steht daher in Zusammenhang mit einer Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfun dierter Gewebe, insbesondere einem Blutdruckmeßgerät, mit mindestens einer Lichtquelle, welche Lichtstrahlung aussendet, wobei die Licht quelle derart angeordnet ist, daß die von ihr ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe eindringen kann; mindestens einem Photode tektor, der so angeordnet ist, daß er das von der Lichtquelle ausgesandte und durch das perfundierte Gewebe hindurchgetretene Licht detektiert; einer mit dem Ausgang des Photodetektors verbundenen Eingangsstufe sowie mit einer mit einem Ausgang der Eingangsstufe verbundenen Aus werteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung mindestens ein eine zu messende Kenngröße anzeigendes Ausgangssignal liefert, wobei der durch die Eingangsstufe im Zusammenwirken mit dem Photodetektor er zeugte Rauschanteil im Ausgangssignal der Eingangsstufe nicht größer als der durch Schrotrauschen bedingte Rauschanteil im Photostrom des Photodetektors ist.

Eine wesentliche Funktion einer Eingangsstufe der Auswerteelektronik in einem Pulsoximeter ist es, den durch einen Photoempfänger fließenden Photostrom möglichst rauscharm in eine als Maß für den Photostrom dienende, beispielsweise in eine zu diesem Strom proportionale oder in logarithmischer Abhängigkeit stehende Ausgangsspannung oder einen entsprechenden Ausgangsstrom umzuwandeln. Üblich ist es, den Pho tostrom in eine proportionale Spannung umzusetzen. Daher wird in den folgenden Ausführungen von einer linear arbeitenden "Strom-/ Spannungs-Wandlereinrichtung" gesprochen, ohne daß damit eine Be schränkung der offenbarten technischen Lehre auf linear arbeitende Strom-/Spannungs-Umsetzer zum Ausdruck gebracht werden soll.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine Reihe von Nachtei len bekannter Pulsoximeter dadurch vermieden werden kann, daß die elektrisch miteinander verbundene Kombination aus dem Photodetektor und der Eingangsstufe einer elektronischen Auswerteschaltung, die die von dem Photodetektor gelieferten Ströme verarbeitet und beispielsweise in einen Spannungswert umsetzt, gegenüber dem Stand der Technik auf erfinderische Weise so verbessert wird, daß sie wesentlich empfindli cher wird und vor allem rauschärmer arbeitet. Ein auf diese Weise verbessertes Pulsoximeter kann beispielsweise derart eingestellt werden, daß die zur Lichterzeugung verwendeten LEDs bei wesentlich geringeren Betriebsleistungen als herkömmlicherweise betrieben werden. Dadurch ist es erheblich leichter möglich, unerwünschte Schwankungen der Wel lenlänge zu minimieren. Ebenso eröffnen die erfindungsgemäßen Ver besserungen eines Pulsoximeters die Möglichkeit, zur Messung verwen detes Licht durch dünne Glasfasern zu leiten, welche lediglich einen sehr geringen 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 Photodetektors bedingten Rauschanteils in der zum pulsatilen Signal gehörenden Komponente des Photostromes auf den Rauschanteil im zu gewinnenden Meßwertsignal abgesehen werden. Das Signal/Rausch-Verhältnis und damit die Aus sagekraft des Meßwertsignals kann nicht besser sein, als es der Schrot rauscheffekt zuläßt.

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

Der durch das Schrotrauschen des Photodetektors bedingte, auf den Wechselstromanteil des Photostromes I_PD bezogene Rauschstrom i_N be rechnet sich nach der Gleichung:

mit
e elektrische Elementarladung (ca. 1,6.10^-19C);
Δf spektrale Bandbreite des pulsatilen Signals.

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 Meß prinzipes bedingte, von einem idealen, in sich keine zusätzlichen Rauschquellen enthaltenden Pulsoximeter zu erwartende Rauschen der Meßwertanzeige nicht in übermäßiger Weise durch das Schrotrauschen im Photodetektor bestimmt wird. Insbesondere wird gefordert, daß das durch das Schrotrauschen des Photodetektors bedingte Signal/Rausch-Ver hältnis kleinere, höchstens gleiche Werte als das durch biologische und allgemein meßtechnische Gegebenheiten des Meßprinzipes bedingte Rauschen annimmt.

Aus dem von J. A. Pologe verfaßten Aufsatz "Pulse Oximetry: Techni cal Aspects of Machine Design", veröffentlicht in: Int. Anesthesiology Clinics Vol. 25, N° 3, 1987, S. 137-153, ist ein Auswerteverfahren für die Pulsoximetrie bekannt. Die folgenden Darlegungen zum Signal- /Rausch-Verhältnis eines idealen Pulsoximeters 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 Modu lationsgrad m ist definiert als der Quotient aus der Amplitude (Spitze-Spit ze) des empfangenen 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 anzubringende Senso ren, und bei etwa m = 0,001 bis m = 0,005 für Sensoren insbesondere nach der vorstehend genannten Druckschrift DE 38 10 008 C1.

Eine zweite wesentliche Größe für die Bestimmung des Signal/Rausch-Ver hältnisses S/N eines idealen Pulsoximeters ist ein auf das pulsatile Signal bezogener Präzisionsindex p. Der Präzisionsindex p ist definiert als der Quotient aus dem Rauschanteil der Wechsellichtamplitude (Spit ze-Spitze) des vom Photodetektor empfangenen pulsatilen Lichtes divi diert durch die pulsatile Wechsellichtamplitude selbst. Ein für Messun gen an biologischen Systemen noch sinnvoller Wert für den Präzisions index p liegt erfahrungsgemäß bei p ≈ 0,02. Ein schlechterer Wert für den Präzisionsindex p ist in bestimmten Fällen hinzunehmen, bei denen die biologischen und meßtechnischen Gegebenheiten einen besseren Wert nicht zulassen. Eine Verbesserung des Gesamtmeßwertes ist dann durch eine Mittelwertbildung über geeignet bemessene Zeiträume mög lich, da sich beispielsweise die Sauerstoffsättigung nur langsam mit der Zeit ändert.

Der Mindestwert des auf den Gleichstromanteil von I_PD bezogenen Sig nal/Rausch-Verhältnisses S/N errechnet sich zu:

Das auf Effektivwerte der Amplituden umgerechnete Signal/Rausch-Ver hältnis S/N aus Gleichung (3) berechnet sich gemäß

Aus Gleichung (2) und (4) folgt, daß der Gleichstromanteil im Photo strom 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 Bemessungswertes für die spektrale Bandbreite Δf des pulsatilen Signals ist zu berücksichtigen, daß bei Feten Pulsfrequenzen bis zu ca. 180 min; entsprechend ca. 3 Hz auftreten können. Da das pulsatile Signal nicht sinusförmig ist, erweist es sich als sinnvoll, den Oberwellengehalt bis mindestens einschließlich der dritten harmonischen Oberwelle zu berücksichtigen, d. h. die Band breite Δf ist mit Δf ≈ 9 Hz anzusetzen.

Bei Annahme der vorstehend erläuterten Bemessungsgrößen 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 Schrot rauschen i_Na errechnet sich dann gemäß Gleichung (1) zu

wobei für dieses Berechnungsbeispiel davon ausgegangen wird, daß der Photodetektor keine Eigenverstärkung aufweist, d. h., daß er insbesonde re 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 = R.I (7)

folgt in Verbindung mit der Gleichung (6) für den Rauschstrom i_N:

d. h., der Rauschstrom i_N fällt umgekehrt proportional mit der Quadrat wurzel 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 thermi sche Rauschen des Strom-/Spannungs-Wandlers ganz überwiegend in einem Widerstand R oder in einer 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 Rauschleistung NEP (Noise Equivalent Po wer) der mit einem bestimmten Photodetektor gepaarten Strom-Span nungs-Wandlereinrichtung eine vorbestimmte maximale äquivalente Rauschleistung NEP_max nicht überschreiten darf, um die vorstehend genannten Vorteile zu erlangen.

Für die äquivalente Rauschleistung NEP des gesamten Photoempfänger systems gilt:

wobei die Empfindlichkeit SE (Sensitivity) des Photodetektors bei Ver wendung einer üblichen Photodiode mit etwa 0,5 AW^-1 anzusetzen ist.

Konkret darf diese äquivalente Rauschleistung NEP_max einen Wert von 0, 1 pW/√Hz nicht überschreiten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Wert NEP_max von 36 fW/√Hz nicht überschritten. Diese bevorzugte Ausführungsform bietet insbeson dere auch bei aus DE 38 100 C1 bekannten Sensoren die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile, gerade wenn - was bei diesen Sensoren in der Praxis häufig vorkommt - der Photostrom bei ungefähr 1 nA liegt. Schließlich wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Wert NEP_max von 11 fW/√Hz 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 Ausführungsformen umgesetzt werden. Folgende Rauscheinflußgrößen sind dabei insbesondere zu berücksichtigen: a) thermisches Rauschen an ohm'schen Widerständen; b) Stromrauschen an Eingangstransistoren; d) Schrotrauschen des durch den Photodetektor fließenden Stromes, falls der Photodetektor einen Übergang mit Gleich richtwirkung, z. B. einen pn-Übergang, aufweist; und d) thermisches Rauschen bei geschalteten Kondensatoren.

Die entsprechenden Bemessungsregeln für bestimmte Ausführungsformen sehen beispielsweise die Verwendung sehr hochohmiger Widerstände oder als Widerstände wirkender geschalteter Transistoren mit einem über einem Schwellenwert R_MIN liegenden Widerstandswert in einer Strom-/Span nungs-Wandlereinrichtung vor. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung wird die äquivalente Rauschleistung NEP durch Verwen dung eines verstärkenden photosensitiven Elementes, beispielsweise eines Photovervielfachers oder einer Avalanche-Photodiode, als Photodetektor auf erfindungsgemäße Werte herabgedrückt. Schließlich werden andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung dadurch bestimmt, daß Photodioden mit einer besonders geringen Sperrschichtkapazität Verwendung finden.

Bei der Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Lösung ist zu beachten, daß die Verwendung sehr hochohmiger Widerstände in Verbindung mit Schaltungskapazitäten oder auch mit parasitären Kapazitäten zu relevan ten Zeitkonstanten führen kann, die den Frequenzgang des Strom-/Span nungs-Wandlers derart beeinträchtigen können, daß die Takt- bzw. Mo dulationsfrequenz f_CLK der Ansteuerung der Lichtquellen (auch als "Trä gerfrequenz" bezeichnet) nicht mehr mit der erforderlichen zeitlichen Auflösung verarbeitet werden kann. Wird beispielsweise ein Widerstand R = 50 MΩ eingesetzt, der mit parasitären Kapazitäten 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 Ein flüsse 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 Frequenzganges bei der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Aus führungsformen.

Solche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung, welche sehr hochohmige Widerstandsbauelemente aufweisen, können durch eine besondere Gestaltung dieser Bauelemente besonders vorteilhaft ausgestal tet werden. Wird ein hochohmiges Widerstandsbauelement beispielsweise in zylindrischer Form mit einem sehr großen Verhältnis von Bauteillänge zu Bauteildurchmesser 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 Kapazitäten zu umliegenden, insbesondere auf Massepotential gelegten Schaltungsteilen bestehen, beispielsweise zwischen der Widerstandsschicht des hochohmi gen Widerstandsbauelementes und einem metallischen Gehäuse. Um die Wirkung dieser parasitären Kapazitäten zu vermindern oder ganz auszu schalten, erweist es sich als vorteilhaft, das hochohmige Bauelement - je nach Symmetrieverhältnissen des Aufbaus - beispielsweise ganz oder teilweise mit einem Hohlzylinder aus einem niederohmigeren Wider standsmaterial zu umgeben, wobei dieser äußere Hohlzylinder an seinen Stirnflächen jeweils mit einem elektrischen Anschluß versehen ist. Mit tels dieser Anschlüsse wird der Widerstands-Hohlzylinder dergestalt in die elektrische Schaltung eingebaut, daß die zeitliche Änderung des Oberflächenpotentials an jeder Stelle der Oberfläche des Widerstands-Hohl zylinders auch bei den beim Betrieb der Schaltung auftretenden Wechselströmen möglichst genau der zeitlichen Änderung des Ober flächenpotentials an der direkt gegenüberliegenden Stelle der Oberfläche des hochohmigen Widerstandsbauelementes entspricht, so daß die pa rasitären Kapazitäten auch bei Änderungen 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 erwähnten Blutdruck meßgeräte, übertragen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Pulsoximeter und Blutdruckmeßgeräte beschränkt. Für den Fachmann ist offensicht lich, daß die zur Erfindung gehörenden Merkmale überhaupt auf alle einschlägigen Meßvorrichtungen übertragen werden können, bei denen optische Extinktionswerte anzeigende pulsatile Signale an perfundiertem Gewebe abgenommen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung für das genannte Blutdruckmeßgerät unterscheidet sich von derjenigen für das Pulsoximeter im wesentlichen dadurch, daß statt zweier auf vorbestimmten Wellenlängen arbeitender Lichtquellen, die in einer vorbestimmten Weise sequentiell angesteuert werden, lediglich eine einzelne gepulst oder evtl. kontinuierlich arbeiten de Lichtquelle, die erforderlichenfalls auch ein breiteres Spektrum an Lichtstrahlung emittieren darf, verwendet wird. Eine der Zeitsteuerein richtung des Pulsoximeters vergleichbare Einheit kann bei Verwendung einer nicht modulierten Lichtquelle entfallen; auch die Funktion der Auswertestufe unterscheidet sich von derjenigen eines Pulsoximeters. Die die Erfindung konstituierenden Merkmale des Pulsoximeters sind jedoch auf das Blutdruckmeßgerät übertragbar.

Im folgenden wird die Erfindung in Gestalt mehrerer Ausführungsbei spiele anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Pulsoximeters.

Fig. 2 bis 12 zeigen Schaltbilder verschiedener Ausführungsbeispiele von Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtungen des erfindungsge mäßen Pulsoximeters nach Fig. 1.

Fig. 13 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Widerstandsbauelementes, ins besondere eines langgestreckten, hochohmigen Widerstands bauelementes, welches von einer elektrisch niederohmig leiten den Abschirmung umgeben ist.

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

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

Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht einer anderen Ausführung eines hoch ohmigen Widerstandsbauelementes in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1.

Der in der folgenden Beschreibung verwendete Fachbegriff "Masse" oder "Massepotential" bezeichnet ein festes Bezugspotential. Dort, wo Verhältnisse bezüglich Wechselspannungen oder Wechselströmen darge stellt werden, ist dieser Begriff stets als Wechselstrom-Masse zu ver stehen, welche bekanntermaßen beispielsweise gegenüber einem anderen Gleichspannungs-Bezugspotential mit einer willkürlichen, jedenfalls zeit lich konstanten Gleichspannung vorgespannt sein kann.

Ein erfindungsgemäßes Pulsoximeter nach Fig. 1 weist eine Sensorein heit 1 auf, in der sich eine erste Leuchtdiode LED1 einer ersten vor bestimmten Nenn-Wellenlänge λ₁ und eine zweite Leuchtdiode LED 2 einer zweiten vorbestimmten Nenn-Wellenlänge λ₂ einerseits und ein Photodetektor PD andererseits gegenüberstehen. Zwischen den Leucht dioden LED1, LED2 und dem Photodetektor PD ist ein Volumen per fundierten Gewebes 2 dergestalt angeordnet, daß das von den Leucht dioden LED1 bzw. LED2 ausgesandte Licht nach dem Hindurchtreten durch das perfundierte Gewebe 2 den Photodetektor PD erreicht.

Die Leuchtdioden LED1, LED2 sind mit jeweils einem ersten Ausgang Φ₁ bzw. einem zweiten Ausgang Φ₂ einer Zeitsteuereinheit 3 verbunden. Die Zeitsteuereinheit 3 steuert die Leuchtdioden LED1, LED2 so, daß fortwährend beide Leuchtdioden einander abwechselnd ein- bzw. ausge schaltet sind. Der Ausgangsstrom des Photodetektors PD wird dem Ein gang 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 zu gespeist. Die Zeitsteuereinheit 3 weist ferner einen dritten Ausgangsan schluß Φ*₁ sowie einen vierten Ausgangsanschluß Φ*₂ auf, welche je weils mit entsprechenden Eingängen der Auswerteeinrichtung verbunden sind. Über diese zusätzlichen Ausgänge 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 Pulsoximeters wird das perfun dierte 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 hindurchtretende Licht von dem Photodetektor PD aufgenommen und in einen Photodetektor-Aus gangsstrom I_PD umgesetzt wird. Um dieses Stromsignal I_PD möglichst rauscharm und mit ausreichender Verstärkung in ein zur Weiterver arbeitung in der Auswerteeinrichtung 5 verwendbares Spannungssignal U_PD umzusetzen, wird es der Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4 zugespeist. Die Auswerteeinrichtung 5 ermittelt aus dem Spannungs signal U_PD den Verlauf der spektralen Absorption des perfundierten Gewebes 2 bei den vorbestimmten Wellenlängen der ersten bzw. zweiten Leuchtdiode LED1, LED2 und ermittelt aus diesen spektralen Absorp tionswerten auf herkömmliche Weise die jeweils interessierenden Kenn werte, z. B. absolute oder relative Hämoglobinkonzentrationen.

Fig. 2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für eine Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4. Ein mit einer geeigneten Vor spannung U_B vorgespannter Photodetektor PD, beispielsweise eine Pho todiode, ist an einen Meßwiderstand R_M angeschlossen. Die an dem Meßwiderstand R_M abfallende Spannung U_M wird dem Eingang eines Verstärkerelements AMP zugeführt. Das Verstärkerelement AMP weist einen Ausgang auf, an dem die Ausgangs-Signalspannung U_PD abgenom men wird. Erfindungsgemäß ist der Widerstandswert des Meßwiderstan des R_M größer als ein vorbestimmter Mindest-Widerstandswert R_min.

Bekannte Pulsoximeter weisen in einer Strom-/Spannungs-Wandlerein richtung Meßwiderstände auf, deren Widerstandswert im Rahmen der übrigen schaltungstechnischen Gegebenheiten möglichst gering gehalten wird. Dies wird u. a. damit begründet, daß gemäß der obenstehenden Gleichung bei einem Meßwiderstand mit geringerem Widerstandswert die Rauschspannung geringer ist. Im Gegensatz zu dieser bekannten Be messungsregel ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß für den Wider standswert des Meßwiderstandes R_M ein möglichst großer Wert vorgese hen ist.

Im Gegensatz zu einer gefestigten Auffassung der Fachwelt ist es näm lich vorteilhaft, den kritischen Widerstandswert R_MIN für eine Strom-/Span nungs-Wandlereinrichtung 4 eines Pulsoximeters möglichst groß, jedenfalls größer als 5 MΩ, in einer bevorzugten Ausführungsform größer als 50 MΩ, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform grö ßer als 500 MΩ zu wählen.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4. Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 2 dadurch, daß das Ver stärkerelement AMP in Fig. 2 durch einen FET-Spannungsverstärker in Source-Schaltung näher spezifiziert ist. Die über dem Meßwiderstand R_M abfallende Spannung U_M wird dem Gate-Anschluß eines ersten FET-Transistors TR1 zugeführt. Der Source-Anschluß des ersten FET-Transi stors 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 Versorgungsspannung U_V angeschlossen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strom-/Span nungs-Wandlereinrichtung 4 mit einem gegengekoppelten Operationsver stärker 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 Vorspannung U_B vor gespannte Photodetektor PD ist gleichfalls an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geschaltet. Da der durch den Photodetek tor PD fließende Ausgangsstrom bei diesem Ausführungsbeispiel durch den Gegenkopplungswiderstand R_G geleitet wird, gilt hier für den Wider standswert des Gegenkopplungswiderstandes R_G die gleiche Bemessungs regel wie für den Widerstandswert des Meßwiderstandes R_M der Ausfüh rungsbeispiele der Fig. 2 und 3. An dem Ausgangsanschluß des Opera tionsverstärkers OP wird die Ausgangsspannung U_PD abgegriffen.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4, die sich von dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP über einen fünften Widerstand R₃ an Masse geschaltet ist. Der Photodetektor PD ist zwi schen 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 geschaltet. Vom Aus gangsanschluß des Operationsverstärkers wird das Ausgangspannungs signal U_PD abgegriffen. Erfindungsgemäß ist die Summe der Wider standswerte R₃ + R_G jedenfalls größer als der vorbestimmte Mindestwi derstandswert R_MIN.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4, das sich von dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß der Opera tionsverstärker OP durch einen ersten FET-Transistor TR1 ersetzt ist. Die Gegenkopplung erfolgt 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-Tran sistors TR2 ist über einen fünften Widerstand R₄ an Masse geschal tet, wohingegen der Drain-Anschluß über einen sechsten Widerstand R5 an eine Versorgungsspannung U_V angeschlossen ist.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strom-/Spannungs-Wan dlereinrichtung 4, die sich von dem in Fig. 6 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß die Verstärkungsstufe in Kasko de-Schaltung mit einem ersten FET-Transistor TR1 und einem zweiten Transistor TR2 - beispielsweise einem zweiten FET-Transistor - ausge staltet ist. Dabei wird die Gate-Vorspannung des zweiten FET-Tran sistors TR2 durch einen zwischen eine Versorgungsspannung U_V und Masse geschalteten aus einem siebenten Widerstand R₅ sowie einem achten Widerstand R₆ aufgebauten Spannungsteiler bestimmt. Die Gegen kopplung erfolgt über einen Gegenkopplungswiderstand R_G, der zwi schen den Drain-Anschluß des zweiten Transistors TR2 und den Gate-An schluß des ersten FET-Transistors TR1 geschaltet ist. Der durch die Transistoren fließende Längsstrom erzeugt an dem dritten Widerstand R2 die Ausgangsspannung dieser Stufe. Ein Vorteil dieser Schaltungsan ordnung insbesondere gegenüber der in Fig. 6 gezeigten Schaltung be steht 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 Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4, welche auf einem andersartigen Funktionsprinzip als die bisher vorgestellten Aus führungsbeispiele gründet. Die Umwandlung eines durch einen Photode tektor PD fließenden 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 Kapazität C₁ anliegende Spannung U_M ist an den Eingang eines Verstärkerelements AMP angelegt. An dem Ausgang des Verstärkerelements AMP wird die dem Ausgangsstrom I_PD des Photodetektors PD entsprechende Signal spannung U_PD abgegriffen. Die erste Schalteinrichtung SW1 wird mit einer genügend hohen Frequenz f_SW = n.f_CLK(n∈N, n≧2) angesteuert. Bevorzugt wird eine phasenstarre Kopplung beider Wechselspannungen f_sw und f_CLK Die Schaltereinrichtung SW1 wechselt dabei periodisch mit der Frequenz f_SW zwischen einem ersten Betriebszustand, in welchem sie elektrisch leitfähig ist, und einem zweiten Betriebszustand, in welchem sie elektrisch nichtleitend ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Ausgangsstrom I_PD des Photo detektors 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 entladen wird.

Bei dieser Ausführungsform dürfen insbesondere die Kapazitäten des Photodetektors PD sowie die Eingangskapazität des Verstärkers AMP nicht vernachlässigt werden, da besonders die Kapazität des Photodetek tors 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 Kapazität des Photode tektors PD und der Eingangskapazität des Verstärkers AMP sowie even tueller Streukapazitäten bezeichnet.

Aus Gleichung (10) folgt in Verbindung mit Gleichungen (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 Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4. Diese Schaltung weist einen Operationsverstärker OP mit einem invertierenden Eingang und einem nicht-invertierenden Eingang auf, wobei der nicht invertierende Eingang an Masse gelegt ist. Der invertierende Eingang ist über eine zweite Kapazität C₂ an einen Ausgang des Operationsver stärkers OP geschaltet. Parallel zu der zweiten Kapazität C₂ ist eine zweite Schalteinrichtung SW2 geschaltet. Der Ausgangsstrom I_PD des Photodetektors PD wird dem invertierenden Eingang des Operationsver stärkers OP zugeführt.

Fig. 10 zeigt einen Schaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels ent sprechend dem in Fig. 9 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel, wobei jedoch der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP über eine dritte Kapazität C₃, welche über eine dritte Schalteinrichtung SW₃ kurzgeschlossen und entladen werden kann, an Masse geschaltet ist. Der Photodetektor PD ist zwischen den invertierenden Eingang und den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geschal tet. Beide Schalteinrichtungen SW1, SW2 wechseln periodisch und gleichphasig zwischen einem elektrisch leitfähigen ersten Betriebszustand und einem elektrisch nichtleitenden zweiten Betriebszustand.

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

Fig. 11 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung 4. Diese Schaltung weist einen Operationsverstärker OP mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Eingang auf. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP ist an Masse geschaltet. Der Ausgangsstrom I_PD des Photodetektors PD wird über eine erste, in einem Optokoppler OC angeordnete Photodiode D₁ abgeleitet. Der Optokoppler weist ferner eine optisch mit der Photodiode D₁ in Verbindung stehende Leuchtdiode D₂ auf, die über einen Hilfswiderstand R₈ zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers OP und Masse geschaltet ist. Der mit dem Photodetektor PD verbundene Anschluß der Photodiode D₁ ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geschaltet. Der andere Anschluß der Photodiode D₁ ist an eine Versorgungsspan nung U_V geschaltet. Bei dieser Schaltung arbeitet der Operationsver stärker OP in einem gegengekoppelten Betrieb, wobei die Gegenkopp lung durch die beschriebene spezielle Anschaltung des Opto-Kopplers OC erfolgt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 tritt kein thermisches Rauschen an hochohmigen Widerständen auf. Allerdings führen die pn-Über gänge in den Photohalbleitern D1 und D2 des Optokopplers OC jeweils zu einem durch Schrotrauschen bedingten Term im Rauschanteil des im Gegenkopplungszweiges fließenden Stroms mit einer entsprechen den Rauschzahl von insgesamt 3 dB. Da bei dieser Anordnung jedoch keinerlei hochohmige Widerstände verwendet werden, wird die obere Grenzfrequenz nicht durch Zeitkonstanten aus einem hochohmigen Wi derstandswert und schwer ausschaltbaren Parasitärkapazitäten begrenzt.

Fig. 12 zeigt ein Schaltbild einer im Frequenzgang verbesserten Ausfüh rungsform einer Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung des erfindungs gemäßen Pulsoximeters nach Fig. 1. Die dort gezeigte Grundschaltung entspricht derjenigen aus Fig. 4; jedoch ist parallel zum vierten Wider stand R_G eine Parasitärkapazität C_RG eingezeichnet, die insbesondere aus der räumlichen Anordnung der gegenüberliegenden Anschlußkappen des Widerstandsbauelementes R_G herrührt. Diese Parasitärkapazität C_RG stellt für Wechselspannungen einen Leitwert im Rückkoppelungszweig der Schaltung dar, welcher den Verstärkungsfaktor bei zunehmender Fre quenz durch die zunehmende Gegenkopplung begrenzt. Diesem Effekt wird durch einen zehnten Widerstand R9, der mit dem vierten Wider stand R_G in Reihe geschaltet ist, sowie einer zwischen Masse und dem Verbindungsknoten zwischen dem vierten Widerstand R_G und dem zehn ten Widerstand R₉ geschalteten vierten Kapazität C₄ begegnet, wobei folgende Bemessungsregel der Zeitkonstanten τ gilt:

R_G.C_RG = τ = R₉.C₄ (12)

R₉ << R_G (13)

D. h., die Zeitkonstante aus dem vierten Widerstand R_G und der dazuge hörigen 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 Widerstandsbauelementes, ins besondere eines langgestreckten, hochohmigen Widerstandsbauelementes R_G, welches von einer elektrisch leitenden Abschirmung umgeben ist. Während die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform lediglich die zwischen den Anschlußkappen des vierten Widerstandes R_G sich aus bildende Parasitärkapazität C_RG berücksichtigt, zeigt Fig. 13 schematisch das Zusammenwirken kontinuierlich über die Gesamtlänge des Wider standsbauelementes R_G verteilter infinitesimaler ohmscher Teilwiderstän de R⁰, R¹, R², . . ., R^m mit infinitesimalen Parasitärteilkapazitäten C⁰, C¹, C², . . ., C^m, welche zwischen infinitesimalen Flächenelementen auf der Oberfläche des Widerstandsbauelementes R_G und beispielsweise auf Massepotential gelegten umliegenden leitfähigen Teilen, beispielsweise Gehäusewänden, bestehen.

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

Fig. 14 zeigt ein Ersatzschaltbild einer vorteilhaften Ausführung eines insbesondere langgestreckten hochohmigen Widerstandsbauelementes in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1. Bei dieser Ausfüh rungsform ist das hochohmige Widerstandsbauelement R_G, R_M nicht von metallisch leitenden, jedenfalls sehr niederohmigen Teilen umgeben, son dern von einem Widerstandsmaterial, welches über die Länge des hoch ohmigen Widerstandsbauelementes R_G, R_M einen Widerstandswert auf weist, 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 bewirkt die Ausbildung kontinuierlich über seine Gesamtlänge verteilter infinitesimaler ohmscher Teilwiderstände R_S ⁰, R_S ¹, R_S ², . . ., R_S ^m, die mit den Parasitärteilkapazi täten C⁰, C¹, C², . . ., C^m zusammenwirken. Der Schirmwiderstand ist an jeder seiner Stirnseiten mit einem ersten bzw. zweiten elektrischen An schluß A, B versehen. Der erste Anschluß A des Schirmwiderstandes R_S ist dann bei einer Ausführungsform nach Fig. 4 an Masse geschaltet, während der zweite elektrische Anschluß B an den Ausgang des Opera tionsverstärkers OP geschaltet wird. Ein erster Anschluß D des hoch ohmigen Widerstandes R_G liegt an derselben Seite der Anordnung wie der erste Anschluß A des Schirmwiderstandes R_S und ist an den inver tierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geschaltet. Ein zweiter Anschluß E des hochohmigen Widerstandes R_G, R_M ist an den Ausgang des Operationsverstärkers OP geschaltet.

Fig. 15 zeigt eine Schnittansicht einer vorteilhaften Ausführung eines langgestreckten hochohmigen Widerstandsbauelementes R_G, R_M in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1. Das hochohmige Wi derstandsbauelement R_G, R_M besteht aus einem isoliererenden Grund körper 6, der beispielsweise aus einem geeigneten Keramikmaterial gefertigt sein kann. Auf der Oberfläche des isolierenden Grundkörpers 6 ist eine Widerstandsschicht 7 aufgebracht. An den beiden Stirnseiten des isolierenden Grundkörpers 6 ist jeweils eine metallische Anschlußkappe 8 angebracht, die mit der Widerstandsschicht 7 elektrisch in Verbindung steht. Koaxial um das hochohmige Widerstandsbauelement R_G, R_M herum ist der Schirmwiderstand R_S angeordnet, der beispielsweise aus gepreß tem Graphit bestehen kann. An beiden Stirnseiten weist der Schirmwi derstand jeweils einen elektrischen Anschluß A bzw. B auf.

Diese vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist nicht auf koaxiale Anordnungen aus einem Widerstandsbauelement R_G, R_M und einem Schirmwiderstand R_S beschränkt; vielmehr richtet sich die räuml iche Ausgestaltung und Anordnung des Schirmwiderstandes nach den Symmetrieverhältnissen der Ausgestaltung des hochohmigen Wider standsbauelementes R_G, R_M. Beispielsweise kann das hochohmige Wider standsbauelement R_G, R_M in Gestalt eines längsgestreckten flachen Strei fens ausgeformt sein. In diesem Fall besteht eine vorteilhafte Ausgestal tung des Schirmwiderstandes R_S beispielsweise aus zwei elektrisch pa rallelgeschalteten, in den Abmessungen mit dem Widerstandsbauelement R_G, R_M ungefähr korrelierenden Widerstandsstreifen, die über bzw. unter dem Widerstandsbauelement R_G, R_M und bei gleicher Flächenorien tierung parallel zu diesem angeordnet sind.

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

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, das hochohmige Widerstandsbauelement R_G, R_M sehr klein und kompakt auszuführen. In diesem Fall steigt einerseits zwar die Parasitärkapazität zwischen den Widerstandsendkappen an; andererseits tritt die Bedeutung der an der Oberfläche der widerstandsaktiven Schicht ausgebildeten verteilten Para sitärkapazitäten zurück. Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht einer derar tigen anderen Ausführung eines hochohmigen Widerstandsbauelementes in einem erfindungsgemäßen Pulsoximeter nach Fig. 1. Zwei Anschluß kappen 9 sind an den Enden eines Isolierkörpers 10 befestigt. Ein hoch ohmiger Widerstandskörper 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 herstellen. Eine tech nische Ausgestaltung als Chipwiderstand bzw. SMD-Bauelement kann zu besonders günstigen Ergebnissen führen.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nach den Fig. 1- 16 ist ein Photodetektor PD vorgesehen, der auf verschiedene Weise technisch ausgeführt werden kann. In Betracht kommen einerseits Photo dioden ohne Eigenverstärkung, andererseits Avalanche-Photodioden oder andere Photodetektoren mit Eigenverstärkung, insbesondere Photomulti plier.

Bei der Auswahl von Photodioden als Photodetektor PD ist der Einfluß der dem Halbleiterbauelement inhärenten Sperrschichtkapazität zu be achten. Herkömmliche Pulsoximeter weisen Photodioden auf, die nach möglichst geringem Dunkelstrom selektiert sind, da das Schrotrauschen des Dunkelstromes einer Photodiode mit der Quadratwurzel des Dunkel stromes zunimmt. Üblicherweise finden daher Photodioden mit einem Dunkelstrom I_D < 100 pA in herkömmlichen Pulsoximetern Verwen dung. 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 entgegenstehenden ständigen Übung der Fachwelt bei der Dimensionierung herkömmlicher Pulsoximeter - solche Photodioden auf, deren Sperrschichtkapazität kleiner 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 Rauschleistung NEP, der bei hohen Sperrschichtkapazitäten den Vorteil des geringeren Schrotrauschens aufzehrt. Darüber hinaus führt eine größere Sperrschichtkapazität dazu, daß das Eingangsspan nungsrauschen des verstärkenden Elementes sich stärker auf die äqui valente Rauschleistung NEP des Photodetektorsystems auswirkt. Generell führt ein niedrigerer Gesamt-Leitwert Y am Eingang des verstärkenden Elementes dazu, daß der Signalstrom des Photodetektors PD nur eine geringe Eingangsspannung am verstärkenden Element erzeugt. Dies führt dazu, daß das äquivalente Eingangsrauschen des verstärkenden Elemen tes stärker in die äquivalente Rauschleistung NEP eingeht. Insbesondere bewirkt jede Erhöhung der Kapazität des Photodetektors PD eine un erwünschte Steigerung des Gesamt-Leitwertes Y besonders bei hohen Taktfrequenzen f_CLK. Sind hohe Gesamt-Leitwerte Y infolge vorgegebe ner 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 Elementes durch diese Maßnahme nicht wesentlich über die Summe aller sonstigen am Eingang liegenden Kapazitäten, insbe sondere unter Berücksichtigung der Kapazität des Photodetektors PD, ansteigt.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen wird davon ausgegan gen, daß die Leuchtdioden LED1, LED2 binär angesteuert werden, d. h., eine Leuchtdiode emittiert zu jedem Zeitpunkt entweder kein Licht oder Licht bei einer vorgegebenen Nennleistung. Die Anstiegs- bzw. Abfall-Flan ken der von der Zeitsteuereinheit 3 gelieferten Signale Φ₁, Φ₂ sind sehr steil. Es sind auch Pulsoximeter bekannt, bei denen die Leucht dioden LED1, LED2 mit einem Analogsignal, insbesondere mit einem sinusförmigen Signal, angesteuert werden. Wie ohne weiteres einzuse hen ist, sind die zur Erfindung gehörenden Merkmale der erfindungs gemäßen Lösung unmittelbar auch auf derartige Trägerfrequenz-Pulsoxi meter übertragbar.

Claims

1. Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundier ten Gewebes (2), insbesondere Pulsoximeter, mit

a) mindestens einer ersten (LED1) und einer zweiten (LED2) Lichtquelle, welche jeweils 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 Gewe be (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) hindurchgetretene Licht detektiert;
c) einer Zeitsteuereinheit (3), die Steuersignale (Φ₁, Φ₂) derart an die Lichtquellen (LED1, LED2) liefert, daß die Lichtquellen (LED1, LED2) fortwährend einander abwechselnd Licht aus senden, 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 Zeit steuereinheit (3) verbundenen Auswerteeinrichtung (5), wobei die Auswerteeinrichtung (5) mindestens ein eine zu messende Kenngröße anzeigendes Ausgangssignal (U_OUT) liefert; dadurch gekennzeichnet,
f) daß der durch die Eingangsstufe (4) im Zusammenwirken mit dem Photodetektor (PD) erzeugte Rauschanteil im Ausgangs signal der Eingangsstufe (4) nicht größer als der durch Schrot rauschen bedingte Rauschanteil im Photostrom des Photodetek tors (PD) ist,
g) wobei der Gleichstromanteil im Photostrom I_PD größer oder gleich einem Mindestphotostrom I_PDr ist, der nicht unterschritten werden darf und der wie folgt bestimmt ist:
wobei e die Elementarladung des Elektrons, Δf die spektrale Bandbreite des pulsatilen Signals, p den Präzisionsindex und m den Modulationsgrad bezeichnet, wobei der Präzisionsindex p definiert ist als der Quotient aus der Amplitude des empfange nen pulsatilen Wechsellichtanteils dividiert durch die Amplitude des Anteils an konstantem, nicht moduliertem Lichtfluß.

2. Vorrichtung zum optischen Bestimmen von Kenngrößen perfundier ten Gewebes (2), insbesondere Blutdruckmeßgerät, mit

a) mindestens einer Lichtquelle (LED1), welche 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) hindurchgetretene Licht detektiert;
c) einer mit dem Ausgang des Photodetektors (PD) verbundenen Eingangstufe (4); sowie mit
d) einer mit einem Ausgang der Eingangsstufe (4) verbundenen Auswerteeinrichtung (5), wobei die Auswerteeinrichtung (5) mindestens ein eine zu messende Kenngröße anzeigendes Aus gangssignal (U_OUT) liefert;
dadurch gekennzeichnet,
e) daß der durch die Eingangsstufe (4) im Zusammenwirken mit Photodetektor (PD) erzeugte Rauschanteil im Ausgangs signal der Eingangsstufe (4) nicht größer als der durch Schrot rauschen bedingte Rauschanteil im Photostrom des Photodetek tors (PD) ist,
f) wobei der Gleichstromanteil im Photostrom I_PD größer oder gleich einem Mindestphotostrom I_PDr ist, der nicht unterschritten werden darf und der wie folgt bestimmt ist:
wobei e die Elementarladung des Elektrons, Δf die spektrale Bandbreite des pulsatilen Signals, p den Präzisionsindex und m den Modulationsgrad bezeichnet, wobei der Präzisionsindex p definiert ist als der Quotient aus der Amplitude des empfange nen pulsatilen Wechsellichtanteils dividiert durch die Amplitude des Anteils an konstantem, nicht moduliertem Lichtfluß.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (PD) zusammen mit der Eingangsstufe (4) eine äquivalente Rauschleistung kleiner etwa 0,1 pW/√Hz liefert.

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

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen ersten Widerstand (R_M) sowie ein Verstärkerelement (AMP) aufweist, wobei ferner ein erster An schluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B) geschal tet 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 Bezugspo tential gelegt ist, ein Eingang des Verstärkerelements (AMP) an den Schaltungsknoten, der den Photodetektor (PD) und den ersten Wi derstand (R_M) miteinander verbindet, geschaltet ist, wobei der Wi derstandswert des ersten Widerstandes (R_M) größer als 5 MΩ ist.

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

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des ersten Widerstandes (R_M) 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-Tran sistors (TR1) den Eingang des Verstärkerelementes (AMP) bil det, der Source-Anschluß des ersten 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 Versorgungsspan nung (U_V) gelegt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen Operationsverstärker (OP) mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang sowie einen vierten Widerstand (R_G) aufweist, wobei der vierte Widerstand (R_G) zwischen den invertierenden Ein gang und den Ausgang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist, ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspan nung (U_B), ein zweiter Anschluß des Photodetektors (PD) an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist und der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OP) auf das Bezugspotential gelegt ist, wobei der Widerstandswert des vierten Widerstandes (R_G) größer als 5 MΩ ist.

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

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

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (PD) zwischen den invertierenden Eingang und den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) ge schaltet ist und dadurch, daß der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers über einen fünften Widerstand (R₃) auf das Bezugspotential gelegt ist, wobei die Summe aus dem Widerstands wert des vierten Widerstandes (R_G) und dem Widerstandswert des fünften Widerstandes (R₃) größer als 5 MΩ ist.

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

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

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen ersten Feldeffekt-Transistor (TR1), einen vierten Widerstand (R_G), einen fünften Widerstand (R4) so wie einen sechsten Widerstand (R5) aufweist, wobei ferner ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B) geschaltet ist, der Gate-Anschluß 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 ersten Feldeffekt-Transistors (TR1) über den sechsten Widerstand (R₅) an eine Versorgungsspannung (U_V) gelegt ist, und dadurch, daß ein vierter Widerstand (R_G) zwi schen den Gate-Anschluß 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 gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des vierten Widerstandes (R_G) größer als 50 MΩ ist.

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

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

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die äußere Oberfläche des vierten Widerstandes (R_G) der Oberfläche eines Schirmwiderstandes (R_S) beabstandet gegenü berliegend angeordnet ist, wobei zeitliche Änderungen des elek trischen Oberflächenpotentials jeweils gegenüberliegender Ober flächenbereiche des vierten Widerstandes (R_G) und des Schirmwider standes (R_S) in jedem Betriebszustand der Vorrichtung gleich sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirmwiderstand (R_S) einen mit Bezugspotential verbundenen er sten Anschluß (A) und einen mit dem Ausgang des Operations verstärkers verbundenen zweiten Anschluß (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 angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirmwiderstand (R_S) aus mindestens zwei elektrisch pa rallelgeschalteten, in den Abmessungen dem vierten Widerstand (R_G) entsprechenden Widerstandsstreifen gebildet ist, die benachbart zu dem vierten Widerstand (R_G) und bei gleicher Flächenorientierung parallel zu diesem angeordnet sind.

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

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Widerstand (R_G) ein an den Enden mit je einem Anschluß (9) versehenes elektrisch isolierendes Substrat (10) und einen in oder auf dem isolierenden Substrat (10) angeordneten hochohmigen Wi derstandskörper (11) aufweist, wobei die Fläche des hochohmigen Widerstandskörpers (11) kleiner als 4 mm², vorzugsweise kleiner als 0,25 mm² ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) eine erste Kapazität (C1), eine erste Schalteinrichtung (SW1) sowie ein Verstärkerelement (AMP) auf weist, ferner dadurch, daß ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B), ein zweiter Anschluß des Photode tektors (PD) an einen ersten Anschluß der ersten Kapazität (C1) ge schaltet 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 verbindet, geschaltet ist, und dadurch, daß die erste Schalteinrichtung (SW1) der ersten Kapazität (C1) parallelgeschaltet ist, wobei die erste Schalteinrichtung (SW1) periodisch zwischen einem elektrisch leitenden ersten Betriebszu stand und einem elektrisch nichtleitenden zweiten Betriebszustand wechselt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die erste Schalteinrichtung (SW1) betätigt wird, und der Summe aus dem Kapazitätswert der ersten Kapazität (C1) sowie aller anderen am Eingang des Ver stärkerelementes (AMP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2.10^-6 Ω^-1 ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die erste Schalteinrichtung (SW1) betätigt wird, und der Summe aus dem Kapazitätswert der ersten Kapazität (C1) sowie aller anderen am Eingang des Ver stärkerelementes (AMP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2.10^-7 Ω^-1 ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die erste Schalteinrichtung (SW1) betätigt wird, und der Summe aus dem Kapazitätswert der ersten Kapazität (C1) sowie aller anderen am Eingang des Ver stärkerelementes (AMP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2.10^-8 Ω^-1 ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen Operationsverstärker (OP) mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang, eine zweite Kapazität (C2) sowie eine zweite Schalteinrichtung (SW2) aufweist, wobei die zweite Kapazität (C2) zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Oper ationsverstärkers (OP), ein erster Anschluß des Photodetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B), ein zweiter Anschluß des Photodetek tors (PD) an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist und der nicht-invertierende Eingang des Opera tionsverstärkers (OP) auf das Bezugspotential gelegt ist, und da durch, daß die zweite Schalteinrichtung (SW2) der zweiten Kapazi tät (C2) parallelgeschaltet ist, wobei die zweite Schalteinrichtung (SW2) periodisch zwischen einem elektrisch leitenden ersten Be triebszustand und einem elektrisch nichtleitenden zweiten Be triebszustand wechselt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die zweite Schalteinrichtung (SW2) betätigt wird, und der Summe aus dem Kapazitätswert der zweiten Kapazität (C2) sowie aller anderen am Eingang des Opera tionsverstärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2.10^-6 Ω^-1 ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die zweite Schalteinrichtung (SW2) betätigt wird, und der Summe aus dem Kapazitätswert der zweiten Kapazität (C2) sowie aller anderen am Eingang des Opera tionsverstärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2.10^-7 Ω^-1 ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die zweite Schalteinrichtung (SW2) betätigt wird, und der Summe aus dem Kapazitätswert der zweiten Kapazität (C2) sowie aller anderen am Eingang des Opera tionsverstärkers (OP) anliegenden Kapazitäten kleiner als 0,2.10^-8 Ω^-1 ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (PD) zwischen den invertierenden Eingang und den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) ge schaltet ist, ferner dadurch, daß der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers über eine dritte Kapazität (C3) auf das Be zugspotential gelegt ist, und dadurch, daß eine dritte Schalteinrich tung (SW3) der dritten Kapazität (C3) parallelgeschaltet ist, wobei die dritte Schalteinrichtung (SW3) periodisch und vorzugsweise gleichphasig mit der zweiten Schalteinrichtung (SW2) zwischen einem elektrisch leitenden ersten Betriebszustand und einem elek trisch nichtleitenden zweiten Betriebszustand wechselt.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die Schalteinrichtungen (SW2, SW3) betätigt werden, und der Summe aus dem Kapazi tätswert aus einer Serienschaltung der zweiten Kapazität (C2) und der dritten Kapazität (C3), sowie dem Kapazitätswert aller anderen am Eingang des Operationsverstärkers (OP) anliegenden Kapazi täten kleiner als 0,2.10^-6 Ω^-1 ist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die Schalteinrichtungen (SW2, SW3) betätigt werden, und der Summe aus dem Kapazi tätswert aus einer Serienschaltung der zweiten Kapazität (C2) und der dritten Kapazität (C3), sowie dem Kapazitätswert aller anderen am Eingang des Operationsverstärkers (OP) anliegenden Kapazi täten kleiner als 0,2.10^-7 Ω^-1 ist.

36. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Schaltfrequenz, mit der die Schalteinrichtungen (SW2, SW3) betätigt werden, und der Summe aus dem Kapazi tätswert aus einer Serienschaltung der zweiten Kapazität (C2) und der dritten Kapazität (C3), sowie dem Kapazitätswert aller anderen am Eingang des Operationsverstärkers (OP) anliegenden Kapazi täten kleiner als 0,2.10^-8 Ω^-1 ist.

37. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (4) einen Operationsverstärker (OP) mit einem invertierenden Eingang, mit einem nicht-invertierenden Ein gang und mit einem Ausgang sowie einen Optokoppler (OC) auf weist, wobei die Lichtquelle des Optokopplers (OC) zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist, und dadurch, daß ein erster Anschluß des Pho todetektors (PD) an eine Vorspannung (U_B) geschaltet ist, ein zweiter Anschluß des Photodetektors (PD) an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) und der nicht-invertie rende Eingang des Operationsverstärkers (OP) auf das Bezugspo tential gelegt ist.

38. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, 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 Photodetektors (PD) ein Signal/Rausch-Verhältnis des im Photostrom enthaltenen pulsati len Signals bewirkt, welches nicht geringer ist als für ein vorgege benes Signal/Rausch-Verhältnis für Werte des die zu messende Kenngröße anzeigenden Ausgangssignals (U_OUT) erforderlich ist.

39. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (PD) eine Empfindlichkeit größer 10 AW^-1 aufweist.

40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (PD) als Avalanche-Diode ausgeführt ist.

41. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (PD) als Photovervielfacher ausgeführt ist.

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

43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodiode (PD) eine Sperrschichtkapazität kleiner als 1 pFmm^-2 aufweist.