DE4238641C2

DE4238641C2 - Vorrichtung und Arbeitsverfahren zum Bestimmen und Auswerten des physiologischen Zustandes von Gefäßsystemen

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Publication number: DE4238641C2
Application number: DE19924238641
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Kraus; Juergen Prof Dr Waldmann; Dietrich Dr Bilz; Heiner Laumann
Original assignee: Kraus Manfred; Juergen Prof Dr Waldmann; Dietrich Dr Bilz; Heiner Laumann
Current assignee: KRAUSS, MANFRED, PROF. DR., 09126 CHEMNITZ, DE WAL
Priority date: 1992-11-16
Filing date: 1992-11-16
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2012-11-17
Also published as: DE4238641A1

Description

Es ist bekannt, daß die Blutfülle der Mikrogefäße der men schlichen Haut bestimmten rhythmischen Schwankungen unter liegt. In den letzten Jahren erfolgten umfangreiche Bemühun gen, um die komplexen Ursachen dieser zeitlichen Veränderungen zu erkennen und aus diesen diagnostische Schlüsse zu ziehen. Zur Erfassung der Makro- und Mikrozirkulations-Rhythmik werden auf der Basis optoelektronischer Komponenten, nämlich quasimo nochromatischer Lichtquellen und entsprechender Photodetekto ren, bestimmte zu untersuchende Hautareale optisch abgetastet, wobei auf der Basis der Auswertung von reflektiertem Licht auf eine Füllungszu- oder -abnahme in den cutanen Mikrogefäßen ge schlossen wird.

Eine Einrichtung zur Erfassung und Analyse des Durchblutungs zustandes der menschlichen Haut ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 33 18 746 C2 bekannt geworden. Die Einrichtung greift auf das Prinzip der Licht-Reflexions-Rheo graphie (LRR) zurück. Hierbei wird eine Meßeinrichtung verwen det, welche mit einem leichten, an einem zu untersuchenden Hautareal mit doppelt klebenden Folienringen zu befestigenden Meßkopf ausgerüstet ist, wobei der Meßkopf Öffnungen aufweist, in denen ein optischer Strahlungsempfänger und mehrere Strah lungsquellen angeordnet sind und wobei der Strahlungsempfänger und die Strahlungsquellen unmittelbar die Hautoberfläche be rühren. Die Strahlungsquelle emittiert Strahlungen mit einer Wellenlänge im nahen IR-Bereich oder im sichtbaren Bereich des Spektrums. Mit einer elektronischen Auswerteschaltung erfolgt ein selektives Erfassen und Aufzeichnen des zeitlichen Ver laufes des reflektierten bzw. zurückgestreuten Strahlungsan teils bei gleichzeitiger Unterdrückung der arteriellen Pulsa tion bzw. der Herzfrequenz. Die oben erwähnte Meßeinrichtung ist in der europäischen Patentschrift 0 063 649 B1 offenbart.

Mit der bereits erwähnten deutschen Patentschrift 33 18 746 sollen die LRR-Signale objektiv und frei von subjektiven Entscheidungen analysiert und neue geeignetere Parameter zur fundierten sicheren Feststellung des Durchblutungszustandes der menschlichen Haut gewonnen werden.

Hierfür wird vorgeschlagen, daß im allgemeinen erhaltene ana loge Ausgangssignal in ein digitales Signal umzusetzen und selbiges einer sogenannten Rechenschaltung zuzuführen. Die Re chenschaltung soll dann physikalische Bewertungsparameter für die analogen LRR-Kurven berechnen. Hierfür wird mittels der Rechenschaltung das zeitliche Ausgangssignal frequenz analysiert und zusätzlich zur Bestimmung des Amplituden verlaufes der Kreislaufrhythmik auch die Frequenzzusammenset zung selbiger ermittelt. In ausgewählten Frequenzbereichen er folgt eine Fourier-Transformation des Ausgangssignales der Meßeinrichtung.

Als Bewertungsparameter wird die Auffüllzeit der Blutgefäße t₀, die Abfallzeit t_a von einem Meßwert 90% auf einen Meßwert 10%, und die Halbwertzeit t_h, d. h. die Zeit, in der ein Ab fall von 100% auf 50% erfolgt, bestimmt.

Die Computeranalyse der LRR-Kurven wird bei der bekannten Lö sung in vier Punkten zusammengefaßt. Es werden zunächst die Ergebnisse der Berechnung der venösen Auffüllphase ausgegeben. Neben der Bestimmung der Auffüllzeit t₀ werden die von den störanfälligen Randbedingungen befreite Abfallzeit t_a, die be reits erwähnte Halbwertzeit und weitere Zeitparameter berech net. Danach erfolgt anhand der Amplitudenwerte der gespeicher ten LRR-Kurve die Berechnung der Druckdifferenz durch das Auf füllen der Gefäße und bei Belastung. Als Bewertungsparameter wird weiterhin die Fläche unter der LRR-Kurve oder die Steil heit der Auffüllphase zur Diagnose des Zustandes der venösen Hämodynamik herangezogen.

Mit der vorstehend skizzierten Lösung wird es zwar möglich, die erhaltene Informationsmenge aus der LRR-Untersuchung zu vergrößern und eine Vielzahl von Einzelmeßergebnissen bereit zustellen, jedoch wird durch das Prinzip der rechnergestützten Mustererkennung oder den Datentransfer in die Frequenzdomäne die Auswertung nicht erleichtert.

Aus der US-PS 4,930,517 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur physiologischen Untersuchung eines Systems vorbekannt. Mit dem dort gezeigten Verfahren soll an lebenden Organismen die Wechselwirkung verschiedener organischer Subsysteme untersucht werden. Das Verfahren ermöglicht das Messen physiologischer Übertragungsfunktionen durch das Aufprägen von Rauschen in ein oder mehrere der Subsysteme der untersuchten Person. Die Anre gung der Subsysteme erfolgt beispielsweise durch breitbandige akustische Signale. Die Reaktion des bzw. der Subsysteme wird unter Zuhilfenahme des arteriellen Blutdruckes, der Respiration oder mit Hilfe eines Elektrokardiogramms erfaßt.

Aus der US-PS 4,777,960 wird zur Überprüfung der Reaktionsge schwindigkeit des Nervensystems auf z. B. akustische Reize ein Proband der Wirkung eines Tongenerators ausgesetzt, wobei der Tongenerator von einem Computer zum Erhalten eines vorgegebenen Tonfolgeablaufprogramms gesteuert wird. Die Reaktion des Pro banden wird dann durch eine nichtinvasive Messung der hämody namischen Änderungen bzw. der Herzfrequenz bestimmt. Eine Beurteilung des untersuchten Systems erfolgt durch die Bestim mung der Übertragungsfunktion.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung und Auswertung des physiologischen Zustandes von Gefäßsystemen, insbesondere Blutgefäßen auf photoplethysmo graphischer Basis und ein Verfahren unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung anzugeben, wobei der Informationsgehalt aus dem gemessenen Biosignal erhöht werden kann und in ein facher Weise eine umfassende und relevante Zuordnung von statistisch gesicherten Merkmalsänderungen zu pathophysischen oder klinischen Zuständen möglich ist.

Die Lösung der Aufgabenstellung erfolgt mit den Gegenständen der Patentansprüche 1 oder 4, wobei die Unter ansprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiter bildungen des Gegenstandes der Erfindung zeigen.

Die Erfindung geht dabei von dem Grundgedanken aus, daß es möglich ist, das dynamische Verhalten eines linearen Systems dadurch zu ermitteln, daß das zu untersuchende System mit ei ner definierten Eingangsfunktion x_e(t), wobei diese zum Bei spiel eine Sprung- oder Deltafunktion sein kann, beaufschlagt wird. Als Ergebnis oder Wirkung x_a(t) erhält man am Systemaus gang eine typische Sprung- bzw. Stoßübergangsfunktion als Sprungantwort. Diese Funktion charakterisiert das dynamische Verhalten. Zweckmäßigerweise werden hierbei im allgemeinen dimensionslose bzw. normierte Größen angestrebt. Das dynamische Verhalten der Sprungantwort- bzw. Ausgangsgröße x_a(t) läßt sich durch Kenn werte, die man aus dem Funktionsverlauf von x_a(t) ableiten kann, beschreiben. Typisch ist zum Beispiel die Einschwingzeit t_E. Es wurde erkannt, daß solche zu beschreibenden Signale und Systeme näherungsweise auch im Fall der Biomedizin, d. h. bei der Makro- und Mikrozirkulation in Blutgefäßen vorliegen. Es wurde gefunden, daß das dynamische Verhalten photoplethysmo graphisch gewonnener Volumenpulse ein Ausdruck derartiger Funktionen ist. Vorteilhafterweise wird ein negativer und an schließend ein positiver Sprung erzeugt, wobei die Sprünge ei ner Entleerung bzw. dem Füllen des Gefäßsystems entsprechen.

Erfindungsgemäß wird eine Sprungfunktion durch plötzliche, einmalige Einwirkung, zum Beispiel in Form einer druckmechani schen Belastung, des plötzlichen Hebens einer Hand oder eines Beines oder eines akustischen Signals, ausgelöst. Die Aus gangsgröße des Systems, d. h. des zu untersuchenden peripheren Gebietes, zum Beispiel einer Fingerspitze stellt sich dann entsprechend des jeweiligen konkreten Zustandes ein.

Es wurde weiterhin erkannt, daß sich bei jedem zu untersuchen den System eine Aussteuerung in bzw. um einen Arbeitspunkt AP ergibt. Dieser Arbeitspunkt AP liegt auf der Systemkennlinie, die sich als Darstellung von x_a über t ergibt.

Hierbei existieren typische bzw. optimale Werte. Durch einen einfachen Vergleich der typischen bzw. op timalen Werte mit den jeweils aktuell ermittelten Werten läßt sich mit großer Sicherheit der tatsächliche Zustand des unter suchten peripheren Gebietes feststellen.

Es wurde gefunden, daß sich bei der Mikrozirkulation im Sinne der Chaos-Theorie eine Grundordnung, d. h. ein Arbeitspunkt, einstellt. Daneben besteht determiniertes Chaos. Um den Ar beitspunkt zu bestimmen, wird der stationäre Zustand des zu untersuchenden Systems, d. h. ohne Sprungfunktion, über einen vorgegebenen Meßzeitraum durch Untersuchung der Mikrozirkulation ermittelt.

Bereits hieraus läßt sich erfindungsgemäß schlußfolgern, daß zum Beispiel aus der Analyse der Streubreite S_T der Herzfrequenz erkannt werden kann, ob ein abnormaler Zustand vorliegt.

Beispielsweise ist der Beginn des Herztodes gekennzeichnet durch den Über gang von einem irregulären Muster der Herztätigkeit zu einem einfachen Muster.

Aus der Analyse der Mikrozirkulation ist es daher möglich, durch einfache Überwachung der Kontinuität oder Diskontinuität der Herztätigkeit bzw. der Herzfrequenz z. B. den Einfluß von Pharmaka oder eine Herzerkrankung sicher festzustellen oder einen bevorstehenden Herzstillstand rechtzeitig zu erkennen.

Erfindungsgemäß läßt sich die photoplethysmographisch ermit telte integrale Volumenpulsation für das jeweilige aus geleuchtete periphere Gebiet wie folgt beschreiben:

x_ges(t) = x_I(t) + x_II(t) + x_III(t) + . . . + x_N(t)
=x_mikro (t).

Dabei bedeuten:

x_ges(t), x_mikro(t)= integrale Volumenpulsation des pho toplethysmographisch untersuchten periphe ren Gebietes (Mikrozirkulationsfunktion),
x_I(t)= Welle I. Ordnung, verbunden mit der Herz frequenz,
x_II(t)= Welle II. Ordnung, verbunden mit der At mung,
x_III(t)= Welle III. Ordnung, verbunden mit der Blutdruckperiode (ca. 10 s-Rhythmus),
x_N(t)= Wellen N-ter Ordnung (bis hin zu mehrtägi gen Schwankungen).

Es wurde erkannt, daß alle oben erwähnten Teil-Funktionen den Gesetzen des determinierten Chaos unterliegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren auf der Basis der Auswertung von Mikro- und Makrozirkulationsvorgängen in Blutgefäßen geht aufgrund der oben geschilderten Erkenntnisse von der stocha stischen Funktion x_ges(t) im Zeitbereich aus.

Das bereits erwähnte Maß für die Wellen I. Ordnung ist mit der Herzfrequenz gekoppelt.

Um einen bestimmten Arbeitspunkt, zum Beispiel die Herzschwin gungsperiode T wird ausgesteuert, wobei die Streuung S_T auf tritt. Ein einfacheres Herzrhythmusmuster bedeutet dabei, daß die Streuung S_T immer mehr abnimmt und der Arbeitspunkt sich außerhalb des optimalen Bereiches befindet. Im Sinne des er findungsgemäßen Verfahrens sind daher der Arbeitspunkt und die Streuung S_T für den sogenannten Normalfall in Abhängigkeit vom jeweiligen Lebensalter einmalig zu ermitteln und für die wei tere Auswertung als Vergleichswerte oder in Form einer Normal kennlinie abzuspeichern.

In einer Ausführungsform der Erfindung läßt sich die Funktion X_I(t) aus x_ges(t) durch einen Bandpaß mit einer Grenzfrequenz 0,6 Hz<f<9 Hz ausblenden und trennen.

Das Maß für die Wellen höherer Ordnung läßt sich als Funktion x_bio(t) bezeichnen.

Diese Wellen höherer Ordnung, die langwellig sind, lassen sich ebenfalls aus x_ges(t) durch einen Tiefpaß bzw. Bandpaß mit der oberen Grenzfrequenz f von ungefähr 0,5 . . . 0,6 Hz ausfiltern. Da das betrachtete System auch eine untere Grenzfrequenz von ca. 0,05 Hz besitzt, ist sowohl x_II(t) als auch x_III(t) über tragbar und von x_I(t) trennbar.

Aus dem konkreten Verlauf x_I(t) sind nun eine Vielzahl von Pa rametern einschließlich der erwähnten Streuung S_T ermittelbar. So wird eine Gipfelamplitude A, eine Dikrotieamplitude B, eine Gipfelzeit T_G, eine Dikrotiezeit T_D, eine arterielle Grund schwingung T_AG und eine Pulsperiodenzeit T_I von x_I(t) ermit telt.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß ein optimaler Arbeitspunkt bei folgenden Verhältnissen vor liegt:

T_D/T_I = 0,5
T_G/T_I = 0,191
T_AG/T_I = 0,309 sowie
T_AG/T_D = 0,618
T_G/T_D = 0,382.

Das ideale Amplitudenverhältnis AV im Arbeitspunkt ergibt sich nach der Beziehung:

AV_ideal = B/A = 0,618.

Mit den erwähnten Beziehungen läßt sich im Sinne der Vereinfa chung des Auswerteverfahrens ein Optimum in Form eines Merk malvektors definieren.

Es besteht nun ein weiterer Grundgedanke der Erfindung darin, bestimmte Merkmalsvektoren bestimmten abnormalen Zuständen zuzu ordnen. Hierfür werden erfindungsgemäße Bewertungskriterien aufgestellt, die eine optimale Entscheidungsfindung ermögli chen.

Außerdem wird zur Eliminierung des Meßfehlers bei dem Amplitu denmeßwert auf eine Messung der normierten Zeitverhältnisse und deren Meßwertstreuung S orientiert, ohne jedoch die normierte Am plitude zu negieren.

Zur Erhöhung der Sicherheit gegenüber Störungen bei der Er mittlung der Mikrozirkulationsfunktionen werden erfindungsge mäß fehlererkennende und fehlerkorrigierende Codes angewendet. Grundsätzlich wird hierbei eine zusätzliche Redundanz in den jeweiligen Code eingebaut.

Ein fehlerkorrigiertes Verfahren besteht darin, diese Redun danz dadurch zu realisieren, daß die jeweiligen Bewertungen wiederholt und deren Ergebnisse verglichen werden. Bei Über einstimmung ist kein Fehler vorhanden, bei Nichtübereinstim mung wird eine nochmalige Wiederholung durchgeführt, wobei mit großer Wahrscheinlichkeit die zwei übereinstimmenden Codewör ter als richtiges Codewort erkannt und damit eine Fehlerkor rektur ermöglicht werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beruht das Verfahren zur Auswertung von Mikro- und Makrozirkulationsvor gängen in Blutgefäßen auf einer Darstellung der aus x_ges(t) verallgemeinerten Mittelwertfunktion bzw. der Autokorrela tionsfunktion ϕx_ges(τ). Zusätzlich wird ein sogenannter Mikrozirkulationsgradient M_M und eine Kreuzkorrelationsfunk tion ϕxy(τ) eingeführt.

Hierfür wird zunächst festgestellt, wie in x_ges(t) die Wellen verschiedener Ordnung x_I(t), x_II(t) und x_III(t) anteilig ent halten sind und welche mittleren Perioden auftreten. Hieraus wird erfindungsgemäß jeweils eine Autokorrelations funktion (AKF) gebildet unter der Annahme, daß die Wellen n- ter Ordnung statistisch voneinander unabhängig sind. Es ergibt sich hieraus folgende Beziehung:

ϕx_ges(τ) = ϕx_I(τ) + ϕx_II(τ) + ϕx_III(τ),

wobei ϕx_ges(τ) die Autokorrelationsfunktion der integralen Ge samtvolumenpulsation darstellt.

Ebenso läßt sich darstellen:

ϕx_ges(τ) = ϕx_I(τ) + ϕx_bio(τ)

mit ϕx_bio(τ) als Autokorrelationsfunktion der Bio-Periodik.

Bei zeitlich entsprechend langen Meßsignalen kann bei x_ges(t) von einem stationären stochastischen Signal ausgegangen wer den. Bei einer Signalwiederholung wird sich daher eine glei che, typische Autokorrelationsfunktion ϕx_ges(τ) ergeben.

Zur Auswertung wird nunmehr in einfacher Weise die Einhüllende von ϕx_ges(τ) betrachtet, welche bei Vorhandensein von x_II(t) und x_III(t) in einem bestimmten Zeitintervall abfällt und wie der ansteigt.

Erfindungsgemäß wird nunmehr ein Mikrozirkulationsgradient M_mikro, welcher aus der Autokorrelationsfunktion ϕx_ges(τ) ab geleitet ist, definiert und zur Auswertung herangezogen.

M_mikro ergibt sich dabei wie folgt

M_mikro = 1 - Min/Max

mit
Max = Maximum der periodischen Funktion ϕx_ges(τ) und
Min = zugehöriges Minimum.

Hieraus folgt, daß bei fehlender Zeitfunktion x_bio(t) ϕx_bio(τ) = 0 und somit auch M_mikro = 0 ist.

Die konkreten Werte im betrachteten bzw. zu untersuchenden System M_mikro können in einfacher Weise ermittelt und mit sta tistisch gesicherten, beispielsweise in einer Tabelle gespei cherten Werten bestimmter Krankheits- oder Normalzustände verglichen werden. Hieraus ist eine verbesserte Auswertung der Informationen ge geben.

Analog zur Autokorrelationsfunktion kann auch die Kreuzkorre lationsfunktion als Maß zur Bewertung herangezogen werden. Wird die Kreuzkorrelationsfunktion von den Signalen x₁(t) und x₂(t) zum Beispiel am gleichen Finger an den verschiedenen Meßstellen 1 und 2 ermittelt, und wird das Maximum bei τ = 0 erhalten, so sind die integralen Volumenpulsationen gleich. An der Bestimmung der Lage des Maximums läßt sich die mittlere Blutströmungsgeschwindigkeit zwischen zwei Meßstellen in ein facher Weise ableiten.

Wie bereits eingangs erwähnt, werden erfindungsgemäß zur Ermittlung und Beurteilung des dynamischen Verhaltens des zu untersuchenden Gefäßgebietes definierte Eingangsfunktionen angelegt. Dies kann zum Beispiel durch eine sprung- oder stoßförmig veränderte Andruckkraft eines Sensors zur Erfassung des reflektierten Lichtes im untersuchten Gebiet erfolgen. Die mit dem Sensor aufgenommene Antwortfunktion bzw. Sprung übergangsfunktion ist nunmehr Ausdruck für das dynamische Ver halten des von der Strahlung durchdrungenen Gebietes, d. h., der integralen Volumenpulsation.

Als Eingangsfunktion ist ein positiver oder aber auch ein ne gativer Sprung denkbar. Die erhaltene Sprungantwort läßt sich nunmehr in einfacher Weise zur Auswertung heranziehen. So zeigt der Fall einer nichtgeänderten Ausgangsgröße bei sprung haft geänderter Eingangsgröße eine fehlende Durchblutung oder fehlenden Abfluß an. Eine optimale Durchblutung bzw. ein opti maler Abfluß ist durch einen kontinuierlichen optimalen Über gang von x_a(t) gekennzeichnet.

Aus dem Verlauf der Sprungantwortfunktion läßt sich eine Klas sifizierung durchführen.

Durch das Auslösen einer Sprungfunktion entfällt das bisher erforderliche Bewegungsprogramm des Probanden bzw. Patienten.

Mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Va somotorik bestimmt werden.

Die Güte der Vasomotorik wird z. B. durch Auslösen eines aku stischen Reizes als Eingangsgröße beurteilt. Die erhaltene Antwort x_a(t) stellt sich als Sprungübergangsfunktion ein. Die Güte der Vasomotorik wird dann in einfacher Weise durch Auf nahme der Teilfunktion x_I(t) = x_a(t) und Bestimmung der Ein schwingzeit t_E aus der Einhüllenden von x_a(t) bestimmt. Bei fehlender Vasomotorik erhält man t_E = 0. Als Einschwingzeit t_E wird die Zeit verstanden, nach der die Antwort auf die Ein gangs-Sprungfunktion innerhalb des Bereiches von ± 5% von x_a(∞) verbleibt.

Durch eine Auswertung der Zeitverhältnisse der Volumenpulsa tion kann die Genauigkeit bei der Auswertung weiter erhöht werden. In diesem Sinne wurde erfindungsgemäß ein Vasomotorik gradient M_vaso 1 eingeführt. Als andere mögliche Kenngröße läßt sich aus den Amplitudenver hältnissen der Vasomotorikgradient M_vaso 2 einführen. In einfacher Weise ist eine Klassifizierung von M_vaso in verschiedene Vasomotorik-Stufen möglich.

Aufgrund der Tatsache, daß die Einschwingzeit t_E bzw. die so genannte venöse Auffüllzeit t₀ oft nicht eindeutig meßtech nisch ermittelbar ist, wird erfindungsgemäß nur mit relativen, d. h. normierten Größen bei der Auswertung bzw. der graphi schen Darstellung gearbeitet.

Wie bereits erwähnt, kann durch die Auslösung einer Sprung funktion ein ansonsten erforderliches, zeitgesteuertes Bewe gungsprogramm entfallen.

Aufgrund der Erkenntnis, daß eine veränderte Makrozirkulation auch mit einer veränderten Mikrozirkulation einhergeht, kann die ansonsten kritisch zu bestimmende Ein schwingzeit t_E bzw. t₀ aus dem Verlauf der Mikrozirkulation bestimmt werden. Aus dem Verhältnis der Zeit t_B, d. h. einer Zeit zwischen dem Auslösen einer positiven und einer negativen Sprungfunktion und der Betrachtung der Zeit t_{E mikro}, die von der negativen Sprungfunktion bis zur Beendi gung des Einschwingvorganges vergeht, kann ein Quotient gebil det werden, welcher ohne Bestimmung absoluter Werte eine Aus sage über den Zustand des untersuchten Systems ermöglicht.

Eine Vorrichtung zur Auswertung von Mikro- und Makrozirkula tionsvorgängen in Blutgefäßen besteht aus einem Sensorkopf zur nichtinvasiven, optischen Messung der Blutentleerung oder Blutauffüllung von zu untersuchenden Gefäßen, wobei die erhal tenen Meßwerte zum Bestimmen der Makrozirkulation über einen DC-Kanal sowie zur Bestimmung der Mikrozirkulation über einen AC-Kanal geführt werden.

Aus der Vorrichtung heraus wird ein Signal zum Auslösen einer positiven und einer negativen Sprungantwort in einem definier ten Zeitabstand t_B gegeben.

Nach Ablauf der Zeit t_B erfolgt eine weitere Auswertung der Mikrozirkulation im AC-Kanal, wobei mit Erreichen der ur sprünglichen Amplitude der Mikrozirkulation vor dem Auslösen der positiven Sprungantwort, welche zum Beispiel mittels eines Vergleichers festgestellt wird, das Ende der venösen Auffül lung bzw. das Erreichen der Einschwingzeit t_E bestimmt wird. Die Vorrichtung zur Auswertung ermöglicht durch Bildung des Verhältnisses zwischen t_B und t_E das Ableiten von normierten Werten zur Bestimmung des Zustandes des Patienten auf der Basis des voranstehend geschilderten Verfahrens.

Die Erfindung soll nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigt

Fig. 1 den typischen Verlauf eines photoplethysmographisch ermittelten, integralen Blutvolumenpulses x_I(t) nebst zugehörigen Parametern,

Fig. 2a-c in Abhängigkeit vom Lebensalter die Normalwerte von normierten Parametern sowie die Verhältnisse im Op timalfall,

Fig. 3 die Darstellung der normierten Gipfelzeiten in Ab hängigkeit von der normierten Dikrotiezeit und der zugehörigen Klassifizierung,

Fig. 4a und b die Autokorrelationsfunktion für zwei Meßstellen mit starker Atmungskomponente in Fig. 4b,

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung zur Ermittlung der mittleren Blutströmungsgeschwindigkeit,

Fig. 6 die Definition der Einschwingzeit t_E,

Fig. 7 die Messung der Einschwingzeit zur Beurteilung der Vasomotorik,

Fig. 8a und b prinzipielle Darstellungen zur Ermittlung des Vasomotorikgradienten,

Fig. 9 einen dynamischen Systemtest,

Fig. 10 eine hämodynamische Gradeinteilung für das Entleeren und Füllen der Mikrogefäße,

Fig. 11 eine Darstellung der Systemeingangsgröße hydrostati scher Druck,

Fig. 12 praktische Ergebnisse eines Systemtestes Entleeren und Füllen,

Fig. 13 ein Vasolineal,

Fig. 14a und b simultane Mikrozirkulationsfunktionen bei einem Diabetiker,

Fig. 15a und b zugehörige Autokorrelationsfunktionen nach Fig. 14a, b,

Fig. 16 Darstellung der Funktionseinheit Mikrozirkulation,

Fig. 17 qualitativer Verlauf des arteriellen Zuflusses und venösen Abflusses mit einem Multiplex-Doppelsensor- Rot-NIR aufgenommen,

Fig. 18a und b eine Darstellung praktischer Meßergebnisse in Korrelation NIR- (Fig. 18a) und Doppleranalyse (Fig. 18b).

Mit Hilfe der Fig. 1 soll in einem Ausführungsbeispiel illu striert werden, wie das Verfahren eine Aus wertung der stationären, stochastischen Funktion x_ges (t) im Zeitbereich ermöglicht.

Die Fig. 1 zeigt einen integralen Blutvolumenpuls x_I(t) nebst zugehörenden Parametern. Hierbei bedeuten:

A Gipfelamplitude
B Dikrotieamplitude
T_G Gipfelzeit
T_D Dikrotiezeit
T_AG arterielle Grundschwingung und
T_I Pulsperiodenzeit von x_I(t)
T_Dia Diastolenzeit.

Alle Parameter besitzen im Sinne der Chaostherorie eine Streu ung S, z. B. S_TI als Streuung von T_I.

Aus der Fig. 1 geht hervor, daß die gewünschten Informationen sowohl in der Amplitude als auch in der Zeit enthalten sind. Aus der Analyse der prinzipiellen Darstellung des Verlaufes nach Fig. 1 wird in überraschender Weise als optimales Ver hältnis zwischen der Dikrotieamplitude und der Gipfelamplitude im Sinne eines idealen Arbeitspunktes bzw. Amplitudenver hältnisses der Quotient AV_ideal = B/A = 0,618 erhalten. Als allgemeine Grundbeziehungen lassen sich des weiteren ange ben:

T_D = T_G + T_AG
T_AG/T_D = 1-T_G/T_D.

Mit den Fig. 2a bis 2c werden in Abhängigkeit vom Lebensal ter die Normalwerte von normierten Parametern T_D/T_I, T_G/T_I, S_TI/T_I sowie die Verhältnisse im Optimalfall OPT illustriert. Es ist anzumerken, daß es sich bei den Darstellungen um nor mierte Werte handelt. Mit dem Verhältnis T_D/T_I wird die nor mierte Dikrotiezeit bezeichnet, mit dem Verhältnis T_G/T_I die normierte Gipfelzeit und mit dem Verhältnis S_TI/T_I die nor mierte Streuung der Pulsperiodenzeit. Die Einordnung von Normalwerten ist deutlich zu erkennen. Die ausgezogenen Linien stellen jeweils die Mittelwertkurve ohne berücksichtigten Streubereich für den gesunden Menschen dar. Die strichpunktierte Linie in den Fig. 2a und 2b repräsen tieren das theoretische Optimum OPT. Vergleicht man nun tatsächlich ermittelte Werte mit den ge nannten, zweckmäßigerweise gespeicherten Mittelwertkurven, dann ist es in einfacher Weise möglich, daß der behandelnde Arzt gegebenenfalls typische Krankheitsbilder den tatsächli chen Werten zuordnen kann.

Durch die vorgeschlagene Messung der normierten Zeitverhält nisse und die Bestimmung der Streuung S bei Berücksichtigung der normierten Amplitudenwerte können ansonsten auftretende Meß fehler eliminiert und die Auswertung dadurch vereinfacht wer den.

Zwecks Aufstellung von Beurteilungskriterien wurden klinisch gesunde und kranke Probanden, in vorliegendem Fall an Diabetes mellitus erkrankte Personen, untersucht. Wie aus den Fig. 2a und 2b hervorgeht, verhalten sich die nor mierten Zeitverhältnisse T_D/T_I und T_G/T_I in Abhängigkeit vom Lebensalter gerade umgekehrt. Um diesen Alterseinfluß bei der Ermittlung von Bewertungskri terien nahezu auszugleichen, wurde die Abhängigkeit der nor mierten Gipfelzeit T_G/T_I von der normierten Diskrotiezeit T_D/T_I ermittelt.

Diese Verhältnisse sind in der Fig. 3 illustriert. Hier ist auch die zugehörige Klassifizierung; Klasse 1 gesund, Klasse 2 pathologisch, zum Beispiel an Diabetes mellitus erkrankt, zu erkennen. Wenn Meßwerte im gekennzeichneten Übergangsbereich UE bestimmt werden, dann sollte eine Wiederholung der Messung im Sinne der Erhöhung der Meßgenauigkeit erfolgen.

Zur weiteren Verbesserung hinsichtlich des Eliminierens des Alterseinflusses wird in einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung ein Maß M durch Addition der normierten Parameter wie folgt eingeführt:

M = T_G/T_I + T_D/T_I.

Empirisch wurde gefunden, daß sich als optimaler Wert

M_opt = 0,691

ergibt. Unter Hinweis auf die Fig. 3 läßt sich daher für den pathologischen Fall ableiten:

M_pathol<M_opt bzw. M_gesund.

Mit anderen Worten läßt sich schlußfolgern, daß alle Werte für Diabetiker in der Klasse 2, alle anderen Werte für klinisch gesunde Probanden in Klasse 1 liegen. Selbstverständlich kön nen in Klasse 1 und vor allem in Klasse 2 zusätzliche Unter klassen gebildet werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zur Auswertung der erhaltenen Informationen aus der Mikro- und Ma krozirkulation Autokorrelationsfunktionen gebildet.

In der Fig. 4a und 4b wird die Autokorrelationsfunktion ϕx_ges(τ) für zwei Meßstellen gezeigt.

Auf der Basis der Autokorrelationsfunktionswerte können fol gende Rückschlüsse gezogen werden.

Die Anteile der Teil-Autokorrelationsfunktionen hängen vom An teil der zugehörigen Zeitfunktionen x_I(t), x_II(t), x_III(t) an x_ges(t) ab. Die Gesamt-Autokorrelationsfunktion stellt sich als eine Überlagerung der Teilfunktionen dar. Die mittlere Pe riode von ϕx_I(τ) beträgt ungefähr 1s, die von ϕx_III(τ) unge fähr 11s und die von ϕx_II(τ) ungefähr 4s. Die Einhüllende von ϕx_ges(τ) muß im Normalfall in einem bestimmten Zeitintervall abfallen und wieder ansteigen. Als Maß für das Zusammenwirken von x_I(t) und x_bio(t) mit

x_bio(t) = x_II(t) + x_III(t) . . . x_n(t)

wird ein sogenannter Mikrozirkulationsgradient M_mikro aus der Autokorrelationsfunktion ϕx_ges (τ) abgeleitet.

M_mikro ergibt sich dabei aus folgender Beziehung:

M_mikro = 1-Min/Max

wobei mit Max ein Maximum der periodischen Funktion ϕx_ges(τ) und mit Min ein zugehöriges Minimum definiert ist. Min und Max sind beispielsweise in der Fig. 4a dargestellt. Es wurde ermittelt, daß sich der Mikrozirkulationsgradient im Bereich 0 M_mikro 0,382 befinden kann. Fig. 4b zeigt eine Autokorrelationsfunktion mit starker Atmungskomponente ϕx_II(τ).

Analog zur Autokorrelationsfunktion ist eine Kreuzkorrelati onsfunktion ϕ_xy(τ) als Maß für die statistische Abhängigkeit zweier Funktionen x(t) und y(t) bestimmbar. Das Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion tritt allerdings nicht bei τ = 0 auf, sondern bei einer mittleren Laufzeit τ_opt zwischen den gewählten Meßstellen.

Wird die Kreuzkorrelationsfunktion ϕ_xy(τ) bei der integralen Volumenpulsation gebildet, zum Beispiel am gleichen Finger mit den Meßstellen 1 und 2, und wird das Maximum bei τ = 0 erhal ten, sind die integrale Volumenpulsationen gleich.

Mit der Fig. 5 wird illustriert, wie auf der Basis der Kreuz korrelationsfunktion KKF die mittlere Blutströmungsgeschwin digkeit v_ström zwischen zwei Meßstellen bestimmt werden kann. Die gezeigten Empfänger E1 und E2 liefern die vom Sender S ausgesendeten und im peripheren Gebiet reflektierten Signale x₁(t) und x₂(t). Die Kreuzkorrelationsfunktion bestimmt sich dann wie folgt:

wobei T die mittlere Laufzeit darstellt, die das Blut braucht, um von Meßstelle E1 zu Meßstelle E2 zu gelangen. Da die Kreuz korrelationsfunktion das Maximum bei τ_opt = T hat, gilt für die mittlere Blutströmungsgeschwindigkeit v_ström in den Meß stellen E1 und E2 folgende Beziehung:

V_ström = a/τ_opt;

mit a = Abstand zwischen E1 und E2.

In Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise die Ein gangsgröße an Meßstelle E1 stoßartig verändert werden, indem ein einmaliges, kurzes Husten erfolgt, wodurch ein quasi Na delimpuls erzeugt wird, welcher sich von der Meßstelle E1 zur Meßstelle E2 fortpflanzt.

In der Fig. 6 wird die Definition der Einschwingzeit t_E deut lich gemacht; t_E ist die Zeit, nach der die Antwort x_a(t) auf einen eingangsseitigen Sprung endgültig innerhalb der Schran ken von ± 5% von x_a(∞) verbleibt.

Für den Fall eines sogenannten negativen Sprungs am Eingang des Systems wird auf die gleiche Definition zurückgegriffen.

Ausgehend von der Fig. 6 und der Postulation, daß die Durch blutung verändert ist, wenn keine Änderung der Aus gangsgröße auf eine geänderte Eingangsgröße erfolgt sowie daß die Durchblutung optimal ist, wenn ein optimaler Übergang von x_a(t) erfolgt, falls sich die Eingangsgröße sprunghaft ändert, läßt sich eine Klassifizierung der erhaltenen Ergebnisse im Sinne einer Auswertungserleichterung der Meßsignale durch führen.

Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, daß für den Erhalt einheitlicher, vergleichbarer Werte für die Einschwingzeiten bei positivem und negativem Sprung Δt t_E ist. Mit anderen Worten muß sich das System bzw. das untersuchte periphere Ge biet in einem eingeschwungenen Zustand befinden, wenn auf den positiven Sprung ein negativer Sprung folgt.

Wie in der Fig. 7 dargestellt, kann aus der Messung der kon kreten Einschwingzeit t_E des untersuchten peripheren Gebietes eine Beurteilung der Vasomotorik des Probanden erfolgen. Hier bei wird von der Tatsache ausgegangen, daß die Vasomotorik nicht von der Mikrozirkulation zu trennen und Teil des pulsie renden Systems ist. Es läßt sich also mit anderen Worten die Güte der Vasomotorik durch das Auslösen eines akustischen Rei zes beurteilen. Die Antwort x_a(t) hierauf stellt sich als leicht auszuwertende Stoßübergangsfunktion ein. Die Zeit zwi schen Reizauslösung R bis zum beginnenden Stoßübergang wird mit t₀ bezeichnet (Laufzeiteffekt).

Die Güte der Vasomotorik kann aus der Aufnahme der Teilfunk tion x_I(t) = x_a(t) und der Bestimmung der Einschwingzeit t_E aus der Einhüllenden von x_a(t) gemäß Fig. 8a, b erfolgen. Bei fehlender Vasomotorik ergibt sich t_E = 0. Fig. 8a zeigt vasomotorische Reaktionen bei einem Probanden gemessen am Fin ger und Fig. 8b die zeitgleich gemessenen Funktionen an der Großzehe.

Durch die Auswertung der Zeitverhältnisse der Volumenpulsation kann eine erhöhte Meßgenauigkeit und damit eine verbesserte Auswertegenauigkeit erreicht werden. In diesem Sinne wird ein Vasomotorikgradient M_{vaso 1} zur Beurteilung des jeweiligen Probanden eingeführt. M_{vaso 1} ergibt sich wie folgt:

M_{vaso 1} = t_E-t_A/t_E
= 1-t_A/T_E

mit
t_A = Zeit zwischen zwei Schwingungsmaxima (Herzperiodendauer).

Der ermittelte Faktor ist unabhängig von der Amplitude und be sitzt die Grenzwerte:

1) t_A/t_E gegen 0, also t_E sehr groß für t_A gleich konstant: daher M_{vaso 1} gegen 1.
2) t_E t_A, also keine oder eine geringe, nicht meßbare Re aktion im Intervall zwischen zwei Abtastungen: daher M_{vaso 1} = 0 . . . 0,5 (0,5 für t_E = t_A).

Die Einschwingzeit t_E kann als Vielfaches n der Herz periodendauer, d. h. der Anzahl der Volumengröße, gesetzt wer den. Es ergibt sich

t_E = n·t_A.

Damit folgt:

M_{vaso 1} = 1-t_A/n·t_A

bzw.

M_{vaso 1} = 1-1/n.

Es ist also die Anzahl der einhüllenden Volumenimpulse ein Maß für die Güte der Vasomotorik. Je mehr Volumenpulse von der va somotorischen Reaktion erfaßt werden, umso mehr nähert sich M_{vaso 1} dem Wert 1.

Durch die Zuordnung der Anzahl n der erfaßten Volumenpulse zu einer Klasse läßt sich eine Art Vasolineal konstruieren, wie in Fig. 13 gezeigt. Dieses Lineal beruht gemäß Fig. 13 auf ei ner durchschnittlichen Herzperiodendauer von ca. 850 ms. Es wird an die Vasomotorik-Kurve angelegt und die Anzahl n sowie die Klasse werden abgelesen.

Auf der Basis dessen kann in einfacher Weise eine Klassifizie rung in M_{vaso 1} von gut, sehr gut, wenig Reaktion, keine Reaktion, vorgenommen werden.

Als zusätzliche Kenngröße kann gemäß Fig. 8a, b ein Vasomotorikgradient M_{vaso 2} ermittelt werden.

M_{vaso 2} ergibt sich aus der Beziehung wie folgt

M_{vaso 2} = 1-Δx/Δx_max.

Hieraus erhält man:

0 M_{vaso 2} < M_{vaso opt}.

Analog wie zu M_vaso 1 läßt sich im vorstehend definierten Be reich eine Klassifizierung durchführen. Als M_{vaso opt} wurde der Wert 0,382 ermittelt.

Mit einem weiteren Ausführungsbeispiel soll erläutert werden, wie auch eine bekannte LRR-Kurve mit vorangehendem Bewegungsprogramm unter Nutzung der erfindungsgemäßen Lehre ausgewertet werden kann.

Hier wird zunächst eine Zeit t_B für ein Bewegungsprogramm und eine Zeit t₀ als venöse Auffüllzeit bzw. eine Zeit t_E als Ein schwingzeit bzw. Wiedereinschwingzeit des untersuchten peri pheren Gebietes ermittelt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Ver fahren der Bestimmung der vorerwähnten Zeiten durch diskrete Messung ist die Zeit t_B vom Beginn der Messung bis zum letzten Maximum beispielsweise durch Differentiation von x(t) ermit telbar.

Die Zeit t₀ bzw. t_E wird erfindungsgemäß als die Zeit defi niert, nach der die Antwort auf einen eingangsseitigen Sprung, im vorliegenden Fall das Ende des Bewegungsprogramms endgültig innerhalb der Schranken von ± 5% von x_a (∞) bleibt (siehe auch Fig. 6).

Nach der bereits erläuterten dynamischen Analyse der jeweili gen Meßstelle wird eine graphische Bewertung durchgeführt und eine Klassifizierung, beispielsweise in die Gruppen gesund, Grad I, Grad II und Grad III, vorgenommen. Durch eine Normie rung der Einschwingzeit bzw. der venösen Auffüllzeit t₀ bzw. t_E als Funktion von der Zeit für das Bewegungsprogramm wird gewährleistet, daß alle Meßwerte auf einer Geraden liegen. Hier läßt sich nun eine normierte Gradeinteilung, beispiels weise durch farbliche Darstellung durchführen. Bei einem Bewe gungsprogramm mit t_B = 15 s folgen dann beispielsweise für die vorstehend geschilderten Klassifizierungsgrade folgende Werte für t₀:

gesund t₀< 25 s
Grad I 20 s < t₀< 25 s
Grad II 10 s < t₀< 20 s
Grad III t₀< 10 s.

Führt man nunmehr die erwähnten Normierungen ein, erhält man mit t_B + t_E = T folgende Bewertungsfaktoren:

gesund t_E/T < 0,625
Grad I 0,625 t_E/T< 0,571
Grad II 0,571 t_E/T< 0,4
Grad III t_E/T< 0,4

Im Ergebnis umfangreicher Untersuchungen wurde festgestellt, daß bei t₀ = t_E = 23 s sich ein Verhältnis von t_E/T von 0,605 ergibt. Dieser Bereich sollte als Grenze für den Grad von ge sund zu Grad I angenommen werden.

Das vorstehend erwähnte Ausführungsbeispiel zur Auswertung ei ner bekannten LRR-Kurve läßt auch die Nachteile der bekannten Untersuchungsmethodik erkennen. Der LRR-Meßkopf wird bei spielsweise 10 cm oberhalb des Innenknöchels angebracht und es erfolgt im Sitzen durch die Sprunggelenkpumpe mit Hilfe eines standardisierten Bewegungsprogramms eine Entleerung der Ge fäße. Dies ist in der Regel nach ca. 15 Sekunden erreicht. An schließend wird das Wiederauffüllen der Gefäße gemessen und dabei insbesondere die bereits erwähnte venöse Auffüllzeit t₀ ermittelt. Die Nachteile bestehen nun in Folgendem.

Die Durchführung eines Bewegungsprogramms ist nicht bei allen Probanden möglich. Ebenfalls ist das Anbringen des Meßkopfes mittels Folienring zum Teil außerordentlich kompliziert. Die Entleerung der Gefäße erfolgt, ohne die Entleerzeit zu ermit teln. Es wird nur das Wiederauffüllen gemessen, wobei das Be stimmen der venösen Auffüllzeit oft stark fehlerbehaftet ist.

Im Sinne der Erfindung erweist sich folgende Verfahrensweise als deutlich vorteilhafter. Wegen der verbundenen Gefäße im zu untersuchenden peripheren Gebiet besteht ein unmittelbarer Zu sammenhang bei Druckänderung zwischen den Makro- und Mikroge fäßen. Zur Ermittlung und Beurteilung des dynamischen Verhal tens des zu untersuchenden peripheren Gefäßgebietes wird zunächst folgender Systemtest durchgeführt. Bei Raumtemperatur von ca. 22 bis 24°C wird ein Sensorkopf mittels einer Klammer beim In-Rücken-Ausgangslage befindlichen Patienten an der Großzehe positioniert. In dieser Position weist der Proband annähernd einen hydrostatischen Druck von 0 auf.

In horizontaler Lage wird ein funktionsdiagnostischer Sprung in Form eines negativen hydrostatischen Druckes angelegt. Das Bein oder der Arm des liegenden Probanden wird aktiv oder pas siv möglichst schnell (Sprungfunktion) in eine konstante End lage von ca. 30 bis 50 cm Höhe gebracht. Dabei entspricht die Sprunghöhe exakt der Höhe in cm Wassersäule des angelegten ne gativen, hydrostatischen Druckes. Das Vorgehen ist prinzipiell mit der Fig. 9 illustriert.

Durch den negativen, hydrostatischen Sprung entleert sich das Gefäßsystem, es entsteht durch die Saugwirkung eine ständige Rückwirkung bis in den Kapillar- und arteriellen Bereich. Man erhält also eine Einschwing- oder Entleerzeit t_EL des Mikro- und Makrogefäßsystems, die dort erreicht ist, wo der Entleer vorgang einen konstanten Wert angenommen hat.

Folglich ist die Entleerzeit t_EL ein direktes Maß für das dy namische Verhalten des untersuchten Systems, zum Beispiel ei nes Beines.

Um vergleichbare Werte zu erhalten, muß für den Normalfall die Sprungdauer Δt größer t_EL sein, das System muß also einge schwungen sein. Die Dauer des Sprunges sollte aus Erfahrungs werten 20 sec nicht unterschreiten.

Nachfolgend wird nun ein Sprung in Form eines positiven hydro statischen Druckes an das System angelegt. Hierfür wird das Bein möglichst schnell in die horizontale Ausgangslage zurück gebracht.

Folglich wird die Einschwing- oder Auffüllzeit t_EF (entspricht der venösen Auffüllzeit) der Mikro-Makrogefäße gemessen. Bei Venenklappen-Insuffizienz sind die Einschwingzeiten für das Entleeren und Füllen gleich groß.

Im Normalfall gilt mit ausreichender Näherung für den Zusam menhang zwischen Entleeren und Füllen t_EF ungefähr gleich 1,6 t_EL.

Durch die Funktion der Venenklappen verlängert sich also der Füllvorgang auf das ca. 1,6-fache im Vergleich zum Entlee rungsvorgang.

Die allgemeine hämodynamische Gradeinteilung für das Leeren und Füllen kann mittels eines sogenannten Gefäßzustands lineales nach Fig. 10, das unter Beachtung der Schreibge schwindigkeit an eine aufgenommenen Meßkurve angelegt werden kann, vorgenommen werden. Grundlage sind dabei für das Füllen die Normwerte der Phlebologie. Diese Werte lassen sich auf das Entleeren erweitern und kennzeichnen allgemein den Mikro- Makro-Gefäßzustand. Fig. 11 zeigt die Systemeingangsgröße "hydrostatischer Druck".

Vorteilhafterweise wird der Systemtest aus Gründen der Ver gleichbarkeit ca. zwei- bis dreimal hintereinander wiederholt.

Mit der Fig. 12 sind praktische Ergebnisse eines Systemtests, wenn als Eingangsgröße sprungartig ein negativer und nachfol gend ein positiver hydrostatischer Druck (Entleeren und Fül len) angelegt wird, illustriert.

Mit der Fig. 14a und 14b wird eine ausgewählte simultane Mes sung der Mikrozirkulationsfunktion x_mikro(t) bei einem Diabe tiker im fortgeschrittenen Zustand gemäß a) am rechten Zeige finger und b) an der rechten Großzehe illustriert.

Die Durchblutungsstörungen an der Zehe sind deutlich sichtbar.

Für x_mikro(t) nach Fig. 19a kann unter Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre eine Berechnung und Darstellung fol gender Werte erfolgen:

S_TI/T_I, T_D/T_I und T_G/T_I sowie ϕx_ges(τ).

In den Fig. 15a und 15b sind die zugehörigen Autokorrela tionsverläufe aus den Meßwerten den Fig. 14a und 14b ge zeigt. Die AKF am Zeigefinger zeigt fallende Tendenz, woraus ersichtlich ist, daß die Mikrozirkulationsfunktion Biosignale enthält.

Aus dem Vorstehenden wird also deutlich, daß das mit den Ma krogefäßen verbundene Mikrogefäßsystem, d. h. die Funktions einheit Mikrozirkulation, als komplexes, Hoch- und Nieder drucksystem aufgefaßt werden kann.

Die Funktionseinheit Mikrozirkulation stellt sich, wie es in der Fig. 16 erläutert ist, als ein System mit einem arteriel len Zufluß und einem venösen Abfluß dar, wobei die Kapillaren als quasi-Speicher dienen.

Es läßt sich also ableiten, daß die in einer Zeiteinheit zu fließende Menge A gleich dem in einer Zeiteinheit gespeicher ten Mengenzuwachs B plus der in der Zeiteinheit abfließenden Menge C ist.

Mittels der NIR-Photoplethysmographie mit den Wellenlängen von 635 und 840 bzw. 940 nm, mit der jedoch keine an sich bekannte Oximetrie durchgeführt wird, lassen sich weitere Kenntnisse über das zu untersuchende Gefäßsystem erbringen.

Es wird im Sinne der Erfindung vorteilhaft ausgenutzt, daß die Photonen des Lichtes im roten Wellenlängenbereich relativ tief in das Gewebe eindringen können und entsprechend reflektiert werden, sofern dort einerseits sauerstoffangereichertes bzw. arterialisiertes Blut fließt und insofern dort andererseits gleichermaßen sauerstoffreduziertes bzw. venöses Blut fließt, welches in diesem Wellenlängenbereich entsprechend stark ab sorbiert. Diese Voraussetzungen treffen auf das ins Gewebe dreidimensional eingebettetes Mikrogefäßsystem zu, wobei mit der Remissions-Photoplethysmographie eine entsprechende Mikro zirkulationsuntersuchung stattfinden kann.

Erfindungsgemäß kann mittels des ins Gewebe eingeleiteten roten Lichtes in Folge der zu vernachlässigend geringen Spei cherkapazität der Arteriolen, die weniger als 3% beträgt, ge genüber den venolären und venösen Kapazitätsgefäßen, auf die 75% (Venolen 12%, Venen 63%) des Blutvolumen-Fassungsvermögens entfallen, der arteriellen Blutzufluß in die Arteriolen durch den unmittelbar dadurch bewirkten venösen Blutabfluß aus dem Mikrogefäßsystem bestimmt werden.

Demgemäß ist quasi eine direkte integrale Sicht auf das Mikro gefäßsystem der illuminierten Geweberegion möglich. Es lassen sich mit einem Ausführungsbeispiel gepulste NIR- und Rot- Strahlung einer mittleren Intensität in das Gewebe einleiten, wodurch infolge der geringen Streuung und Absorption im Gewebe verhältnismäßig große Gewebevolumina ohne schädliche Rückwir kungen auswertbar sind.

Durch Messung des venösen Abflusses pro Zeiteinheit und des arteriellen Zuflusses ebenfalls pro Zeiteinheit läßt sich also der dynamische Systemzustand und damit auch die pro Zeitein heit gespeicherte Menge ermitteln.

Eine praktische Realisierung kann gemäß einem Ausführungsbei spiel der Erfindung dadurch erfolgen, daß ein Doppelsensor, zum Beispiel an der Zehe oder einem Finger eines Probanden an gebracht wird. Dieser Doppelsensor ermöglicht einen Multi plexbetrieb zur orts- und zeitgleichen, simultanen Rot- und NIR-Photoplethysmographie.

Wie bereits an anderer Stelle erwähnt, kann zur Ermittlung des dynamischen Systemzustandes eine Sprungfunktion in Form eines negativen sowie positiven hydrostatischen Druckes an die zu untersuchende Peripherie angelegt und das Leeren und Füllen der Funktionseinheit Mikrozirkulation und die sich ergebenden dynamischen Sprungübergangsfunktionen bestimmt werden. Hieraus lassen sich charakteristische Systemparameter ableiten, die eine einfache Auswertung des Zustandes ermöglichen. Die Fig. 17 zeigt einen qualitativen Verlauf des arteriellen Zuflusses und venösen Abflusses innerhalb der Funktionseinheit der Mi krozirkulation, aufgenommen mit der vorerwähnten Realisie rungsvariante eines Doppelsensors im Multiplexbetrieb.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich zusammenfassend daß, je kom plexer das zu diagnostizierende System ist, desto einfacher und quantitativ reproduzierbarer soll das Auswerteverfahren sein. In diesem Sinne ist die an das Mikrogefäßsystem ange legte Testgröße hydrostatischer Druck besonders vorteilhaft. Diese Testgröße kann reproduzierbar, nicht invasiv und quanti tativ klar definiert angewendet werden. Der hydrostatische Druck als durch die Gravitationskraft bedingte Größe ist le diglich von der Höhe in zum Beispiel cm Wassersäule und der Fläche, auf der diese Wassersäule steht, abhängig.

Mit der simultanen Rot- und NIR-Remissions-Photoplethysmogra phie und Anlegen einer Sprungfunktion in Form negativen und positiven hydrostatischen Druckes kann festgestellt werden, was durch den angelegten Sprung im komplexen, zu untersuchen den System an Veränderungen bewirkt wird und welche Größen im betrachteten System von der angelegten Sprungfunktion unbe rührt bleiben. Hieraus läßt sich eine hämodynamische Gradein teilung für den arteriellen und venösen Bereich unter Zugrun delegung der Sprungübergangsfunktion in einfacher Weise ablei ten. Im einzelnen kann die Beurteilung eines gestörten arteri ellen Zuflusses aus den Makrogefäßen, ebenso wie Aussagen zum venösen Abfluß aus dem Mikrogefäßsystem einschließlich venöser Abflußstörungen in den Makrogefäßen, wie Venenthrombose, Venen klappeninsuffizienz, erfolgen.

Als weiteres Anwendungsgebiet kann die simultane Rot- und NIR- Photoplethysmographie zur differenzierten Beurteilung der Wir kung von Pharmaka oder Drogen auf das betrachtete Mikrogefäß system, zum Beispiel der vasomotorischen Reagibilität der Mi krogefäße herangezogen werden.

Aus der hämodynamischen Gradeinteilung für die Bestimmung des Gefäßzustandes läßt sich noch nicht der Ort von Zufluß- oder Abflußstörungen erkennen. Hierzu läßt sich das Prinzip der Be stimmung der Mikrozirkulation in den kleinen Gefäßen und die Methode der Sprungübergangsfunktion auf die Makrogefäße (Arterien, Venen) übertragen, indem die Änderung der Strö mungsgeschwindigkeit bei Anlegen eines entsprechenden hydro statischen Druckes, zum Beispiel mittels dynamischer Ultraschall-Doppler erfaßt wird. Dieser Test läßt sich als eine Art Kompressionstest an bestimmten Punkten zur Differenzierung einzelner Gefäßabschnitte bezeichnen.

Demgemäß ergibt sich als weiteres Ausführungsbeispiel der Er findung ein komplexes Verfahren mit folgenden Schritten. Zunächst wird bei konstanter Raumtemperatur der Klammer-Rot- NIR-Sensor beim In-Rücken-Ausgangslage befindlichen Patienten an der Großzehe positioniert. Dabei tritt annähernd ein hydro statischer Druck von 0 auf.

Nachfolgend wird die Mikrozirkulation gemessen, in dem ein ne gativer und positiver hydrostatischer Druck-Sprung angelegt wird.

Aus dem Verlauf der Kurven für das arterielle und venöse Blut (Entleeren und Füllen der Gefäße) läßt sich nun feststellen, ob Normalwerte oder davon abweichende Verläufe vorliegen. Wenn der Verlauf normal ist, kann die Auswertung beendet wer den. Im Falle des Vorliegen von Abweichungen muß nun festge stellt werden, ob diese im Arteriellen oder Venösen liegen.

In diesem Falle wird gezielt mit dem Ultraschall-Doppler eine Fortsetzung der Untersuchung durchgeführt, indem der Doppler an der entsprechenden Meßstelle fixiert wird.

Die Strömungsgeschwindigkeitsmessung erfolgt nunmehr nicht, wie bekannt, rein stationär, sondern dynamisch. Mit dem Dopp ler werden also die Sprungübergangsfunktion und analog zur Mi krozirkulationsmessung die dynamischen Systemkennwerte des entsprechenden Makrogefäßes im Zeitbereich bestimmt. Hierfür wird ebenfalls ein negativer und positiver hydrostatischer Druck-Sprung angelegt.

Vorteilhafterweise wird bei der Untersuchung und Lokalisierung des Systems mit den größten Gefäßen begonnen, um den Aufwand gering zu halten.

Die ermittelten Doppler-Sprungübergangsfunktionen im Makrobe reich ähneln prinzipiell den Kurven, die bei der Rot- bzw. NIR-Photoplethysmographie im Mikrobereich erhalten werden. Es treten im arteriellen andere Übergangsfunktionen als im venö sen Makrobereich auf, so daß auch sofort ersichtlich ist, ob eine Arterie oder eine Vene vorliegt und ob dabei der Verlauf normal oder nicht normal ist. Dies ist beispielhaft mit der Fig. 18 dargestellt, welche praktisch vorliegende Meßergeb nisse für den linken Arm eines Probanden zeigt, wobei mit 18a eine Darstellung der Ergebnisse der NIR- Photoplethysmographie am Finger und mit 18b das Ergebnis einer dynamischen Doppler analyse einer Armarterie gezeigt ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des physiologischen Zustan des von Gefäßsystemen auf der Basis von Mikro- und Makrozirkulationsvorgängen wird erreicht, daß eine erhöhte In formationsmenge aus im wesentlichen unveränderten Aus gangsdaten bei allerdings verringerten apparativen Aufwand un ter Vermeidung eines aufwendigen Bewegungsprogrammes erhalten werden kann.

Das vorstehende Verfahren unterscheidet sich dabei grundsätz lich von bekannten Lösungen, welche auf einer Datenreduzierung oder dem bekannten Prinzip der Mustererkennung beruhen. Durch empirisch gefundene und statistisch determinierte Zusammen hänge wird eine einfache, übersichtliche Klassifikation der erhaltenen Ergebnisse möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es weiterhin, ausgehend von einer Grobklassifika tion im Sinne einer Erweiterung der Aussagen zum Gefäßsystem in abgestufter Form zu einer Feinklassifikation überzugehen. Bei Verwendung einer Rechenein richtung bzw. einer Datenverarbeitungsanlage erfolgt vorteilhafter weise eine menuegestützte Aufbereitung eines hierarchisch auf gebauten Verzeichnisses von Auswertemodulen.

Dadurch, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Erfassung von Verhältniswerten bzw. deren Bestimmung im Vordergrund steht, kann weitgehend auf eine fehlerbehaftete Bestimmung von Absolutwerten verzichtet werden. Ebensowenig ist eine Vorrich tung oder Einrichtung zur Steuerung eines rhythmischen Bewe gungsablaufes erforderlich. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Patient aufgrund von Verletzungen oder ande ren Ursachen nicht in der Lage ist, ein exakt vorgegebenes, relativ kompliziertes Bewegungsprogramm auszuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Vorrichtung ermöglicht die Ermittlung des dynamischen Verhaltens des zu un tersuchenden Systems durch Anlegen einer Sprungfunktion und Auswertung der Sprungantwort.

Durch die Anwendung des Doppler-Prinzips in Verbindung mit der Auswertung der Sprungantwort kann des weiteren der Ort einer möglichen Störung erkannt werden. Grundlegend für das erfindungsgemäße Verfahren ist das Prinzip der Messung und Untersuchung des Mikrosystems und die Auswertung von Zeitver hältnissen bzw. Zeitparametern, um Meßfehler weitgehend zu un terdrücken.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen und Auswerten des physiologi schen Zustandes von Gefäßsystemen, insbesondere Blutgefäßen auf photoplethysmographischer Basis, unter Verwendung eines licht aussendenden und lichtempfangenden Sensorkopfes zur nicht invasiven optischen Messung der Blutentleerung und Blutauffül lung der zu untersuchenden Gefäße eines peripheren Gebietes, gekennzeichnet durch

- Mittel zum Beaufschlagen des zu untersuchenden Systems mit mindestens einer Sprungfunktion x_e(t);
- Mittel zum Erfassen der Sprungantwort x_a(t) durch nicht invasive optische Messung, so daß die Reaktion des zu untersuchenden Systems auf die Sprungfunktion x_e(t) bestimmbar ist;
- Mittel zum Speichern und Darstellen der Sprungantwort über der Zeit x_a(t) und zum Bestimmen einer Meßwertstreuung S sowie zum Bestimmen von normierten Kennwerten des Systems;
- Mittel zum Vergleichen der erhaltenen normierten Kennwerte unter Berücksichtigung der Meßwertstreuung S mit vorbe stimmten Normalkennlinien zur Klassifizierung der Ver gleichsergebnisse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Beaufschlagen des Systems mit der Sprung funktion x_e(t) eine kurzzeitige, einmalige druckmechanische Krafteinwirkung auf das System erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Beaufschlagen des Systems mit der Sprungfunktion x_e(t) einen kurzzeitigen akustischen Reiz auf das System erzeugen.

4. Arbeitsverfahren zur Feststellung der Wirkung von Pharmaka oder Drogen unter Verwendung einer Vorrichtung zum Bestimmen und Auswerten des Zustandes von Gefäßsystemen, insbesondere Blutgefäßen auf photoplethysmographischer Basis mit folgenden Schritten:

- Beaufschlagen des zu untersuchenden Systems mit mindestens einer Sprungfunktion x_e(t);
- Erfassen der Sprungantwort x_a(t), welche die Reaktion des zu untersuchenden Systems auf die Sprungfunktion x_e(t) darstellt;
- Ableiten von normierten Größen bzw. Kennwerten aus der Sprungantwort x_a(t) durch Darstellung der Systemkennlinie x_a über x_e und Bestimmung der Meßwertstreuung S der erhaltenen Werte;
- Vergleichen der erhaltenen normierten Größen bzw. Kennwerte sowie der Meßwertstreuung S dieser Werte mit vorbestimmten Normalkennlinien und
- Klassifizieren der Vergleichsergebnisse.

5. Arbeitsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprungfunktion x_e(t) für das zu untersuchende System bzw. periphere Gebiet durch kurzzeitige, einmalige druck mechanische Krafteinwirkung oder akustischen Reiz auf das System erzeugt wird.

6. Arbeitsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei zu untersuchenden Gliedmaßen die Sprungfunktion x_e(t) durch einmaliges Heben oder Senken des betreffenden Gliedmaßes auf der Basis eines veränderten hydrostatischen Druckes er folgt.

7. Arbeitsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Meßwertstreuung S der Herzfrequenz auf die Leistungsfähigkeit und Funktion des Herzens geschlossen wird.

8. Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die photoplethysmographisch ermittelte Gesamtfunktion x_ges(t) wie folgt beschrieben wird: x_ges(t) = x_I(t) + x_II(t) + x_III(t) + . . . + x_N(t)
=x_mikro(t)mit
x_ges(t), x_mikro(t)= integrale Volumenpulsation des pho toplethysmographisch untersuchten peripheren Gebietes (Mikrozirkulationsfunktion),
x_I(t)= Welle I. Ordnung, verbunden mit der Herz frequenz,
x_II(t)= Welle II. Ordnung, verbunden mit der Atmung,
x_III(t)= Welle III. Ordnung, verbunden mit der Blutdruckperiode (ca. 10 s-Rhythmus),
x_N(t)= Wellen N-ter Ordnung (bis hin zu mehrtägigen Schwankungen),wobei einzelne Teilfunktionen aus der Gesamtfunktion ausge filtert werden.

9. Arbeitsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfunktion x_I(t) aus x_ges(t) durch einen Bandpaß mit den Grenzfrequenzen 0,6 Hz < f < 9 Hz bestimmt wird.

10. Arbeitsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verlauf von x_I(t) eine Gipfelamplitude A, eine Dikrotieamplitude B, eine Gipfelzeit T_G, eine Dikrotiezeit T_D, eine arterielle Grundschwingung T_AG und eine Pulsperioden zeit T_I von x_I(t) sowie deren Streuung S bestimmt wird, wobei der jeweilige Arbeitspunkt aus den Verhältnissen T_D/T_I, T_G/T_I, T_AG/T_I, T_AG/T_D, T_G/T_D, S/T_I bestimmt wird und ein Amplituden verhältnis AV aus B/A ermittelt wird und dieser Arbeitspunkt mit einem vorbestimmten optimalen Arbeitspunkt verglichen und zur Auswertung der Leistungsfähigkeit des Systems oder der Wirkung von Pharmaka oder Drogen vorgegebenen Klassen zuge ordnet wird.

11. Arbeitsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichswert ein Amplitudenverhältnis AV von 0,618 benutzt wird.

12. Arbeitsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Teilfunktionen eine Autokorrelationsfunktion ϕx_ges(τ) durch Feststellung der Anteile der Teilfunktionen an der Gesamtfunktion und der mittleren Perioden gebildet wird und zur Auswertung der Verlauf der Einhüllenden der Autokorre lationsfunktion betrachtet und aus diesem ein Mikrozirkulations gradient M_mikro nach der Beziehung: M_mikro = 1 - Min/Maxmit
Max = Maximum der periodischen Funktion ϕx_ges(τ) und
Min = zugehöriges Minimum,
bestimmt und der erhaltene Wert M_mikro mit typischen Werten für eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit des Systems verglichen wird.

13. Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei verschiedenen Meßstellen eines zusammenhängenden peripheren Gebietes die Funktionen x_I(t) und x_II(t) bestimmt, diese Funktionen einer Kreuzkorrelation nach der Beziehung mit
T = mittlere Laufzeit des Blutes
unterzogen, das Maximum τ_opt = T der Kreuzkorrelationsfunktion bestimmt und die Blutströmungsgeschwindigkeit V_ström nach der BeziehungV_ström = a/τ_opt;mit a = Abstand der Meßstellen bestimmt wird.

14. Arbeitsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der Vasomotorik durch Aufnahme der Teilfunktion x_I(t) = x_a(t) und die Bestimmung der Einschwingzeit t_e aus der Einhüllenden von x_a(t) ermittelt wird, wobei als Einschwingzeit t_E die Zeit definiert ist, nach der die Sprungantwort innerhalb eines Bereiches von ±5% von x_a(∞) verbleibt.

15. Arbeitsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschwingzeit t_E aus dem Verlauf der Mikrozirkula tionsfunktion, d. h. dem Verhältnis zwischen der Zeit t_B zwischen dem Auslösen einer positiven und einer negativen Sprungfunktion und der Zeit t_{E mikro}, die von der negativen Sprungfunktion bis zur Beendigung des Mikrozirkulations- Einschwingvorganges vergeht, bestimmt wird.

16. Arbeitsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem dynamischen Sprungfunktions-Systemtest der stationäre Zustand durch Messung der Mikrozirkulation des Systems bestimmt wird.

17. Arbeitsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das zu untersuchende System eine Sprungfunktion in Form eines negativen hydrostatischen Druckes zur Entleerung der Gefäße des Systems angelegt wird, wobei die Einschwing- oder Entleerzeit t_EL des gesamten Systems bestimmt wird, und wobei die Entleerzeit t_EL ein Maß für den Systemzustand ist.

18. Arbeitsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich nachfolgend eine Sprungfunktion in Form eines positiven hydrostatischen Druckes zur Füllung der Gefäße des Systems angelegt wird, wobei die Einschwing- oder Auffüllzeit t_EF gemessen wird, wobei aus dem Vergleich zwischen der Ent leerzeit und der (Wieder)-Auffüllzeit auf den Zustand des Mikro- und Makrosystems geschlossen wird.

19. Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Ortes von Störungen im Gefäßsystem die örtliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit bei Anlegen einer hydrostatischen Druck-Sprungfunktion mittels Ultraschall- Doppler erfaßt wird.