DE4433578B4 - Kreislaufmonitor für die kontinuierliche quantitative Tonwiedergabe peripherer Blutvolumenpulse - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur kontinuierlichen akustischen on-line-Wiedergabe der herzsynchronen arteriellen Blutvolumenpulsation in peripheren Gebieten des menschlichen Körpers, bestehend aus einem der bekannten plethysmographischen Sensoren samt zugehöriger Sender-, Empfänger-, Verstärker-, Filter- und Kalibrierstufen, dadurch gekennzeichnet, daß das aufbereitete und normierte plethysmographische Signal einer kombinierten Frequenz- und Amplitudenmodulation unterzogen wird und von einem Lautsprecher als kontinuierliches Tonsignal schwankender Frequenz und Lautstärke für diagnostische Zwecke quantitativ wiedergegeben wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine diagnostische Meßvorrichtung zur kontinuierlichen akustischen On-line-Wiedergabe peripherer Blutvolumenpulse, die mit nichtinvasiven, vorzugsweise optoelektronischen Sensoren an peripheren Gebieten des menschlichen Körpers abgenommen werden können. Das Hauptanwendungsgebiet der Vorrichtung liegt bei der medizinischen Screening-Diagnostik, Überwachung und Quantifizierung der peripheren Gefäßfunktion bei arteriellen Verschlußkrankheiten.
• Die subjektive Beurteilung der peripheren arteriellen Pulskurven spielte bereits z.B. in der altchinesischen Medizin eine große Rolle und wird bis heute in Form der einfachen Palpation der Pulswelle in hautnahliegenden Arterien (wie der Arteria radialis oberhalb des Handgelenks) täglich angewandt. Daraus werden u.a. folgende Pulsqualitäten als Information über den Funktionszustand des kardiovasculären Systems abgeschätzt:
• – Frequenz (Pulsus frequens, Pulsus rarus),
• – Rhythmus (Pulsus regularis, Pulsus irregularis),
• – Amplitude (Pulsus magnus, Pulsus parvus),
• – Steilheit des systolisch bedingten Pulsanstiegs (Pulsus ceder, Pulsus tardus),
• – Härte (Pulsus durus, Pulsus mollis).
• Eine Analyse der Pulskurven ist aber auch mit verschiedenen Meßverfahren möglich. In der klinischen Praxis können heute für diesen Zweck mehrere nichtinvasive Techniken eingesetzt werden. Sie benutzen verschiedene Sensoren, die über die Haut entweder die pulssynchronen Druckänderungen als Sphygmogramme, die Blutvolumenänderungen als Plethysmogramme oder die Blutgeschwindigkeitsänderungen mit Hilfe der Ultraschall-Doppler-Technik registrieren. Vor allem die nichtdirektionalen Ultraschall-Doppler-Geräte haben sich bei der Gefäßdiagnostik an größeren Arterien sehr bewährt, da sie preiswert sind und in der Regel neben einem Ausgang zur Signalregistrierung (an Schreibern, Plottern oder externen Rechnersystemen) die Blutgeschwindigkeit als amplitudenmodulierte Tongeräusche dem Untersucher on-line wiedergeben. Da der Arzt von seiner Ausbildung her (Stethoskop-Untersuchungstechnik) geübt ist, die Tongeräusche diagnostisch auszuwerten, kann er somit oft auf die externe Signalregistrierung verzichten, so daß die sog. Handdoppler-Geräte sehr kostengünstig und miniaturisiert realisiert werden können.
• Die Aussagekraft der Ultraschall-Doppler-Technik ist jedoch einigen Limitationen unterworfen, wie z.B. die schwierige Reproduzierbarkeit der Sondenlage über dem Gefäß (Richtung und Winkel) und die zu schwache und wenig aussagekräftige Signalqualität an den kleinsten Gefäßen (wie z.B. den Mikrozirkulationsgefäßen an den Finger- oder Zehenspitzen). Außerdem kann diese Technik keine Aussage über die Blutvolumenschwankungen im Schallgebiet bieten.
• Der periphere Blutvolumenpuls kann dagegen mit der nichtinvasiven Plethysmographie-Technik unter Verwendung verschiedener Sensorarten registriert werden. Hierzu zählen vor allem die
• – optoelektronischen Reflexions- und Transmissionssensoren (Photoplethysmographie),
• – Dehnungsmeßstreifen-Sensoren (Strain-gauge-Plethysmographie),
• – Luft- oder wassergefüllten Sensoren (Verdrängungsplethysmographie),
• – Kraftsensoren (Gravimetrische Plethysmographie),
• – elektrischen Leitfähigkeitssensoren (Impedanz- oder Kapazitätsplethysmographie) u.a.
• Vor allem die Photoplethysmographie ist eine seit langem bewährte Untersuchungstechnik mit breiter klinischer Anwendung, vor allem wegen der Einfachkeit und Reproduzierbarkeit der Sensorbefestigung an dem menschlichen Körper und wegen des geringen Sensorpreises.
• Keiner der Plethysmographen und plethysmographischen Herzmonitore nach dem Stande der Technik erlaubte es jedoch bis heute, den peripheren Blutvolumenpuls dem Arzt als kontinuierliche on-line-Tonfolge so wiederzugeben, daß er in Anlehnung an die erlernte Palpation- und Stethoskopie-Technik die oben beschriebenen Pulsqualitäten akustisch wahrnehmen und diagnostisch verwerten kann.
• Die europäische Patentanmeldung EP 0 238 064 A2 beschreibt eine Meßeinrichtung zur nichtinvasiven Feststellung peripherer Abfluß- und Durchflußstörungen in menschlichen Extremitäten, die zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs der Blutentleerung bzw. -auffüllung der Venen durch Messung der Änderung der Lichtreflexion mindestens einen Lichtsender und einen -empfänger sowie eine Auswerte- und Ausgabeschaltung aufweist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese apparativ-diagnostische Lücke zu schließen und vor allem die Photoplethysmographen derart weiterzubilden, daß die kalibrierte periphere Blutvolumenpulsation durch vorzugsweise kombinierte Amplituden- und Frequenzmodulation in akustische Tonfolge überführt wird. Damit benötigt die erfindungsgemäße Meßvorrichtung nicht zwingend eine bisher übliche Registriereinheit, so daß sie miniaturisiert und preisgünstig aufgebaut werden kann. Sie kann außerdem auch an den peripheren Körperstellen mit Mikrozirkulationsdurchblutung zur Diagnostik eingesetzt werden, wo die Palpation, Stethoskopie- und Ultraschall-Doppler-Technik keine Aussagen mehr möglich macht.
• Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
• Es zeigen:
• 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Meß- und Auswertevorrichtung unter Verwendung der quantitativen photoplethysmographischen Sensortechnik,
• 2 schematische Meßsignalverläufe (photoplethysmographische Blutvolumenpulse) und das korrespondierte, mehrfachmodulierte nf-Pulssignal,
• 3 drei der möglichen Sensorkonfigurationen für die nichtinvasive Abnahme der peripheren Blutvolumenpulse.
• 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßanordnung als audio-photoplethysmographischer Kreislaufmonitor und 2 typische Signalverläufe an drei verschiedenen Stellen der Auswerteschaltung. Das Signal des Sensors (1) wird im Empfänger (2) demoduliert und im Filter und Invertierverstärker (7) zunächst tiefpaßgefiltert, um einerseits mögliche hochfrequente Störsignale zu eliminieren und andererseits ein Regelungssignal zu erhalten, das in der Kalibrierschaltung (5) mit dem frei gewählten Gleichspannungssignal (So) des Reglers (6) verglichen wird. Das Ausgangssignal der Kalibrierschaltung (5) steuert die Senderstufe (4) und wird mit einer vorgewählten Zeitkonstante so lange geregelt, bis beide Signale an den Eingängen der Kalibrierschaltung (5) identisch sind. Die selektive Signalbear beitung in (4) und (2) wird zur Unterdrückung der Störeinflüsse (z.B. Fremdlicht) und zur Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes des blutvolumenabhängigen Sensorsignals mit Hilfe des Generators (3) gesteuert. In einer nächsten selektiven Verstärker- und Komparatorstufe (8) wird zunächst überwacht, ob die Einregelung des Gleichspannungsanteils (So) des Meßsignals (siehe Signal A in 2) auf den vom Regler (6) vorgegebenen Wert gelungen ist. Im positiven Falle wird das Meßsignal zur weiteren Bearbeitung freigegeben. Durch diese Maßnahme werden erfindungsgemäß später nur kalibrierte Tonsignale ausgegeben, wodurch die diagnostische Wertigkeit der vorgeschlagenen akustischen Bewertung der Pulsqualitäten erheblich gesteigert wird. Zusätzlich wird in (8) der geregelte Signalanteil (So) aus dem Meßsignal abgezogen und somit nur das herzzynchron pulsierende, normierte Blutvolumensignal ΔS/So) (Signal B in 2) erfindungsgemäß der kombinierten Multimodulations- und Komparatorschaltung (9) zugeführt. Hier wird zunächst die Signalgüte (Signal/Rausch-Abstand) überwacht und eine weitere Signalverarbeitung nur dann eingeleitet, wenn das normierte Pulssignal (ΔS/So) einen vorgegebenen Grenzwert von vorzugsweise 0,1 % übersteigt. Weiterhin wird mit Hilfe der Multimodulationsschaltung (9) in Kombination mit der Verstärker-Endstufe (10) und dem Lautsprecher oder Piezowandler (11) das normierte, um (ΔS/2) erhöhte Blutvolumenpulssignal in ein kontinuierlich hörbares Audiosignal derart umgewandelt, daß einer größeren Pulsamplitude definiert ein höherer und lauterer Ton zugeordnet wird. Die Multimodulationsschaltung in (9) wird vorzugsweise als ein spannungsgeregelter Oszillator ausgebildet, der gemäß des Eingangssignals (Signal B in 2) sein sinus- oder rechteckförmiges Ausgangssignal frequenz- und amplitudenmäßig verändert (Signal C in 2). Die Frequenz- und Amplitudengrenzwerte sind dabei frei wählbar. Wegen einer optimalen Audiosignalanpassung an das menschliche Gehörorgan werden z. B. für die photo-plethysmographische Blutvolumenpulsabnahme an Fingern oder Zehen folgende Grenzwerte empfohlen:
  Grenzwerte für ΔS/So = 0,001: f_min = 300 Hz und U_min = 0 V;
  Grenzwerte für ΔS/So = 0,05 : f_max = kHz und U_max = 2,5 V.
• 3 zeigt schematisch drei verschiedene Sensorarten nach dem Stande der Technik, die zu der nichtinvasiven Erfassung des peripheren Blutvolumenpulses herangezogen und an die erfindungsgemäße Meßanordnung angeschlossen werden können:
• a) den photoplethysmographischen Sensor,
• b) den Dehnungsmeßstreifen-Sensor und
• c) den Impedanzplethysmographie-4 Elektroden-Sensor.
• Der photoplethysmographische Sensor (3a) ist mit mindestens einem Lichtsender/Lichtempfängerpaar ausgestattet und erfaßt die Blutvolumenänderungen im Meßareal als Änderungen der Lichtreflexion (oder Lichttransmission) im Gewebe. Auf Grund der optischen Absorbtions- und Streueigenschaften vom Blut und blutleerem Gewebe wird z.B. bei einem höheren Blutvolumen ein kleineres Meßsignal empfangen. Mit dem Dehnungsmeßstreifen-Sensor (3b) wird die Umfangsänderung eines ganzen Körperteils infolge der Blutvolumenänderung in der Regel als Änderung des elektrischen Widerstandes des Dehnungsmeßstreifens (z.B. ein dünner Schlauch, gefüllt mit einem elektrisch leitenden Fluidmaterial) registriert. Mit dem Impedanzplethysmographie-Sensor (3c) wird die Änderung der Gewebsimpedanz infolge der Blutvolumenänderung erfaßt, wobei mit einer Zunahme des Blutvolumens eine Abnahme der elektrischen Impedanz des Gewebes korrespondiert. Alle drei Sensorarten können für die erfindungsgemäße Meßanordnung verwendet werden, wobei jedoch der photoplethysmographische Sensor aufgrund diverser Vorzüge für den vorgestellten Kreislauf-Monitor zur kontinuierlichen, quantitativen Tonwiedergabe der peripheren Blutvolumenpulsation bevorzugt eingesetzt wird.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen akustischen on-line-Wiedergabe der herzsynchronen arteriellen Blutvolumenpulsation in peripheren Gebieten des menschlichen Körpers, bestehend aus einem der bekannten plethysmographischen Sensoren samt zugehöriger Sender-, Empfänger-, Verstärker-, Filter- und Kalibrierstufen, dadurch gekennzeichnet, daß das aufbereitete und normierte plethysmographische Signal einer kombinierten Frequenz- und Amplitudenmodulation unterzogen wird und von einem Lautsprecher als kontinuierliches Tonsignal schwankender Frequenz und Lautstärke für diagnostische Zwecke quantitativ wiedergegeben wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß durch das Kalibrierprinzip ein fester, intraindividuell vergleichbarer und linearer Zusammenhang zwischen der Amplitude des Blutvolumenpulses und der Änderung der Tonfrequenz und Lautstärke ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Amplitude des Blutvolumensignals und der Änderung der Tonfrequenz und/oder Lautstärke ein nichtlinearer Zusammenhang besteht, um eine optimale, dem menschlichen Ohr angepaßte Audiosignalstruktur zu erreichen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umwandlung des Blutvolumensignals in das Audiosignal sowohl der Frequenzhub als auch der Amplitudenhub der Modulationsschaltung frei wählbar sind und vom Untersucher selbst für möglichst beste Erkennung der einzelnen Pulsqualitäten eingestellt werden können.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Stummschaltung das Audiosignal abgeschaltet wird, wenn die automatische Signalkalibrierung nicht einwandfrei erreicht werden kann.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine weitere Stummschaltung das Audiosignal abgeschaltet wird, wenn die Blutvolumenpulsation einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet oder der Signal/Rausch-Abstand zu klein wird.