DE68928348T2

DE68928348T2 - Tragbares hämoglobinmeter

Info

Publication number: DE68928348T2
Application number: DE68928348T
Authority: DE
Inventors: Britton Chance
Original assignee: Non Invasive Technology Inc
Current assignee: Non Invasive Technology Inc
Priority date: 1988-11-02
Filing date: 1989-08-18
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2009-08-19
Also published as: EP0441791A1; EP0441791B1; DE68928348D1; CA1331483C; EP0441791A4; WO1990004941A1; JPH04502563A; KR0144010B1; JP2603350B2; KR900701214A; US5167230A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine tragbare Vorrichtung für nicht-invasive Bestimmungen des metabolischen Zustandes einer speziellen Zielregion eines Gewebes. Insbesondere beschreiben wir Ausführungsbeispiele eines vom Anwender tragbaren Systems zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Gewebe eines Subjektes, welches einer aeroben Beanspruchung unterworfen ist, wie beispielsweise einer trainierenden Person.
Die steigende Popularität von allen Formen von Training in den letzten Dekaden hat auch zu gesteigertem Interesse an der Messung der individuellen athletischen Leistung geführt. Jedoch sind gegenwärtig Athleten darauf eingeschränkt, den Herzschlag und Blutdruckdaten zu erhalten, während sie trainieren. Obwohl sie gewissen Nutzen haben, reflektieren diese Daten nicht die Umlaufzirkulationskapazität oder den Sauerstoffversorgungszustand von spezifischem Muskelgewebe.
Um die Sauerstofflieferung an das Kapillarbett der Muskeln zu messen, muß ein Athlet an eine Elektrokardiogrammvorrichtung angeschlossen werden und es müssen Blutproben abgezogen werden, während er in einer Laufvorrichtung läuft. Dies sind im wesentlichen Betriebsraumvorrichtungen und -verfahren, die nicht die tatsächlichen Trainungsumstände simulieren. Die Messung des aeroben Wirkungsgrades durch Analysieren des Sauerstoffversorgungszustandes eines speziellen Muskels beim Training ist wichtig für eine Vielzahl von Personen. Wenn beispielsweise ein Gelegenheitsläufer ein Marathonläufer werden möchte, kann der Wirkungsgrad, mit dem er Sauerstoff verwendet, stark die Leistung beeinflussen; Daten, die die Anwendung bzw. Ausnutzung des Sauerstoffes wiederspiegeln, kännen Informationen liefern, die es einem Athleten gestatten, Schritt- bzw. Laufstrategien zu verändern, oder anders die Aktivität einzustellen, um bessere Ergebnisse zu erzeugen. Andere Athleten, wie beispielsweise Schwimmer, Radfahrer und Ruderer, würden diese Informationen auch nützlich finden, um die Leistung zu bewerten. Jedoch ist die Anwendung von Blutsauerstoffversorgungsdaten nicht auf Wettkampfathleten eingeschränkt; auch ältere Leute, die ein sanftes aerobes Training ausführen, um ihre Gesundheit beizubehalten und zu verbessern, können von Daten profitieren, die die Veränderungen der Blutsauerstoffversorgung betreffen, die durch das Training oder durch eine andere Aktivität bewirkt werden. Andere Tiere, wie beispielsweise Rennpferde können auch von dieser Art von Leistungsdaten profitieren. Durch Messen der Sauerstofflieferung an die Muskeln kann sowohl die Qualität des Trainings als auch die natürliche Eähigkeit zum Training bewertet werden.
Zusätzlich zur Überwachung und Maximierung der athletischen Leistung sind Informationen bezüglich der Lieferung von Sauerstoff an die Glieder und das Gehirn wichtig bei Militär- und Raumfahrtanwendungen, wo Veränderungen der Schwerkraft und andere Beanspruchungen Müdigkeit und schließlich Bewußtlosigkeit zur Folge haben können.
Obwohl Vorrichtungen verfügbar sind, die den Sauerstoffgehalt von Blut unter Verwendung von Daten messen, die von einer Fingerspitze oder einem Ohrläppchen gesammelt werden, messen diese Vorrichtungen nicht tatsächlich den Sauerstoffversorgungszustand von nahe dabei liegenden Muskelgruppen oder dem Gehirn. Um die athletische Leistung zu überwachen, oder den Zustand von trainierten Muskeln, muß die Datenaufnahme an der interessanten Stelle ausgeführt werden. Beispielsweise werden Läufer den Zustand der Muskeln in ihren Beinen wissen wollen und weiter mit dieser Information während eines Laufes und nicht in einem Labor versorgt werden. Daher muß für eine Vorrichtung, die den metabolischen Zustand eines Athleten mißt, damit sie wirklich nützlich ist, ein robustes, leichtgewichtiges, vom Anwender tragbares System vorgesehen werden.
EP-A-0 102 816 offenbart ein Pulsoximeter, in dem zwei LEDs sequentiell Licht von zwei unterschiedlichen Wellenlängen (eine infrarot, eine rot) durch menschliches Gewebe pulsen. Das Licht wird durch die Pulskomponente des arteriellen Blutes im Gewebe moduliert (wenn Blut hereinfließt, wird mehr Licht vom Gewebe absorbiert) und ein Photosensor mißt das übertragene Licht. Durch seine Konstruktion zielt es nicht auf relativ tiefliegendes Gewebe
Zusammenfassend sieht der Stand der Technik eine tragbare Vorrichtung vor, die folgendes aufweist:
(a) Detektormittel zum Detektieren von gestreuter elektromagnetischer Strahlung, wobei die Detektormittel ein Signal proportional zu einem Zustand von lebendem Gewebe erzeugen, wobei die Detektormittel entfernbar an der Außenoberfläche des Gewebes angebracht sind, wobei die Detektormittel folgendes aufweisen
(i) Lampenmittel zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, die gegen das Gewebe gerichtet ist;
(ii) Sensormittel zum Detektieren eines gestreuten Teils der Strahlung, die durch das Gewebe gelaufen ist, wobei der Sensor benachbart zu den Lampenmitteln auf der Außenoberfläche gelegen ist;
(iii) im wesentlichen undurchsichtige Barrieren- bzw. Grenzmittel, die zwischen den Lampenmitteln und den Sensormitteln angeordnet sind, um wesentlich die Übertragung von nahe der Oberfläche übertragener Strahlung von den Lampenmitteln zu den Sensormitteln zu reduzieren; und
(iv) Mittel zum Pulsen der Lampenmittel in einer Vielzahl von Impulsen mit bekannter Dauer;
(b) Leistungspackmittel zum Liefern von Strom, die elektrisch mit den Detektormitteln verbunden sind, um ein Signal zu erzeugen; und
(c) Signalverarbeitungsmittel zum Empfang des Signals, welches von den Detektormitteln erzeugt wird, und um das Signal zu verarbeiten, um Informationen zu erzeugen, die den Zustand anzeigen, und Anzeigemittel zum Anzeigen dieser Information.
Ein Verfahren, durch welches das Sauerstoffniveau in einem Muskel gemessen werden kann, ist die Gewebespektrometrie. Beispielsweise wird rotes Licht und nahe rotes bzw. nahe bei rot liegendes Licht mit Wellenlängen zwischen ungefähr 600-800 Nanometern (nm) in harmloser Weise Körpergewebe durchdringen. Wenn das Licht das Gewebe durchdringt, läuft es hindurch und wird durch deoxygeniertes Hämoglobin in kleinen Blutgefäßen absorbiert. Normalerweise nimmt das Gewebe Sauerstoff vom Hämoglobin auf, welches in den roten Blutzellen enthalten ist, die in den Hauptblutgefäßen zirkulieren und schließlich im Kapillarbett, wobei die Muskelgewebe mit Sauerstoff versorgt werden. Eine aerobe Aktivität kann bewirken, daß das Sauerstoffniveau steigt, was eine entsprechende Steigerung des Niveaus des Deoxyhämoglobins in den Individuen bewirkt. Nahe rotes Licht bzw. nahe bei rot liegendes Licht wird von dem Gewebe absorbiert, welches nicht so viel Sauerstoff empfängt, wie das umgebende Gewebe, und zwar aufgrund gesteigerter Niveaus von Deoxyhämoglobin bei weniger trainierten Individuen. Somit kann durch Bestimmung der Menge der einfallenden absorbierten Strahlung der Sauerstoffversorgungszustand eines speziellen Gewebegebietes und das Trainingsniveau eines Individuums bestimmt werden
Die vorliegende Erfindung ist durch folgendes gekennzeichnet:
(A) Dadurch, daß die Detektormittel und die Leistungspackmittel von dem erwähnten Subjekt während der Aktivität getragen werden können,
(B) dadurch, daß die Lampenmittel und die Sensormittel an einer flexiblen wasserdichten an den Körper anpaßbaren bzw. für den Körper bequemen Anordnung montiert sind, die gleichzeitig die Lampe und die Sensormittel benachbart zur Haut des Subjektes während einer solchen Aktivität halten kann, wobei die Lampenmittel und die Sensormittel in einer Anordnung gelegen sind, die mindestens zwei im wesentlichen symmetrische Photonen-Seiten-Streupfade durch eine Target- bzw. Zielregion einrichtet, die unter der Oberfläche liegt, wobei die Anordnung zentral gelegene Sensormittel mit Bezug auf die mindestens zwei seitlich beabstandeten Lampenmittel aufweist, die geeignet sind, um auf tiefliegende Geweberegionen eines Körperteils zu zielen,
(C) dadurch, daß die Barrieren bzw. Grenzmittel an der flexiblen Anordnung befestigt sind, wobei die Barrierenmittel an der flexiblen Anordnung zwischen den Lampenmitteln und den Sensormitteln derart angeordnet sind, daß während oberflächliche Photonen, die in der Haut laufen, im wesentlichen von einem Eintritt in die Detektormittel abgeblockt werden, wobei die Barrierenmittel einen Photonenlauf bzw. eine Photonenmigration durch beide der jeweiligen Photonen-Seiten-Streupfade von den Lampenmitteln zu den Sensormitteln gestatten,
(D) dadurch, daß die Impuls- bzw. Pulsmittel geeignet sind, um die Lampenmittel mit einer ausgewählten Rate zu pulsen, und
(E) dadurch, daß die Signalverarbeitungsmittel geeignet sind, um das empfangene Signal zu verarbeiten, um Informationen zu erzeugen, die den metabolischen Zustand der Zielregion anzeigen.
Die vorliegende Erfindung sieht somit ein neuartiges, tragbares System zur Bestimmung des metabolischen Zustands eines aero-beanspruchten Teils des Muskelgewebes einer trainierenden Person vor. Das System weist einen leichtgewichtigen robusten Detektor auf, der an der Hautoberfläche des Subjektes benachbart zu dem zu überwachenden Muskel getragen wird. Das System der vorliegenden Erfindung minimiert somit irgendeine Leistungseinschränkung. Das System weist weiter ein tragbares Leistungspack und Anzeigemittel vor, um Informationen anzuzeigen, die den aeroben metabolischen Zustand der überwachten Region anzeigen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches zur Anwendung während des Laufens vorgesehen ist, oder bei ähnlichen athletischen Aktvitäten im Einsatz ist, wird die Anzeige am Handgelenk getragen und zeigt Informationen von einem am Bein befestigten Detektor an. In einem anderen Ausführungsbeispiel, welches Informationen an Trainer liefern soll, wird ein Telemetriesystem eingesetzt, um ein Signal zu übertragen bzw. zu senden, welches die Daten vom Detektor an eine entfernte Stelle zur Verarbeitung und Anzeige trägt.
Der Detektor setzt in geeigneter Weise elektromagnetische Strahlung von rotem oder nahe rotem bzw. nahe bei rot liegendem Licht ein und setzt vorzugsweise ein kontinuierliches Wellenspektrophotometer bzw. ein Spektrophotometer mit kontinuierlicher Welle ein, und zwar mit mindestens zwei Quellen elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen zwischen ungefähr 760 Nanometern und ungefähr 800 Nanometern, die in das Gewebe des Subjektes gerichtet sind. Der Detektor ist wirkungsvoll mit dem Körpergewebe gekoppelt und verwendet das Prinzip der Photonenmigration bzw. Photonenwanderung, um den Teil der übertragenen Strahlung zu detektieren, der an einer benachbarten Hautregion ankommt.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren vor, einen metabolischen Zustand innerhalb einer Zielregion des Gewebes eines Subjektes zu überwachen, welches die folgenden Schritte aufweist:
(a) Vorsehen einer Vorrichtung, wie zuvor erwähnt;
(b) Aktivieren der Detektormittel, wenn man mindestens zwei Quellen der Lampenmittel blitzartig betätigt, um elektromagnetische Strahlung in die Zielregion zu leiten;
(c) Abfühlen des gestreuten Teils der elektromagnetischen Strahlung, die durch die Zielregion gelaufen bzw. gedrungen ist;
(d) Bestimmen des metabolischen Zustandes in der Zielregion; und
(e) Anzeige von Informationen, die den metabolischen Zustand in der Zielregion des Subjektes anzeigen, und zwar ansprechend auf das von den Detektormitteln erzeugte Signal.
Durch diese Mittel kann der Prozentsatz des Deoxyhämoglobins im Blut des Subjektes bestimmt werden, und ein für diesen Prozentsatz repräsentatives Signal wird in eine graphische Darstellung umgewandelt. Die Anzeige kann vorzugsweise eine Digitalanzeige, ein Balkengraph oder eine Reihe von Deoxyhämoglobinpegeln sein, die auf einer Zeitskala angeordnet sind.
In Ausführungsbeispielen unserer Vorrichtung können wir eine schnelle Bestimmung des Sauerstoffversorgungszustandes von Gewebe, wie beispielsweise Muskelgewebe, erhalten, welches unter der Oberfläche der Haut eines Subjektes, wie beispielsweise eines Athleten gelegen ist, ohne zu erfordern, daß das Subjekt an Labor- oder Operationsraumüberwachungsausrüstungsgegenstände angeschlossen oder physikalisch damit verbunden wird.
Die Vorrichtung kann an einem Anwender angebracht werden, um den Sauerstoffversorgungszustand eines Teils des Körpers des Anwenders zu bestimmen, und um diese Information in einer leicht verständlichen Form zu liefern.
Gewisse Ausführungsbeispiele unserer Vorrichtung liefern Information bezüglich des Sauerstoffversorgungszustandes des Gewebes direkt an einen Anwender, der die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung trägt.
Gewisse Ausführungsbeispiele unserer Vorrichtung übertragen bzw. senden Information bezüglich des Sauerstoffversorgungszustandes des Gewebes an einen entfernten Beobachter.
In den Zeichnungen stellen die Figuren folgendes dar:
Fig. 1 eine Abbildung einer bevorzugten Konfiguration eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine teilweise diagrammartige, teilweise schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Detektors;
Fig. 3 eine weitere bevorzugte Konfiguration eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine teilweise diagrammartige, teilweise schematische Darstellung eines alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiels des Detektors.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unserer Vorrichtung ist in Fig. 2 veranschaulicht. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine elektro-optische Aufnahmedetektoreinheit an dem Bein eines trainierenden Subjektes 50 getragen. Es wird bevorzugt, daß das Gewicht des Detektors auf einem Minimum gehalten wird, so daß eine Behinderung eines Wettkampfathleten vernachlässigbar ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Detektor in einer flexiblen Anordnung aufgenommen sein, die aus einem geeigneten, nicht störenden leichtgewichtigen Material hergestellt ist.
Leistung wird an die Detektoreinheit 10 durch ein ersetzbares Batteriepack 30 geliefert. Das ersetzbare Lei stungspack 30 ist vorzugsweise ausgelegt, um von minimaler Abmessung und minimalem Gewicht zu sein. Insbesondere würde das Batteriepack 30 ausgelegt sein, um nur für die Dauer der Aktivität zu reichen, beispielsweise mehrere Minuten eines Sprintvorgangs, für mehrere Stunden für einen Marathonläufer usw.. Bei Wettkampfsportanwendungen basiert die Lebensdauer des Batteriepacks vorzugsweise aus dem Intervall zwischen Ersatzvorgängen oder anderen Unterbrechungen zwischen den Wettkampfperioden.
Das in Fig. 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel weist weiter einen Armindikator 40 auf, der vorzugsweise am Arm in der Art einer Armbanduhr getragen wird. Der Armindikator 40 zeigt den Prozentsatz des Deoxyhämoglobins (%Hb) als ein Maß des metabolischen Zustandes des Subjektes an. Wie in Fig. 1A zu sehen, kann eine solche Anzeige ein einzelnes Auslesen bzw. eine Darstellung dieser Information aufweisen, wie beispielsweise einen Balkengraph bzw. eine Balkendarstellung. Alternativ kann die Information auf einer Zeitskala angeordnet werden, um graphisch die Veränderung der %Hb-Konzentration über den Verlauf der Aktivität zu veranschaulichen, wie von Fig. 1B veranschaulicht. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Graphikanzeigen, die in den Fig. 1A und 1B veranschaulicht werden, aus Flüssigkristallanzeigen (LCDs), obwohl andere elektrische oder elektronische Anzeigemittel auch verwendet werden könnten. Das Amplitudenintervall dieses Ausführungsbeispiels wird vorzugsweise in 6-10 Niveaus aufgeteilt, wobei jedes einen Teil der bezeichneten %Hb-Skala abdeckt.
Es sei bemerkt, daß der Bereich der %Hb-Skala abhängig vom Bereich eingestellt werden kann, der erwartungsgemäß während der Aktivität auftritt. Da die Präzision der Vorrichtung durch die der Anzeigevorrichtung eingeschränkt wird, ist der Bereich, der angezeigt wird, ein wichtiger variabler Parameter. Bei dem genauesten Ausführungsbeispiel, wobei die Endpunkte der %HB-Skala auf 20% und 40% eingestellt sind, hätte die Vorrichtung eine Genauigkeit von ungefähr 6%, was ungefähr die Präzisionsgrenze ist, die von einem sich bewegenden Glied erhalten werden kann.
Eine normal ausgebildete Person wird erkennen, daß die Verstärkung bzw. der Gain der Vorrichtung voreingestellt ist, abhängig von der Intensität der zu erwartenden Aktivitätsintensität. In einem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel gestattet ein am Armindikator 40 angebrachter Knopf, daß die Verstärkung eingestellt wird.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine teilweise schematische, teilweise diagrammartige Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Schaltung veranschaulicht, die die optische Aufnahmekomponente eines Gleichstrom-Gewebespektrophotometerdetektors 10 aufweist, der zur Anwendung in unserem System in Betracht gezogen wird. Der Detektor 10 ist zu Verdeutlichungszwecken an einer Hautoberfläche 25 eines Subjektes befestigt gezeigt. Bei einer typischen Konfiguration ist der Detektor entweder an großen homogenen Muskeln befestigt, wie beispielsweise dem Gastrocnemius oder dem Quadriceps oder an der Stirn eines Erwachsenen. Zwei Lampen 12, 14 und zwei Detektoren 16, 18 sind in einer flexiblen wasserdichten Anordnung enthalten. In der Anordnung ist auch eine undurchsichtige Spiegelbarriere enthalten, die ein konzentrischer Materialring 11 zwischen den Lampen 12, 14 und den Detektoren 16, 18 ist, der als eine Barrieren- bzw. Grenzzone für das Licht einer speziellen Wellenlänge wirkt. Vorzugsweise wird das Material, aus dem die Barrierenzone besteht, nicht nur undurchsichtig für das Licht innerhalb einer festgelegten Region sein, sondern wird weiter als ein Absorptionsmittel dafür wirken.
Somit werden oberflächliche Lichtstrahlen von der Haut im Endeffekt von der undurchsichtigen Barriere 11 vor einem Eintritt in die Detektoren 16, 18 abgeblockt. Dieser Abblockvorgang durch die Barriere 11 dieser oberflächlichen Strahlen ermöglicht es, daß das System den Sauerstoffversorgungszustand des Hämoglobins innerhalb des Muskels anstelle an der Hautoberfläche bestimmt. Die Strahlen, die tief in das Gewebe eintreten bzw. migrieren, werden von den Detektoren 16, 18 aufgenommen. Die Lichstrahlen, die oberflächlich migrieren bzw. laufen "entkommen" durch die Hautoberfläche und werden von der undurchsichtigen Barriere 11 absorbiert. Wenn beispielsweise ein Impuls von 760 nm aufgebracht wird, wird das deoxygenierte Hämoglobin (Hb) innerhalb des Muskels detektiert, und wenn ein 800 nm-Signal aufgebracht wird, wird das oxygenierte bzw. mit Sauerstoff versehene und das deoxygenierte Hämoglobin (HbO&sub2; und Hb) innerhalb der Geweberegion detektiert. Das System kann den Oxygenierungs- bzw. Sauerstoffversorgungszustand an der Hautoberfläche ignorieren und den innerhalb des Gewebes bestimmen.
Die Lampen 12, 14 können beispielsweise Blitzlichtbirnen mit 1/2 Watt sein, die periodisch in der NR-Region beleuchtet bzw. betätigt werden. Die Lampen sind mit Abschnittsfiltern (Cut-Off-Filtern) 13, 15 versehen, so daß nur Energie einer speziellen Wellenlänge das Gewebe beleuchtet. Die Siliciumdiodendetektoren 16, 18 sind auf die Wellenlängen von 760 ± 20 nm bzw. 800 ± 20 nm empfindlich.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Lampen 12, 14 lichtaussendende Diodenquellen (LED), die Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 760 nm bzw. ungefähr 800 nm aussenden. In jedem Ausführungsbeispiel werden die Lampen mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate blitzartig betätigt oder gepulst. Die Sampling bzw. Aufnahmewiederholungsrate, d. h. die Rate, mit der die Lampen blitzartig betätigt werden, bestimmt die Rate, mit der Daten aufgenommen werden können. Somit werden für einen Langstreckenläufer die Lampen langsam blitzartig betätigt; die Ausgangsgröße wird entsprechend für einen Sprinter verändert, die Lampen werden schnell blitzartig betätigt, um ausreichend Daten zu erzeugen, um ein Training mit einer Dauer in der Größenordnung von Sekunden zu bewerten. Die Auswahl von LEDs als Quellen elektromagnetischer Strahlung sieht einen weiteren Vorteil vor, da diese Quellen ein Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) von ungefähr einer Größenordnung größer als die zuvor offenbarten optischen Kopplungssysteme unter Verwendung von optischen Lichtfaserquellen erzeugen.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schaltung zur Anwendung mit dem System veranschaulicht. In diesem Fall sammelt ein einzelner bzw. einziger Detektor 17, der auf getrennte Lichtblitze anspricht, Signale und überträgt bzw. sendet sie an einen Verstärker 24, der bipolare Ausgänge besitzt, die intermittierend mit einem Integrator 27 durch einen Schalter 26A verbunden sind. Ein weiterer Schalter 26 stellt die relative Dauer der zwei Lichtimpulse ein, um die zwei Signale auszugleichen. Der Fachmann wird verstehen, daß jene Teile der Fig. 2 und 4 mit den gleichen Bezugszeichen im wesentlichen ähnliche Funktionen ausführen. Viele Details der speziellen Schaltungen müssen nicht genau dargelegt werden, da sie wohl bekannt sind oder dem Fachmann offensichtlich sein werden.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist zu sehen, daß die Detektoren 16, 18 auch durch einen Übertragungsfilter 19 geschützt werden, um den Effekt des Hintergrundlichtes zu minimieren.
Der Filter 19 kann aus einem getrennten Glied bestehen, einer Beschichtung oder kann in das Gehäuse der Schaltung integriert sein. Die Gleichstromausgangsgröße von jedem der Detektoren 16, 18 ist zeitaufgeteilt in ihren jeweiligen Differentialverstärker 20, 22. Die Verstärker sind in entgegengesetzter Polarität verbunden bzw. angeschlossen, der eine nicht-invertierend, der andere invertierend. Die Verweilzeit des Schalters 23, der die Verstärker 20, 22 verbindet, wird eingestellt, um das Ansprechen der zwei Signale durch geeignete Schaltungen 28 auszugleichen&sub5; Das Signal vom Integrator wird mit einem (nicht gezeigten) Rekorder bzw. einer Aufzeichnungsvorrichtung gekoppelt. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann das Signal von der 800 nm-Lampe 12 gleichzeitig eingesetzt werden, um die Verstärkung des Verstärkers 24 zu variieren, um die Signale auf Veränderungen des Blutvolumens zu korrigieren, und um das Verhältnis der zwei Signale zu erzeugen, und somit eine konstante Empfindlichkeit für eine Differenzdetektion beizubehalten. Der Fachmann wird erkennen, daß eine ähnliche Gain- bzw. Verstärkungskompensationsschaltung in die Schaltung des 800 nm-Detektorverstärkers 22 eingebaut werden kann, der in Fig. 2 gezeigt ist. Ob in den Schaltungen der Fig. 2 oder der Fig. 4 vorgesehen, wird das 800 nm-Signal auch mit einem zweiten Aufnahmevorrichtungskanal gekoppelt, um Daten aufzunehmen, die die gesamte Absorption oder das Blutvolumen widerspiegeln.
Eine weitere Konfiguration ist in Fig. 3 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel gestattet ein funkverbundenes Telemetriesystem, welches aus einem Transmitter bzw. Sender 60 besteht, der an dem Subjekt angebracht ist, und aus einem Empfänger 62, die entfernte Überwachung des Subjektes. Ein Überwacher, Trainer oder Mediziner wird dabei befähigt, die Leistung des Subjektes zu überwachen. Die Anzeige ist enfemt. Der Fachmann wird erkennen, daß die verwendeten Anzeigen ähnlich jenen sein können, die in den Fig. 1A und 1B veranschaulicht sind, oder komplexer sein können, wobei Daten unter Verwendung verschiedener Skalen, Zeitübereinanderlagen, Farben usw. angezeigt werden. In einem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel würde das Telemetriesignal auf dem Band von 220-400 MHz unter Verwendung eines Transmitters oder Senders im Bereich von 100 MW getragen bzw. übermittelt werden.
Die durch Fig. 3 veranschaulichte Konfiguration gestattet es uns, Athleten im Wettkampf oder Arbeiter und Militär/Raumfahrtpersonal zu überwachen, welches an entfernten Stellen ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung beim Training verwendet werden, um die Dauer der Spitzenleistung und die geeigneten Zeitpunkte zum Ersatz der frischen Spieler oder anderen Einstellungen bestimmen. Diese Konfiguration wäre auch bevorzugt zur Überwachung des metabolischen Zustandes eines Tieres, wie beispielsweise eines Rennpferdes, eines Rennhundes oder irgendeines Tieres, dessen metabolischer Zustand zu klinischen oder anderen Zwecken studiert wird.
In jedem der Ausführungsbeispiele wird bevorzugt, daß die Daten über die letzten ungefähr 10 Sekunden integriert werden, um Unregelmäßigkeiten auszuglätten, die normalerweise bei der Konzentration des Deoxyhämoglobins während des Trainings auftreten. Jedoch wird verständlich sein, daß die Periodenintegration variiert werden kann, und zwar abhängig von der Dauer der überwachten Aktivität.
Obwohl ein manueller Aussgleich der Vorrichtung erforderlich ist, wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Ausgleich durch Herabdrücken eines Knopfes bewirkt, der die Ausgangsgröße der zwei Wellenlängen normalisieren wird.
Der Fachmann wird erkennen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen, im Detail beschriebenen Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist. Modifikationen an der offenbarten Schaltung und an anderen Aspekten der offenbarten Spektrophotometerkonfigurationen genauso wie andere Modifikationen an der physikalischen Anordnung der speziell beschriebenen und veranschaulichten Vorrichtung sind machbar.

Claims

1. Tragbare Vorrichtung zur Bestimmung eines Zustands des Gewebes eines Subjekts (50), wobei das Gewebe eine Außenoberfläche (25) besitzt und die Vorrichtung folgendes aufweist:

(a) Detektormittel (10), geeignet zum betriebsmäßigen Detektieren gestreuter elektromagnetischer Strahlung, wobei die Detektormittel entfernbar an der erwähnten Außenoberfläche anbringbar sind, und die Detektormittel folgendes tragen:

(i) Lampenmittel (12, 14) zur betriebsmäßigen Erzeugung elektromagnetischer, gegen das Gewebe gerichteter Strahlung;

(ii) Sensormittel (16, 18, 17) zum betriebsmäßigen Detektieren eines gestreuten Teils der Strahlung der durch das Gewebe gelaufen ist,

wobei der Sensor (16, 18, 17) zur Anordnung benachbart zu den Lampenmitteln auf der Außenoberfläche angeordnet ist; und

(iii) im wesentlichen undurchsichtige Barnerenmittel (11), angeordnet zwischen den Lampenmitteln und den Sensormitteln zum wesentlichen Reduzieren der Übertragung der nahe der Oberfläche übertragenen Strahlung von den Lampenmitteln zu den Sensormitteln;

und wobei die Detektormittel mit Mitteln versehen sind zum betriebsmäßigen Pulsen der Lampenmittel mit einer Vielzahl von Pulsen mit bekannter Dauer;

(b) Leistungspackmittel (30), elektrisch verbunden mit den Detektormitteln und geeignet zur Lieferung von Strom an diese; und

(c) Signalverarbeitungsmittel, geeignet zum betriebsmäßigen Empfang eines durch die Detektormittel erzeugten Signals und zur Verarbeitung des Signals zur Erzeugung von Information, die den erwähnten Zustand anzeigt und Anzeigemittel (40) zum Anzeigen der Information;

wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist,

(a) daß sowohl die Detektormittel als auch die Leistungspackmittel durch das Subjekt während einer Aktivität tragbar sind,

(b) daß die Lampenmittel und die Sensormittel auf einer flexiblen, wasserdichten, für den Körper bequemen Anordnung angebracht sind, die in der Lage ist, gleichzeitig die Lampe und die Sensormittel benachbart zur Haut des Subjektes während dieser Aktivität zu halten, wobei die Lampenmittel und die Sensormittel in einer Anordnung angeordnet sind, die mindestens zwei im wesentlichen symmetrische Photonen-Seiten- Streupfade durch eine Zielregion unterhalb der Oberfläche vorsieht, wobei die Anordnung zentrale oder mittig angeordnete Sensormittel aufweist, und zwar bezüglich mindestens zwei seitlich voneinander mit Abstand angeordneten Lampenmitteln, geeignet zum Zielen auf tiefliegende Gewebegebiete oder Regionen eines Körperteils,

(c) daß die Barrierenmittel auf der erwähnten flexiblen Anordnung angebracht sind und auf dieser zwischen den Lampenmitteln und den Sensormitteln derart angeordnet sind, daß, während sie oberflächliche Photonen, die in der Haut wandern, vom Eintritt in die Detektormittel blockieren, die Barrierenmittel die Photonen wanderung durch die beiden entsprechenden Photonen-Seiten-Streupfade von den Lampenmitteln zu den Sensormitteln gestatten,

(d) daß die Pulsmittel geeignet sind, die Lampenmittel mit einer ausgewählten Rate zu pulsieren, und

(e) daß die Signalverarbeitunsmittel geeignet sind, um das empfangene Signal zu verarbeiten, um Information zu erzeugen, die eine Anzeige für den metabolischen Zustand oder die metabolische Bedingung der Target- oder Zielzone angibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet dadurch, daß die erwähnten Anzeigemittel (40) elektrisch mit den Detektormitteln (10) verbunden sind und durch das Subjekt (50) tragbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel entfernbar innerhalb des Gesichtsfeldes des Subjektes angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel Telemetriemittel (60, 62) aufweisen zum betriebsmäßigen Übertragen eines Signals von den Detektormitteln zu den Anzeigemitteln.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Telemetriemittel folgendes aufweisen:

(a) Transmitter- oder Sendemittel (60) anbringbar an dem Subjekt (50); und

(b) Empfängermittel (62) assoziiert mit den Anzeigemitteln (40) und angeordnet entfernt vom Subjekt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel (40) eine Flüssigkristallanzeige sind.

7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenmittel (12, 14) elektromagnetische Strahlung in Form von rotem oder nahe rotem bzw. nahe bei rot liegendem Licht vorsehen, und zwar vorzugsweise mindestens zwei Quellen elektromagnetischer Strahlung aufweisen mit einer Wellenlänge im allgemeinen im Bereich von 760 Nanometer bis 800 Nanometer.

8. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsmittel einstellbar sind, um die Dauer der erzeugten Impulse zu verändern.

9. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenmittel eine Blitzlichtbirne oder eine lichtemittierende Diode aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Anordnung geeignet ist, um die Detektormittel am Kopf oder am Bein des Subjekts anzuordnen, wobei die Target- oder Zielzone eine Region oder Gebiet innerhalb des Kopfes oder des Beins des Subjektes ist.

11. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung geeignet ist, um von einem Athleten, einer arbeitenden Person oder aktivem Militärpersonal, im Weltraum tätigem Personal oder einem Tier getragen wird.

12. Verfahren zur Überwachung eines metabolischen Zustandes innerhalb einer Zielregion des Gewebes eines Subjekts, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

(a) Vorsehen einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1;

(b) Aktivieren der Detektormittel, wenn mindestens zwei Quellen der Lampenmittel blitzen, um die elektromagnetische Strahlung in die Zielregion zu richten;

(c) Abfühlen des gestreuten Teils der elektromagnetischen Strahlung, die durch die Zielregion gelaufen ist;

(d) Bestimmung des metabolischen Zustands der Zielregion; und

(e) Anzeigen der Information, die den metabolischen Zustand der Zielregion des Subjekts angibt, und zwar ansprechend auf das durch die Detektormittel erzeugte Signal.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ferner der Schritt des Übertragens der Information, die eine Anzeige für den metabolischen Zustand der Ziel- bzw. Targetregion bildet, zu einer ent fernten Stelle durch Telemetrie vorgesehen ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ferner der Schritt des Einstellens der Impuls- oder Pulsmittel vorgesehen ist, um die Lampenmittel blitzlichtartig zu betätigen, und zwar mit einer von der Aktivität des Subjekts abhängigen Rate.