DE69412457T2

DE69412457T2 - Verfahren und vorrichtung zur atem-erkennung

Info

Publication number: DE69412457T2
Application number: DE69412457T
Authority: DE
Inventors: Hans S-590 62 Linghem Pettersson
Original assignee: Optovent AB
Current assignee: Optovent AB
Priority date: 1993-01-19
Filing date: 1994-01-19
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2014-01-20
Also published as: DE69412457D1; SE470564B; WO1994016620A1; SE9300137D0; JPH09504184A; SE9300137L; EP0681453B1; US5676154A; AU5895294A; AU696521B2; CN1116404A; ES2124391T3; EP0681453A1; CN1089227C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung der Atmung.
Der Begriff "Erkennung der Atmung" bezieht sich in diesem Dokument vor allem auf die Erwirkung eines Signales, das weitgehend der Atemluftströmung folgt.
In vielen unterschiedlichen Zusammenhängen kann ein Grund vorliegen, die Atmung eines Menschen oder eines Tieres zu erkennen. Verschiedene Krankheitszustände, intensive Pflege, Untersuchungen von Leistungen und Atemüberwachungen während des Schlafes sind Beispiele der Gelegenheiten, bei denen die Atemgeschwindigkeit und ein möglicher Ausfall der Atmung zu messen sind oder eine mit der Atmung korrespondierende Wellenform zu untersuchen ist.
Die EP-A-0 309 666 offenbart eine Vorrichtung zur Erkennung der Atmung, die eine Einrichtung zum Aussenden eines optischen Signales, einen Atmungssensor mit einer Sensorfläche und eine Einrichtung zum Erfassen von Änderungen in dem optischen Signal von dem Sensor als Maß der Atmung umfaßt. Die Änderungen des optischen Signales sind bezogen of ausgewählte Lichtwellenlängen, damit eine spezifische Gaskonzentration in der Atemluftströmung erkannt wird.
Die WO-A-9 218 848 beschreibt einen optischen Feuchtigkeitssensor mit einem Infrarotstrahler und einem Sensor, welcher das infolge einer internen Reflexion an einem Windschirm reflektierte Infrarotsignal empfängt, um die Gegenwart von Feuchtigkeit auf der Außenfläche des Windschirmes zu messen.
Hierzu ist der Feuchtigkeitssensor mit der Innenfläche des Windschirmes optisch gekoppelt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen der Atmung und einen Atmungssensor eines neuen, einfachen und zuverlässigen Typs zu erschaffen, der in einer flexiblen Weise bei den Umständen einsetzbar ist, unter denen eine Erkennung der Atmung erzielt werden soll. Eine Aufgabe ist es auch, Atmungssensoren zu erschaffen, die für einen Patienten leicht tragbar sind und die keine körpernahe elektrische Kabel umfassen. Eine zusätzliche Aufgabe ist es, Atmungssensoren zu erschaffen, die leicht reinzuhalten und, falls erforderlich, sterilzuhalten sind, und die so billig sind, daß sie, falls erwünscht, als Wegwerfprodukte verwendet werden können. Weitere Aufgaben und Zwecke gehen aus dem Zusammenhang mit der nachfolgenden Darlegung mehr im einzelnen hervor.
Das Verfahren und die Vorrichtung zur Erkennung der Atmung gemäß der vorliegenden Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, daß die Feuchtigkeit der Atemluft sich zwischen dem Ein- und dem Ausatmen stark ändert. Die Atemluftströmung an der Nase oder am Mund weist beim Einatmen eine relative Feuchtigkeit auf, die ungefähr gleich derjenigen der Umgebungsluft, d. h. häufig weit unterhalb von 100% ist, während sie beim Ausatmen grundsätzlich mit Wasserdampf gesättigt, d. h. von 100% relativer Feuchtigkeit ist.
Wenn die Atemluft an einer Oberfläche vorbeistreicht, die kälter als 37ºC ist, kondensiert Wasser an der Oberfläche beim Vorbeistreichen der ausgeatmeten Luft. Ein Beschlag bildet sich an der Oberfläche. Wenn beispielsweise die Oberfläche das Ende einer optischen Faser darstellt, läßt sich der Verlauf der Kondensation auf folgende Weise untersuchen. Es wird Licht oder ein anderes elektromagnetisches Strahlenbündel in die optische Faser eingeleitet, wobei das Strahlenbündel wiederum mittels einer optischen Faser von einer Quelle, die ein Laser, eine Laserdiode, eine lichtemittierende Diode oder eine Glühbirne sein kann, herangeführt werden kann. Das optische Strahlenbündel, welches das entfernte Ende der Faser erreicht, wird teilweise reflektiert und entweicht teilweise. Wenn das Ende der Faser von einem Beschlag überzogen wird, ändert sich dieses Verhältnis derart, daß ein geringerer Teil des Strahles zurückreflektiert wird, wenn die Faser feucht ist, als wenn sie trocken ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß die kleinen Wassertropfen, die den Beschlag darstellen, kleine Linsen bilden, welche die Strahlung in mehr Winkeln herauslassen als dies bei der trockenen Faser der Fall ist. Die Atmung kann dann als eine Änderung der Intensitäten des reflektierten Lichtes mit jedem geeigneten Verfahren, wie beispielsweise das nachstehend angegebene, erkannt werden.
Es ist auch möglich, die Intensitätsschwankungen des Strahlenbündels zu erfassen, das durchgelassen wird, um aus dieser Schwankung die Atmung zu erkennen. Dies kann beispielsweise mittels eines Photodetektors oder eines anderen Faserendes, das einen Teil der durchgelassenen Strahlung in der Nähe des ersten Faserendes auffängt, durchgeführt werden. Es ist auch möglich, das Prinzip gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine andere Weise anzuwenden. Zum Beispiel kann eine Schleife einer optischen Faser verwendet werden, an der die Sensorfläche durch ein Fenster beliebiger Form dargestellt wird, das einen Teil der in der Faser geleiteten Strahlung herausläßt, jedoch den Rest zum anderen Ende der Faser weiterleitet. In der gleichen Weise wie bei der Grundausführung beeinflußt die Feuchtigkeit auf dem Fenster die Intensität des Strahlenbündels, das durch das Fenster herausstrahlt, und damit auch das Strahlenbündel, das in der Faser weitergeleitet wird.
Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Prinzip anzuwenden, ohne daß ein optischer Leiter oder eine optische Faser verwendet wird. Wenn ein voll oder teilweise reflektierendes oder durchlässiges Element in den Atemstrom eingeführt und einem optischen Signal ausgesetzt wird, kann das durchgelassene oder das reflektierte Signal erfaßt und die Atmung aus dessen Schwankungen bestimmt werden. Das optische Signal kann direkt auf das reflektierende oder das durchlässige Element und in gleicher Weise auf den Sensor gerichtet werden oder es können auch entweder die Quelle des optischen Signales oder der Sensor oder beide reflektierende oder durchlässige Elemente umfassen, die eine Sensorfläche darstellen.
Es zeigen Versuche, die mit einem reflektierten Strahlenbündel aus dem Ende einer optischen Faser aus Kunststoff durchgeführt wurden, daß die Intensität des Strahlenbündels sich in guter Übereinstimmung mit der Atemluftströmung ändert, und daß keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden müssen, um Wärme aus dem Faserende abzuführen.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, in der
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Form eines Diagrammes zeigt,
Fig. 2 und 3 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Atmungssensoren zeigen,
Fig. 4 ein Beispiel eines Schaltdiagramms zeigt, das bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendbar ist,
Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Atmungsensoren zeigen, und
Fig. 5b einen Halter für eine optische Faser und ein Sauerstoffkatheter zeigt.
Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 ist ein Lasertreiberkreis 1 mit einer Laserdiode 2 gekoppelt, deren optisches Signal über einen ersten optischen Leiter 4, eine Faserkupplung 3 und einen zweiten optischen Leiter 5 in die Nähe eines Atemweges einer Person 7 geführt wird, die ein Meßobjekt darstellt. Die Faserkupplung 3 ist derart beschaffen, daß das optische Signal von dem Leiter 4 größtenteils zum Leiter 5 weitergeführt wird, während das Ausgangssignal in dem dritten optischen Leiter 6 primär aus dem optischen Signal stammt, das von dem anderen optischen Leiter 5 in die Faserkupplung 3 geleitet wird und das im vorliegenden Fall aus dem Teil des Signales aus der Laserdiode 2 stammt, der von dem Ende der zweiten optischen Faser 5, an dem sich die eigentliche Sensorfläche befindet, reflektiert wird. Die Faserkupplung 3 kann aus der ersten (4) und der dritten (6) Faser bestehen, die Kante an Kante mit der zweiten Faser 5 verbunden sind, deren Durchmesser doppelt so groß ist, wie derjenige der anderen.
Aus der dritten Faser 6 geht das optische Signal zu einem Photodetektor 8. Das elektrische Ausgangssignal, das durch das auf den Photodetektor fallende Licht erzeugt wird, besteht aus zwei Teilen: einem Gleichstrompegel, der nur von den Eigenschaften der Strahlenbündelquelle, der Faser und des Photodetektors abhängt, und einer darauf überlagerten Spannungsschwankung, die davon abhängt, wie groß der Anteil des einfallenden Strahlenbündels ist, der aufgrund des Beschlages auf der Sensorfläche am Faserende aus der Faser am Meßobjekt abgezweigt wird. Der überlagerte Spannungspegel hat den Charakter einer Sinuswelle.
Das atemabhängige Ausgangssignal des Photodetektors 8 kann auf verschiedene Weisen benutzt und verarbeitet werden. Was in Fig. 1 dargestellt ist, ist eine Detektorschaltung 9, die zum Umwandeln des Signales des Photodetektors in Rechteckimpulse im Takt der Atmung vorgesehen ist. Diese werden in dem Zeit-Frequenz-Wandler 10 in die Atmungsfrequenz umgewandelt, die auf einer Sichtanzeige 11 angezeigt wird.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Atmungssensors. Die Stirnfläche 51 des optischen Leiters 5 bildet eine Sensorfläche, die normalerweise einen Teil des zugeführten optischen Signales herausläßt und einen Teil reflektiert, wobei das Verhältnis zwischen der Durchlässigkeit und der Reflexion von dem Ausmaß der Kondensation auf der Sensorfläche 51 beeinflußt wird, die von der Atemluftströmung 71 hervorgerufen wird. Das Signal 52 im optischen Leiter 5 umfaßt demgemäß ein zugeführtes Signal und ein reflektiertes Signal. Das Ende des optischen Leiters 5 mit der Sensorfläche 51 ist hauptsächlich umgeben von einem rohrförmigen Halter 20, der den Leiter 5 und die Sensorfläche 51 an ihrem Platz in der Atemluftströmung, zum Beispiel in einem Nasenloch, halten soll. Der optische Leiter 5 kann aus einer handelsüblichen optischen Faser aus Kunststoff bestehen. Die Sensorfläche 51 sollte vorzugsweise überwiegend parallel zur Luftströmung liegen.
Eine Variante des Atmungssensors ist in Fig. 3 ersichtlich. Hier bildet die Sensorfläche 53 in abweichender Weise einen Abschnitt eines optischen Leiters, von dem die Überzugsschicht des Leiters entfernt worden ist, und der Leiter bildet hier in abweichendeer Weise eine Schleife, so daß ein Teil des zugeführten Strahlenbündels, der den Leiter an der Sensorfläche 53 nicht verläßt, zu einem Empfänger weitergeleitet wird. Mit diesem Sensor wird keine Faserkupplung 3 oder dergl. benötigt, jedoch kann ein Ende 4 das zugeführte Strahlenbündel 41 empfangen, während das andere Ende 6 ein Ausgangssignal 61 abgibt, das direkt zu einem Photodetektor 8 laufen kann.
Fig. 5 und 6 zeigen zwei alternative Ausführungen der Atmungssensoren, die nach dem gleichen Prinzip wie das der Fig. 2 arbeiten. Beide werden aus essentiell rohrförmigen Haltern 20a bzw. 20b mit einem im wesentlichen kugelförmigen Ende, das zum Einführen in die Nase vorgesehen ist, und möglicherweise einer oder mehreren Außennuten gebildet, und enthalten einen Hauptkanal 21 für die Atemströmung. In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die optische Faser 5 koaxial mit dem Hauptkanal 21 angebracht, so daß die Sensorfläche 51 zur Atmungsströmung hin gerichtet ist. Eine Anzahl von kleineren Löchern 22 sind um die Befestigung für die optische Faser 5 herum angeordnet, so daß die Atmungsströmung durch den Hauptkanal 21 an der Sensorfläche 51 vorbei und durch die Löcher 22 fließen kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Hauptkanal 21 einen Durchmesser auf, der sich bis zu etwa 8 mm erstreckt, und endet an fünf Löchern 22 von etwa 3,5 mm Durchmesser. In dem Halter 20a kann eine Nut 23 für ein Sauerstoffkatheter vorgesehen sein, und ein Sauerstoffkatheter kann zusammen mit der vom Patienten kommenden optischen Faser geführt werden. Halteelemente 25 oder 25a gemäß Fig. 5b, die Öffnungen und Kanäle aufweisen, die zum Haltern der optischen Faser bzw. des Sauerstoffkatheters ausgelegt sind, lassen sich zu diesem Zweck verwenden. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 6 verläuft der Hauptkanal 21 durchgehend und die optische Faser 5 ist radial zum Hauptkanal vorgesehen, so daß die Atmungsströmung an der Sensorfläche 51, hauptsächlich parallel zu dieser vorbeistreicht. Es ist auch möglich, die Faser 5 und die Sensorfläche 51 in anderen Winkeln zur Atmungsströmung vorzusehen, als die aus den gezeigten Ausführungsformen ersichtlichen. Die Halter 20a und 20b sind vorzugsweise aus Kunststoffmaterial, zum Beispiel Polyethylen gefertigt, und es kann die Faser 5 an ihrem Platz im Halter gehalten werden, indem die Faser mit ihrer Hülle in Gewindelöcher 23 bzw. 24 in dem Halter eingeschraubt wird.
Wie bereits erwähnt, sind auch andere Ausführungen des Atmungssensors vorstellbar, und es soll der Patentschutz nur durch den Wortlaut der Patentansprüche eingeschränkt sein. Innerhalb des Umfangs des Erfindungsgedankens ist es auch möglich, beispielsweise den rohrförmigen Halter 20 durch eine andere zweckmäßige Einrichtung zu ersetzen, welche die Sensorfläche in der Atmungsströmung festhält, wie ein Band oder dergl. oder ein anders ausgestalteter Halter. Als Beispiel kann der rohrförmige Halter 20 mit einem Ansatz versehen sein, welcher die Befestigung mittels eines Bandes erleichtert. Selbstverständlich ist es auch möglich, erfindungsgemäße Sensoren in der Atemluftströmung von Masken oder Röhren in Atemmasken oder anderen ähnlichen Geräten vorzusehen.
Eine besondere Anwendung, bei der die Erfindung von großem Wert sein kann, ist die Verwendung in magnetischen Kameras. Es dürfen keine metallischen Teile in diese eingesetzt werden, und es müssen kranke Patienten während relativ langer Untersuchungszeiten überwacht werden.
Eine Ausführungsform der Detektorschaltung 9 ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Schaltung ist dazu ausgelegt worden, die Funktion des Atmungsdetektors auch bei asymmetrischen und stark gestörten Atmungszyklen sicherzustellen. Zusätzlich zur Hauptschaltung zur Erfassung des Atmungssignals enthält Figur eine ±5-Volt-Umwandlerschaltung 91 und eine Treiberschaltung für die Laserdiode D1.
Das von dem Phototransistor T1 empfangene Signal (entsprechend dem Bezugszeichen Nr. 8 in Fig. 1) wird einem Tiefpaßfilter 94 einer Grenzfrequenz von 5 Hz zugeführt. Das gefilterte Signal wird einem Spitzenwertdetektor 95 zugeführt, der aus zwei Operationsverstärkern aufgebaut ist. Dann wird die Differenz zwischen den Signalen am Ein- und Ausgang des Spitzenwertdetektors in einem Differentialverstärker 96 gebildet. An dessen Ausgang erscheint nun der obere Spitzenwert des Signals als eine Basislinie und auf dieser Linie das etwa 100- fach verstärkte Signal. Der Verstärkerstufe folgt ein Impulsformer, der aus zwei aufeinanderfolgenden NAND-Gliedern (IC 11) besteht. Von dem ersten NAND-Glied. wird ein monostabiler Multivibrator MV 1 mit einer Impulsdauer von 6 Sekunden getriggert. Dieser monostabile Flip-Flop triggert nur an positiven ( = ansteigenden) Impulskanten. Des weiteren ist das NAND-Glied über eine Differenzierschaltung mit dem Rückstelleingang des monostabilen Flip-Flops verbunden. Folglich wird der 6-Sekundenimpuls des monostabilen Flip-Flops unterbrochen, wenn das Signal abnimmt, was infolge des Ausatmens stattfindet. Wenn jedoch das Ausatemsignal aufgrund einer Störung ausbleibt oder zu spät ankommt, läuft die Zeitspanne von 6 Sekunden ab und der monostabile Flip-Flop stellt sich zurück. Hinter dem monostabilen Flip-Flop MV 1 folgt ein zusätzlicher monostabiler Flip-Flop MV 2 einer Impulslänge von 0,1 Sekunden, dessen Aufgabe es ist, den Spitzenwertdetektor 85 über zwei Feldeffekttransistoren 97 rückzustellen, so daß eine neue Einatemphase eingeleitet werden kann.
Das Ausgangssignal der Schaltung setzt sich zusammen aus Impulsen einer Länge von 0,1 Sekunden in zeitlichen Abständen, die ein Maß der Atmungsgeschwindigkeit darstellen. Das Ausgangssignal kann mit einem Frequenzzähler verbunden werden, um nach einer geeigneten Anzahl von Impulsen gemäß herkömmlicher Technik in eine Atmungsgeschwindigkeit umgewandelt zu werden. Es kann auch unmittelbar dazu verwendet werden, ein akustisches Signal zu steuern oder auf einer Anzeige dargestellt zu werden, was auch mit dem analogen Atmungssignal durchführbar ist, das in diesem Fall zweckmäßigerweise hinter dem Differenzialverstärker 96 abgezweigt wird.
Die Schaltung gemäß Fig. 4 ist an einen Detektor gemäß Fig. 2 angepaßt, in dem das von der Sensorfläche reflektierte Licht erfaßt wird. Wird dagegen das durchgelassene Licht von dem Sensor gemäß Fig. 3 erfaßt, kann die gleiche Schaltung unter der Bedingung verwendet werden, daß das Signal umgekehrt ist.

Bauteilliste zu Fig. 4

Bezeichnung Typ/Wert IC11 4093 IC12 IR 3CO&sub2; IC13 TLC 274 IC14 4538 IC15 7b60 T1 TEYT5500 T2, T3 2N3820 R7 22 n R8 1,5 kΩ R9 5 kQ R10 2,7 kQ/20ºC R11 20 kΩ R12 1 Mn R13 10 kΩ R14, R15 1 kΩ R16, R17, R19 100 kΩ R18 1,2 MQ R20 4,7 kQ R21 27 kΩ R23 10 kΩ R22, R24, R25 100 kΩ C6 22 uF C7 0,47 uF C8, C9 100 nF C10 4,7 uF C11 1 uF C12 0,68 uF C13 0,33 uF C14, C15, C16 10 uF L1 47 uH D1 LT022MC D2, D3, D4 1N4148 D5 1N4004

Claims

1. Verfahren zur Atemerkennung, mit den Schritten

- Anordnen eines Atmungssensors in einer Atemluftströmung,

- Emittieren eines optischen Signales an den Atmungssensor,

- Erfassen des durchgelassenen und/oder reflektierten optischen Signales, das von der auf den Atmungssensor niedergeschlagenen Feuchtigkeit verändert worden ist,

- Entkoppeln der Signalschwankungen, die von der auf den Atmungssensor niedergeschlagenen Feuchtigkeit erzeugt worden sind, von dem erfaßten Signal, und

- Umwandeln des entkoppelten Signalteiles in ein Maß der Atmung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Signal über einen optischen Leiter an den Atmungssensor übertragen wird, daß die Stirnfläche des Leiters eine Sensorfläche bildet, daß Änderungen des an der Stirnfläche reflektierten optischen Signales erfaßt werden, und daß die Atmung als eine Funktion der Änderungen angezeigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Signal über einen optischen Leiter an den Atmungssensor übertragen wird, daß ein Abschnitt der Leiteroberfläche ein Fenster bildet, das eine Sensorfläche darstellt, daß Änderungen des optischen Signales, das in dem am Fenster vorbeiführenden Leiter übertragen wird, erfaßt werden, und daß die Atmung als eine Funktion der Änderungen angezeigt wird.

4. Vorrichtung zur Atemerkennung, mit

- einem Atemsensor mit einer Sensorfläche (51, 53), die in einer Atemluftströmung angeordnet werden kann,

- einer Einrichtung (1, 2) zum Emittieren eines optischen Signales an die Sensorfläche,

- einer Einrichtung (8) zum Erfassen des durchgelassenen und/oder reflektierten optischen Signales, das von der auf der Sensorfläche (51, 53) niedergeschlagenen Feuchtigkeit änderbar ist,

- einer Einrichtung (9) zum Entkoppeln der Signalschwankung, die von der auf den Atmungssensor niedergeschlagenen Feuchtigkeit erzeugt worden ist, von dem erfaßten Signal, und

- einer Einrichtung zum Verarbeiten und Umwandeln des ausgekoppelten Signalteiles in ein Maß der Atmung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfläche von der Stirnfläche (51) eines optischen Leiters (5) dargestellt wird, der das optische Signal überträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (51) im wesentlichen senkrecht zum optischen Leiter angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfläche von einem Abschnitt (53) eines optischen Leiters dargestellt wird, der ein Fenster bildet, das einen Teil des in dem optischen Leiter übertragenen Signales abzweigt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9) zum Erfassen von Extremwerten des optischen Signales von dem Sensor und Einrichtungen (10, 11) zum Anzeigen der Atmungsgeschwindigkeit nach einer vorbestimmten Anzahl von erfaßten Extremwerten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die nach einer vorbestimmten Zeitspanne nachdem ein extremer Wert des optischen Signales vom Sensor erfaßt worden ist, einen Atemstillstandsalarm auslöst, falls bis dann kein neuer extremer Wert erreicht worden ist.