SE465551B - Anordning foer bestaemning av en maenniskas hjaert- och andningsfrekvens genom fotopletysmografisk maetning - Google Patents

Description

465 55"! För att medge studium av beskrivna fenomen erfordras en ljuskälla, ljusdetektor, förstärkningselektronik och en presentationsenhet, t.ex. ett oscilloskop eller en skri- Vare.

Ljuskälla och detektor kan placeras på varsin sida om mät- objektet, och detektorn mäter följaktligen det transmitte- rade ljuset. Denna teknik brukar ibland kallas för trans- missionsfotopletysmografi och är endast tillämpbar på ett fåtal hudytor såsom fingrar, örsnibbar och tår.

En mer generell metod är att placera såväl ljuskälla som detektor i samma prob och mäta det reflekterade ljuset.

Denna teknik benämnes reflektionsfotopletysmografi och är den dominerande tekniken.

Man har länge ansett att PPG-signalens pulserande komponent eller AC-komponent beror på förändringar i blodvolymen under varje hjärtslag. Desto större blodvolym, desto mindre ljus träffar detektorn.

Emellertid står klart att detta inte är hela sanningen. För- sök har gjorts där man låtit blod pulsera i stela glasrör vilka omöjliggör en volymsförändring och endast flödets has- tighet pulserar. Även därvid erhålls en pulserande PPG- signal vilket kan förklaras med att man detekterar föränd- ringar hos orienteringen av erytrocyterna vilken varierar under varje hjärtslag.

En sammanfattning av detta är att AC-komponenten har åtmin- stone två orsaker, nämligen förändring av blodvolym och erytrocyternas orientering.

En typisk PPG-signal har i tidsplanet formen av en blod- tryckskurva med samma periodicitet som hjärtslagen. Dess- utom innehåller signalen ett antal låga frekvenser.

Föreliggande uppfinning bygger på insikten att de lägre frekvenserna uppstår till följd av förändringar i blod- flödet orsakade av sympatiska nervsystemet och andningen, vilken insikt utgår från det kända faktum att vid inand- ning sänks det intrathorakala trycket. Detta undertryck utnyttjas till att "suga" det venösa blodet till förmak och kammare.

Med denna utgångspunkt utgår uppfinningen från antagandet att detta undertryck orsakar variation i blodflödet i venösa plexus och att denna variation bör vara möjlig att detektera med PPG-teknik, speciellt om en teknik användes vilken möjliggör mätning i venösa plexus. Även nervsignaler i det sympatiska nervsystemet påverkar blodflödet. Den glatta muskulaturen kring kärlen pulserar med en frekvens nära andningsfrekvensen. Denna pulsering brukar kallas Traube-Herings vågor efter forskarna Traube- Hering. Det finns också vågor med ännu lägre frekvens, vilka brukar kallas Mayers vågor.

Vidare pulserar blodet genom de s.k. arteriovenösa anasto- moserna för att reglera kroppstemperaturen. Detta brukar ske med en frekvens av ca 0,3 Hz och kallas Burtonvågor.

Kort redogörelse för uppfinningen Föreliggande uppfinning bygger på ovannämnda insikt och på mätningar utförda medelst en enligt den teori som ligger till grund för uppfinningen konstruerad anordning.

Den uppfinningsmässiga övervakningsanordningen för PPG- mätning av blodcirkulationen är av i kravs 1 ingress an- givet slag och uppvisar i kravets kännetecknande del an- givna kännetecken.

Den omfattande försöksserie, som ligger till grund för upp- finningen och för vilken nedan kortfattat skall redogöras, 465 551 har utvisat att andningen varit den totalt dominerande lågfrekvenskomponenten i PPG-signalen.

De genomförda försöksserierna har givit vid handen att den extraherade signalen kan påträffas i huvudsak helt oberoende av var på kroppen proben placeras. Detta föran- leder slutsatsen att den extraherade PPG-signalen utgör ett mått på av andningen förorsakade variationer i blod- tryck och därmed blodflödet hos objektet. I motsvarighet härtill föreslår uppfinningen användning av organ inrättade att ur PPG-signalen separera av objektets andningsfrekvens förorsakade variationer i dess blodflöde.

En övervakningsanordning enligt uppfinningen kan förväntas få mångsidig användning inom sjukvården. Vid intensivvård och under narkos samt det postoperativa förloppet är det sålunda viktigt att övervaka hjärt- och andningsfrekvens.

Med kunskap om dessa båda fysiologiska variabler kan läka- ren eller sjuksköterskan fâ en god bild av patientens all- mäntillstând. Vid narkos kan en övervakning av dessa variab- ler underlätta en bedömning av patientens narkosdjup.

Framförallt undanröjer uppfinningen de avsevärda nackdelar som är förknippade med hittills använda övervakningssätt och -anordningar för andningsfrekvens, vilka samtliga för- utom att vara arbetskrävande och komplexa som regel dess- utom visat sig otillförlitliga.

Vid spädbarnsvård är det i allmänhet viktigare att övervaka andningsparametrar än vid intensivvård av vuxna. En över- _ vakningsanordning enligt uppfinningen är härvid överlägsen den hittills mest frekvent tillämpade metoden, nämligen användning av impedanspletysmografi via EKG-elektroder på hudytan, bl.a. eftersom sådana elektroder (vanligen tre) upptar en förhållandevis stor del av bröstkorgens yta. Vid röntgenundersökningar måste elektroderna avlägsnas eftersom de inte är röntgentransparenta.

-I§ CH (_71 (fl C31 -..x I EKG-kablar med tillhörande ingångsförstärkare induceras därjämte lätt störningar från omgivande elektriska appa- rater. Såväl induktiv som kapacitiv koppling till signal- kablarna förekommer. Under operation är EKG-registrering och hjärtfrekvensmätning omöjlig under långa tidsperioder på grund av kirurgisk användning av diatermi.

EKG-elektroder och tillhörande pasta ger vidare, särskilt vid långtidsövervakning, upphov till hudirritationer, speciellt hos spädbarn med ömtålig hud. Elektroder och tillhörande sladdar minskar vidare barnets rörelseförmåga.

Uppfinningen medför här viktiga fördelar i förhållande till angivna direkta men även förekommande indirekta metoder för andningsfrekvensmätning. Övervakningsanordningen enligt uppfinningen medför sålunda bl.a. de viktiga fördelarna att den är enkel att applicera och handha, undviker angivna problem förknippade med lång- tidsanvändning av hudelektroder, ger frihet från stör- ningar under diatermibehandling vid operation samt erbjuder möjlighet till stor frihet vid sensorns utplacering. En sensorförsedd prob kan sålunda placeras t.ex. på ett finger eller på en tå på avstånd från bröstregionen där annan undersökning pågår. Vidare kan sensorelementet ges sådan liten storlek att den icke nämnvärt stör röntgenundersök- ningar.

En övervakningsanordning enligt uppfinningen uppvisar där- jämte den mycket viktiga fördelen att den kan integreras i en rad olika medicinska instrumenttyper där hjärt- och andningsfrekvens är viktiga parametrar, t.ex. pulsoximetri och defibrillatorer.

För att medge mätning direkt på patienter måste övervak- ningsanordningen vara försedd med ett eller flera filter.

Emellertid uppstår därvid svårigheter att välja gränsfrek- 465 551 venser, eftersom signalen kan uppvisa kraftiga variationer.

En föredragen utföringsform av uppfinningen kännetecknas därför av att övervakningsanordningen innefattar ett eller flera företrädesvis digitala filter med organ för inställ- ning av gränsfrekvenser och grad av förstärkning. Filtren av angivet slag är lämpligen inbyggda i anordningen vilken dessutom företrädesvis innefattar organ för att på elektro- nisk väg avkänna signalens frekvensinnehåll för val och inställning av gränsfrekvenser.

Enligt en ytterligare vidareutveckling av övervaknings- anordningen är filtren adaptiva och inrättade att anpassa sig till aktuell hjärt- och/eller andningsfrekvens för att medge optimering av filteregenskaperna.

Därjämte föredrages att övervakningsanordningen är försedd med organ för DC-kompensering av PPG-signalen, då att dess lågfrekvenskomponenter automatiskt utbalanseras utan skad- lig energiförlust.

Vid en för praktisk tillämpning mycket viktig utförings- form av uppfinningen innefattar övervakningsanordningen en prob för applicering på lämplig kroppsdel, t.ex. ett finger, vilken prob innefattar ett organ för avgivning av ljus mot kroppsdelen och ett organ för uppfângning av kroppsdelen passerande eller i denna reflekterat ljus för vidareledning av detta till detektorenheten. Denna övervak- ningsanordning kännetecknas av till proben anslutna optiska fibrer för ledning av ljuset från ljuskällan till huden resp. från huden till detektorenheten.

Genom att vid den angivna anordningen leda ljuset via optiska fibrer till och från huden kan åstadkommas ett system som är mycket resistent mot elektromagnetiska stör- ningar, vilket är utomordentligt viktigt inom sjukvården.

Härigenom erbjudes nämligen möjlighet att registrera hjärt- och andningsfrekvens under operation med diatermi. En vid 465 551 operation störningsokänslig anordning av angivet slag innebär ett mycket viktigt framsteg.

För ändamålsenlig funktion föredrages att övervaknings- anordningen enligt uppfinningen innefattar en mikropro- cessor vilken är programmerad att utföra beräkning av fouriertransformen, och/eller att genom digital filtre- ring separera signaler avseende objektets hjärt- och and- ningsfrekvens och/eller eliminera störningar, t.ex. från 50 Hz ströljus; En ytterligare möjlighet med utnyttjande av mikroprocessor- teknik är att kombinera mätningen med SaO2-mätning med pulsoximetri.

Redogörelse för genomförd försöksserie För att vetenskapligt bekräfta ovan redovisade teori, näm- ligen att det ur en PPG-signal vars dominerande komponent utgör ett mått på objektets hjärtfrekvens det även är möj- ligt att separera en signalkomponent som anger objektets andningsfrekvens konstruerades en enkel fotopletysmograf.

Till denna fotopletysmograf utfördes fyra olika mätprober.

Samtliga använder en lysdiod som ljuskälla. En prob utnytt- jar våglängden 875 nm, tvâ 940 nm och en 950 nm. Samtliga prober mätte reflekterat ljus. Fotopletysmografen arbetade inom frekvensområdet 0,2-10 Hz eller 0,2-20 Hz.

Mätningar genomfördes på hundar, på katter, på vuxen man i 35-årsåldern samt på spädbarn i kuvös. För att påvisa så- väl andnings- som hjärtfrekvens i fotopletysmografisigna- len registrerades för vuxna och barn hjärt- och andnings- frekvensen separat med andra metoder. För djuren registre- rades endast andningen separat. Dessa mätningar fick ut- göra referenssignaler vid mätdata-analysen. Samtliga mät- ningar registrerades på mätbandspelare. 465 551 Analys av mätdata har utförts dels i tidsplanet där de båda komponenterna i fotopletysmografisignalen filtrerats ut, dels i frekvensplanet varvid effektspektrum beräknats Dessutom har korskorrelationsfunktionen för fotopletysmo- grafisignalen och referenssignalerna beräknats. Utifrån dessa analyser kan nedanstående slutsatser dragas: Utrustningen fungerar väl på vuxen. Hjärt- och andnings- frekvensen kan separeras med filterteknik. Hjärtfrekven- sen är den dominerande komponenten i signalen. De båda komponenterna framgår tydligt i effektspektrum och kors- korrelationsfunktionen påvisar korrelation med referens- signalerna.

På spädbarn i kuvös är andningen den helt dominerande komponenten. De båda komponenterna kan filtreras ut med lite större svårighet än för vuxen. De båda frekvenserna framgår i effektspektrum men andningen dominerar spektrum totalt. Korskorrelationsfunktionen påvisar korrelation med referenssignalerna.

På djur utgör andningen den dominerande komponenten. En högfrekvent komponent kan filtreras ut men ej säkerställas som hjärtfrekvensen. Effektspektrum blir bredbandigt med många toppar vars ursprung är svåra att fastställa. Kors- korrelationsfunktionen beräknades endast för andningen där korrelation kan påvisas.

En något mer detaljerad redogörelse för den genomförda försöksserien följer nedan.

Denna redogörelse hänvisar till bifogade ritningsfigurer. -ïß CI\ (TI (fl UT -..s Fig. 1 är ett blockschema som anger den principiella uppbyggnaden av mätelektroniken.

Fig. 2 och 3 är schematiska vyer av i försöksserien an- vända mätprober.

Fig. 4 och 5 är kopplingsscheman med tillhörande komponent- förteckningar.

Fig. 6 åskådliggör principen för transmissionsmätning med hjälp av fiberoptik med hjälp av en på ett finger påträdd prob.

Som ljuskälla användes lysdioder för infrarött ljus. Lys- dioder är små, mekaniskt okänsliga och har en ljusinten- sitet som är proportionell mot diodströmmen. PPG-signalens AC-komponent är svag och måste förstärkas kraftigt. För att erhålla hög signalnivå bör ljusintensiteten vara hög.

Detta kan erhållas genom att pulsa lysdioden med en hög ström. Därvid kan en betydligt högre diodström användas än vid kontinuerligt ljus. Genom att använda pulsat ljus erhålls en tidsdiskret mätning av en tidskontinuerlig signal.

För att återskapa den kontinuerliga signalen krävs enligt samplingsteoremet att pulsfrekvensen är minst dubbelt så stor som signalens frekvensinnehåll. Detta torde ligga under 20 Hz. Som pulsfrekvens valdes frekvensen 1 kHz, vilket mer än väl uppfyller samplingsteoremet. Lystiden 465 551 10 för dioden valdes till 40 ps vilket utgör en bråkdel av periodtiden 1 ms. Eftersom lystiden är så kort i förhållan- de till mörkertiden kan en mycket hög diodström användas utan att lysdioden förstörs.

För att erhålla ett kontinuerligt mätsvar hålls märvärdena konstanta mellan varje ny mätning med hjälp av en "sample and holdkrets". För att garantera ett mätvärde då dioden lyser med full intensitet stänger sample and holdkretsen (och håller mätvärdet) innan lysdioden slocknar.

Signalen från sample and hold-kretsen utjämnas genom låg- passfiltrering.

Mätelektronikens principiella uppbyggnad framgår av fig. 1.

Ett antal hänvisningar göres till kopplingsschemat i fig. 4.

Mätproben Under försöksseriens gång konstruerades fyra olika mät- prober. Dessa benämns A-D. För samtliga gäller att som detektor har en fotodiod modell S-4C från United Detector Technology använts.

Tre olika lysdioder har använts nämligen: Prob våglängd ljuseffekt A Philips CQY58 875 nm 0,5 mW B,C Telefunken TSUS 5400 950 nm 15 mW (motsvaras av Philips CQY 99) D Hewlett-Packard HEMT 1001 940 nm 2,5 mW Härvid skall observeras att ljuset är ganska bredbandigt och att våglängdsvärdena refererar till intensitetsmaximum.

Effektvärdet anger den i en halvsfär totalt utstrålade effekten och är för HEMT 1001 överslagsberäknad ur befint- liga datablad. Dessutom skall nämnas att lysdioderna spri- 4"; CN 01 Uï LH _; 11 der ljuset olika.

Fig. 1 visar en mätprob som består av ett akrylrör 4 i vilket en lysdiod 1 och detektor i form av en fotodiod 2 är ingjutna med epoxiplast 5. Röret 4 har en diameter av 8 mm och omges av ett rör 3 med diametern 12 mm.

Den i fig. 3 visade proben skiljer sig från den som visas i fig. 2 genom att dess detektor 2 är vinklad i förhållande till detektorytan.

Till de olika proberna användes följande lysdioder: Prob A använder lysdiod CQY 58 Prob B och C använder lysdiod HEMT 1001 Prob D använder lysdiod TSUS 5400 Prob A och D var konstruerade på samma sätt som den i fig. 2 visade proben B.

Som kabel mellan prob och elektronik användes en mycket tunn och smidig skärmad fyrledare saluförd av Telko under benämningen Pick-uptråd PU 402.

Pulselektronik Den använda pulselektroniken hade två uppgifter, dels att driva lysdioderna och dels generera styrsignaler till sample and hold-kretsen. Grunden till pulselektroniken är en bistabil vippa vilken genererar en fyrkantvåg med frek- vensen 1 kHz. Denna vippa är uppbyggd kring två nand- grindar (IC 1A och B i kopplingsschemat enligt fig. 4) och en buffertkrets (IC2). Klockfrekvensen är proportio- nell mot produkten R2 och C1. Kondensatorn C24 krävs för att leda bort störande högfrekvens.

Styrpulserna genererades av en monostabil vippa (IC3), vilken triggas på positiv flank av flank hos fyrkantvâgen. 465 551 12 De tider monovippan är "hög" bestäms av produkten R3 och C2 för lysdioden samt av produkten R4 och C3 för sample and hold-kretsen.

Lysdioden fick sin strömförsörjning via ett transistor- steg uppbyggt kring en Darlingtontransistor (T1 i fig. 4).

En Darlingtontransistor är egentligen två seriekopplade transistorer och har den positiva egenskapen att ha en mycket hög strömförstärkningsfaktor.

Spänningsfallet över kollektor och emitter uppgick till ca 1,4 V.

Lysdiodens styrpuls kopplades till basen på transistorn via ett motstånd (R5) dimensionerat så att transistorn bottnar vid hög puls och stryper vid låg.

Med en switch på den använda anordningens frontpanel kopp- lades motståndet R41 in parallellt med kollektormotståndet R6 och på så sätt erhölls en högre kollektorström och högre ljusintensitet. Kollektorströmmen blev 130 mA i läge "low" och 180 mA i läge "high".

Ström-spänningsomvandlaren Fotodioden i mätproben var förspänd med +2,5 V i backrikt- ningen. Denna spänning producerades av IC11 som är en precisionsregulator och höll spänningen stabil. På så sätt garanterades linjärt detektorsvar. Fotodioden levererade nu en backström som var proportionell mot detekterad ljus- intensitet. Denna ström omvandlades till en spänning av en strömspänningsomvandlare uppbyggd kring en operations- förstärkare (IC4).

Det skall noteras att ström-spänningsomvandlaren var en inverterande krets. 465 551 13 Sample and hold-kretsen (IC5) Kretsen höll de tidsdiskreta mätvärdena konstanta mellan varje ny mätning. Emellertid är sample and hold-kretsar behäftade med problemet att störningar i form av spikar från styrlogiken läcker igenom till mätvärdet. Detta blir speciellt markant för den svaga AC-komponenten. För att minska denna störning skalades styrsignalens amplitud ned till ca 2 V över motstånden R39 och R40. Till kretsen var en yttre hållkondensator C15 på 1,0 pF ansluten. Även denna bidrog till att dämpa störningsspikarna.

Lägpassfiltret 200 Hz Det första lågpassfiltret hade till uppgift att eliminera störningsspikarna från sample and hold-kretsen. Filtret är ett aktivt Tjebychevfilter av fjärde ordningen följt av en passiv RC-länk. Filtret hade designerats för att tillåta 0,5 dB ripple i passbandet och ha brytfrekvensen 200 Hz. Filtret var uppbyggt kring två kaskadkopplade operationsförstärkare (IC 6A och B) samt RC-länken R16 och C9.

Högpassfiltret 0,1 Hz Högpassfiltret eliminerade DC-komponenten och möjlig- gjorde på så sätt förstärkning av AC-komponenten. Filtret var ett aktivt, andra ordningens Tjebychevfilter uppbyggt kring en operationsförstärkare (IC7). Filtret var kon- struerat för att tillåta 0,5 dB ripple i passbandet och ha brytfrekvensen 0,1 Hz. 465 551 14 Förstärkning 1-500 ggr Förstärkaren var en icke-inverterande förstärkare uppbyggd kring en offsetkompenserad operationsförstärkare (IC10).

Förstärkningen varierades med hjälp av en potentiometer placerad i frontpanelen.

Notchfilter 50 och 100 Hz Den svaga AC-komponenten stördes kraftigt av nätfrekvensen 50 Hz samt störningar från lampor och lysrör på 100 Hz.

Dessa störningar eliminerades i två kaskadkopplade notch- filter. De är uppbyggda kring två operationsförstärkare (IC 8A för 50 Hz och IC 8B för 100 Hz). Med hjälp av potentiometrar R29 för 50 Hz-filtret och R30 för 100 Hz- filtret kunde filtren justeras i frekvensled, så att de filtrerade bort exakt önskad frekvens.

Förstärkning 10 ggr Signalen förstärktes ytterligare 10 ggr i en icke-inverte- rande förstärkare som var uppbyggd kring en operationsför- stärkare (IC9A).

Lågpassfilter 20 Hz Signalen passerade ett tredje ordningens aktivt Tjebychev- filter med brytfrekvensen 20 Hz. Dettas konstruktion till- lät 0,3 dB ripple i passbandet. Filtret var uppbyggt kring en operationsförstärkare (IC9B). Från utgången var signa- len kopplad till frontpanelens BNC-kontakt märkt "Output 20 Hz".

Lâgpassfilter 10 Hz Slutligen passerade signalen ett lågpassfilter av samma typ som ovanstående med brytfrekvensen 10 Hz. Signalen var sedan kopplad till frontpanelens BNC-kontakt märkt "Output 10 Hz".

Nätdelen Mätelektroniken bestod dels av en digital pulsdel, dels en .Iis CA C11 LH (Il ...x 15 analog förstärkar- och filtreringsdel. Ett problem som lätt uppstår då man blandar digital och analog teknik är störningar i form av spikar från den digitala till den analoga sidan. Ett sätt att minska denna störning är att använda separat matningsspänning till de båda delarna.

Därför var det inbyggda kraftaggregatet uppbyggt kring en transformator med två sekundärlindningar, vilka var och en gav en sekundärspänning av 12 V. Denna växelspänning likriktades till 15 V med likriktarbryggor, glättnings- och avstörningskondensatorer och integrerade regulatorer.

Speciellt kan påpekas att probens lysdiod drevs av en ström mellan 100 och 200 mA. Därför användes en kraftigare regulator som kan leverera mer ström till den digitala +5 V-sidan (jfr kopplingsschemat i fig. 5).

Probernas ljuseffekt För att erhålla en uppfattning om inbördes intensitets- förhållanden mellan de olika proberna gjordes följande _ mätning.

Proberna anslöts och en fotometer hölls direkt mot proben.

Den uppmätta ljuseffekten avlästes på fotometern. Det skall observeras att detta är ett integrerat mätvärde och icke effekten då dioderna lyser. Mätvärdena redovisas i nedanstående tabell.

Intensitet Prob :logi "high" A 25,1 pW - B 15,2 pW 19,0 FW C 18,4 pW 22,7 pw D 32,1 pW 38,7 pW Vid praktisk mätning visade det sig att prob D icke gick att använda då systemet började självsvänga. Detta problem âtgärdades icke. Prob B och C visade sig ge bättre resul- tat än prob A vilket troligen beror på att det avgivna .län O"\ UT (51 01 ...L 16 ljuset har längre våglängd (875 nm för prob A, 950 nm för prob B och C och 940 nm för prob D).

Mätningar och resultat _ Själva mätningen tillgick så att PPG-signalen spelades in på band. Dessutom bandades samtidigt andningsfrekvensen och vid mätning på människa även hjärtfrekvensen mätt med andra metoder. Dessa signaler användes som referenssignaler för de båda komponenterna i PPG-signalen.

Mätningar genomfördes på tre olika grupper av mätobjekt, nämligen djur, spädbarn i kuvös och vuxen man i 35-års- åldern.

Nedan presenteras ett mindre urval av gjorda mätningar.

Detta urval är vare sig slumpmässigt eller speciellt repre- sentativt. Det utgör snarare exempel på sådana mätningar som befanns vara av intresse för utvärdering av tekniken.

Ett försök till sammanfattning av mätningarna göres nedan.

Mätutrustningen Utöver ovan beskrivna PPG-utrustning mättes andningsfrek- vensen på djur och vuxen med Strain Gauge-utrustning, dvs en töjningsgivare bestående av en tunn kvicksilverfylld gummislang kopplad till en mätbrygga. Pâ vuxen mättes hjärtfrekvensen med hjälp av laser-dopplerutrustning. Då laser-dopplerutrustning användes gjordes även en mindre undersökning om andningsfrekvensen gick att spåra i laser- dopplersignalen. På djur mättes inte hjärtfrekvensen sepa- rat. Vid mätning på spädbarn mättes hjärtfrekvensen med EKG och andning med impedanspletysmografi.

De mätta signalerna kopplades direkt till mätbandspelare och därefter vidare till oscilloskop där de kunde övervakas under själva mätningen.

J> CM (TI (fl C71 ...a 11 Behandling av mätdata Ingen mätdatabehandling gjordes under själva mätningarna.

All databehandling skedde i stället på de bandade signa- lerna. Mätdata behandlades på tre olika sätt, nämligen filtrering, fourieranalys och korskorrelation.

Filtrering PPG-signalen kopplades till ett system av aktiva filter där olika filtertyper, gränsfrekvenser och förstärkningar kunde inställas. På så sätt kunde de olika komponenterna filtre- ras ut och jämföras med respektive referenssignal. De båda signalerna presenterades simultant på skrivare.

Fourieranalys Signalerna behandlades på en Ericsson PC med signalbehand- lingsprogrammet ASYSTANT. Effektspektrum beräknades för PPG- och referenssignalerna varefter jämförelser i frek- vensplanet kunde göras.

Korskorrelation Korskorrelationsfunktionen är ett bra sätt att undersöka om periodiciteten från en signal finns i en annan signal.

Exempelvis kan undersökas om det fanns stöd för antagandet att andningsperioden fanns i PPG-signalen. Korskorrela- tionsfunktionen C(k) beräknades med datorn som: N-1-|k| cm) =1/Ngx n=0 Därvid är N antalet mätpunkter, k förskjutningen mellan signalerna, X(n) är den ena signalen och Y(n) är den andra.

Härvid skall observeras att datorn arbetar med samplade signaler.

Korskorrelationsfunktionen är sålunda en form av faltning där den ena signalen kan anses "glida" över den andra. An- 465 551 18 tag t.ex. att den ena är PPG-signalen och den andra and- ningen mätt med Strain Gauge. Om andningsfrekvensen finns i PPG-signalen erhålles en periodisk korskorrelations- funktion med samma periodicitet som andningen. Vidare är funktionen i så fall symmetrisk och har, om ingen tids- förskjutning föreligger mellan signalerna, sin maxamplitud för k = 0, eftersom signalerna då “ligger på varandra" och samtliga värden bidrar.

Mätningar på vuxen man Vid dessa mätningar fästes PPG-probens hållare mot huden med dubbelhäftande tejp. Strain Gauge-givaren fästes över bröstkorgen. Laser-dopplerproben fästes också med dubbelhäftande tejp. Under hela mätningen befann sig mät- objektet i vila på en brits. Ett flertal mätningar gjordes.

Här redovisas mätning på finger, på bröstkorg och i pannan.

Mätning på finger Fingertoppen är ett mycket bra område för blodcirkulatione- mätningar med PPG-teknik. Signalen blir stark med rejäla toppar för varje hjärtslag. Frågeställningen inför denna mätning var huruvida andningsfrekvens skulle kunna detek- teras. Vid mätningen användes PPG-prob C och låg ljus- intensitet.

Vid studier i tidsplanet befanns att PPG-signalen uppvisade tydliga hjärtsignaltoppar. Dessutom fanns en periodisk låg- frekvent variation. Amplitudvariationen mellan hjärtslagen var ca 1 V medan maxvariationen uppgick till ca 3 V. Om topparna i de båda erhållna diagrammen räknades erhölls en . puls av 54 slag/minut i båda fallen.

I en efterföljande försöksserie högpassfiltrerades PPG- signalen med gränsfrekvensen 0,5 Hz.-Den lågfrekventa variationen hade då bortfiltrerats.

Därefter lågpassfiltrerades PPG-signalen med gränsfrekvensen 19 0,5 Hz. Andningssignalen användes därvid som referens- signal. Signalerna visade sig överensstämma väl. Amplitud- variationerna i PPG-signalen var ca 3 V. Genom att räkna topparna erhölls andningsfrekvensen 15 andetag/minut.

I en efterföljande försöksserie lågpassfiltrerades PPG- signalen med gränsfrekvensen 0,5 Hz då försökspersonen höll andan. Variationen i PPG-signalen sjönk då och blev mindre än 1 V.

Frekvensanalys Då försökspersonen befann sig i vila under hela mättiden kan signalen antas vara stationär under ett längre tids- förlopp. Frekvensstudier gjordes därför på ett drygt 50 sekunder långt mätintervall (1024 punkter). Vid studium av effektspektrum för PPG-signalen och effektspektrum för andningssignalen och laser-dopplersignalen visade sig tydligt att PPG-signalen innehöll två frekvenstoppar vilka överensstämde med andningstoppen och hjärtfrekvenstoppen.

Korskorrelation Korskorrelationsfunktionen mellan de olika mätmetoderna beräknades på 25 sekundersintervall. Härvid framgick att PPG-signalen var väl korrelerad med såväl andnings- som laser-doppler-mätningen. Däremot var laser-dopplersignalen icke speciellt korrelerad med andningen. Laser-doppler- tekniken lämpar sig sålunda icke för andningsfrekvensmät- ning.

Slutsats Fingertoppen är ett utmärkt ställe för PPG-tekniken. Med den framtagna utrustningen kunde såväl andnings- som hjärtfrekvens mätas.

Mätning på bröstkorgen En liknande försöksserie genomfördes med proben placerad i tredje intercostalrummet. Härvid användes prob A med 465 551 20 låg ljusintensitet.

Slutsats Bröstkorgen visade sig även vara ett möjligt mätområde för denna teknik. Här avspeglas troligen även bröstkorgens rörelse i signalen.

Mätnin i annan Som sista mätning på vuxen gjordes en mätserie med proben placerad i pannan. Härvid användes prob C med låg intensi- tet. Det konstaterades att pannan icke är ett bra mätområde för PPG-tekniken eftersom svaret blir rätt svagt. Däremot är pannan ett omrâde som uppvisar lâgfrekvent variation av blodflödet i huden, vilket benämnes vasomotion. Denna variation är möjlig att detektera med laser-dopplerteknik.

Undersökningen inriktades på att utvisa om denna variation är synlig med PPG-tekniken eller om det är andningen som mäts.

Slutsats Frekvensstudien av mätresultaten och framför allt kors- korrelationsfunktionen visar tydligt att PPG-signalen inne- håller både andnings- och hjärtfrekvens. Detta syns emeller- tid icke tydligt i tidsplanet vilket torde bero på att pannan icke är ett bra omrâde för mätning. Även laser- dopplersignalen innehåller lågfrekventa komponenter vïUæ:.finrr går av frekvensspelctrmn. Detta härrör troligen frå: vasomotion.

Det är möjligt att även denna variation finns i PPG-signalen.

Mätning på spädbarn i kuvös Vid mätningarna på spädbarn visade det sig att andnings- komponenten var den klart dominerande och icke hjärtfrek- vensen som hos vuxen. Detta kan förklaras med att bröst- korgens form ger ett kraftigare thorakalt uzdertryck vid inandning för barn. Barn har dessutom mycket högre hjärt- frekvens än vuxna, upp till 200 slag/minut. Dessutom är andningsfrekvensen högre, nämligen upp till 100 andetag/zinut. 4> G\ UH LH åfi ...L 21 Barnen var kontinuerligt övervakade vad gäller hjärtfrek- vens, vilken registrerades med EKG och andning som regist- rerades med impedanspletysmografi. Samma elektroder använ- des för båda mätningarna. Dessa båda mätsignaler bandades samtidigt med PPG-signalen. Totalt gjordes mätningar på tre olika barn.

Slutsats De genomförda försöksserierna gav som resultat att tekniken fungerar även på spädbarn men här är andningen den domine- rande komponenten. Att filtrera ut de båda komponenterna är betydligt svårare då den starka andningsfrekvensen måste kraftigt undertryckas. Gränsfrekvensen för högpassfiltret valdes till att ligga nära hjärtfrekvensen just för att kunna undertrycka andningen. Att hjärtfrekvensen var mycket svag och måste förstärkas ytterligare kan förklaras med att mätningen skedde på bröstkorgen där bröstkorgens rörelser säkert bidrog till andningskomponenten.

Ytterligare mätningar Liknande mätserier företagna med barnet vänt liggande på mage varefter proben fästes på ryggen resp. mätningar i fotsulan gav bl.a. som resultat att även vid mätning så långt från bröstkorgen som fotsulan är andningen den domi- nerande komponenten. Amplituden i PPG-signalen ligger dock lägre i fotsulan än för de övriga mätningarna. gätning på djur Totalt genomfördes mätningar på ett tiotal hundar och två katter. Samtliga djur var antingen sövda med narkos eller bedövade av farmaka inför olika former av kirurgiska in- grepp. Många av djuren var rakade på buken och i dessa fall skedde mätningen på rakat hudparti. Probens hållare var fäst i ett spännband av gummi vilket spändes runt djuret. Vidare registrerades andningen med Strain Gauge- utrustningen. Någon separat mätning av hjärtfrekvens skedde icke. 465 551 22 Analys av mätdata från djur visade sig mycket svårare än med mätdata från människa. Signalkvaliteten var inte lika god. Liksom vid mätning på barn visade det sig att and- ningen var den dominerande komponenten. Vidare var mät- resultaten från de olika hundarna mycket olika varandra.

Det var svårt att se ett mönster i resultaten. Att filtrera ut de båda komponenterna var även behäftat med svårigheter.

Framför allt hjärtfrekvensen var svår att finna. En refe- renssignal till hjärtfrekvensen var många gånger önskad.

Icke heller frekvensanalysen ger ett entydigt resultat.

Spektrum innehåller många toppar vilkas ursprung icke går att fastställa. Mycket är säkert helt enkelt övertoner.

Vidare har hundar inte alltid jämn hjärtfrekvens, utan den pâverkas bl.a. av andningen. Detta gör att signalen inte är stationär under någon längre tid vilket försvårar frek- vensanalysen.

Utvärdering av mätresultaten De genomförda provserierna ger vid handen att det är fullt möjligt att detektera andnings- och hjärtfrekvens hos vuxna och barn med utrustning enligt föreliggande uppfinning. Då det gäller djurmätningarna är resultaten mer tvetydiga.

Flera mätningar har emellertid haft positiva tendenser, och det är troligen möjligt att mäta även på djur. Signal- kvaliteten måste emellertid därvid förbättras.

Ett försök att kvantifiera mätresultaten Nedanstående tabell sammanfattar gjorda mätningar och gör ett försök att kvantifiera kvaliteten på mätningarna, på de behandlade signalerna och beräknade signalparametrar.

Bedömningen är subjektiv och siffrorna i tabellen har följande vaga betydelse: . 3 Mycket bra och entydig signal eller signalparameter vilken borde duga för någon form av elektronisk av- känning 465 551 23 2 En relativt tydlig signal eller signalparameter för ett mänskligt öga. Duger kanske inte obehandlad för elektronisk avkänning 1 Mycket otydlig signal eller signalparameter men kan uppfattas av ett tränat öga. Duger inte för elektronisk avkänning 0 Den sökta komponenten kan inte urskiljas ur signalen eller signalparametern - Mätningen genomfördes inte Vidare redovisas medelvärdet av bedömningarna för varje mätning. Detta mått blir väldigt grovt och bör endast an- vändas för en hastig överblick.

Tabell 1 dmámndlad filtrerad Frekvens- Kbräqnze- nedel signal signal analys lation Hjärta Andn. Hjärta Andn. Hjärta Andn. Hjärta Andn. i finger 3 1 3 3 2,8 bröstkorg 2 1 3 3 3 3 2,5 panna 3 0 - 2 3 3 3 3 2,4 Barn bröstkorg 0 3 3 3 3 3 2,5 rygg 0 2 2 3 2 2 1 3 1,9 fotsula 0 2 3 3 3 2 2 2 2,1 22311: spaniel buk 0 3 2 - O 2 - 2 1,3 bakben O 3 2 - 0 3 - 3 1,8 465 551 24 Obehandlad Filtrerad Frekvens- Korskorre- nedel srgrfl sigfid æædys latkm Ifiärta.AmüL Hjäfiæ1Andn.EfiäruaAndn.Iüärta2kfih. terrier buk 1 1 2 3 0 3 - 3 1,9 rygg 1 0 1 O 0 0 - 0 0,3 Katt buk 0 . 3 2 - 0 3 - 3 1,8 baktass 0 0 2 2 0 3 - 3 1,4 Med obehandlad signal avses lågpassfiltrerad signal med gränsfrekvensen 5 eller 10 Hz.

Anordning för direkt mätning på ett objekt På basis av ovan kortfattat redovisade försöksserier har framtagits en anordning som medger direkt mätning på ett mätobjekt såsom en människa eller ett djur. Denna anordning, som är av i krav 1 angivet slag erbjuder möjlighet att på en displayer eller medelst en skrivare kontinuerligt över- vaka en patient såväl vad avser hjärt- som andningsfrek- VeIlS .

Anordningens prob innefattande ljuskälla, detektorenhet samt elektronisk förstärkarenhet kan vara av i huvudsak ovan beskrivet slag.

Anordningen kan därjämte inkludera de beskrivna filter- enheterna vilka är nödvändiga för att ur den detekterade PPG-signalen separera den signalkomponent som indikerar objektets andningsfrekvens.

Presentationsenheten kan variera i beroende av föreliggande önskemål och vara t.ex. en display eller skrivare.

Detanwàfia filtret är lämpligen av digital typ.ï: 25 Filtret eller filtren är försedda med organ för inställ- ning av gränsfrekvenser och grad av förstärkning. Vidare bör de vara inrättade att på elektronisk väg avkänna PPG- signalens frekvensinnehåll för val och inställning av lämpliga gränsfrekvenser.

För att åstadkomma en tillförlitlig övervakningsanordning bör den dessutom innefatta en mikroprocessor vilken är programmerad att utföra beräkning av fouriertransformen.

En sådan mikroprocessor kan vidare vara inrättad att genom digital filtrering separera signaler avseende objek- tets hjärt- resp. andningsfrekvens. Den kan också vara programmerad att eliminera störningar, t.ex. från strö- ljus av 50 Hz.

Fig. 6 visar en modifierad utföringsform vid vilken an- vändes en med fiberoptik samverkande ett finger 12 på- trädd prob 10. Genom att leda ljuset via optiska fibrer 11 kan åstadkommas ett system som är resistent mot elektromagnetiska störningar, vilket är utomordentligt viktigt inom sjukvården.

Anordningen enligt fig. 6 medger registrering av hjärt- och andningsfrekvens under operation med diatermi vilket icke tidigare varit möjligt.

Den vid övervakningsanordningen enligt uppfinningen an- vända presentationsenheten skall vara utformad att mot- svara den aktuella övervakningssituationen. Möjlighet till lagring av data under längre tid med möjlighet till snabbanalys av såväl andnings- som hjärtstörningar bör in- gå i enheten. Den bör därjämte uppvisa konventionella larmfunktioner för t.ex. brady- resp. tachykardi och and- ningsstillestånd. Dessutom bör möjligheter finnas till dokumentation på andra medier, t.ex. på skrivare för journalföring. 465 551 26 övervakningsenheten kan därjämte uppvisa andra ändamåls- enliga funktioner, t.ex. medge automatisk inställning av olika signalamplituder för andnings- och hjärtverksamhet för olika patienter och vid olika medicinska tillstånd.

Enhetens larmdel inkluderande aktuella larmgränser är därjämte lämpligen modifierbara i beroende av föreliggande omständigheter.

Av ovanstående beskrivning torde framgå att övervaknings- anordningen enligt uppfinningen som medger samtidig stör- ningsfri och galvaniskt isolerad mätning av såväl andnings- som hjärtfrekvens har intressanta tillämpningar i en rad situationer där idag befintliga metoder och anordningar störs ut eller är farliga att använda. Exempel på sådana tillämpningar är övervakning under diatermi vid kirurgi, övervakning i höga elektriska och magnetiska fält, t.ex. under MR-undersökningar samt arbetsfysiologiska undersök- ningar i industriell miljö. Andra exempel på lämpliga användningsområden för en övervakningsanordning enligt uppfinningen är i kombination med andra metoder såsom pulsoximetri, där det är önskvärt att med hjälp av en prob kunna registrera hjärtfrekvens, andningsfrekvens och syrgasmättnad, och vidare vid defibrillering.

Vidare kan övervakningsanordningen användas vid speciella undersökningar, t.ex. i magnetkamera, under njurstens- krossning, och under bestrâlning där andra metoder blir utstörda. övervakningsanordningen har vidare veterinärmedicinsk an- vändning, särskilt för bedömning av narkosdjup under opera- tion.

Ytterligare tillämpningar där idag kända metoder är svåra att använda på grund av elektromagnetiska eller akustiska störningar är t.ex. arbetsfysiologiska utvärderingar, studier i tung industri, stridspiloters fysiologiska reaktioner under flygning etc.

Claims (8)

-ï Ch U'1 (fl (fl -..x 27 Patentkrav

1. Med optisk sensor försedd pulsfrekvensanalyserande övervakningsanordning genom fotopletysmografisk mätning (PPG-mätning) av blodcirkulation på ett mätobjekt såsom en kroppsdel till en människa eller ett djur, vilken an- ordning innefattar: a) en ljuskälla (1), företrädesvis en lysdiod för infrarött ljus, b) en detektorenhet (2) för detektering av en alstrad PPG-signals växelspännings- eller AC-komponent för bestäm- ning av objektets hjärtfrekvens, c) en elektronisk förstärkarenhet, d) en presentationsenhet, t.ex. ett oscilloskop, en display eller skrivare, k ä n n e t e c k n a d av organ för att ur den detekte- rade PPG-signalen separera en signalkomponent som indikerar objektets andningsfrekvens.

2. Övervakningsanordning enligt krav 1, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda organ är inrättade att ur PPG-signalen separera av objektets andningsfrekvens för- orsakade variationer i objektets hudblodflöde.

3. övervakningsanordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar ett eller flera företrädesvis digitala filter med organ för in- ställning av gränsfrekvenser och grad av förstärkning.

4. övervakningsanordning enligt krav 3, k ä n n e- t e c k n a d av att filtren är inbyggda i anordningen, 465 551 28 och att denna innefattar organ för att på elektronisk väg avkänna signalens frekvensinnehåll för val och in- ställning av gränsfrekvenser.

5. övervakningsanordning enligt krav 4, k ä n n e- t e c k n a d av att filtren är adaptiva och inrättade att anpassa sig till aktuell hjärt- och/eller andnings- frekvens för att medge optimering av filteregenskaperna.

6. Övervakningsanordning enligt något av krav 1-5, k ä n n e t e c k n a d av organ för DC-kompensering av PPG-signalen, så att dess lågfrekvenskomponenter automa- tiskt utbalanseras utan skadlig energiförlust.

7. övervakningsanordning enligt något av krav 1-6, innefattande en prob (10) för applicering på lämplig kroppsdel, t.ex. ett finger (12), vilken prob (10) inne- fattar ett organ för avgivning av ljus mot kroppsdelen och ett organ för uppfångning av kroppsdelen passerande eller i kroppsdelen reflekterat ljus för vidareledning av detta till detektorenheten, k ä n n e t e c k n a d av till proben (10) anslutna optiska fibrer (11) för ledning av ljuset från ljuskällan till huden resp. från huden till detektorenheten.

8. Övervakningsanordning enligt något av krav 1-7, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar en mikro- processor vilken är programmerad att utföra beräkning av fouriertransformen och/eller att genom digital filtrering separera signaler avseende objektets hjärt- resp. and- ningsfrekvens och/eller eliminera störningar, t.ex. från 50 Hz ströljus.