WO2000069328A1 - Vorrichtung zur bestimmung verschiedener durchblutungszustände und der sauerstoffsättigung in blutführendem gewebe - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung verschiedener durchblutungszustände und der sauerstoffsättigung in blutführendem gewebe Download PDF

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WO2000069328A1
WO2000069328A1 PCT/DE2000/001590 DE0001590W WO0069328A1 WO 2000069328 A1 WO2000069328 A1 WO 2000069328A1 DE 0001590 W DE0001590 W DE 0001590W WO 0069328 A1 WO0069328 A1 WO 0069328A1
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measurement signal
tissue
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electromagnetic radiation
measurement
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PCT/DE2000/001590
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Ok-Kyung Cho
Birgit Holzgreve
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Phiscience Gmbh, Entwicklung Von Sensoren
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Publication date
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    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
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    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence

Definitions

  • a method and device for the determination of various blood circulation states and the oxygen saturation in blood-carrying tissue by oximetric methods is described.
  • the device is suitable, for example, for the detection and localization of inflammation, tumors or arteriosclerosis.
  • Oximetry is generally concerned with the determination of oxygen saturation. Oxygen saturation is determined by directing electromagnetic radiation of different wavelengths - usually in the visible to infrared spectral range - at a suitable part of the body, the radiation interacting with the molecules of the body. The wavelengths of the radiation are chosen such that oxygenated and deoxygenated hemoglobin only interacts with radiation of one wavelength and causes a significant change in the intensity of scattered or transmitted radiation. A third wavelength may also be used as a reference.
  • the radiation emerging from the living body is collected by a photodetector and processed by an electronic evaluation unit. If necessary, find several photodetectors, e.g. B. photodiodes, application, the appropriate filters are equipped. This method has been known for a long time and is widely used.
  • pulse oximeters There are two main groups of devices in oximetry: pulse oximeters and non-pulse-dependent oximeters. With pulse oximeters only the relative change of the oxygen saturation ia of the hemoglobin in arterial blood can be measured depending on the pulse. Non-pulse-dependent oximeters measure the oxygen saturation ia of hemoglobin in blood-circulating tissue and at the same time allow Information about the degree of blood flow to the tissue. Pulse oximeters use radiation of two suitable wavelengths. Examples of pulse oximeters are provided, for example, by US 5820550, US 5595176, US 5503148 and US 5353791; measurements of the blood flow to the tissue are not possible with them.
  • Non-pulse-dependent oximeters measure at at least three different wavelengths, which enables statements about the blood flow to the tissue as well as the determination of the oxygen saturation in the entire irradiated tissue.
  • US 5318022 Provide good examples, here measurements of the oxygen saturation of hemoglobin in the eye are described using a multi-channel argon laser, and US 5353791 (Tamura et al.). The latter uses semiconductor lasers as light sources, with corresponding cable connections being explicitly mentioned.
  • LEDs are known from US 5564417 (Chance et al.), Where, in addition to clinical use, an oximeter for long-term outpatient use is described, among other things, but is also expressly attached to the body ("mounted on a subjeet”) and therefore only one specific target region examined.
  • All devices described - including those that are intended for outpatient use - must be fixed to the patient's body for measurement. None of the devices described is suitable for the flexible localization of changes in perfused tissue, for example as a result of inflammation, tumors or arteriosclerosis. Rather, what is needed for this is a device that allows different parts of the human body to be reached as freely as possible. In particular, the attending physician should be able to hold the device with his hand during the examination of the patient and to scan a part of the body in short time and space (i.e. to scan it).
  • the device In order to ensure the required flexible use and at the same time to be able to examine tissue layers a few centimeters deep, the device must have a high sensitivity due to the low measurement signal. So far, however, high sensitivities have been realized at reasonable costs at the expense of the measuring speed. However, a device for said flexible use must have a sufficient measuring speed in addition to said high sensitivity so that fixation can be omitted.
  • the method according to the invention and the corresponding device are based on non-invasive measurements of suitable variables.
  • the scattering of certain wavelengths irradiated into suitable tissue is measured at tissue homogeneities or boundaries.
  • the spreading capacity depends on the amount of blood in the tissue.
  • Suitable light sources are used to generate three different wavelengths. For these wavelengths there is a different absorption capacity for oxygenated and deoxygenated blood.
  • the oxygen content of the blood and the blood flow to the tissue can be determined from the evaluation of the different reflected wavelengths.
  • the measured values depend primarily on the following variables: distance of the light sources from one another, type of tissue examined and wavelength of the radiation used.
  • the object of the invention is accordingly to provide an oximeter which is suitable for flexible use, ie that fixation is not necessary and which is also capable of reaching deep tissue layers. For this it is necessary that such an oximeter has a high sensitivity with a sufficient measuring speed and good economic usability. The latter requires that a such oximeter must be inexpensive to manufacture despite the requirements mentioned.
  • a special version of the invention should be suitable for being integrated into a medical information system and for transmitting data to an external station or for communicating with one another wirelessly.
  • the latter would enable a patient to carry out certain routine examinations themselves, which can then be carried out from a suitable location, e.g. B. a doctor.
  • the device according to the invention which can be used flexibly, can be held in the hand by the treating person during the measurement and does not require any fixation on the patient's body. In this way it is possible to scan (scan) a part of the body in short time and space.
  • the device according to the invention can therefore rightly be referred to as an oxi scanner.
  • An assessment of the blood flow determined in this way at different parts of the body enables the localization of changes in blood-carrying tissue to be localized. In this way e.g. Blockages in the bloodstream are found, as are typical for arteriosclerosis, among other things.
  • the flexible usability also makes it possible to examine parts of the body that are too sensitive for fixation, such as inflammation or soft tissues.
  • the invention is suitable for localizing processes which are associated with increased or reduced blood flow, such as pathological changes in the tissue, e.g. Inflammation or tumors.
  • the device according to the invention can in particular have the following features cumulatively or alternatively:
  • a transmitter circuit at least three different wavelengths (ie at least three measuring beams) are used for the measurement of electromagnetic radiation, which are directed from their respective radiation sources onto the living body to be examined.
  • Said electromagnetic radiation is modulated with a certain modulation frequency.
  • a photodetector which is mounted at a defined distance from the radiation sources used, receives the radiation emerging from the living body. This radiation represents a superposition of different frequencies. Said photodetector converts this radiation into a measurement signal.
  • a preamplifier module then amplifies the measurement signal, which is divided into two exactly opposite signals by means of two further, parallel amplifiers, namely a non-inverting and an inverting amplifier. Said opposite signals are then routed together into one demodulation circuit for each modulation frequency, which are each controlled by means of said modulation frequency.
  • several demodulation circuits are operated in parallel, each of which is controlled by one of the said modulation frequencies of the transmitter circuit.
  • the demodulated signals are then digitized in an evaluation circuit by means of suitable AD converters and evaluated by means of a suitable microcontroller, microprocessor or computer.
  • modulation frequencies are derived from a common master frequency (generated by a master oscillator) by using electronic frequency dividers.
  • measures (a) to (e) listed above enables rapid measurement with good channel separation by simultaneous signal processing using at least three demodulation circuits.
  • High sensitivity is achieved by using a preamplifier module (i.e. preamplifier with filters) on the one hand, and by avoiding interference signals that could result from beatings. The latter is done by deriving the modulation frequencies used from a common master frequency and choosing a suitable integration period.
  • preamplifier module i.e. preamplifier with filters
  • the latter is done by deriving the modulation frequencies used from a common master frequency and choosing a suitable integration period.
  • the economic usability of the device according to the invention is supported by the fact that square wave oscillations, which are cheaper to produce, are used in the demodulation circuits instead of the usual sine oscillations. Disadvantages of the square wave oscillations are compensated for by the choice of suitable frequencies.
  • the device according to the invention can be equipped with means for wireless data (fem) transmission to an external station or for communication with said external station.
  • means for wireless data (fem) transmission to an external station or for communication with said external station.
  • the data transfer takes place directly with an integrated communication unit, or via an interface, to which common means for data transfer are connected (e.g. a cell phone, etc.)
  • a transmitter circuit In a preferred, basic embodiment, as described above, a transmitter circuit, a receiver circuit and an evaluation circuit are used.
  • the transmitter circuit at least three different wavelengths are used for the measurement of electromagnetic radiation, which is aimed at the living body to be examined. Said electromagnetic radiation is modulated with a certain modulation frequency per wavelength.
  • the modulation frequencies are derived from a common master frequency, which represents an integer multiple of the reciprocal values of both said modulation frequencies and the network frequencies 50 and 60 Hz.
  • a photodetector receives, at a defined distance from the radiation sources used, the radiation emerging from the living body and converts it into a measurement signal.
  • a pre-amplifier module consisting of sensitive amplifiers and filters, amplifies the measurement signal, which is divided into two exactly opposite signals by means of two further, parallel amplifiers, one non-inverting and one inverting, which then lead together into one demodulation circuit for each modulation frequency become.
  • Said demodulation circuits are each controlled by means of one of said modulation frequencies.
  • the measurement signal is circuit-wise in each of said demodulation circuits with a rectangular Multiplied vibration that can be generated inexpensively. Interfering harmonics contained therein are largely eliminated in a targeted manner through the selection of suitable frequencies. For this purpose, the frequencies are in certain relationships to one another so that a largely undisturbed measurement is possible.
  • the integration period is an integral multiple of the reciprocal values of the network frequencies 50 Hz and 60 Hz.
  • the demodulated signals are then digitized using suitable A / D converters and evaluated using a suitable microcontroller, microprocessor or computer.
  • the different wavelengths are generated by means of appropriate, possibly also multi-colored LEDs.
  • laser diodes or any other suitable light sources are used instead of the LEDs.
  • the means for emitting electromagnetic radiation of the said wavelengths and the corresponding means for receiving scattered or transmitted components are arranged such that they can be moved so that, for example, their spacing can be changed as a physical parameter.
  • the multiplication of the measurement signal by said square wave is carried out by software instead of by means of electronic components.
  • a sine wave is used instead of said square wave when the measurement signal is multiplied by software.
  • means are provided for wireless transmission of the measured, calculated and / or evaluated data to an external station.
  • means for mutual wireless communication between the device according to the invention and said external station are available, in particular, but not exclusively, DECT (cordless telephone), GSM or UTMS (mobile phone), radio (transponder, transceiver), infrared, ultrasound , etc.
  • Data transmission or communication using the Internet is expressly provided.
  • said wireless communication or said wireless data transmission relates, for example, to the communication between the device according to the invention and an Internet server. Basically, all means familiar to a person skilled in the art are available for said wireless data transmission or communication.
  • the device according to the invention has an interface to which said means for mutual wireless communication can be connected.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren und Gerät zur Bestimmung verschiedener Durchblutungszustände und der Sauerstoffsättigung in blutführendem Gewebe. Das Gerät eignet sich dank seiner flexiblen Handhabbarkeit beispielsweise auch zur Erkennung und Lokalisierung von Entzündungen, Tumoren und/oder Arteriosklerose. Dabei werden oximetrisch gewonnene Daten im Hinblick auf Veränderungen der Durchblutung ausgewertet, die auch für Entzündungen, Tumore oder Arteriosklerose typisch sind. Das Gerät ist für den mobilen ambulanten Einsatz geeignet und kann während der Anwendung in der Hand gehalten werden. Darüber hinaus kann das Gerät in ein medizinisches Informationssystem integriert werden und Daten an eine externe Station übertragen, was es beispielsweise ermöglicht, daß ein Patient selbst gewisse Routineuntersuchungen durchführen kann, die dann von einer geeigneten Stelle ausgewertet werden.

Description

Bezeichnung der Erfindung Vorrichtung zur Bestimmung verschiedener Durchblutungszu- stände und der Sauerstoffsättigung in blutführendem Gewebe
Beschreibung
Technisches Gebiet
Beschrieben wird ein Verfahren und Gerät zur Bestimmung verschiedener Durchblutungszustände und der Sauerstoffsättigung in blutführendem Gewebe nach oximetrischen Methoden. Das Gerät eignet sich beispielsweise zur Erkennung und Lokalisierung von Entzündungen, Tumoren oder auch Arteriosklerose.
Stand der Technik
Die Oximetrie befaßt sich allgemein mit der Bestimmung der Sauer- stoffsättigung. Die Sauerstoffsättigung wird ermittelt, indem elektromagnetische Strahlung verschiedener Wellenlängen - meist im sichtbaren bis infraroten Spektralbereich - auf eine geeignete Körperstelle gerichtet wird, wobei die Strahlung mit den Molekülen des Körpers in Wechselwirkung tritt. Die Wellenlängen der Strahlung sind dabei so gewählt, daß oxige- niertes und deoxigeniertes Hämoglobin jeweils nur mit Strahlung einer Wellenlänge wechselwirkt und eine signifikante Veränderung der Intensität von gestreuter bzw. transmittierter Strahlung bewirkt. Gegebenenfalls wird noch eine dritte Wellenlänge als Referenz verwendet. Die wieder aus dem lebenden Körper austretende, Strahlung wird von einem Photodetektor aufgefangen und von einer elektronischen Auswerteeinheit weiterverarbeitet. Gegebenenfalls finden auch mehrere Photodetektoren, z. B. Pho- todioden, Anwendung, die entsprechenden Filtern ausgestattet sind. Diese Methode ist schon seit langem bekannt und weit verbreitet.
In der Oximetrie lassen sich zwei Hauptgruppen von Geräten unterscheiden: Puls-Oximeter und nicht-pulsabhängige Oximeter. Mit Puls- Oximetern kann lediglich die relative Änderung der Sauerstoffsättigung i. a. des Hämoglobins in arteriellem Blut in Abhängigkeit vom Puls gemessen werden. Nicht-pulsabhängige Oximeter messen die Sauerstoffsättigug i. a. des Hämoglobins in durchblutetem Gewebe und erlauben gleichzeitig Angaben über den Grad der Durchblutung des Gewebes. Puls-Oximeter verwenden Strahlung zweier geeigneter Wellenlängen. Beispiele für Puls- Oximeter liefern z.B. US 5820550, US 5595176, US 5503148 und US 5353791 , Messungen der Gewebedurchblutung sind mit ihnen nicht mög- lieh. Nicht-pulsabhängige Oximeter hingegen messen bei mindestens drei verschiedenen Wellenlängen, wodurch sowohl Aussagen über die Durchblutung des Gewebes als auch die Bestimmung der Sauerstoffsättigung im gesamten durchstrahlten Gewebe ermöglicht werden. Gute Beispiele liefern US 5318022 (Taboda et al.), hier werden Messungen der Sauer- Stoffsättigung des Hämoglobins im Auge mittels eines mehrkanaligen Argonlasers beschrieben, und US 5353791 (Tamura et al.). Letzterer verwendet Halbleiterlaser als Lichtquellen, wobei entsprechende Kabelverbindungen explizit erwähnt werden. Die Verwendung von LEDs ist aus US 5564417 (Chance et al.) bekannt, wo neben einer klinischen Anwen- düng unter anderem ein Oximeter zur ambulanten Langzeitanwendung beschrieben wird, das jedoch ebenfalls ausdrücklich am Körper angebracht ("mounted on a subjeet") wird und daher nur jeweils eine spezifische Zielregion untersucht.
Alle beschriebenen Geräte - auch diejenigen, die für den ambulanten Einsatz vorgesehen sind - müssen zur Messung am Körper des Patienten fixiert werden. Keines der beschriebenen Geräte ist für die flexible Lokalisierung von Veränderungen durchbluteten Gewebes, beispielsweise infolge von Entzündungen, Tumoren oder auch Arteriosklerose, geeignet. Hierfür wird vielmehr ein Gerät benötigt, das es erlaubt, verschiedene Stellen des menschlichen Körpers möglichst ungehindert zu erreichen. Insbesondere sollte es dem behandelnden Arzt ermöglicht werden, das Gerät während der Untersuchung des Patienten mit der Hand halten zu können und ein Körperteil in kurzen zeitlichen und räumlichen Abständen abzutasten (also quasi zu scannen). Auf diese Weise können auch Körperstellen untersucht, an denen eine Fixierung ungünstig ist - insbesondere Weichteile - und der Verlauf der Durchblutung in einem bestimmten Körperteil anhand von Messungen in definierten zeitlichen oder räumlichen Abständen bestimmt werden (z. B. im Hinblick auf Arteriosklerose). Die Möglichkeit, nicht nur oberflächennahe Gewebepartien untersuchen zu können, sondern auch Gewebeschichten mit einer Tiefe von einigen Zentimetern, ist dabei Voraussetzung. Dies bedingt einen weiten Abstand zwischen Strahlungsquelle und Detektor und somit ein geringes Meßsignal.
Um den geforderten flexiblen Einsatz zu gewährleisten und gleichzeitig Gewebeschichten von einigen Zentimetern Tiefe untersuchen zu können, muß das Gerät aufgrund des besagten geringen Meßsignals eine hohe Empfindlichkeit besitzen. Bisher werden hohe Empfindlichkeiten jedoch bei vertretbaren Kosten zu Lasten der Meßgeschwindigkeit realisiert. Ein Gerät für besagten flexiblen Einsatz muß jedoch zusätzlich zu besagter hoher Empfindlichkeit eine ausreichende Meßgeschwindigkeit aufweisen, damit eine Fixierung entfallen kann.
Darstellung der Erfindung
Entzündungen und Tumore, aber auch Arteriosklerose äußern sich unter anderem in einer Veränderung oder Störung der Durchblutung des be- troffenen Gewebes bzw. Organs. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung basieren auf nicht-invasiven Messungen geeigneter Variablen. Dabei wird die Streuung bestimmter, in geeignetes Gewebe eingestrahlter, Wellenlängen (beispielsweise im sichtbaren bzw. IR Bereich) an Gewebeinhomogenitäten bzw. -grenzen gemessen. Das Streuvermögen hängt von der im Gewebe befindlichen Blutmenge ab. Mittels geeigneter Lichtquellen werden drei verschiedene Wellenlängen erzeugt. Für diese Wellenlängen besteht ein jeweils unterschiedliches Absorptionsvermögen bei oxigeniertem bzw. deoxigenierten Blut. Aus der Auswertung der verschiedenen reflektierten Wellenlängen lassen sich der Sauerstoffgehalt des Blutes und die Durchblutung des Gewebes bestimmen. Die Meßwerte hängen dabei vor allem von folgenden Größen ab: Abstand der Lichtquellen voneinander, Art des untersuchten Gewebes und Wellenlänge der verwendeten Strahlung.
Aufgabe der Erfindung ist demnach, ein Oximeter bereitzustellen, das für den flexiblen Einsatz geeignet ist, d.h. daß eine Fixierung nicht notwendig ist und das außerdem in der Lage ist, auch tiefe Gewebeschichten zu erreichen. Dazu ist es erforderlich, daß ein solches Oximeter eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig ausreichender Meßgeschwindigkeit und guter wirtschaftlicher Verwertbarkeit aufweist. Letzteres erfordert, daß ein solches Oximeter trotz der genannten Anforderungen preisgünstig in der Herstellung sein muß.
Zusätzlich soll eine besondere Version der Erfindung geeignet sein, in ein medizinisches Informationssystem integriert zu werden und Daten an eine externe Station zu übertragen bzw. mit dieser drahtlos beiderseitig zu kommunizieren. Letzeres würde es ermöglichen, daß ein Patient selbst gewisse Routineuntersuchungen durchführen kann, die dann von einer geeigneten Stelle, z. B. einem Arzt, ausgewertet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst:
Im Gegensatz zu bisherigen Oximetern kann die erfindungsgemäße, flexibel einsetzbare, Vorrichtung während der Messung von der behandelnden Person in der Hand gehalten werden und bedarf keiner Fixierung am Körper des Patienten. Auf diese Weise wird es möglich, einen Körperteil in kurzen zeitlichen und räumlichen Abständen abzutasten (zu scannen). Daher kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zu Recht als Oxiscanner bezeichnet werden. Eine Bewertung der so an verschiedenen Körperstel- len ermittelten Durchblutung ermöglicht im Vergleich untereinander die Lokalisierung von Veränderungen blutführenden Gewebes. Auf diese Weise können z.B. Blockaden im Blutstrom festgestellt werden, wie sie unter anderem für Arteriosklerose typisch sind. Die flexible Verwendbarkeit ermöglicht es auch, Körperstellen zu untersuchen, die für eine Fixierung zu empfindlich sind, wie zu Beispiel Entzündungen oder Weichteile. Weiterhin ist die Erfindung aufgrund ihrer Flexibilität geeignet, Prozesse zu lokalisieren, die mit einer erhöhten oder verminderten Durchblutung einher gehen, wie zum Beispiel krankhafte Veränderungen des Gewebes wie z.B. Entzündungen oder Tumore.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere folgende Merkmale kumulativ oder alternativ aufweisen: In einem Senderschaltkreis wird für die Messung elektromagnetische Strahlung mindestens dreier verschiedener Wellenlängen benutzt (d.h. mindestens drei Meßstrahlen), die von ihren jeweiligen Strahlungsquellen aus auf den zu untersuchenden lebenden Körper gerichtet sind. Besagte elektromagnetische Strahlung wird mit jeweils einer bestimmten Modulationsfrequenz moduliert.
In einem Empfängerschaltkreis empfängt ein Photodetektor, der in defi- niertem Abstand zu den verwendeten Strahlungsquellen angebracht ist, die aus dem lebenden Körper austretende Strahlung. Diese Strahlung stellt eine Überlagerung verschiedener Frequenzen dar. Besagter Photodetektor wandelt diese Strahlung in ein Meßsignal um. Anschließend verstärkt ein Vorverstärkermodul das Meßsignal, das mittels zweier weiterer, paralleler Verstärker, nämlich einem nicht-invertierenden und einem invertierenden Verstärker, in zwei genau gegensätzliche Signale aufgeteilt wird. Besagte gegensätzliche Signale werden dann gemeinsam in je eine De- modulationsschaltung pro besagter Modulationsfrequenz geführt, die jeweils mittels besagter Modulationsfrequenz gesteuert werden. Es werden also mehrere Demodulationsschaltungen parallel betrieben, die von jeweils einer der besagten Modulationsfrequenzen des Senderschaltkreises gesteuert werden.
Die demodulierten Signale werden dann in einem Auswerteschaltkreis mittels geeigneter AD-Wandler digitalisiert und mittels eines geeigneten Mikrocontrollers, Mikroprozessors oder Computers ausgewertet.
Dabei auftretende Probleme werden durch die Kombination der folgenden Maßnahmen gelöst:
(a) Um eine genau definierte Modulation und Demodulation zu gewährleisten und Schwebungseffekte durch Schwankungen der Modulationsfre- quenzen bei der Demodulation zu vermeiden, werden besagte Modulationsfrequenzen von einer gemeinsamen (von einem Masteroszillator erzeugten) Masterfrequenz durch Verwendung von elektronischen Frequenzteilern abgeleitet.
(b) Eine Unterdrückung von Störungen durch die Netzfrequenz (50 bzw. 60 Hz) und deren Oberwellen wird erreicht, indem die Integrationsdauer ein ganzzahliges Vielfaches der Reziprokwerte der Netzfrequenzen (sowohl 50 als auch 60 Hz) beträgt.
(c)Um eine möglichst hohe Empfindlichkeit des besagten Vorverstärkermoduls nutzen zu können, müssen störende Hintergrundsignale (z.B. Streulicht von Fremdlichtquellen, Tageslicht, etc.) unterdrückt werden. Im Empfängerschaltkreis werden daher hochempfindliche Verstärker mit Fil- tern zu besagtem Vorverstärkermodul kombiniert, der den besagten Demodulationsschaltungen vorangeschaltet ist.
(d) Eine hohe Meßgeschwindigkeit wird realisiert, indem - wie zuvor beschrieben - für jede Wellenlänge jeweils eine Demodulatorschaltung be- nutzt wird. Im Gegensatz zur bisher üblichen Technik werden die Wellenlängen somit gleichzeitig, also mit mehreren Demodulatorschaltungen parallel gemessen. Aus Kostengründen erfolgen solche Messungen bisher allgemein nacheinander.
(e) Die Tatsache, daß drei Demodulatorschaltungen benutzt werden, würde normalerweise relativ hohe Kosten zur Folge haben. Dieser wirtschaftliche Nachteil wird folgendermaßen ausgeglichen:
Statt des üblichen, bei Lock-in-Verstärkem benutzen Verfahrens, in welchem das Meßsignal mit einer Sinusschwingung multipliziert wird, finden in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Rechteckschwingungen Verwendung, die wesentlich preiswerter erzeugt werden können. Auf den ersten Blick scheinen diese Rechteckschwingungen weniger geeignet zu sein, da sie störende Oberwellen beinhalten. Die Oberschwingungen werden jedoch durch die Wahl geeigneter Frequenzen bei der Überlagerung wei- testgehend gezielt eliminiert. Die Frequenzen stehen zu diesem Zweck in bestimmten Verhältnissen zueinander, so daß eine weitestgehend unge- störte Messung möglich ist.
Die Verwendung der oben aufgeführten Maßnahmen (a) bis (e) ermöglicht eine schnelle Messung bei guter Kanaltrennung durch gleichzeitige Signalverarbeitung mittels mindestens dreier Demodulationsschaltungen. Eine hohe Empfindlichkeit wird erreicht, indem einerseits ein Vorverstärkermodul (d.h. Vorverstärker mit Filtern) verwendet wird, und indem andererseits Störsignale vermieden werden, die aus Schwebungen resultieren könnten. Letzteres geschieht durch Ableiten der benutzten Modulationsfrequenzen von einer gemeinsamen Masterfrequenz und Wahl einer ge- eigneten Integrationsdauer. Darüber hinaus wird die wirtschaftliche Verwertbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch unterstützt, daß in den Demodulationsschaltungen preiswerter zu erzeugende Rechteckschwingungen statt der üblichen Sinusschwingungen verwendet werden. Nachteile der Rechteckschwingungen werden dabei durch die Wahl ge- eigneter Frequenzen ausgeglichen.
Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Mitteln zur drahtlosen Daten(fem)übertragung an eine externe Station, bzw. zur Kommunikation mit besagter externen Station ausgerüstet sein. Auf diese Weise ist die Einbindung der Erfindung in ein medizinisches Informationssystem sichergestellt. Die Datenübertragung erfolgt direkt mit einer integrierten Kommunikationseinheit, oder via Interface, an welches übliche Mittel zur Datenübertragung angeschlossen werden (z.B. ein Mobiltelefon, etc.)
Grundsätzlich stehen zu besagter drahtlosen Datenübertragung alle dem Fachmann geläufigen Mittel zur Verfügung insbesondere, aber nicht ausschließlich, DECT (Schnurlostelefon), GSM bzw. UTMS (Mobiltelefon), Funk (Transponder, Transceiver), Infrarot, Ultraschall, etc. Eine Datenübertragung bzw. eine Kommunikation unter Verwendung des Internet ist ebenfalls ausdrücklich vorgesehen.
Insbesondere ist vorgesehen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auf eine autorisierte Anfrage einer externen Station automatisch, z. B. mit Übertragung von Meßdaten, antwortet, d.h. daß die Kommunikation extern gesteuert werden kann (automatisiertes Antwort-System "Automated Re- sponse System" = "ARS").
Ausführungsbeispiele
In einer bevorzugten, grundlegenden Ausführungsart werden - wie oben beschrieben - ein Senderschaltkreis, ein Empfängerschaltkreis und ein Auswertungsschaltkreis verwendet. Im Senderschaltkreis wird für die Messung elektromagnetische Strahlung mindestens dreier verschiedener Wellenlängen benutzt, die auf den zu untersuchenden lebenden Körper gerichtet ist. Besagte elektromagnetische Strahlung wird mit jeweils einer bestimmten Modulationsfrequenz pro Wellenlänge moduliert. Die Modulationsfrequenzen sind aus einer gemeinsamen Masterfrequenz abgeleitet, die ein ganzzahliges Vielfaches der Reziprokwerte sowohl besagter Modulationsfrequenzen, als auch der Netzfrequenzen 50 und 60 Hz darstellt. Im Empfängerschaltkreis empfängt ein Photodetektor, in definiertem Abstand zu den verwendeten Strahlungsquellen, die aus dem lebenden Körper austretende Strahlung und wandelt diese in ein Meßsignal um. Ein Vorverstärkermodul, bestehend aus empfindlichen Verstärkern und Filtern, verstärkt das Meßsignal, das mittels zweier weiterer, paralleler Verstärker, einem nicht-invertierenden und einem invertierenden, in zwei genau gegensätzliche Signale aufgeteilt, die dann gemeinsam in je eine Demodula- tionsschaltung pro besagter Modulationsfrequenz geführt werden. Besagte Demodulationsschaltungen werden jeweils mittels einer der besagten Modulationsfrequenzen gesteuert. Das Meßsignal wird in jeder der besagten Demodulationsschaltungen schaltungstechnisch mit einer Rechteck- Schwingung multipliziert, die preiswert erzeugt werden kann. Darin enthaltene störende Oberschwingungen werden durch die Wahl geeigneter Frequenzen bei der Überlagerung weitestgehend gezielt eliminiert. Die Frequenzen stehen zu diesem Zweck in bestimmten Verhältnissen zuein- ander, so daß eine weitestgehend ungestörte Messung möglich ist. Die Integrationsdauer ist ein ganzzahliges Vielfaches der Reziprokwerte der Netzfrequenzen 50 Hz und 60 Hz. Im Auswerteschaltkreis werden die demodulierten Signale dann mittels geeigneter A/D-Wandler digitalisiert und mittels eines geeigneten Mikrokontrollers, Mikroprozessors oder Compu- ters ausgewertet.
In einer Weiterbildung der grundlegenden Ausführungsart werden die verschiedenen Wellenlängen mittels entsprechender, gegebenenfalls auch mehrfarbiger LEDs erzeugt.
In einer alternativen Weiterbildung der grundlegenden Ausführungsart werden anstelle der LEDs auch Laserdioden oder beliebige andere geeignete Lichtquellen eingesetzt.
In einer Modifikation der genannten Ausführungsarten sind die Mittel zur Emission elektromagnetischer Strahlung besagter Wellenlängen und die entsprechenden Mittel zum Empfang gestreuter bzw. transmittierter Anteile beweglich zueinander angeordnet, so daß beispielsweise ihr Abstand als physikalischer Parameter verändert werden kann.
In einer Abwandlung der vorstehenden Ausführungsarten wird die Multiplikation des Meßsignals mit besagter Rechteckschwingung statt mittels elektronischer Bauteile per Software vorgenommen.
In einer weiteren Abwandlung der vorstehenden Ausführungsarten wird bei besagter Multiplikation des Meßsignals per Software statt besagter Rechteckschwingung eine Sinusschwingung verwendet. In einer erweiterten Ausführungsart sind Mittel zur drahtlosen Übertragung der gemessenen, berechneten und/oder bewerteten Daten an eine externe Station vorhanden.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsart sind Mittel zur beiderseitigen drahtlosen Kommunikation zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und besagter externen Station vorhanden, insbesondere, aber nicht ausschließlich, DECT (Schnurlostelefon), GSM bzw. UTMS (Mobiltelefon), Funk (Transponder, Transceiver), Infrarot, Ultraschall, etc. Eine Datenübertragung bzw. eine Kommunikation unter Verwendung des Internet ist ausdrücklich vorgesehen. In letzerem Fall bezieht sich besagte drahtlose Kommunikation bzw. besagte drahtlose Datenübertragung beispielsweise auf die Kommunikation zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem Internetserver. Grundsätzlich stehen zu besagter drahtlosen Datenübertragung bzw. Kommunikation alle dem Fachmann geläufigen Mittel zur Verfügung.
Die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung direkt mit dem Internet zu verbinden, d.h. daß die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst als Internetserver dient, stellt demzufolge einen naheliegenden Schritt dar, sobald die notwendige Technologie bereitsteht.
In einer alternativen Weiterbildung dieser Ausführungsart, besitzt die er- findungsgemäße Vorrichtung ein Interface, an welches besagte Mittel zur beiderseitigen drahtlosen Kommunikation angeschlossen werden können.
In einer weiteren Modifikation der vorgenannten Ausführungsarten ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage, auf eine autorisierte Anfrage einer externen Station automatisch, z. B. mit Übertragung von Meßdaten, zu antworten, d.h. daß die Datenübertragung bzw. die Kommunikation extern gesteuert werden kann (automatisiertes Antwort-System "Automated Response System" = "ARS").

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Einsatz bei der Bestimmung des Sauerstoffgehalts und der Durchblutung von lebendem Gewebe mittels optischer Messungen, wie sie in der Oximetrie üblich sind, zur Speicherung und/oder zur Anzeige der Werte, mit
- Mitteln zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung mindestens dreier verschiedener Wellenlängen, die auf lebendes Gewebe gerichtet sind, sowie
- Mitteln zum Empfang reflektierter und/oder transmittierter Anteile der zuvor erzeugten Strahlung aus dem lebenden Gewebe heraus, und
- Mitteln zur Signalerkennung und -Verarbeitung, wobei insbesondere:
- ein gemeinsames Vorverstärkermodul für alle verwendeten Wel- lenlängen, bestehend aus Verstärkern und Filtern, sowie
- je eine Demodulationsschaltung pro verwendeter Wellenlänge, Mittel zur Berechnung und Überwachung von Sauerstoffgehalt und Durchblutung lebenden Gewebes aus gemessenen Signalen, und
- Mittel zur Bewertung der Meßergebnisse hinsichtlich von Verände- rungen der Durchblutung blutführenden Gewebes bereitgestellt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der elektroma- gnetischen Strahlung eine oder mehrere Lichtquellen insbesondere LEDs, Laserdioden oder eine Kombination aus verschiedenartigen Lichtquellen aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung in der Lage sind, die elektromagnetische Strahlung mit mindestens drei verschiedenen Wellenlängen moduliert zu emittieren, und daß diese Modulation mit jeweils einer bestimmten Modulationsfrequenz pro Wellenlänge erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bewertung der Meßergebnisse aus mindestens einem MikroController, Mikroprozessor oder ähnlichen geeigneten programmierbaren Bauteilen bestehen, wie sie einem Fachmann bekannt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektronische Mittel zur Erzeugung von Rechteckschwingungen vorhanden sind, und daß in den Demodulations- Schaltungen Mittel vorhanden sind, um die Rechteckschwingungen mit dem jeweiligen Meßsignal elektronisch mittels Hardware signaltechnisch zu multiplizieren, wobei störende Oberwellen durch geeignete Wahl der Modulationsfrequenzen weitestgehend eliminiert werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein geeignetes elektronisches Bauteil vorhanden ist, beispielsweise ein MikroController oder Mikroprozessor, das die Multiplikation des jeweiligen Meßsignals mit der Rechteckschwingung mittels geeigneter Software vornimmt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das geeignete elektronische Bauteil in die Mittel zur Bewertung der Meßergebnisse integriert ist, bzw. daß die Mittel zur Bewertung der Meßergebnisse die Aufgaben des geeigneten elektro- nischen Bauteils mit übernehmen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Multiplikation des jeweiligen Meßsignals mittels geeigneter Software statt der Rechteckschwingung eine Sinusschwingung verwendet wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung und die Mittel zum Empfang gestreuter und/oder transmittierter Anteile beweglich zueinander angeordnet sind, so daß beispielsweise ihr Abstand als physikalischer Parameter definiert eingestellt, bzw. verändert werden kann.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Masteroszillator sowie mindestens drei Frequenzteiler vorhanden sind, die die Modulationsfrequenzen aus einer, von dem Masteroszillator erzeugten, Masterfrequenz ableiten, und daß die Modulationsfrequenzen zur Steuerung der Demodulationsschaltungen verwendet werden, wobei die Integrationsdauer der Meßsignale ein ganzzahliges Vielfaches der Reziprokwerte der Netzfrequenzen 50 Hz und 60 Hz ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur drahtlosen Übertragung der gemessenen, berechneten und/oder bewerteten Daten an eine externe Station, und/oder Mittel zur drahtlosen Kommunikation zwischen der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung und der externen Station vorhanden sind, insbesondere, DECT (Schnurlostelefon), GSM bzw. UTMS (Mobiltelefon), Funk (Transponder, Transceiver), Infrarot, Ultraschall, eine Datenübertragung bzw. Kommunikation via Internet ist ebenfalls ausdrücklich vorgesehen, wobei die Mittel zur drahtlosen Übertragung bzw. die Mittel zur drahtlosen Kommunikation in die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert sind, oder wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein Interface besitzt, an welches die Mittel zur drahtlosen Übertragung bzw. die Mittel zur drahtlosen Kommunikation angeschlossen werden können, wobei weiterhin die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel besitzt, die eine autorisierte externe Anfrage registrieren können , um besagte Anfrage automatisch, z. B. mit Übertragung von Meßdaten, zu beantworten, d.h. die Datenübertragung bzw. die Kommunikation kann extern gesteuert werden.
12. Verfahren zur mobilen, ambulanten Lokalisierung verschiedener Durchblutungszustände und der Sauerstoffsättigung in blutführendem Gewebe, wie beispielsweise zur Erkennung und Lokalisierung von Entzündungen, Tumoren und/oder Arteriosklerose, gekennzeichnet durch
- Messen der Durchblutung mittels oximetrischer Verfahren mittels eines in der Hand zu haltenden, keiner Fixierung am Körper bedürfenden Sen- sors , dessen Signalerkennung und -Verarbeitung bei sehr hoher Empfindlichkeit hinsichtlich der Meßgeschwindigkeit und Kanaltrennung verbessert ist,
- optisches Abtasten durch mehrfaches Messen eines zu untersuchenden Mediums, beispielsweise eines Körperteils, in kurzen zeitlichen und räumlichen Abständen, d.h. Scannen in verschiedenen Schritten,
- Ableiten von Informationen über Veränderungen der Durchblutung aus den Änderungen der Meßwerte an verschiedenen Körperstellen .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für das Messen elektromagnetische Strahlung mindestens dreier verschiedener Wellenlängen benutzt wird, die auf den zu untersuchenden lebenden Körper gerichtet sind , wobei die elektromagnetische Strahlung mit jeweils einer bestimmten Modulations- frequenz pro Wellenlänge moduliert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenzen aus einer gemeinsamen Masterfrequenz abgeleitet sind, die ein ganzzahliges Vielfa- ches der Reziprokwerte besagter Modulationsfrequenzen darstellt, wobei die Integrationsdauer für die Meßsignale ein ganzzahliges Vielfaches der Reziprokwerte der Netzfrequenzen 50 HZ und 60 Hz beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Photodetektor, der in definiertem, variabel einstellbarem, Abstand zu den verwendeten Strahlungsquellen angebracht ist, die aus dem lebenden Körper austretende Strahlung empfängt, in ein Meßsignal umwandelt, und daß das Meßsignal mit einem Vorverstärkermodul verstärkt und mittels zweier weiterer, paralleler Verstärker, einem nicht-invertierenden und einem invertierenden, in zwei genau gegensätzliche Signale aufgeteilt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal in je eine Demodulations- Schaltung pro Modulationsfrequenz geführt wird, die jeweils mittels einer der Modulationsfrequenzen gesteuert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal in jeder der Demodulationsschaltungen mit einer Rechteckschwingung multipliziert wird, und daß in der Rechteckschwingung enthaltene störende Oberschwingungen durch die Wahl geeigneter Frequenzen, die zu diesem Zweck in bestimmten gewählten Verhältnissen zueinander stehen, bei der Überlagerung weitestgehend gezielt eliminiert werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplikation des jeweiligen Meßsignals mit der Rechteckschwingung, statt mit einer festen elektronischen Schaltung mittels geeigneter Software in einem Mikrocontroller, Mikroprozessor oder einem ähnlichen programmierbaren Bauteil geschieht.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Multiplikation des jeweiligen Meßsignals mittels geeigneter Software statt der Rechteckschwingung eine Sinusschwingung verwendet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnen Meßdaten drahtlos an eine externe Station übertragen werden können, mit welcher eine ebenfalls drahtlose Kommunikation möglich ist, welche insbesonderemittels DECT (Schnurlostelefon), GSM bzw. UTMS (Mobiltelefon), Funk (Transponder, Transceiver), Infrarot, Ultraschall erfolgt, eine Datenübertragung bzw. Kommunikation via Internet ist ausdrücklich vorgesehen.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage ist, auf eine autorisierte Anfrage einer externen Station automatisch, z. B. mit Übertragung von Meßdaten, zu antworten, d.h. die Datenübertragung bzw. die Kommunikation kann extern gesteuert werden.
22. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , zur flexiblen Erkennung und Lokalisierung von Veränderungen durchbluteten Gewebes insbesondere infolge von Entzündungen, Tumoren und/oder Arteriosklerose.
23. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 21 , zur flexiblen Erkennung und Lokalisierung von Veränderungen durchbluteten Gewebes insbesondere infolge von Entzündungen, Tumoren und/oder Arteriosklerose.
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