WO2007056971A2 - Vorrichtung zur bestimmung physiologischer variablen - Google Patents

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WO2007056971A2
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Bernd Schöller
Thomas Magin
Klaus Forstner
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Weinmann Geräte für Medizin GmbH & Co. KG
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    • A61B5/7207—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal of noise induced by motion artifacts

Definitions

  • the invention relates to a device for the optical determination of physiological variables in perfused tissue having at least a first and a second light source, which respectively emit light radiation of a first and a second predeterminable wavelength, wherein the light sources are arranged such that the light radiation emanating from them the perfused tissue can penetrate.
  • pulse oximetry allows a non-invasive measurement of the oxygen saturation of the arterial blood.
  • light is guided by two fingers of two different wavelengths, for example 660 nm and 905 nm, which is partially absorbed by the blood pulsating in the tissue.
  • the degree of absorption is determined by analysis of the light component emerging on the other side of the irradiated tissue, which leads directly to the oxygen saturation. movement of the pulsating and thus arterial blood.
  • pulse oximetry In a typical measurement range (80-100% saturation) the pulse oximetry is quite accurate compared to the arterially invasively measured oxygen saturation.
  • the limits of pulse oximetry occur, for example, in the presence of intoxication, e.g. by carbon monoxide, or in a drug-toxic methaemoglobinaemia.
  • the pulse oximetric oxygen saturation is measured incorrectly high, which can have dangerous consequences.
  • pulse oximetry is not suitable for specifying the oxygen content (caO2). To assess the oxygenation of a patient, one also needs information about the hemoglobin concentration.
  • PD photodetector
  • a control unit which supplies control signals to the light sources in such a way that the light sources continuously emit light alternately, whereby one or more darkening lights are emitted in this sequence. phases can be inserted, in which at least one light source does not emit light;
  • the evaluation device for at least one pV to be measured supplies a displayable output signal to an interface connectable to the evaluation device.
  • a device and a method are presented with which a non-invasive determination of several physiological variables (pV) selected from the group temperature, pulse rate, pH, concentration of hemoglobin (cHb), oxyhemoglobin (HbO2), deoxygenated hemoglobin (HbDe ), Carboxyhemoglobin (HbCO), methemoglobin (cMetHb), sulfhemoglobin (HbSuIf), bilirubin, glucose, bile pigments, SaO2, SaCO, SpO2, CaO2, SpCO.
  • physiological variables selected from the group temperature, pulse rate, pH, concentration of hemoglobin (cHb), oxyhemoglobin (HbO2), deoxygenated hemoglobin (HbDe ), Carboxyhemoglobin (HbCO), methemoglobin (cMetHb), sulfhemoglobin (HbSuIf), bilirubin, glucose, bile pigments, SaO2, SaCO, SpO2, CaO2, SpCO
  • the invention relates to a device that non-invasively registers, compensates, processes a physiological variable (pV) to provide an output signal that represents the value of the pV at the time of the measurement.
  • pV physiological variable
  • the device according to the invention is a non-invasive method.
  • one or more light sources are set to a body part. Be distanced from the source one or more analyzing photocells are provided which receive a light attenuation and / or a scattered light component.
  • the source of electromagnetic radiation is designed, for example, as one or more laser diodes and / or one or more white light sources and / or one or more LEDs.
  • the electromagnetic radiation is selected from one or more ranges of 150 nm + 15%, 400nm ⁇ 15%, 460nm ⁇ 15%, 480nm + 15%, 520nm ⁇ 15%, 550nm ⁇ 15%, 560nm + 15 %, 606 nm + 15%, 617 nm + 15%, 620 nm ⁇ 15%, 630 nm ⁇ 15%, 650 nm ⁇ 15%, 660 nm ⁇ 15%, 705 nm ⁇ 15%, 710 nm + 15%, 720 nm ⁇ 15%, 805 nm + 15%, 810 nm + 15%, 880 nm ⁇ 15%, 905 nm ⁇ 15%, 910 nm ⁇ 15%, 950 nm + 15%, 980 nm ⁇ 15%, 980 nm ⁇ 15%, 1050 nm ⁇ 15%, 1200 nm + 15%, 1310 nm ⁇ 15%, 1380 nm ⁇ 15%, 1450 nm
  • the electromagnetic waves are passed through a live and / or dead medium to be examined, preferably animal and / or human tissue.
  • the transmitted and / or the reflected portion of the electromagnetic waves is detected by a receiving system, which is preferably designed as one or more photodetectors.
  • the receiving system is capable of detecting different wavelengths substantially simultaneously.
  • the receiving system is furthermore able to record and / or store and / or pass on the detected electromagnetic waves, for example in the form of at least one of them electrical pulse, preferably as a current and / or voltage signal.
  • the signal is processed by an evaluation unit by signal conditioning. Regardless of the original wavelength, the at least one signal is further processed by active and / or passive electronic components. Preferably, an adaptation according to frequency and amplitude. Particularly preferably, the ratio of the AC to the DC component and / or its level is adjusted by filtering, noise suppression, rectification, amplification, via resistors, capacitors, amplifiers, high-pass filters, logic flip-flops. As a result, the output of the evaluation unit is preferably a processed AC component of the output signal.
  • the processed signal is digitized by an A / D converter with high bit width and resolution.
  • an A / D converter of at least 12 bits is used for this purpose.
  • Digital signals representative of at least two different wavelengths of the originally irradiated electromagnetic radiation are analyzed by at least one CPU.
  • an analyzer is preferably provided in the area of a CPU.
  • a signal processing takes place.
  • at least one readable data memory is provided in the area of the CPU.
  • Extractions are calculated (calculated or read out)
  • the CPU provides data representative of at least one pV of the transmitted medium.
  • the output of the CPU is coupled to a controller.
  • This is coupled to a D / A converter.
  • the controller couples back to the source of electromagnetic waves and controls the intensity of the radiation emanating from the source such that the radiation intensity detected by the receiving system and relayed to the A / D converter is always in a preferred resolution range.
  • the feedback to the source (and the controller) can be completely eliminated.
  • An artifact correction is preferably carried out by means of a CPU which processes the output signal of the evaluation unit in the time domain (for example by polynomial functions) or image domain (for example by Fourier transformation or wavelets).
  • the functions are selected to match the possible artifact properties.
  • the PVs are typically determined to an accuracy of at least 5%, preferably 2%, over the measurement range of the particular pV.
  • the measurement range for the concentration of hemoglobin cHb is typically 5 to 20 g / dl, the norm being 14-18 g / dl (men) and 12-16 g / dl (females).
  • the compensation mechanisms of the body are fully loaded even under normal 02 consumption and under otherwise favorable conditions.
  • the measured value for cHb preferably being present in less than 1 minute, particularly preferably the measured value for cHb is determined in less than 10 seconds.
  • To determine cHb at least four wavelengths from the range of 600 nm to 1500 nm are used according to the invention.
  • the range of values for bilirubin is typically 0.1-5.0 mg / dl. According to the invention, it is therefore proposed to determine bilirubin with an accuracy of 0.1-1.0 mg / dl, preferably to 0.5 mg / dl accurately, non-invasively, the measured value for bilirubin preferably being able to be present in less than 1 minute, particularly preferably, the measured value for cHb is determined in less than 10 seconds.
  • at least two wavelengths, selected from the group 400 nm to 2000 nm, are used according to the invention.
  • the range of values for blood oxygen 02 is typically 40% to 100% saturation, with physiological and / or pathophysiological variations can be quite rapid.
  • the measured value for oxygen can be present in less than 1 minute, particularly preferably the measured value for cHb is determined in less than 5 seconds .
  • the measured value for cHb is determined in less than 5 seconds .
  • the range of values for a carbon monoxide SaCO in the blood is typically 0% to 40% saturation, whereby changes can be quite rapid.
  • the invention it is therefore proposed to determine SaCO with an accuracy of at least 5%, preferably at least 2%, non-invasively, wherein the measured value for a carbon monoxide SaCO in the blood in less than 100 seconds, preferably in less than 20 seconds, more preferably in less than a 5 seconds.
  • the measured value for a carbon monoxide SaCO in the blood in less than 100 seconds, preferably in less than 20 seconds, more preferably in less than a 5 seconds.
  • at least two wavelengths from the range 600 nm to 1000 nm are used according to the invention.
  • the accuracy and speed of the determination of the pV depends on the available electrical energy and time for the calculation of the measuring signals. Especially with portable devices that run on batteries, the available energy is a limiting factor.
  • Errors in the operating characteristic of the device can be complex and a non-linear function of many variables. be riableness.
  • the pV contributes directly to the error, while secondary process variables (affecting the measurement of the primary process variable) indirectly contribute to the error. As the need for accuracy increases, the contributions of the secondary variables become more important.
  • the power consumption of, for example, the CPU of the device is critical because all operating power or power is supplied over the same lines used for communication. Furthermore, some intrinsically safe areas limit the power available to the device. The limited amount of power not only limits the number and complexity of the calculations, but also affects the functionality that can be realized in the device.
  • the senor, the CPU and the signal processing require a lot of energy.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the circuit diagram of the device
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the components of the device
  • a device according to the invention according to FIG. 1 has a transmitter unit (1) in which there is at least one light-emitting diode LEDa of a first predetermined nominal wavelength LAMBDAa. Opposite the transmitter unit is a photodetector PD (2). Between the transmitter unit (1) and the photodetector PD (2), a human and / or animal tissue and / or vessel can be arranged such that the light emitted by the transmitter unit (1) after passing through the tissue and / or vessel, the photodetector PD (2) achieved. In this case, the light intensity received from the PD is converted into an electrical quantity and processed analogously in the device, then A / D converted and further processed digitally.
  • the light-emitting diodes LEDa, LEDn are connected to a multiplexer MUX (3).
  • the control unit of the multiplexer MUX (3) controls the LEDs so that in the case of, for example, four LEDs connected, all four LEDs are alternately turned on and off.
  • the multiplexer MUX (3) has a further connection
  • the evaluation device has at least one microcontroller
  • the output current of the photodetector PD (2) is supplied to the input of a current / voltage converting means (4).
  • the current / voltage converting means (4) converts the output current of the photodetector into an output voltage.
  • the analog signal of the PD is digitized by an A / D converter of at least 8 bits and forwarded via an actuator to the evaluation device (7).
  • the evaluation device (7) In connection with the evaluation device (7) are at least one volatile memory, RAM (10) and a non-volatile memory ROM (11).
  • the non-volatile memory (11) is designed, for example, as EEPROM or Flash. In the non-volatile memory (11) an algorithm is stored, which is used to determine the pV.
  • An input device (12) in the form of a keyboard can be connected to the evaluation device (7).
  • various output devices 13, 14, 15, 16
  • a loudspeaker (13) can be used, for example, to generate warning sounds or voice outputs that can inform or guide the user.
  • warning lights and / or status signals can be generated via lights (15).
  • a display (14) shows the pV values.
  • the tissue / vessel is alternately irradiated by the light emitted by the first light-emitting diode LEDa or by the further light-emitting diode LEDn, wherein the light passing through the tissue / vessel from the photodetector PD is received and converted into a photodetector output current.
  • the light-emitting diodes LEDa, LEDn can be driven either binary, in this case emits an LED at any time either no light or light at a predetermined power, alternatively, the LED can be controlled with an analog signal of predetermined amplitude.
  • the timing for the activation of the LED can be effected as a function of the pulse wave phases, for example every 200 ⁇ sec.
  • the activation can be carried out as follows:
  • Wavelength a Wavelength a
  • Wavelength b Wavelength b
  • the evaluation device (7) determines from the voltage signal the progression of the spectral absorption of the tissue / vessel at the wavelengths defined by the LED of the first or further light-emitting diodes LEDa, LEDn and determines from these spectral absorption values by processing and / or further processing and / or or linking the respective pV of interest, for example the absolute or relative hemoglobin concentration Hb, the COHb concentration, the oxygen saturation SaO2, CaO2 or the heart rate.
  • the measured values for the pV for each wavelength are stored in the volatile (10) and / or non-volatile memory (11). Subsequently, the measured values are read out again by the evaluation device (7) with the aid of the microcontroller (8) and analyzed in the CPU (9) with the aid of the algorithm stored in the ROM (11).
  • digitized data representing the attenuation and / or scattering of electromagnetic radiation through a tissue / vessel is processed in a central unit under program control, wherein a control unit receives from a memory the instructions of a program and executes operations by an arithmetic unit according to the program instruction which consists of at least one arithmetic-logical unit.
  • absolute and / or relative measured values for the desired pV are determined.
  • the results of the pV electronically, optically (14, 15) and / or acoustically (13) are output.
  • the data representing the pV are conditioned for an interface and provided at an interface.
  • a protocol is provided via an interface.
  • a voltage and / or current that is substantially proportional to the pV is provided at the interface.
  • a digitized value representing the pV can be made available in a TCP / IP protocol via Ethernet.
  • a SaO2 value may be provided via a proprietary protocol on a UART interface.
  • FIG. 2 Another aspect of the invention, as shown in FIG. 2, relates to a portable, small, and handy device that allows a user to non-invasively determine multiple pVs.
  • the device consists of a housing upper shell (17) made of plastic with a recess for a display (30) and recesses for control buttons.
  • a control panel (18) is inserted with buttons.
  • the control panel has a recess for a display (31) and control buttons (32).
  • the display (19) is available on the control panel (18) and is electrical and mechanical by the main board (20) with the upper housing shell (17) connectable.
  • a separator (21) mechanically separates the motherboard (20) and the power board (22).
  • lower shell (24) and separating device (21) recesses (34) for a fastening device (27) are provided in the region of the motherboard (20).
  • recesses (34) for a fastening device (27) are provided on the back of the housing upper shell (17) are receptacles (33) for the fastening device (27).
  • a socket (23) is adaptable.
  • the socket (23) can be electrically and mechanically connected to the main board (20) and / or power board (22).
  • the socket is for receiving a sensor cable.
  • the socket may be equipped as a receiving module for a radio transmission of sensor signals.
  • a power supply for example accumulators (26).
  • a cover (25) may be slid over the power supply receptacle (28).
  • the dimensions of the device according to the invention are preferably less than 15 cm in length and less than 5 cm in depth and less than 8 cm in width.
  • the volume of the device is preferably less than 600 cc.
  • the device consists of no more than two boards (20, 22) and / or less than 11 Items and / or less than three fasteners (27).
  • the device according to the invention is designed as an original equipment manufacturer (OEM) printed circuit board.
  • OEM original equipment manufacturer
  • the OEM printed circuit board according to the invention can be mounted in the region of the board of patient monitors via at least one plug-in contact, which enables a detachable mechanical and electronic coupling.
  • the functional scope of patient monitors by simply adding the OEM printed circuit board according to the invention, can be extended by the functions implemented on the OEM printed circuit board according to the invention.
  • the device according to the invention is formed in a preferred embodiment as an integrated circuit and - because of the low power consumption - in CMOS technology.
  • the printed circuit board is preferably equipped on both sides.
  • the track width on the PCB is in the range 0.15 mm +/- 0.5 mm.
  • the track spacing is in the range 0.15 mm +/- 0.5 mm.
  • the operating voltage is preferably in the range 3 V to 15 V.
  • the dimensions of the printed circuit board according to the invention are preferably less than 100 mm ⁇ 80 mm, more preferably less than 73 mm ⁇ 39 mm.
  • at least one fastening device is preferably provided in the area of the OEM printed circuit board. This can be configured as a borehole for receiving a screw. According to the invention, the integration of the OEM printed circuit board according to the invention into any patient monitors is possible due to the compact design.
  • the power supply of the OEM printed circuit board according to the invention for example via the motherboard of the patient monitor.
  • Data communication between the OEM printed circuit board according to the invention and the patient monitor takes place via a definable protocol.
  • DE 103 21 338 A1 and DE 102 13 692 A1 are used, for example, to determine the pV.
  • the methods of DE 103 21 338 A1 and DE 102 13 692 A1 are to be understood as part of this application.
  • the device receives electromagnetic waves, in particular light, of at least two different wavelengths and / or of at least two different wavelength bands from at least one source, the source emitting the electromagnetic waves and passing them through a human tissue and / or vessels to be examined and the transmitted and / or reflected portion of the electromagnetic waves are detected by a receiving system, wherein the receiving system is adapted to detect the light signals of different wavelengths in a time interval of less than one second, in current and / or voltage Ie,
  • the at least one measured value is processed by an evaluation unit by a signal conditioning and a measured value independent of the original wavelength by active and / or passive electronic components is further processed to be displayed via an interface, for example on a display.
  • an analog or digital signal is generated from the pV which is made available to internal and / or external signal receivers via an interface, the measured value of at least one pV being available within a defined time, for example in the region of 10 seconds. evaluated and made available via the interface for display.
  • a SaO2 and / or a CaO2 and / or the cHb is determined.
  • Data representing the SaO2 and / or CaO2 and / or cHb at the time of measurement is determined and processed such that data representing the current measurements is delayed by less than 30 seconds, preferably less than 15 seconds, and most preferably less than 5 seconds, starting from the time of transmission of a first wavelength to the time of presentation, are available to a user and / or transmission via an interface.
  • the first time it becomes possible for the first time to non-invasively determine physiological variables, such as oxygen supply parameters in the periphery of the body, by providing a device and to provide information such that, depending on the measured values determined, the oxygen supply is direct and / or indirect in the time domain of less than 5 minutes, preferably less than 2 minutes, more preferably less than 30 seconds, can be represented.
  • physiological variables such as SaCO, SaO2, cHb, CaO2, bilirubin by a device and to provide information such that at least two of the pV are spaced at less than one minute, preferably less than 10 seconds, as information can be provided.
  • the first time to non-invasively determine physiological variables such as SaCO, SaO2, cHb, CaO2 or bilirubin by a device and to provide information such that at least two of the pV simultaneously display information as information on a display, for example can be provided.
  • physiological variables such as SaCO, SaO2, cHb, CaO2 or bilirubin

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Abstract

Die Vorrichtung dient zum optischen Bestimmen von physiologischen Variablen in perfundiertem Gewebe. Die Vorrichtung weist eine erste und eine zweite Lichtquelle auf, welche jeweils Lichtstrahlung einer ersten bzw. einer zweiten vorbestimmbaren Wellenlänge aussenden. Die Lichtquellen sind derart angeordnet, daß die von ihnen ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe eindringen kann. Es ist mindestens ein Fotodetektor verwendet, der so angeordnet ist, daß er das von den Lichtquellen ausgesandte und durch das perfundierte Gewebe hindurchtretende bzw. rückgestreute Licht detektiert. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Steuereinheit auf, die Steuersignale derart an die Lichtquellen liefert, daß die Lichtquellen fortwährend einander abwechselnd Licht aussenden, wobei in diesen Ablauf eine oder mehrere Dunkelphasen eingefügt sein können, in welchen zumindest eine Lichtquelle kein Licht aussendet. Eine Auswerteeinrichtung ist mit einem Ausgang des Fotodetektors verbunden und liefert für mindestens eine zu messende physiologische Variable ein anzeigbares Ausgangs Signal an eine mit der Auswerteeinrichtung verbindbare Schnittstelle.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung physiologischer Variablen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen von physiologischen Variablen in perfundiertem Gewebe mit mindestens einer ersten und einer zweiten Lichtquelle, welche jeweils Lichtstrahlung einer ersten bzw. einer zweiten vorbestimmbaren Wellenlänge aussenden, wobei die Lichtquellen derart angeordnet sind, daß die von ihnen ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe eindringen kann.
Bisher erlaubt die Pulsoximetrie eine nichtinvasive Messung der SauerstoffSättigung des arteriellen Blutes. Hierzu wird durch einen Finger Licht von zwei verschiedenen Wellenlängen, beispielsweise 660 nm und 905 nm, geleitet, welches durch das in dem Gewebe pulsierende Blut teilweise absorbiert wird. Der Grad der Absorption wird durch Analyse des auf der anderen Seite des durchstrahlten Gewebe austretenden Lichtanteiles bestimmt, was den direkten Rückschluss auf die Sauerstoffsätti- gung des pulsierenden und damit arteriellen Blutes erlaubt .
In einem üblichen Messbereich (80-100% Sättigung) ist die Pulsoximetrie verglichen mit der arteriell invasiv gemessenen SauerstoffSättigung recht genau. Die Grenzen der Pulsoximetrie treten beispielsweise beim Vorliegen einer Intoxikation, z.B. durch Kohlenmonoxid, oder bei einer medikamentös-toxisch bedingten Methämoglobinämie auf. Hier wird die pulsoximetrische SauerstoffSättigung falsch hoch gemessen, was gefährliche Folgen haben kann. Zudem ist die Pulsoximetrie nicht geeignet, den Sauerstoffgehalt (caO2) anzugeben. Zur Beurteilung der Sauerstoffversorgung eines Patienten benötigt man zudem Informationen über die Hämoglobinkonzentration.
Es besteht ein Bedürfnis danach, eine nicht invasive Bestimmung mehrerer physiologischer Variablen (pV) , die in Ihrer Gesamtheit die Sauerstoffversorgung eines Patienten beurteilbar machen, mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kombination der folgenden Merkmale realisiert wird:
a) mindestens ein Photodetektor (PD) , der so angeordnet ist, daß er das von den Lichtquellen aus- gesandte, durch das perfundierte Gewebe hindurchgetretene Licht und/oder rückgestreute Licht de- tektiert;
b) eine Steuereinheit, die Steuersignale derart an die Lichtquellen liefert, daß die Lichtquellen fortwährend einander abwechselnd Licht aussenden, wobei in diesen Ablauf eine oder mehrere Dunkel- phasen eingefügt sein können, in welchen zumindest eine Lichtquelle kein Licht aussendet;
c) eine mit dem Ausgang des Photodetektors (PD) verbundenen Auswerteeinrichtung,
d) wobei die Auswerteeinrichtung für mindestens eine zu messende pV ein anzeigbares AusgangsSignal an eine mit der Auswerteeinrichtung verbindbare Schnittstelle liefert.
Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgestellt, mit denen eine nicht invasive Bestimmung mehrerer physiologischer Variablen (pV) , ausgewählt aus der Gruppe Temperatur, Pulsfrequenz, pH-Wert, Konzentration an Hämoglobin (cHb) , Oxyhämoglobin (HbO2) , desoxygeniertes Hämoglobin (HbDe) , Carboxyhämo- globin (HbCO) , Methämoglobin (cMetHb) , Sulfhämoglo- bin(HbSuIf) , Bilirubin, Glucose, Gallenfarbstoffe, SaO2, SaCO, SpO2, CaO2, SpCO ermöglicht wird. Bevorzugt ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eine nicht invasive Bestimmung mehrerer physiologischer Variablen (pV) durch eine Meßeinrichtung.
Genauer betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die eine physiologische Variable (pV) nicht invasiv registriert, kompensiert, verarbeitet um ein Ausgangssignal bereitzustellen, dass den Wert der pV zum Zeitpunkt der Messung repräsentiert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um ein nichtinvasives Verfahren. Zur Ermittlung von Messwerten werden eine oder mehrere Lichtquellen auf ein Köperteil gesetzt. Beabstanded von der Quelle wird eine oder mehrere analysierende Photozellen bereitgestellt, die eine Lichtabschwächung und/oder einen Streulichtanteil empfangen.
Die Quelle elektromagnetischer Strahlung ist beispielsweise als eine oder mehrere Laserdioden und/oder eine oder mehrere Weißlichtquellen und/oder eine oder mehrere LEDs ausgebildet.
Die elektromagnetische Strahlung ist ausgewählt aus einem oder mehreren Bereichen von 150 nm + 15%, 400nm ± 15%, 460 nm ± 15%, 480 nm + 15%, 520 nm ± 15%, 550 nm ± 15%, 560 nm + 15%, 606 nm + 15%, 617 nm + 15%, 620 nm ± 15%, 630 nm ± 15%, 650 nm ± 15%, 660 nm ± 15%, 705 nm ± 15%, 710 nm + 15%, 720 nm ± 15%, 805 nm + 15%, 810 nm + 15%, 880 nm ± 15%, 905 nm ± 15%, 910 nm ± 15%, 950 nm + 15%, 980 nm ± 15%, 980 nm ± 15%, 1050 nm ± 15%, 1200 nm + 15%, 1310 nm ± 15%, 1380 nm ± 15%, 1450 nm ± 15%, 1600 nm + 15%, 1800 nm + 15%, 2100 nm ± 15%, 2800 nm ± 15%.
Die elektromagnetischen Wellen werden durch ein zu untersuchendes lebendes und/oder totes Medium, bevorzugt tierisches und/oder menschliches Gewebe, geleitet.
Der transmittierte und/oder der reflektierte Anteil der Elektromagnetischen Wellen wird von einem Empfangssystem detektiert, dass bevorzugt als ein oder mehrere Photodetektoren ausgebildet ist. Das EmpfangsSystem ist in der Lage, im wesentlichen gleichzeitig verschiedene Wellenlängen zu detektieren. Das EmpfangsSystems ist weiterhin in der Lage die detektierten elektromagnetischen Wellen aufzunehmen und/oder zu speichern und/oder weiterzugeben, beispielsweise in Form zumindest eines elektrischen Impulses, bevorzugt als Strom- und/oder SpannungsSignal .
Das Signal wird von einer Auswerteeinheit durch eine Signalkonditionierung aufbereitet. Unabhängig von der ursprünglichen Wellenlänge wird das zumindest eine Signal durch aktive und/oder passive elektronische Bauelemente weiterverarbeitet. Bevorzugt erfolgt eine Anpassung nach Frequenz und Amplitude. Besonders bevorzugt erfolgt eine Anpassung des Verhältnisses des AC zum DC Anteil und/oder derer Pegel, durch Filtern, Rauschunterdrückung, Gleichrichten, Verstärken, über Widerstände, Kondensatoren, Verstärker, Hochpassfilter, logische Flip-Flops. Im Ergebnis ist die Ausgabe der Auswerteeinheit bevorzugt ein aufbereiteter AC -Anteil des Ausgangssignals.
Das aufbereitete Signal wird von einem A/D-Wandler mit hoher Bitbreite und Auflösung digitalisiert. Bevorzugt wird dazu ein A/D-Wandler von zumindest 12 Bit eingesetzt.
Digitale Signale, die repräsentativ für zumindest zwei verschiedene Wellenlängen der ursprünglich eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung sind, werden von zumindest einer CPU analysiert. Bevorzugt wird dazu im Bereich einer CPU ein Analysator bereitgestellt. Im Bereich der CPU erfolgt eine Signalaufbereitung. Für die digitalen Signale wird im Bereich der CPU zumindest ein auslesbarer Datenspeicher bereitgestellt.
Im Bereich des Analysators erfolgen folgende Operationen alternativ, sequenziell oder zeitgleich:
• Meßwerterfassung und Verarbeitung • Pulswellencharakteristik bzw. -morphologie bzw. daraus abgeleitete Parameter wie Extrempunkte, Ableitungen, etc.
• Extinktionen werden ermittelt (berechnet oder ausgelesen)
• Artefaktbereinigung von inneren und äußeren Artefakten (Bewegung, Umlagerung, Perfusion, ..
• Parallele Meßwertreihen werden zu einem neuen Ergebnis zusammengeführt zurückgerechnet
• Berechnung und - Konditionierung eines analogen oder digitalen Signals zur Steuerung weiterer Module oder Geräte
Im Ergebnis liefert die CPU Daten, die für zumindest eine pV des durchstrahlten Mediums repräsentativ sind. Bevorzugt ist der Ausgang der CPU mit einem Regler gekoppelt. Dieser ist mit einem D/A-Wandler gekoppelt. Der Regler koppelt zurück zur Quelle der elektromagnetischen Wellen und regelt die Intensität der von der Quelle ausgehenden Strahlung derart, dass die vom Empfangssystem detektierte und an den A/D-Wandler weitergeleitete Strahlungsintesität immer in einem bevorzugten Auflösungsbereich liegt.
Alternativ kann bei Auswahl eines selbstanpassenden Systems komplett auf die Rückkopplung zur Quelle (und der Regler) verzichtet werden.
Eine Artefaktbereinigung erfolgt bevorzugt mittels einer CPU, die das Ausgangssignal der Auswerteeinheit im Zeitbereich (beispielsweise durch Polynomfunktionen) oder Bildbereich (beispielsweise durch Fouriertransfor- mation oder Wavelets) , weiterverarbeitet. Die Funktionen sind derart ausgewählt, dass sie an die möglichen Artefakteigenschaften angepasst sind. Unter Verwendung dieses Kompensationsverfahrens werden die PV typischerweise auf eine Genauigkeit von zumindest 5 %, bevorzugt 2%, über den Messbereich der jeweiligen pV bestimmt.
Zum Beispiel liegt der Messbereich für die Konzentration des Hämoglobins cHb von typisch 5 bis 20 g/dl, wobei die Norm bei 14 - 18 g/dl (Männer) und 12 - 16 g/dl (Frauen) liegt.
Im allgemeinen sind bei Hkt 24 % / cHb 8g /dl die Kompensationsmechanismen des Körpers auch bei normalem 02- Verbrauch und unter sonst günstigen Umständen voll beansprucht. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen die cHB mit einer Genauigkeit von 1,5 - 2,0 g/dl, bevorzugt auf 1 g/dl genau, nicht invasiv zu ermitteln, wobei der Meßwert für cHb bevorzugt in weniger als 1 Minuten vorliegen kann, besonders bevorzugt ist der Meßwert für cHb in weniger als 10 Sekunden ermittelt. Zur Ermittlung von cHb werden erfindungsgemäß zumindest vier Wellenlängen aus dem Bereich 600nm bis 1500nm verwendet.
Der Wertebereich für Bilirubin liegt typisch bei 0,1 - 5,0 mg/dl. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, Bilirubin mit einer Genauigkeit von 0,1 - 1,0 mg/dl, bevorzugt auf 0,5 mg/dl genau, nicht invasiv zu ermitteln, wobei der Meßwert für Bilirubin bevorzugt in weniger als 1 Minute vorliegen kann, besonders bevorzugt ist der Meßwert für cHb in weniger als 10 Sekunden ermittelt. Zur Ermittlung von Bilirubin werden erfindungsgemäß zumindest zwei Wellenlängen, ausgewählt aus der Gruppe 400 nm bis 2000 nm, verwendet.
Der Wertebereich für Blutsauerstoff 02 liegt typisch bei 40 % bis 100 % Sättigung, wobei sich physiologische und/oder pathophysiologische Schwankungen recht rasch auswirken können.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, SaO2 mit einer Genauigkeit von zumindest 5 %, bevorzugt zumindest 2%, nicht invasiv zu ermitteln, wobei der Meßwert für Sauerstoff in weniger als 1 Minuten vorliegen kann, besonders bevorzugt ist der Meßwert für cHb in weniger als 5 Sekunden ermittelt. Zur Ermittlung von SaO2 werden erfindungsgemäß zumindest zwei Wellenlängen, ausgewählt aus dem Bereich 600nm bis lOOOnm, verwendet.
Der Wertebereich für einen Kohlenmonoxidanteil SaCO im Blut liegt typisch bei 0 % bis 40 % Sättigung, wobei sich Veränderungen recht rasch auswirken können.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, SaCO mit einer Genauigkeit von zumindest 5 %, bevorzugt zumindest 2%, nicht invasiv zu ermitteln, wobei der Meßwert für einen Kohlenmonoxidanteil SaCO im Blut in weniger als 100 Sekunden, bevorzugt in weniger als 20 Sekunden, besonders bevorzugt in weniger als einer 5 Sekunden, ermittelt ist. Zur Ermittlung von SaCO werden erfindungsgemäß zumindest zwei Wellenlängen aus dem Bereich 600nm bis lOOOnm verwendet.
Die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Ermittlung der pV hängt ab von der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie und Zeit für die Berechnung der Meßsignale. Vor allem bei transportablen Geräten, die mit Batterien betrieben werden, ist die zur Verfügung stehende Energie ein begrenzender Faktor.
Fehler in der Betriebseigenschaft der Vorrichtung können komplex und eine nicht-lineare Funktion vieler Va- riablen sein. Die pV trägt direkt zu dem Fehler bei, während sekundäre Prozeßvariablen (die die Messung der primären Prozeßvariablen beeinflussen) , indirekt in den Fehler eingehen. Da das Bedürfnis nach Genauigkeit zunimmt, werden die Beiträge der sekundären Variablen immer wichtiger.
Zusätzlich zu den Problemen der Software-Komplexität und Berechnungs-Komplexität ist der Energieverbrauch, beispielsweise der CPU der Vorrichtung, kritisch, da die gesamte Betriebsenergie oder Spannungsversorgung über die gleichen Leitungen erfolgen, die für die Kommunikation verwendet werden. Weiterhin begrenzen einige eigensichere Gebiete die für den Vorrichtung verfügbare Energie . Das begrenzte Stromaufkommen begrenzt nicht nur die Anzahl und die Komplexität der Berechnungen, sondern betrifft auch die Funktionalität, die im Vorrichtung realisiert werden kann.
Insbesondere der Sensor, die CPU und die Signalaufbereitung benötigen viel Energie. Es gibt deshalb ein Bedürfnis nach einem genauen Verfahren zum Bestimmen von pV, das berechnungsmäßig einfach ist und eine geringe Anzahl von gespeicherten Eigenschaftskonstanten erfordert, so daß eine verminderte Energiemenge verbraucht wird und eine erhöhte Energie für zusätzliche Funktionalität und erhöhte Aktualisierungsgeschwindigkeiten bzw. Raten und/oder für eine schnellere CPU bereitsteht .
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, alle Funktionen der Vorrichtung auf bevorzugt zwei oder weniger Platinen zu vereinigen, um den benötigten Energiebedarf gering zu halten. Erfindungsgemäß wird außerdem vorge- schlagen kein Farbdisplay, sondern ein Schwarz-Weiß und/oder Graustufen-Display zu verwenden.
Erfindungsgemäß wird für die Erhöhung der Geschwindigkeit vorgeschlagen, die Pulswelle schnell durch eine Voreinstellung des A/D-Wandlers auf die Bandbreite des zu erwartenden Pulsations-Signales zu identifizieren.
Erfindungsgemäß wird außerdem für die Erhöhung der Geschwindigkeit vorgeschlagen, für die Weiterverarbeitung des vom PD empfangenen Signals einen 24 bit A/D-Wandler zu verwenden.
Erfindungsgemäß ist es dadurch möglich, die Pulswelle in längstens 20 msec. zu identifizieren.
Erfindungsgemäß wird für die Erhöhung der Geschwindigkeit auch vorgeschlagen, die Transmission der elektromagnetischen Wellenlängen als Parameter für die Regelung heranzuziehen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Schaltplans der Vorrichtung und
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Bauteile der Vorrichtung
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1 weist eine Sendereinheit (1) auf, in der sich wenigstens eine Leuchtdiode LEDa einer ersten vorbestimmten Nenn- Wellenlänge LAMBDAa befindet. Gegenüber der Sendereinheit befindet sich ein Photodetektor PD (2) . Zwischen Sendereinheit (1) und Photodetektor PD (2) kann ein menschliches und/oder tierisches Gewebe und/oder Gefäß dergestalt angeordnet werden, daß das von der Sendereinheit (1) ausgesandte Licht nach dem Hindurchtreten durch das Gewebe und/oder Gefäß den Photodetektor PD (2) erreicht. Dabei wird die vom PD empfangene Lichtintensität in eine elektrische Größe umgewandelt und im Gerät analog aufbereitet, anschließend A/D gewandelt und digital weiterverarbeitet.
Die Leuchtdioden LEDa, LEDn sind mit einem Multiplexer MUX (3) verbunden. Die Steuereinheit des Multiplexer MUX (3) steuert die Leuchtdioden so, daß im Falle von beispielsweise vier angeschlossenen LED, alle vier LED einander abwechselnd ein- bzw. ausgeschaltet sind.
Der Multiplexer MUX (3) weist einen weiteren Anschluß
(6) auf, der mit der Auswerteeinrichtung (7) verbunden ist. Über diese Verbindung mit der Auswerteeinrichtung
(7) wird die Information bezüglich der Einschaltzeiten der Leuchtdioden LEDa bis LEDn übermittelt. Die Auswerteeinrichtung weist wenigstens einen Mikrokontroller
(8) oder wenigstens eine CPU (9) auf.
Der Ausgangsstrom des Photodetektors PD (2) wird dem Eingang einer Strom-/Spannungs-Wandlereinrichtung (4) zugeführt. Die Strom/Spannungs-Wandlereinrichtung (4) wandelt den Ausgangsstrom des Photodetektors in eine AusgangsSpannung um. Zudem wird das analoge Signal des PD durch einen A/D-Wandler von zumindest 8 bit digitalisiert und über ein Stellglied an die Auswerteeinrichtung (7) weitergeleitet. In Verbindung mit der Auswerteeinrichtung (7) befinden sich zumindest ein volatiler Speicher, RAM (10) und ein nicht volatiler Speicher ROM (11) . Der nicht volatile Speicher (11) ist beispielsweise als EEPROM oder Flash ausgeführt. In dem nicht volatilen Speicher (11) ist ein Algorythmus hinterlegt, der zur Bestimmung der pV dient. An die Auswerteeinrichtung (7) ist eine Eingabevorrichtung (12) in Form einer Tastatur anschließbar. Außerdem sind verschiedene Ausgabeeinrichtungen (13, 14, 15, 16) an die Auswerteeinrichtung (7) anschließbar. Über einen Lautsprecher (13) lassen sich beispielsweise Warntöne oder Sprachausgaben generieren, die den Anwender informieren oder leiten können. Über Leuchten (15) lassen sich beispielsweise Warnsignale und/oder Statussignale generieren. Über ein Display (14) werden die pV-Werte angezeigt.
In zumindest einem beispielhaften Betriebszustand der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 wird das Gewebe/Gefäß abwechselnd von dem von der ersten Leuchtdiode LEDa bzw. dem von der weiteren Leuchtdiode LEDn emittierten Licht durchstrahlt, wobei das durch das Gewebe/Gefäß hindurchtretende Licht von dem Photodetektor PD aufgenommen und in einen Photodetektor-Ausgangsstrom umgesetzt wird. Die Leuchtdioden LEDa, LEDn können entweder binär angesteuert werden, hierbei emittiert eine LED zu jedem Zeitpunkt entweder kein Licht oder Licht bei einer vorgebbaren Leistung, alternativ können die LED mit einem Analogsignal vorgegebener Amplitude angesteuert werden. Der Zeittakt für die Ansteuerung der LED kann in Abhängigkeit der Pulswellenphasen, beispielsweise alle 200 μsec, erfolgen.
Zu zwei Zeitpunkten tl und t2 kann die Ansteuerung wie folgt erfolgen:
tl t2 1. Wellenlänge a Wellenlänge a
2. Wellenlänge b Wellenlänge b
3. Wellenlänge c Wellenlänge c
4. Wellenlänge d Wellenlänge d
5. dunkel dunkel
Um das Stromsignal möglichst rauscharm und mit ausreichender Verstärkung in ein zur Weiterverarbeitung in der Auswerteeinrichtung 7 verwendbares SpannungsSignal umzusetzen, wird es der Strom-/Spannungs- Wandlereinrichtung (4) und dem A/D-Wandler zugeführt. Die Auswerteeinrichtung (7) ermittelt aus dem Spannungssignal den Verlauf der spektralen Absorption des Gewebes/Gefäßes bei den durch die LED definierten Wellenlängen der ersten bzw. weiteren Leuchtdioden LEDa, LEDn und ermittelt aus diesen spektralen Absorptions- werten durch Aufbereitung und/oder Weiterverarbeitung und/oder Verknüpfung die jeweils interessierenden pV, beispielsweise die absolute oder relative Hämoglobinkonzentration Hb, die COHb Konzentration, die SauerstoffSättigung SaO2, CaO2 oder die Herzfrequenz. Die Meßwerte für die pV für jede Wellenlänge werden im vo- latilen (10) und/oder nicht volatilen Speicher (11) hinterlegt. Anschließend werden die Meßwerte durch die Auswerteeinrichtung (7) mit Hilfe des Mikrokontrollers (8) wieder ausgelesen und in der CPU (9) mit Hilfe des im ROM (11) hinterlegten Algorythmus analysiert.
Hierbei werden digitalisierte Daten, die die Abschwächung und/oder Streuung elektromagnetischer Strahlung durch ein Gewebe/Gefäß repräsentieren, in einer Zentraleinheit unter Programm-Kontrolle verarbeitet, wobei ein Steuerwerk aus einem Speicher die Befehle eines Programms empfängt und entsprechend der Programmanweisung Operationen durch ein Rechenwerk ausführt, welches aus zumindest einer Arithmetisch-Logischen Einheit besteht .
Im Ergebnis werden absolute und/oder relative Meßwerte für die gewünschte pV ermittelt. In Abhängigkeit von, beispielsweise über die Tastatur (12) definierbaren, Grenzwerten und/oder Voreinstellungen, werden die Ergebnisse der pV elektronisch, optisch (14, 15) und/oder akustisch (13) ausgegeben. Dazu werden die Daten die die pV repräsentieren, für eine Schnittstelle konditioniert und an einer Schnittstelle bereitgestellt. Bevorzugt wird ein Protokoll über eine Schnittstelle bereitgestellt. Beispielsweise wird am Interface eine Spannung und/oder ein Strom, die/der im wesentlichen proportional zur pV ist, bereitgestellt. So kann ein digitalisierter, die pV repräsentierender, Wert in einem TCP/lP Protokoll über Ethernet zur Verfügung gestellt werden.
Beispielsweise kann ein SaO2-Wert über ein proprietäres-Protokoll an einer UART-Schnittstelle bereitgestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich gemäß Fig. 2 auf eine tragbare, kleine und handliche Vorrichtung, die es einem Anwender ermöglicht, nicht invasiv mehrere pV zu bestimmen. Die Vorrichtung besteht aus einer Gehäuseoberschale (17) aus Kunststoff mit einer Aussparung für ein Display (30) und Aussparungen für Bedientasten. In die Gehäuseoberschale (17) wird ein Bedienfeld (18) mit Tasten eingefügt. Das Bedienfeld weist eine Aussparung für ein Display (31) und Bedientasten (32) auf. Das Display (19) ist auf das Bedienfeld (18) fügbar und ist elektrisch und mechanisch durch die Hauptplatine (20) mit der Gehäuseoberschale (17) verbindbar.
Eine Trennvorrichtung (21) separiert Hauptplatine (20) und Energieplatine (22) mechanisch. Im Bereich der Hauptplatine (20) , Unterschale (24) und Trennvorrichtung (21) sind Aussparungen (34) für eine Befestigungs- vorrichtung (27) vorgesehen. Auf der Rückseite der Gehäuseoberschale (17) befinden sich Aufnehmer (33) für die Befestigungsvorrichtung (27) . Eine Buchse (23) ist adaptierbar. Die Buchse (23) kann elektrisch und mech- nisch mit der Hauptplatine (20) und/oder Energieplatine (22) verbunden werden. Die Buchse dient der Aufnahme eines Sensorkabels. Alternativ kann die Buchse als Empfangsmodul für eine Funkübertragung von Sensorsignalen ausgerüstet sein.
Im Bereich der Unterschale (24) befindet sich eine Aufnahmevorrichtung (28) für eine Energieversorgung (26) , beispielsweise Akkumulatoren (26) . Im montierten Zustand sind Unterschale (24) und Oberschale durch die Befestigungsvorrichtung (27) lösbar miteinander verbunden. Eine Abdeckung (25) kann über die Aufnahmevorrichtung (28) für eine Energieversorgung (26) geschoben werden.
Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind bevorzugt kleiner als 15 cm in der Länge und kleiner als 5 cm in der Tiefe und kleiner als 8 cm in der Breite. Das Volumen der Vorrichtung ist bevorzugt kleiner als 600 ccm. Um kleine und kompakte Abmessungen zu erreichen und trotzdem im Wartungsfall leicht de- und remontiert zu werden, besteht die Vorrichtung aus nicht mehr als zwei Platinen (20, 22) und/oder weniger als 11 Einzelteilen und/oder weniger als drei Befestigungsvorrichtungen (27) .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in einer bevorzugten Ausführungsform als eine Original Equipment Manu- facturer (OEM) -Leiterplatte ausgeführt.
Die erfindungsgemäße OEM-Leiterplatte kann über zumindest einen Steckkontakt, welcher eine lösbare mechanische und elektronische Kopplung ermöglicht, im Bereich der Platine von Patientenmonitoren montiert werden. Erfindungsgemäß läßt sich somit der Funktionsumfang von Patientenmonitoren, durch einfaches hinzufügen der erfindungsgemäßen OEM-Leiterplatte, um die Funktionen die auf der erfindungsgemäßen OEM-Leiterplatte implementiert sind, erweitern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in einer bevorzugten Ausführungsform als integrierte Schaltung und - wegen des geringen Leistungsbedarfs - in CMOS-Technologie ausgebildet. Die Leiterplatte ist bevorzugt doppelseitig bestückt. Die Leiterbahnbreite auf der Leiterplatte liegt im Bereich 0,15 mm +/- 0,5 mm. Der Leiterbahnabstand liegt im Bereich 0,15 mm +/- 0,5 mm. Die Betriebsspannung liegt bevorzugt im Bereich 3 V bis 15 V.
Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Leiterplatte sind bevorzugt weniger als 100 mm x 80 mm, besonders bevo- zugt weniger als 73 mm x 39mm. Im Bereich der OEM- Leiterplatte ist bevorzugt zumindest eine Befestigungs- vorrichtung vorgesehen. Diese kann als Bohrloch zur Aufnahme einer Schraube ausgestaltet sein. Erfindungsgemäß wird durch die kompakte Bauform der Einbau der erfindungsgemäßen OEM-Leiterplatte in beliebige Patientenmonitore möglich.
Die Stromversorgung der erfindungsgemäßen OEM- Leiterplatte erfolgt beispielsweise über die Hauptplatine des Patientenmonitors. Die Datenkommunikation zwischen der erfindungsgemäßen OEM-Leiterplatte und dem Patientenmonitor erfolgt über ein definierbares Protokoll .
Zur Ermittlung der pV werden beispielsweise die Verfahren aus DE 103 21 338 Al und DE 102 13 692 Al herangezogen. Die Verfahren aus DE 103 21 338 Al und DE 102 13 692 Al sind als Bestandteil dieser Anmeldung zu verstehen.
In einem Ausführungsbeispiel empfängt die Vorrichtung elektromagnetische Wellen, insbesondere Licht, von zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen und/oder von zumindest zwei verschiedenen Wellenlängenbändern von zumindest einer Quelle, wobei die Quelle die elektromagnetischen Wellen emittiert und diese durch ein zu untersuchendes menschliches Gewebe und/oder Gefäße geleitet werden und der transmittierte und/oder der reflektierte Anteil der elektromagnetischen Wellen von einem Empfangssystem detektiert werden, wobei das Empfangssystem geeignet ist, in einem Zeitabstand von weniger als einer Sekunde die Lichtsignale verschiedener Wellenlängen zu detektieren, in Strom- und/oder Spannungssigna- Ie, die zumindest einem Meßwert entsprechen umzuwandeln und weiterzugeben, wobei zumindest ein Meßwert von einer Auswerteeinheit durch eine Signalkonditionierung aufbereitet wird und ein Meßwert unabhängig von der ursprünglichen Wellenlänge durch aktive und/oder passive elektronische Bauelemente weiterverarbeitet wird, um über eine Schnittstelle, beispielsweise auf einem Display, angezeigt zu werden.
Im einem weiteren Ausführungsbeispiel wird aus der pV ein analoges oder digitales Signal erzeugt, das über eine Schnittstelle internen und/oder externen Signal- empfängern zur Verfügung gestellt wird, wobei der Meßwert zumindest einer pV in einer definierten Zeit, beispielsweise im Bereich von 10 Sekunden, ausgewertet und über die Schnittstelle zur Darstellung zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine SaO2 und/oder eine CaO2 und oder die cHb ermittelt. Daten, die die SaO2 und/oder CaO2 und/oder cHb zum Meßzeitpunkt repräsentieren, werden derart ermittelt und aufbereitet, dass Daten, die die aktuellen Meßwerte repräsentieren, mit einer Verzögerung von weniger als 30 Sekunden, bevorzugt weniger als 15 Sekunden und besonders bevorzugt weniger als 5 Sekunden, beginnend vom Zeitpunkt der Aussendung einer ersten Wellenlänge bis zum Zeitpunkt der Darstellung, für einen Anwender und/oder Übermittlung über eine Schnittstelle bereit stehen.
Erfindungsgemäß wird es erstmals möglich, physiologische Variablen, wie beispielweise Parameter der SauerstoffVersorgung in der Peripherie des Körpers, durch eine Vorrichtung nicht invasiv zu ermitteln und als Information bereitzustellen dergestalt, dass in Anhängigkeit der ermittelten Meßwerte die Sauerstoffversorgung direkt und/oder indirekt im Zeitbereich von weniger als 5 Minuten, bevorzugt weniger als 2 Minuten, besonders bevorzugt weniger als 30 Sekunden, darstellbar ist. Erfindungsgeinaß wird es weiterhin erstmals möglich, physiologische Variablen, wie beispielweise SaCO, SaO2, cHb, CaO2, Bilirubin durch eine Vorrichtung nicht invasiv zu ermitteln und als Information bereitzustellen dergestalt, dass zumindest zwei der pV in einem zeitlichen Abstand von weniger als einer Minute, bevorzugt weniger als 10 Sekunden, als Information bereitgestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird es ebenfalls erstmals möglich, physiologische Variablen, wie beispielweise SaCO, SaO2, cHb, CaO2 oder Bilirubin, durch eine Vorrichtung nicht invasiv zu ermitteln und als Information bereitzustellen dergestalt, dass zumindest zwei der pV gleichzeitig über eine Auswahlfunktion als Information beispielsweise auf einem Display bereitgestellt werden können.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum optischen Bestimmen von physiologischen Variablen (pV) in perfundiertem Gewebe mit
a)mindestens einer ersten (LEDa) und einer zweiten (LEDb) Lichtquelle, welche jeweils Lichtstrahlung einer ersten bzw. einer zweiten vorbestimmbaren Wellenlänge aussenden, wobei die Lichtquellen derart angeordnet sind, daß die von ihnen ausgehende Lichtstrahlung in das perfundierte Gewebe eindringen kann,-
b) mindestens einem Photodetektor (PD) , der so angeordnet ist, daß er das von den Lichtquellen aus- gesandte, durch das perfundierte Gewebe hindurchgetretene Licht und/oder rückgestreute Licht detektiert;
c) einer Steuereinheit, die Steuersignale derart an die Lichtquellen liefert, daß die Lichtquellen fortwährend einander abwechselnd Licht aussenden, wobei in diesen Ablauf eine oder mehrere Dunkel- phasen eingefügt sein können, in welchen zumindest eine Lichtquelle kein Licht aussendet;
d) einer mit dem Ausgang des Photodetektors (PD) verbundenen Auswerteeinrichtung,
e) wobei die Auswerteeinrichtung für mindestens eine zu messende pV ein anzeigbares Ausgangssignal an eine mit der Auswerteeinrichtung verbindbare Schnittstelle liefert.
2. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der vom Photodetektor empfangenen Signale in einer Zentraleinheit unter Programm-Kontrolle geschieht und ein Steuerwerk aus einem Speicher die Befehle eines Programms empfängt und entsprechend der Programmanweisung Operationen durch ein Rechenwerk ausgeführt werden, • welches aus zumindest einer Arithmetisch-Logischen Einheit besteht .
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physiologische Variable ausgewählt ist aus folgender Gruppe : Konzentration an Gesamthämoglobin cHb, Oxyhämoglo- bin HbO2, desoxygeniertem Hämoglobin HbDe, Carbo- xyhämoglobin HbCO, Methämoglobin HbMet, SuIfhämo- globin HbSuIf, Bilirubin, Gallenfarbstoffe, frak- tionale SauerstoffSättigung SaO2, funktionale Sau- erstoffSättigung SpO2, SauerstoffVersorgung CaO2, KohlenmonoxidSättigung SaCO.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßwert zumindest einer pV innerhalb von 10 Sekunden nach Registrierung der detektierten elektromagnetischen Wellen ermittelt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb von einer Minute, bevorzugt innerhalb von 30 Sekunden, der Meßwert nach Registrierung der detektierten elektromagnetischen Wellen ermittelt ist und das Signal zur Weitergabe über eine Schnittstelle bereitsteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßwerte der Sättigung an SaCO des durchstrahlten Mediums im Bereich 0 - 40 % Sättigung auf 2%-Punkte genau der tatsächlichen Sättigung entsprechen.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßwerte der Sättigung an SaO2 des durchstrahlten Mediums im Bereich 0 - 100 % Sättigung auf 2%-Punkte genau der tatsächlichen Sättigung entsprechen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßwerte der Konzentration an Hämoglobin des durchstrahlten Me- diums auf zumindest 2,0 g/dl genau der tatsächlichen Konzentration entsprechen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Zeitpunkt der Passage elektromagnetischer Wellen durch ein Gewebe/Gefäß bis zur Ausgabe eines die cHb repräsentierenden Wertes nicht mehr als 60 Sekunden vergehen, wobei wobei die Konzentration für cHb des durchstrahlten Gewebe/Gefäß auf mind. 3 g/dl genau ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Zeitpunkt der Passage elektromagnetischer Wellen durch ein Gewebe/Gefäß bis zur Ausgabe eines die SaCO repräsentierenden Wertes nicht mehr als 20 Sekunden vergehen, wobei die Sättigung für SaCO auf mind. 2 %-Punkte (im Meßbereich von 0 - 40 %) genau ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswahl bestimmbar ist, welche pV ermittelt werden sollen.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswahl bestimmbar ist, wie viele pV ermittelt werden sollen.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Aus- wähl bestimmbar ist, welche und/oder wie viele pV ermittelt werden sollen und die Wahl der für die Detektion entsprechend geeigneten Wellenlängen aufgrund der Auswahl erfolgt und / oder vornehmbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung von zumindest vier verschiedenen Wellenlängen ausgewählt aus der Gruppe 400nm ± 15%, 460 nm ± 15%, 480 nm + 15%, 520 nm + 15%, 550 nm ± 15%, 560 nm + 15%, 606 nm ± 15%, 617 nm + 15%, 620 nm ± 15%, 630 nm + 15%, 650 nm + 15%, 660 nm ± 15%, 705 nm ± 15%, 710 nm ± 15%, 720 nm ± 15%, 805 nm + 15%, 810 nm + 15%, 880 nm ± 15%, 905 nm ± 15%, 910 nm + 15%, 950 nm + 15%, 980 nm ± 15%, 980 nm + 15%, 1050 nm ± 15%, 1200 nm ± 15%, 1310 nm ± 15%, 1380 nm + 15%, 1450 nm ± 15%, 1600 nm + 15%, 1800 nm ± 15% zumindest die Konzentration des Hämoglobins cHb und die arterielle Sättigung des Blutes mit Sauerstoff SaO2 in weniger als 5 Minuten, bevorzugt weniger als 2 Minuten, bestimmbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung von zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen ausgewählt aus der Gruppe 400nm ± 15%, 460 nm ± 15%, 480 nm + 15%, 520 nm ± 15%, 550 nm + 15%, 560 nm + 15%, 606 nm + 15%, 617 nm ± 15%, 620 nm ± 15%, 630 nm + 15%, 650 nm ± 15%, 660 nm + 15%, 705 nm + 15%, 710 nm ± 15%, 720 nm ± 15%, 805 nm ± 15%, 810 nm ± 15%, 880 nm ± 15%, 905 nm ± 15%, 910 nm ± 15%, 950 nm + 15%, 980 nm ± 15%, 980 nm ± 15%, 950 πm ± 15%, 980 πm + 15%, 980 um ± 15%, 1050 πm ± 15%, 1200 nm ± 15%, 1310 um + 15%, 1380 um + 15%, 1450 nm ± 15%, 1600 nm ± 15%, 1800 nm + 15% zumindest die Sättigung des Blutes mit Kohlen- monoxid SaCO in weniger als einer Minute, bevorzugt weniger als 30 Sekunden, bestimmbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass physiologische Variablen, wie bevorzugt SaCO, SaO2, cHb, CaO2 oder Bilirubin ermittelt und als Information bereitgestellt werden können dergestalt, dass zumindest zwei der pV in einem zeitlichen Abstand von weniger als 10 Sekunden als Information auf einem Display bereitgestellt werden können.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung tragbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Gehäuse aus Kunststoff (17) aufweist mit einem Display (30) , auf dem zumindest zwei pV ausgewählt aus der Gruppe Puls, SaO2, SpO2, CaO2, SaCO, cHb, MetHb anzeigbar sind und Bedientasten und einer Buchse (23), wobei die Buchse (23) der Aufnahme eines Sensorkabels dient und die Buchse (23) im Bereich des Gehäuses angeordnet ist und sich im Bereich des Gehäuses eine Aufnahmevorrichtung (28) für eine Energieversorgung (26) befindet, wobei eine Abdeckung (25) die Aufnahmevorrichtung (28) bedeckt .
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kleiner als 15 cm in der Länge und kleiner als 5 cm in der Tiefe und kleiner als 8 cm in der Breite sind.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Vorrichtung kleiner als 600 ccm ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus nicht mehr als zwei Platinen (20, 22) und weniger als 11 Einzelteilen und/oder weniger als drei Befestigungsvorrichtungen (27) besteht.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtgewicht der Vorrichtung weniger als 120 g beträgt und/oder das Gehäuse ein Verhältnis von Länge zu Breite zu Dicke von etwa 3:2:1 hat .
23. Vorrichtung, die elektromagnetische Wellen, insbesondere Licht, von zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen und/oder von zumindest zwei verschiedenen Wellenlängenbändern von zumindest einer Quelle emittiert, wobei die elektromagnetischen Wellen durch ein zu untersuchendes lebendes und/oder totes Medium, bevorzugt tierisches und/oder menschliches Gewebe und/oder Gefäße, geleitet werden und der transmittierte und/oder der reflektierte Anteil der elektromagnetischen Wellen von einem Empfangssystem detektiert werden, wobei das Empfangssystem geeignet ist, in einem Zeitabstand von weniger als einer Sekunde die Lichtsignale verschiedener Wellenlängen zu detektieren, in Strom- und/oder SpannungsSignale, die zumindest einem Meßwert entsprechen, umzuwandeln und weiterzugeben, wobei zumindest ein Meßwert von einer Auswerteeinheit durch eine Signalkonditionierung aufbereitet wird und ein Meßwert unabhängig von der ursprünglichen Wellenlänge durch aktive und/oder passive elektronische Bauelemente weiterverarbeitet wird.
24. Vorrichtung zur Bestimmung von physiologischen Variablen (pv) in Gewebe und/oder Gefäßen mit
a) mindestens einer Lichtquelle, welche Lichtstrahlung aussendet, wobei die Lichtquelle derart angeordnet ist, daß die von ihnen ausgehende Lichtstrahlung in das Gewebe / Gefäß eindringen kann;
b) mindestens einem Photodetektor (PD) , der so angeordnet ist, daß er das von der Lichtquelle aus- gesandte, durch das Gewebe / Gefäß hindurchgetretene Licht und/oder rückgestreute Licht detektiert;
c) einer mit dem Photodetektor (PD) verbundenen Auswerteeinrichtung,
d) wobei die Auswerteeinrichtung für mindestens eine zu messende pV ein anzeigbares Ausgangssignal an eine mit der Auswerteeinrichtung verbindbare Schnittstelle liefert,
e) einer Buchse und/oder Schnittstelle, die der Aufnahme von Sensorsignalen dient,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest zwei pV ausgewählt aus der Gruppe Puls, SaO2, CaO2, SaCO, cHb ermitteln kann.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als eine Original Equipment Manufacturer (OEM) - Leiterplatte ausgeführt ist, die über zumindest einen Steckkontakt, welcher eine lösbare mechanische und/oder elektronische Kopplung ermöglicht, im Bereich von Patientenmonitoren montiert werden kann und dadurch der Funktionsumfang von Patientenmonitoren, durch einfaches hinzufügen der erfindungsgemäßen OEM-Leiterplatte, um die Funktionen die auf der erfindungsgemäßen OEM-Leiterplatte implementiert sind, erweiterbar ist.
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