DE60221841T2 - Druckmanschette mit körperbeleuchtung zur verwendung bei der optischen nichtinvasiven messung von blutparametern - Google Patents

Druckmanschette mit körperbeleuchtung zur verwendung bei der optischen nichtinvasiven messung von blutparametern Download PDF

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    • A61B5/6838—Clamps or clips

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft die nicht-invasive Messung von Parametern wie zum Beispiel des Blutdrucks und der Sauerstoff-Sättigung in Menschen und Tieren und insbesondere die optische nicht-invasive Messung von Blutparametern mit einer körperteilbeleuchtenden, aufblasbaren Manschette.
  • Es sind eine Anzahl von nicht-invasiven Blutparameter-Messverfahren bekannt. Zum Beispiel wurde der Blutdruck mittels des auskultatorischen Verfahrens, welches eine Manschette und ein Stethoskop verwendet, und mittels des oszillatorischen Verfahrens gemessen, welches nur eine Manschette benötigt, die an dem Körperteil angebracht ist. Das konventionelle oszillatorische Verfahren beruht auf den Kleinamplituden-Pulsdruckoszillationen, welche während der Manschetten-Entleerung von oberhalb des systolischen Drucks bis zum Nulldruck von der darunter liegenden Arterie in dem Körperteil auf die Manschette übertragen werden. Derartige Arteriendruckoszillationen verursachen entsprechende Oszillationen des Manschettendrucks, welche verstärkt und dazu verwendet werden können, um den systolischen, den mittleren und den diastolischen Druck zu identifizieren. Zum Beispiel wurde von Posey et. al. nachgewiesen, dass der Manschettendruck bei maximalen Amplitudenoszillationen dem mittleren Arteriendruck entspricht. Siehe Posey et al. "The Meaning of the Point of Maximum Oscillations in Cuff Pressure in the Direct Measurement of Blood Pressure", Teil 1, Cardiovascular Res. Ctr. Bull. 8(1): 15-25, 1969. Siehe auch Ramsey, "Noninvasive Automatic Determination of Mean Arterial Pressure", Med. Biol. Eng. Comput. 17: 17-18, 1979, und Geddes et al., "Characterisation of the Oscillometric Method for Measuring Indirect Blood Pressure", Annals of Biomedical Engineering, Vol. 10, Seiten 271-280, 1982.
  • Handelsübliche oszillatorische Vorrichtungen sind für manche Anwendungen nützlich, aber sind z.B. nicht besonders geeignet für die Verwendung in der Neonatologie und für Frühgeborene, wo man sehr kleinen Amplitudendruckpulsen in solchen kleinen Gliedern begegnet, und in der Kleintier-Veterinärmedizin, wo Tierglieder und -schwänze etc. zu klein sind für konventionelle oszillatorische Vorrichtungen.
  • Das Pulsoximeter ist ein bekanntes Instrument für die nicht-invasive Messung der Sauerstoff-Sättigung, wie in dem Übersichtsartikel von Geddes mit dem Titel "Heritage of the Tissue-Bed Oximeter" beschrieben, veröffentlicht in IEEE Engineering in Medicine and Biology, 87-91, März/April 1997. Konventionelle Pulsoximeter umfassen jedoch keine integralen Mittel zum Messen des Blutdrucks mit denselben Sensoren, die für die Oximetrie verwendet werden.
  • Dokument US-A-5111817 offenbart ein optisches nicht-invasives System für die Messung von Blutparametern wie in der Präambel von Anspruch 1 offenbart.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist wie in dem angehängten Satz von Ansprüchen definiert.
  • Eine durchleuchtende, mit Druck beaufschlagbare Manschette umfasst ein klappbares Manschetten-Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten halbzylindrischen Abschnitt sowie einem Gelenk, welches parallel zu der Längsachse der halbzylindrischen Gehäuseabschnitte ist. Eine oder mehrere Lichtquellen sind an dem ersten Gehäuseabschnitt montiert, und ein Fotodetektor ist an dem zweiten Gehäuseabschnitt montiert in einer Position, um Licht zu empfangen, welches von der Lichtquelle bzw. den Lichtquellen durch ein Körperteil hindurch gesendet wird, welches innerhalb des Manschetten-Gehäuses angeordnet ist. Eine optisch transparente, aufblasbare Manschette ist adaptiert, um in das Manschetten-Gehäuse und um das Körperteil herum zu passen. Die Verwendung von zwei umfangseitig mit Abstand angeordneten Lichtquellen ist bevorzugt, um eine Behinderung der Bestrahlungs-Strahlen durch den Knochen zu minimieren.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine leicht anwendbare Manschette bereit zur Messung des Blutdrucks und der Sauerstoff-Sättigung in kleinen Körperteilen wie zum Beispiel den Gliedern und Schwänzen von kleinen Tieren und den Gliedern von Kleinkindern, insbesondere Kleinkindern mit geringem Geburtsgewicht (unterhalb von 8-1/2 Pfund).
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine Seitenansicht einer zylindrischen Ausführungsform einer Transilluminations-Manschette gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht einer klappbaren Ausführungsform einer Transilluminations-Druck-Manschette gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Querschnitt der Manschette aus 2.
  • 4 ist ein Blockdiagramm eines Blutparameter-Messsystems, umfassend eine Teil-durchleuchtende Manschette.
  • 5 ist ein Satz von Beispiel-Wellenformen, der von einer menschlichen Person mit einer erfindungsgemäßen Manschette an dem kleinen Finger erhalten wurde.
  • 6 ist ein weiterer Satz von Beispiel-Wellenformen.
  • 7 veranschaulicht die Spektralcharakteristika von Hämoglobin (Hb) und von mit Sauerstoff angereichertem Hämoglobin (HbO2).
  • 8 ist ein Beispiel einer Kalibrierkurve zur Verwendung in einer Sauerstoff-Sättigungs-Messung gemäß der Erfindung.
  • 9 ist eine Aufzeichnung der Atmung, der Sauerstoff-Sättigung und des Blutdrucks, die von einem anästhesierten Hund unter Verwendung eines Durchflussoximeters erhalten wurde.
  • 10 veranschaulicht die Atmungsvariationen in der optischen Transmission durch ein Körperteil mit einer Manschette gemäß der Erfindung.
  • 11 ist eine Aufzeichnung der Sauerstoff-Sättigung als eine Funktion der Zeit während des Atemanhaltens einer menschlichen Person.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Zum Zwecke des Förderns des Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug genommen auf die Ausführungsform, welche in der Zeichnung dargestellt ist, und eine spezifische Ausdrucksweise wird verwendet, um dieselbe zu beschreiben. Dennoch ist es verständlich, dass dadurch keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist; derartige Änderungen und weitere Modifikationen in der dargestellten Vorrichtung und derartige weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung wie darin dargestellt werden betrachtet als würden sie dem Fachmann, den die Erfindung betrifft, normalerweise in den Sinn kommen.
  • In einer Ausführungsform einer Teil-durchleuchtenden, transparenten mit Druck beaufschlagbaren Manschette 10 gemäß der Erfindung, welche in 1 dargestellt ist, nimmt ein starres Rohr 12 eine elastische Hülse 14 auf. Die Hülse kann mit einem Einlass 16 zur Verbindung mit einer Druckquelle wie zum Beispiel einer Luftzuführung und einem Auslass 18 zur Verbindung mit z. B. einem Manometer vorgesehen sein. Alternativ kann der Einlass 16 die einzige Druckleitung sein, wie in der Ausführungsform von 2, welche unten beschrieben ist. Ein zwischen die elastische Hülse und das starre Rohr angelegter Druck bewirkt, dass die Hülse ein Körperteil wie z.B. einen Finger 20, der darin angeordnet ist, zusammendrückt. Neben anderen Anwendungen ist diese Ausführungsform z.B. auch auf einen kleinen Tierschwanz anwendbar. Das starre Rohr umfasst eine Lichtquelle 22 und einen Fotodetektor 24, welche sich diametral gegenüberliegen können wie in der Zeichnung dargestellt. Alternativ können wie unten beschrieben zwei Lichtquellen vorgesehen sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform sind die Lichtquelle und der Fotodetektor nebeneinander an dem Manschetten-Gehäuse montiert, und der Blutdruck und die Sauerstoff-Sättigung werden basierend auf der Lichtreflektion durch das Gewebe in dem Körperteil gemessen.
  • Bezugnehmend auf die 2 und 3 umfasst eine weitere Ausführungsform einer Manschette 30 gemäß der Erfindung ein klappbares Manschetten-Gehäuse 32 mit einem ersten und einem zweiten halbzylindrischen Abschnitt 34 bzw. 36 sowie einem Gelenk 38, welches parallel zu der Längsachse der halbzylindrischen Gehäuseabschnitte ist. Die Achsen der zwei Gehäuseabschnitte sind parallel zueinander und decken sich, um eine gemeinsame Achse zu formen, wenn das klappbare Gehäuse geschlossen ist. Um die Anwendung der Manschette auf ein knochenenthaltendes Körperteil zu erleichtern, d.h., um Knochenschatten zu vermeiden, sind zwei Lichtquellen 40 und 42 umfangseitig mit Abstand an einem Gehäuseabschnitt einem Fotodetektor 44 gegenüberliegend angeordnet, welcher an dem anderen Gehäuseabschnitt montiert ist. Diese Konfiguration erhöht die Transmission von Licht durch das Gewebebett um den Knochen 45 in dem Teil, in dem der Blutdruck nicht-invasiv gemessen wird. Der Winkelabstand der LEDs und des Fotodetektors kann wie in 3 gezeigt sein, oder alternativ können die LEDs und der Fotodetektor mit einem Abstand von ungefähr 120 Grad angeordnet sein. LEDs wie z.B. vom Typ L660/805/975-40D00, erhältlich von Epitex, Kyoto, Japan, sind geeignete Lichtquellen, und ein geeigneter Fotodetektor ist ein Fotoresistor oder eine Fotodiode vom Typ QSG 723, erhältlich von QT Optoelectronics. Die oben genannten LEDs sind Multi-Wellenlängen-LEDs, welche die Messung der Blut-Sauerstoff-Sättigung erleichtern, wie beschrieben werden wird. Alternativ können zwei monochromatische LEDs verwendet werden.
  • Eine optisch transparente, aufblasbare Manschette 46, welche als Einweg-Gegenstand mit einem Aufblasrohr 56 vorgesehen sein kann, ist adaptiert, um in das Manschetten-Gehäuse 32 und um das Körperteil herum zu passen, und ist mittels einer Mehrzahl von Clips 48 an seinem Platz gehalten, welche zu diesem Zweck in dem Gehäuse vorgesehen sind. Einzelrohr-Aufblas-Manschetten des von W. A. Baum Company erhältlichen Typs für neonatale Anwendungen wären für solche Zwecke geeignet, wenn sie aus einem Material gefertigt wären, welches für die Lichtwellenlängen transparent ist, die von den LEDs emittiert werden. PVC ist derzeit bevorzugt, obgleich Latex und Polyurethan bis zu einem variierenden Grad auch geeignet sind. Eine ähnliche Einweg-Manschette kann auch als Hülse 14 in der Ausführungsform von 1 dienen. Bevorzugt wird mit der ringförmigen Manschette Talkumpulver verwendet, um es zu erleichtern, die Manschette anzubringen und zu entfernen, und um einen gleichmäßigen Sitz zu fördern.
  • Das Manschetten-Gehäuse kann aus Metall oder Kunststoff in zwei separat geformten Abschnitten hergestellt sein, die miteinander durch ein separates Gelenk wie oben beschrieben verbunden sind. Alternativ können die halbzylindrischen Abschnitte und das Gelenk zusammen als ein einteiliges Kunststoff-Gehäuse geformt sein. In letzterem Fall ist das Gehäuse an dem integralen Gelenk wesentlich dünner als andernorts, und in allen Fällen ist das Gehäuse von geeigneter Dicke, um dem Druck in der Manschette standzuhalten. Das Gehäuse kann mit einem Band oder einem Riegel oder anderen geeigneten Mitteln geschlossen gehalten werden. Für die meisten menschlichen Anwendungen ist eine geeignete axiale Länge des Manschetten-Gehäuses ungefähr 40% des Umfangs des Teils, für welches es zur Verwendung ausgelegt ist. Die Länge der Manschette wird bevorzugt derart bestimmt, dass die maximale Amplitude der optischen Oszillationen mit dem wahren mittleren Arteriendruck übereinstimmt. Wenn die Manschette zu kurz ist, kann sie einen falschen hohen indirekten mittleren Druck ergeben, wie durch den Manschetten-Druck bei den maximalen Amplituden-Optik-Oszillationen identifiziert. Ein Prozentanteil, der näher bei 45% ist, kann angemessen sein für kleine Körperteile. Z.B. deuten Experimente bis heute darauf hin, dass ein Prozentanteil von 43% für einen menschlichen kleinen Finger und für einen Schweinchen-Schwanz angemessen ist, und ein Prozentanteil von 45% ist angemessen für einen Rattenschwanz.
  • Bezugnehmend auf 4 ist die Manschette über ein Aufblasrohr 56 mit einer Pumpe 58 verbunden, welche mittels eines Mikroprozessors 60 gesteuert wird. Der Druck in der Leitung zu der Manschette wird mittels eines Druckwandlers 62 gemessen, der einen Signalausgang aufweist, der mit dem Mikroprozessor verbunden ist. Geeignete Wandler sind erhältlich von Cobe Labs, Littleton, Colorado. In Ausführungsformen wie der von 1, in welcher die Manschette einen Einlass und einen Auslass aufweist, ist der Druckwandler mit dem Auslass verbunden. A/D-Wandlung kann in dem Mikroprozessor oder in dem Wandler vorgesehen sein oder mit einem zweiten A/D-Wandler, der zwischen den zweien vorgesehen ist. Der Mikroprozessor regelt die LEDs und versorgt beide LEDs während der Blutdruckmessung kontinuierlich mit Strom. Der Fotodetektor erzeugt ein Ausgangssignal, welches durch einen Verstärker 64 an den Mikroprozessor bereitgestellt wird. Das verstärkte Fotodetektor-Ausgangssignal wird in dem Mikroprozessor selbst in eine digitale Form umgewandelt, wenn der Mikroprozessor einen internen A/D-Wandler hat, oder in einem separaten A/D-Wandler, welcher zwischen dem Verstärker und dem Mikroprozessor vorgesehen ist.
  • Der Mikroprozessor ist geeignet programmiert, um basierend auf dem digitalisierten Ausgangssignal des Fotodetektors diejenigen Punkte in dem Manschettendrucksignal zu identifizieren, welche dem systolischen, dem mittleren und diastolischen Druck entsprechen, und zeigt die entsprechenden Werte auf einem Display 65 an, welches separate Indikatoren aufweisen kann wie in 4 gezeigt, oder kann einen Ausgang für eine Fernaufzeichnung bereitstellen.
  • Eine geeignete Ausführungsform des Verstärkers 64 ist ein Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor. Mit solch einem Verstärker und mit einer Feedback-Schaltung 66, welche an seinem Verstärkungs-Regeleingang angeschlossen ist, wie in 4 gezeigt, kann die Sensitivität des Messsystems automatisch auf ein angemessenes Level für die Messung des Blutdrucks eingestellt werden. Es wurde erkannt, dass es nützlich ist, die Sensitivität basierend auf der Amplitude der Fotodetektorausgangspulse vor dem Aufblasen der Manschette einzustellen. Derartige Pulse können eine Peak-zu-Peak-Amplitude in der Größe von einem Drittel bis zu einer Hälfte der maximalen Peak-zu-Peak-Amplitude derjenigen Pulse haben, welche während der Blutdruckmessung erhalten werden. Derartige Pulse sind durch das Bezugszeichen 68 in 5 identifiziert, welche eine Beispiel-Wellenform für das Fotodetektorausgangssignal sowohl vor als auch während der Blutdruckmessung zeigt. Die Sensitivitätseinstellung ist unterdrückt, wenn der Blutdruck gemessen wird. Das heißt, die Verstärkung des Verstärkers 64 und folglich die Systemsensitivität ist zu dieser Zeit festgesetzt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Pulsfrequenz anhand der optischen Pulse ermittelt werden kann, welche vor dem Aufblasen und nach dem Entleeren der Manschette auftreten, und zusammen mit den Blutdruckwerten angezeigt werden kann wie in 4 angedeutet.
  • Wenn der Manschettendruck über den systolischen Druck angehoben wird, endet jegliche Oszillation. Sobald der Manschettendruck unter den systolischen Druck fällt, erscheinen die Pulse wieder, und sobald der Manschettendruck weiter reduziert wird, nimmt die Optik-Puls-Amplitude zu und erreicht ein Maximum, bei welchem Punkt angenommen wird, dass der Manschettendruck gleich dem mittleren Arteriendruck ist. Mit einer kontinuierlichen Reduzierung des Manschettendrucks nimmt die Oszillationsamplitude ab und kehrt zu einem gleichmäßigen Level zurück. 5 identifiziert die Signale zur Identifizierung der Punkte auf der Manschettedruckkurve 70, welche dem systolischen (S), dem mittleren (M) und dem diastolischen (D) Druck entsprechen. 5 zeigt eine Beispiel-Optik-Puls-Wellenform 69, welche während einem durch die Kurve 70 repräsentierten Manschettendruckzyklus erhalten wurde, und zeigt die Peak-zu-Peak-Amplituden As, Am, Ad der Pulswellenform an den Punkten an, welche mit dem Auftreten des systolischen, des mittleren bzw. des diastolischen Drucks übereinstimmen. Der systolische Druck wird identifiziert auf der Basis des Verhältnisses As/Am, und der diastolische Druck wird identifiziert auf der Basis des Verhältnisses Ad/Am. Insbesondere werden diese Brüche mit der Amplitude Am multipliziert, um die Amplituden As und Ad zu erhalten, und die entsprechenden Zeitpunkte werden auf der Optik-Puls-Wellenform identifiziert mittels Interpolarisation zwischen benachbarten Pulsen falls notwendig. Geeignete Verhältnisse wurden experimentell bestimmt. Mit einer herkömmlichen Manschette, welche an dem Oberarm einer menschlichen Person angebracht ist, und mit einer Manschettenbreite (axiale Länge) gleich 40% des Teilumfangs, tritt der systolische Druck auf, wenn das Amplitudenverhältnis As/Am 0,5 ist. Der diastolische Druck tritt auf bei einem Verhältnis von Ad/Am gleich 0,8. Für einen menschlichen kleinen Finger und für einen Ratten- oder Schweinchen-Schwanz ist eine geeignete axiale Länge der Manschette gleich 43-45% des Teilumfangs, wie oben angegeben. Experimente bis heute deuten an, dass bei einer Manschette an einem Rattenschwanz, die eine angemessene Größe hat, die entsprechenden Verhältnisse As/Am und Ad/Am 0,6 bzw. 0,85 sind. Für einen menschlichen kleinen Finger sind die entsprechenden Verhältnisse As/Am und Ad/Am 0,2 bzw. 0,65.
  • 6 zeigt Beispiel-Wellenformen für eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Manschettendruck linear erhöht und anschließend linear reduziert wird, wie durch die Abschnitte 72 bzw. 74 des Manschettendrucksignals dargestellt, und zwei Sätze von Optik-Puls-Daten 76 und 78 erhalten werden. Wie in der Zeichnung gezeigt, umfasst der erste Satz von Pulsen 76 Angaben der Zeitpunkte während des Manschettendruckanstiegs 72, bei denen der diastolische, der mittlere und der systolische Druck in dieser Reihenfolge auftreten. Umgekehrt umfasst der zweite Satz von Pulsen 78 Angaben der Zeitpunkte während des Manschettendruckabfalls 74, bei denen der systolische, der mittlere und der diastolische Druck in dieser Reihenfolge auftreten. Auf diese Art können für jeden Druck zwei Werte erhalten werden und der Durchschnitt ermittelt werden, und der Durchschnittswert kann angezeigt werden.
  • Nochmals auf 4 Bezug nehmend, kann das System ein Pulsoximeter zur Sauerstoff-Sättigungs-Messung umfassen. Die Blut-Sauerstoff-Sättigung ist definiert als das Verhältnis von mit Sauerstoff angereichertem Hämoglobin (HbO2) zu dem gesamten Hämoglobin (Hb + HbO2) und wird üblicherweise als Prozentanteil ausgedrückt. Das Pulsoximeter bestimmt die Sauerstoff-Sättigung durch Messung der optischen Transmission bei zwei Wellenlängen des Lichts, welches durch ein Gewebebett wie z.B. eine Fingerspitze tritt. Wie in 7 gezeigt hat Hämoglobin (Hb) bei 650 nm eine geringfügige Transmission, und Hämoglobin (Hb) und mit Sauerstoff angereichertes Hämoglobin (HbO2) übertragen bei 805 nm gleich gut. Letztere Wellenlänge ist bekannt als der isobestische Punkt. Wie aus 7 ersichtlich, ist die Transmission bei 805 nm unabhängig von der Sauerstoff-Sättigung. Obgleich andere Wellenlängen in Betracht gezogen werden, ist in der offenbarten Ausführungsform eine LED eine rotemittierende LED, welche vorzugsweise bei einer Wellenlänge von ungefähr 650 nm arbeitet, und die andere ist eine infrarotemittierende LED, welche vorzugsweise bei einer Wellenlänge von 805 nm arbeitet.
  • Die zwei LEDs werden alternierend in schneller Abfolge mit Strom versorgt, z.B. bei einer Frequenz von 200 Pulsen pro Sekunde. Diese Technik ermöglicht die Verwendung von Hochintensitäts-Kurzdauer-Pulsen. Diese Funktion kann mit separaten schmalbandigen LEDS ausgeführt werden oder mit einer Multi-Wellenlängen-LED wie z.B. die Epitex L660/805/975-40D00, welche oben angegeben ist. In letzterem Fall reicht eine derartige LED für die Oximetrie aus. Der Fotodetektor kann ein Breitband-Detektor sein wie z.B. der oben angegebene, welcher das von der rotemittierenden LED durch das Teil übermittelte Licht detektiert, wenn die LED mit Strom versorgt wird, und anschließend die infrarote Strahlung durch das Teil detektiert, wenn die infrarote LED mit Strom versorgt wird. Synchrone Detektion wird verwendet, um das höchste Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Daraus resultieren zwei Vorteile: 1) eine niedrige Durchschnittsleistung und eine minimale Erwärmung und 2) das System ist weniger anfällig für Streu-Umgebungs-Beleuchtung. Die roten und infraroten Signale werden abgetastet und aufbereitet, um SaO2 zu erhalten. Eine kurze Anzeige-Antwortzeit sowie analoge und digitale Ausgänge können zur Verbindung mit Hilfsgeräten bereitgestellt sein. Die automatische Sensitivitätseinstellung ist während der Messung der Sauerstoff-Sättigung ausgeschaltet.
  • Eine Basislinie zur Messung kann eingerichtet werden, indem zuerst die Manschette auf einen hohen Druck aufgeblasen wird, der ausreichend ist, um alles Blut aus dem Teil in der Manschette und folglich aus dem optischen Pfad herauszudrücken. Z.B. kann der Manschettendruck wie durch das Plateau 73 in 6 angezeigt für eine gewünschte Zeitperiode bei einem maximalen Druck gehalten werden, um die blutlose Transmissionsablesung zu erhalten, der ein Wert von 100% Transmission zugeordnet werden kann. Wenn der Manschettendruck abgelassen wird, tritt Blut in den optischen Pfad ein und die rote und infrarote Transmission wird gemessen. Die optische Dichte wird für jedes der übermittelten Signale berechnet, und das Verhältnis von roter zu infraroter optischer Dichte wird berechnet und skaliert, um einen Ausgangswert bereitzustellen, der dem Prozentanteil der Sauerstoff-Sättigung entspricht.
  • Das Lambert-Beersche Gesetz verknüpft die optische Dichte (D) mit der Konzentration einer gelösten Substanz. Die optische Dichte (D) ist gleich log 1/T, wobei T der Durchlässigkeitsgrad ist. Somit ist die Sauerstoff-Sättigung (SaO2) gegeben durch:
    Figure 00140001
    wobei B eine Konstante ist. Diese Gleichung sagt eine lineare Beziehung basierend auf dem Lambert-Beerschen Gesetz voraus. Jedoch gilt das Lambert-Beersche Gesetz für Lösungen, in denen die absorbierende Substanz gelöst ist. Blut ist eine Suspension und folglich ist die Beziehung zwischen SaO2 und dem Verhältnis der optischen Dichte für rote und infrarote Strahlung nicht linear, wie in 8 gezeigt. Zwischen 30% und 60% Sättigung ist die Beziehung nahezu linear. Oberhalb dieses Bereichs ist die Beziehung nicht linear. Die Kurve in 8 ist ein Beispiel einer geeigneten Kalibrierkurve, welche zur SaO2-Berechnung in den Mikroprozessor einprogrammiert werden kann, z.B. in der Form einer Lookup-Tabelle. Weitere Informationen bezüglich Verfahren zum Messen der Blut-Sauerstoff-Sättigung können in den folgenden Literaturquellen gefunden werden: Geddes, "Heritage of the Tissue-Bed Oximeter", IEEE Engineering in Medicine and Biology, 87-91, März/April 1997; Geddes und Baker, Principles of Applied Biomedical Instrumentation, 3. Auflage, Wiley, New York, 1989.
  • Die Kalibrierung des Oximeters umfasst auch das Abgleichen der Ausgänge für den roten und den infraroten Kanal, um für beide dieselbe optische Sensitivität zu erhalten, und das Sicherstellen, dass beide Kanäle eine lineare Antwort auf die rote und infrarote Strahlung haben.
  • Die Erfindung macht sich auch die Tatsache zunutze, dass die Sauerstoff-Sättigung mit der Atmung variiert. Wenn die Atmung langsam und tief ist, variiert die Sauerstoff- Sättigung beträchtlich, wie in 9 gezeigt, einer Aufzeichnung der Atmung, der Sauerstoff-Sättigung und des Blutdrucks, welche von einem betäubten Hund unter Verwendung eines Durchfluss-Oximeters erhalten wurden. Rhythmische Änderungen der Sättigung, welche bei der Atmungsfrequenz auftreten, können in dem Graph beobachtet werden. Kommerziell erhältliche Pulsoximeter haben eine zu lange Antwortzeit, um dieses wichtige klinische Anzeichen einer unzureichenden Atmungsfrequenz zu zeigen. Das Pulsoximeter gemäß der Erfindung hat eine Antwortzeit, welche kurz genug ist, um zu ermöglichen, dass diese Variation der Sauerstoff-Sättigung angezeigt wird, was als Indikator verwendet werden kann zum Einstellen eines Beatmungsgeräts.
  • 10 zeigt analoge Aufzeichnungen des Durchlässigkeitsgrads für den roten und den infraroten Kanal mit einer ringförmigen Manschette wie sie oben beschrieben ist, welche an einem Schweinchenschwanz angebracht ist. Die Atmungsvariationen sind bei beiden Wellenlängen in der Hülle 90 des Pulssignals ersichtlich und können von den relativen Hochfrequenzoszillationen 92 mittels konventioneller Signalaufbereitungstechniken getrennt werden, um die Atmungsfrequenz abzuleiten und anzuzeigen.
  • 11 ist eine Aufzeichnung der Sauerstoff-Sättigung gegen die Zeit für eine menschliche Person. Die angezeigte SaO2 ist ein bewegter Fünfherzschlagdurchschnitt. Links atmet die Person normal und das Blut ist zu ungefähr 99% gesättigt. Jedoch enthält das Signal kleine Variationen aufgrund der Atmung. Die größeren darauf folgenden Variationen in der Sao2 traten auf, wenn die Person hyperventilierte. Die Person hielt dann ihren Atem für 1 ½ Minuten an und die SaO2 nahm bis auf ungefähr 60% ab, zu welcher Zeit die Person tief einatmete und einen extrem schnellen Anstieg der SaO2 erfuhr.
  • Von dem oben erwähnten ist ersichtlich, dass das offenbarte System gegenüber den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik signifikante Vorteile bereitstellt mittels Bereitstellens einer Pulsaufzeichnung, Blutdruckmessung und Sauerstoff-Sättigungs-Messung mit einem einzigen Wandler. Ferner ist ersichtlich, dass, wenn die Manschette aufgeblasen ist, die Manschette ein automatisches Zentrieren des Teils in der Manschette bereitstellt und dadurch eine angemessene Ausrichtung sicherstellt.
  • Während die Erfindung in der Zeichnung und der vorhergehenden Beschreibung detailliert dargestellt und beschrieben wurde, ist dieselbe als illustrativ anzusehen und nicht mit einschränkendem Charakter, wobei es verständlich ist, dass nur die bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden und dass es erwünscht ist, dass alle Änderungen und Modifikationen innerhalb der Erfindung geschützt werden. Z.B. kann, obgleich die Ausführungsform von 2 oben mit zwei Emittern und einem Detektor beschrieben ist, die Ausführungsform stattdessen mit einem Emitter und zwei Detektoren oder mit einer Kombination von mehreren Emittern und mehreren Detektoren bereitgestellt sein. Das System kann auch mit einem Alarm bereitgestellt sein, welcher ausgelöst wird, wenn der Wandler weg ist von dem Körperteil, welches überwacht werden soll. Ein Alarmschaltkreis kann ausgelegt sein, um z.B. auf ein Optiksensorausgangssignallevel zu antworten, welches über einen vorbestimmten Grenzwert ist, der das Fehlen von absorbierendem Material im optischen Pfad anzeigt, oder auf eine derartige Bedingung, die mit der zusätzlichen Bedingung des Fehlens von optischen Pulsen verbunden ist.

Claims (9)

  1. Optisches nicht-invasives System für die Messung von Blutparametern in Körperteilen, aufweisend: ein Manschetten-Gehäuse (32) mit einer solchen Größe, dass es auf ein Körperteil passt, eine transmissive, aufblasbare Manschette (46), welche in dem Gehäuse (32) montiert ist, einen optischen Sensor, umfassend eine Lichtquelle (22, 40, 42) und einen Detektor (24, 44), welche an dem Gehäuse (32) montiert sind, und ein optisches oszillometrisches Schaltkreismittel, welches auf ein Ausgangssignal von dem optischen Sensor anspricht, zum Ermitteln des systolischen Drucks, des mittleren Drucks und des diastolischen Drucks während eines Übergangs des Manschetten-Drucks zwischen einem Druck, der größer ist als der normale systolische Druck, und einem Druck, welcher kleiner ist als der normale diastolische Druck, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette bei der durch die Lichtquelle erzeugten Licht-Wellenlänge transmissiv ist.
  2. System nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Schaltkreismittel, welches auf ein Ausgangssignal von dem optischen Sensor anspricht, zum Ermitteln der Pulsfrequenz.
  3. System nach Anspruch 2, ferner aufweisend ein Schaltkreismittel, welches auf ein Ausgangssignal von dem optischen Sensor anspricht, zum Ermitteln der Atmungsfrequenz.
  4. System nach Anspruch 3, ferner aufweisend ein Schaltkreismittel, welches auf ein Ausgangssignal von dem optischen Sensor anspricht, zum Ermitteln der Blut-Sauerstoff-Sättigung, wobei die Lichtquelle (22, 40, 42) eine erste und eine zweite schmalbandige LED umfasst, welche optisch mit dem Detektor (24, 44) verbunden sind.
  5. System nach Anspruch 4, wobei das Schaltkreismittel zum Ermitteln der Blut-Sauerstoff-Sättigung die Sauerstoff-Sättigung gemäß einer nicht-linearen Beziehung zwischen der Sauerstoff-Sättigung und dem Verhältnis der optischen Dichten für die Strahlung von den schmalbandigen LEDs ermittelt.
  6. System nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Schaltkreismittel, welches auf ein Ausgangssignal von dem optischen Sensor anspricht, zum Ermitteln der Atmungsfrequenz.
  7. System nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Schaltkreismittel, welches auf ein Ausgangssignal von dem optischen Sensor anspricht, zum Ermitteln der Blut-Sauerstoff-Sättigung, wobei die Lichtquelle (22, 40, 42) eine erste und eine zweite schmalbandige LED umfasst, welche optisch mit dem Detektor (24, 44) in Verbindung stehen.
  8. System nach Anspruch 1, wobei das Manschetten-Gehäuse (32) eine zweischalige Form aufweist.
  9. System nach Anspruch 1, wobei das Manschetten-Gehäuse (32) ein ringförmiges Gehäuse ist.
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