DE102009017797A1 - Implantable device i.e. reflective photoplethysmograph sensor, for extravascular detection of blood pressure of patient, has light absorbing optical barrier provided between solid body light source and solid body photodetector - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf eine implantierbare Vorrichtung zur extravaskulären Erfassung wenigstens eines Vitalparameters, vorzugsweise des Blutdrucks, in Form eines Flächenelementes, das wenigstens ein Licht emittierendes Mittel sowie wenigstens ein Licht empfangendes Mittel vorsieht sowie mit einer das Flächenelement fixierenden Vorkehrung, die geeignet ist zur extravaskulären Anbringung an ein intrakorporales, vorzugsweise Blut führendes Gefäß.The This invention relates to an implantable extravascular device Detecting at least one vital parameter, preferably blood pressure, in the form of a surface element, the at least one light emitting means and at least one light receiving means provides as well as with a surface element fixing Precaution suitable for extravascular attachment to an intracorporeal, preferably blood leading vessel.
Stand der TechnikState of the art
Eine kontinuierliche Überwachung des Blutdruckes über einen längeren Zeitraum bei an Hypertonie leidenden Patienten ist für die Medizin von größtem Interesse. Insbesondere zur Therapieüberwachung und -optimierung, sowie auch zukünftig zur autonomen Blutdruckregulation, beispielsweise mit Hilfe von Medikamentenpumpen, ist es wünschenswert den Blutdruck messtechnisch möglichst exakt zu erfassen.A continuous monitoring of blood pressure over a longer period in hypertensive patients is of great interest to medicine. In particular for therapy monitoring and optimization, as well as in the future for autonomous blood pressure regulation, For example, with the help of drug pumps, it is desirable To measure the blood pressure as accurately as possible.
Seit
geraumer Zeit bildet der anerkannte funktionale Zusammenhang zwischen
Blutdruck und Pulswellenlaufzeit oder auch Pulstransitzeit (PTZ) genannt,
die Grundlage für Geräteentwicklungen zur messtechnischen
Erfassung des Blutdruckes. Beispielsweise ist aus der
Aus
der
Zur
Vermeidung dieses mit intravaskulären Sensoren verbundene
Risiko ist in der
Ferner ist in der vorstehenden Druckschrift eine weitere Ausführungsform für einen implantierbaren Blutdrucksensor beschrieben, bei dem zusätzlich ein optischer Sensor zur Erfassung der Sauerstoffsättigung des Blutes innerhalb eines Blutgefäßes erfassbar ist. Der zusätzliche Sensor weist zwei Licht emittierende Dioden auf, deren Licht durch die Gefäßwand hindurch in das zu untersuchende Blutgefäß eingekoppelt wird. Ein am Blutgefäß angeordneter, den Dioden in Transmission gegenüberliegender Lichtdetektor vermag transmittierte Lichtanteile zu erfassen und die dabei gewonnenen Detektorsignale zur Auswertung an eine ebenfalls implantierbare Auswerteeinheit zu übertragen.Further is in the above document another embodiment for an implantable blood pressure sensor, in addition to an optical sensor for detecting the Oxygen saturation of the blood within a blood vessel is detectable. The additional sensor has two light emitting Diodes on, whose light passes through the vessel wall coupled into the blood vessel to be examined becomes. An arranged on the blood vessel, the diodes in transmission opposite light detector is able to detect transmitted light components and the won Detector signals for evaluation to a likewise implantable evaluation transferred to.
Ein
optischer Sensor zur Blutsauerstofferfassung kann aus der
Ein
weiterer implantierbarer optischer Sensor für tiefenauflösende,
lichtspektroskopische und spektrometrische Untersuchungen ist der
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend
von dem vorstehend erläuterten Stand der Technik besteht
die Aufgabe darin eine Vorrichtung zur extravaskulären
Erfassung wenigstens eines Vitalparameters, vorzugsweise zur Erfassung
des Blutdruckes, in Form eines Flächenelementes, das wenigstens
ein Licht emittierendes Mittel sowie wenigstens ein Licht empfangendes
Mittel aufweist sowie einer das Flächenelement fixierenden Vorkehrung,
die geeignet ist zur extravaskulären Fixierung relativ
zu einem itrakorporalen Gefäß, derart weiterzubilden,
dass eine kontinuierliche Blutdrucküberwachung eines Patienten über
einen langen Zeitraum mit einer weitaus besseren Messgenauigkeit als
es mit den bisher bekannten Systemen möglich ist, zu realisieren.
Die hierfür erforderlichen Maßnahmen sollen den
Patienten in seiner täglichen Lebensführung nicht
beeinflussen, wie dies häufig bei extrakorporalen Monitorsystemen
oder bei implantierten Sensorsystemen mit extrakorporalen Leitungsführungen,
wie dies beispielsweise in der
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.The Solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. The concept of the invention advantageously further Features are the subject of the dependent claims and the other Description in particular with reference to the embodiment refer to.
Lösungsgemäß zeichnet sich eine implantierbare Vorrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass das wenigstens eine Licht emittierende Mittel eine Festkörperlichtquelle ist und das wenigstens eine Licht empfangende Mittel ein Festkörper-Photodetektor ist und das zwischen der wenigstens eine Festkörperlichtquelle und dem Festkörper-Photodetektor eine Licht absorbierende Barriere vorgesehen ist.Drawing according to the solution an implantable device according to the features of the preamble of claim 1, characterized in that the at least one light emitting Means is a solid state light source and that at least a light receiving means a solid state photodetector is and that between the at least one solid-state light source and the solid state photodetector is a light absorbing Barrier is provided.
Mit Hilfe des lösungsgemäßen optischen implantierbaren Sensors, zu dessen Betrieb sämtliche erforderliche Zusatzkomponenten, wie beispielsweise Energieversorgungseinheit, Ansteuer- und Auswerteeinheit für die wenigstens eine Festkörperlichtquelle sowie den Festkörper-Photodetektor, ebenfalls in implantierbarer Weise ausgebildet sind, ist es möglich, die Pulstransitzeit (PTZ) zu ermitteln und dies mit einer bislang unerreichten Genauigkeit. Dies wird dadurch realisiert, indem die wenigstens eine Lichtquelle unmittelbar am Ort der Messung vorgesehen ist, so dass keinerlei Lichtverluste bspw. im Wege von Lichtübertragungen oder durch räumliche Lichtlenkungen, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist, auftreten. Zudem werden jegliche Störeinflüsse bei der Lichtdetektion ausgeschlossen, da Maßnahmen getroffen werden, wie bspw. das Vorsehen einer optischen Barriere zwischen dem Ort der Lichtquelle und dem Photodetektor, um direkte Streulichtanteile auszuschließen, um das Signal-/Rauschverhältnis zu optimieren.With Help of the optical implantable according to the invention Sensors, to operate all the necessary additional components, such as power supply unit, control and evaluation unit for the at least one solid-state light source as well as the solid state photodetector, also in implantable Are formed, it is possible the pulse transit time (PTZ) and this with unprecedented accuracy. This is realized by the at least one light source is provided immediately at the place of measurement, so that no Light losses, for example, by way of light transmissions or by spatial light steering, as in the state of Technique is the case, occur. In addition, any interference excluded in the light detection, since measures taken be, such as the provision of an optical barrier between the location of the light source and the photodetector to direct stray light components exclude the signal to noise ratio to optimize.
Die Ermittlung des als Pulstransitzeit (PTZ) bezeichneten Zeitintervalls erfordert die Erfassung zweier zeitlicher Bezugspunkte, die dem zeitlichen Verlauf der Pulswelle im arteriellen Gefäßsystem zugeordnet sind. Als erster Bezugspunkt dient hierbei üblicherweise die „R-Zacke” des EKG-Signals, als zweiter Bezugspunkt dient ein charakteristischer Punkt eines intrathorakal oder intraabdominal aufgenommenen Plethysmogramms, das eine aufgezeichnete Volumenänderung eines arteriellen Blutstromes an einer örtlich begrenzten Messstelle entspricht. Für gewöhnlich wird zur Aufnahme eines Plethysmogramms ein arterielles Blutgefäß mit Licht durchstrahlt, wobei das durch die Gewebeschicht transmittierte Licht mit Hilfe eines Photoempfängers erfasst wird. Der das Gewebe durchdringende Lichtanteil erfährt im Inneren des Körpers eine Dämpfung, die u. a. abhängig ist von der Wellenlänge der Lichtquelle, der Art und der Konzentration der Stoffe im durchstrahlten Gewebe sowie von der Pulsation des Blutes. Das so gewonnene Signal des Photoempfängers liegt in Form eines Photostroms vor, und entspricht in erster Näherung den durch Herzmuskelkontraktion verursachten Blutvolumenänderungen arterieller Gefäße.The Determination of the time interval called the pulse transit time (PTZ) requires the detection of two temporal reference points, which are the temporal course of the pulse wave in the arterial vascular system assigned. The first reference point is usually used the "R-wave" of the ECG signal, as a second reference point serves a characteristic point of intrathoracic or intra-abdominal recorded plethysmogram showing a recorded volume change an arterial bloodstream at a localized Measuring point corresponds. Usually becomes the Inclusion of a plethysmogram of an arterial blood vessel Transmitted light, which transmitted through the tissue layer Light is detected by means of a photoreceiver. Of the the tissue penetrating light part experiences inside of the body a damping, the u. a. dependent is of the wavelength of the light source, the type and the Concentration of the substances in the irradiated tissue and of the Pulsation of the blood. The thus obtained signal of the photoreceptor is in the form of a photocurrent, and corresponds to a first approximation the blood volume changes caused by myocardial contraction arterial vessels.
Alternativ zur Nutzung der „R-Zacke” des EKG-Signals kann ebenso als erster Bezugspunkt auch der Fußpunkt eines an der Aorta ascendenz erfassten Plethysmogramms verwendet werden, was den Vorteil bietet, dass die ermittelte Pulstransitzeit (PTZ) von physiologischen Schwankungen, bspw. in Form von zeitlichen Abweichungen zwischen dem Auftreten der „R-Zacke” und dem tatsächlichen Blut-Auswurf am Herzen, entkoppelt ist.alternative to use the "R-wave" of the ECG signal as well as the first reference point also the foot point of an the aorta ascendenz recorded plethysmogram be used which offers the advantage that the determined pulse transit time (PTZ) of physiological fluctuations, for example in the form of temporal deviations between the occurrence of the "R wave" and the actual blood ejection at the heart, is decoupled.
Die lösungsgemäße implantierbare Vorrichtung, die in ihrer einfachsten Ausführungsform eine rein optische Erfassung des Gefäßes ermöglicht, lässt sich somit in zweifacher Ausfertigung einerseits möglichst in Herznähe, vorzugsweise an der Aorta ascendenz und zum anderen an einer vom Herzen beabstandeten Stelle implantieren bspw. innerhalb des Thorax, vorzugsweise innerhalb des zwischen den Rippen befindlichen Interkostalgewebes und/oder im Bauchraum (Abdomen), wodurch temperatur- und lagebedingte Schwankungen des hydrostatischen Drucks, starke Bewegungsartefakte, Justageungenauigkeiten bei Repositionierungen der lösungsgemäßen Sensoreinheit, Hautreizungen oder hohe Absorption durch starke Pigmentierung der Haut vollständig vermieden oder zumindest stark reduziert werden können, alles Vorteile die bei extrakorporal anzuwendenden Messverfahren sowie auch bei intravaskulären Messverfahren nicht zu nennen sind.The implantable device according to the invention, which enables a purely optical detection of the vessel in its simplest embodiment, can thus be implanted in duplicate on the one hand as close to the heart as possible, preferably on the ascending aorta and on the other at a location spaced from the heart, for example within the thorax. preferably within the intercostal tissue located between the ribs and / or in the abdomen (abdomen), whereby fluctuations in the hydrostatic pressure due to temperature and position, strong movement artefacts, alignment inaccuracies during repositioning of the sensor unit according to the invention, skin irritation or high absorption due to strong pigmentation of the skin are completely avoided or at least avoided strong re all advantages which are not to be mentioned in extracorporeal measuring methods as well as in intravascular measuring methods.
Im Übrigen schränkt die implantierbare Ausgestaltung des gesamten zu implantierenden Messsystems den Patienten im alltäglichen Leben keineswegs ein und ermöglicht zudem die Verwendung der ermittelten Messdaten zur Regelung physiologischer Größen beispielsweise mittels aktiver Implantate, wie Medikamentenpumpe, Herzschrittmacher etc., ohne den Aufwand telemetrischer Übertragungen in den bzw. aus dem Körper und ohne erhöhtes Infektionsrisiko bei perkutanen Leitungsführungen.Furthermore restricts the implantable design of the entire To be implanted measuring system to the patient in everyday life Living by no means and also allows the use the determined measurement data for the regulation of physiological variables for example by means of active implants, such as medicament pump, Pacemaker, etc., without the expense of telemetric transmissions in and out of the body and without increased risk of infection in percutaneous cable guides.
Im Gegensatz zu bekannten intravaskulären Messverfahren kommt es mit dem lösungsgemäßen implantierbarem Sensorsystem zu keinerlei Blutkontakt, so dass auch der natürliche Blutstrom nicht beeinträchtigt wird.in the Contrary to known intravascular measuring methods comes it with the implantable according to the solution Sensor system to no blood contact, so that the natural Blood flow is not affected.
In einer ergänzten Ausführungsvariante sieht der lösungsgemäße optische Sensor zusätzlich wenigstens eine Elektrodenoberfläche vor, die in der gleichen Weise wie die optischen Messsensorkomponeten auf einer dem Gefäß bzw. Gewebebereich zuwendbaren Flächensubstratoberfläche positioniert ist. Die Elektrodenoberfläche gerät hierbei in direkten körperlichen Kontakt zum Gefäß oder zum angrenzenden Gewebe und vermag bei geeigneter Positionierung das EKG-Signal und damit die vorstehend erläuterte „R-Zacke” zu detektieren. Ein derart ausgebildeter Sensorkopf ist damit in der Lage sowohl EKG-Signale zu detektieren als auch plethysmographische Messungen durchzuführen. Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass zur EKG-Signalerfassung eine zweite Elektrode vorzusehen ist, die an einem anderen Bereich der implantierbaren Vorrichtung anzubringen ist.In a supplemented embodiment sees the solution-based optical sensor in addition at least one electrode surface in front in the same How the optical measuring sensor components on a vessel or Tissue area zuwendbaren surface substrate surface is positioned. The electrode surface gets device this in direct physical contact with the vessel or to the adjacent tissue and can with appropriate positioning the ECG signal and thus the "R-wave" explained above detect. Such a trained sensor head is thus in the Able to detect both ECG signals as well as plethysmographic Perform measurements. Only the completeness It should be noted that for ECG signal acquisition a second electrode is provided on another area of the implantable device is to install.
Zur Ansteuerung bzw. zum Betrieb der auf dem Sensorkopf vorgesehenen optischen Sensorkomponenten, d. h. Festkörperlichtquellen und Photodetektor, sowie gegebenenfalls der Elektrodenoberfläche, bedarf es einer Ansteuer-, Energieversorgungs- und Signalauswerteeinheit, die entweder gemeinsam mit den Sensorkomponenten in Form eines einzigen Flächenelementes integriert sind oder in Form einer getrennt zum Sensorkopf ausgebildeten implantierbaren Einheit untergebracht sind und die über entsprechende elektrischen Verbindungsstrukturen mit dem Sensorkopf in geeigneter Weise verbunden ist. Auf weitere Ausführungen insbesondere in Bezug auf tatsächliche Realisierungsformen, die auch den medizinischen Anforderungen entsprechen, wie Biokompatibilität etc., sei auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen verwiesen.to Control or for the operation provided on the sensor head optical sensor components, d. H. Solid state light sources and photodetector, and optionally the electrode surface, requires a control, energy supply and signal evaluation unit, either together with the sensor components in the form of a single Surface element are integrated or in the form of a separate accommodated to the sensor head formed implantable unit are and the corresponding electrical connection structures is connected to the sensor head in a suitable manner. On more Statements in particular with regard to actual Implementation forms that also meet the medical requirements, such as biocompatibility etc., be on the in the figures referenced embodiments.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The Invention will hereinafter be understood without limitation of the general Erfindungsgedankenens with reference to embodiments below Reference to the drawings described by way of example. Show it:
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays of carrying out the invention, commercial usability
In
Optional
kann auf dem Flächensubstrat
Sämtliche
auf dem Flächensubstrat
Die Flächengröße des lösungsgemäß ausgebildeten implantierbaren Flächenelementes misst vorzugsweise einige wenige mm2 bis zu 60 mm2 und haftet an einer lokalen Oberfläche eines vorzugsweise blutführenden Gewebes an, beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Klebverbindung oder mittels mechanischer Fixierungen, bspw. durch Annähen oder Anbinden.The area size of the implantable surface element formed in accordance with the invention preferably measures a few mm 2 to 60 mm 2 and adheres to a local surface of a preferably blood-carrying tissue, for example by means of a suitable adhesive bond or by means of mechanical fixations, for example by sewing or tying.
In
Die
Vergussmasse
In
Durch
das Positionieren der Lichtquellen
Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform eines lösungsgemäßen
Sensorkopfes ist in
Mit
Hilfe der EKG-Elektrode
Zum
Schutz vor Feuchtigkeit können sämtliche auf dem
Flächensubstrat
Zur
intrakorporalen extravaskulär vorzunehmenden Applikation
des lösungsgemäßen Flächenelementes
an einem zu untersuchenden perfundierenden Gewebe bzw. Gefäßes
wird das Flächenelement gemäß der in
Vorzugsweise ist der lösungsgemäße Sensor so auszugestalten, dass er mit einem möglichst geringen Aufwand subkutan implantiert werden kann, beispielsweise im Bereich des Interkostalgewebes. Die elastische Ausgestaltung des Sensors sollte eine Gesamtdicke von 2 mm nicht überschreiten, so dass eine subkutane Unterbringung des Sensors mit minimaler mechanischer Belastung in Bezug auf das umliegende Gewebe, auch in Fällen einer Bewegung oder lokaler extrakorporaler mechanischer Belastung des Gewebes mit möglichst geringen Reizungen verbunden ist. Von besondere Bedeutung ist die Eigenelastizität bzw. Flexibilität des Flächensensors, durch die das umliegende Gewebe bzw. das kontaktierte Gefäß nicht oder möglichst wenig im natürlichen Ausdehnungsverhalten irritiert wird.Preferably is the solution according to sensor to design, that he subcutaneously implanted with the least possible effort can be, for example in the field of intercostal tissue. The elastic configuration of the sensor should have a total thickness of Do not exceed 2 mm, allowing subcutaneous placement of the sensor with minimal mechanical stress in relation to the surrounding tissues, even in cases of movement or local extracorporeal mechanical stress of the tissue with as possible low irritation is associated. Of particular importance is the Inherent elasticity or flexibility of the surface sensor, not by the surrounding tissue or the contacted vessel or as little as possible in the natural expansion behavior gets irritated.
Ferner ist es möglich, bei geeigneter Wahl der in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittierenden Festkörperlichtquellen pulsoxymetrische Untersuchungen zur Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung durchzuführen, beispielsweise unter Verwendung wenigstens zweier Festkörperlichtquellen die im Bereich von 660 nm oder 940 nm emittieren. Unter Verwendung weiterer Lichtquellen in anderen geeigneten Wellenlängenbereichen im sichtbaren und nahinfraroten Spektrum können ergänzend Hämoglobinderivate wie Methämoglobin oder Carboxyhämoglobin sowie diagnostische Farbstoffe detektiert werden. Ferner ist bei Verwendung geeigneter Wellenlängen (beispielsweise am isosbestischen Punkt bei 800 nm) eine Messung relativer Änderung der Perfusion des Gewebes, an dem der Sensor angebracht ist, möglich.Further It is possible, with a suitable choice in different Wavelength ranges emitting solid state light sources Pulse oximetry for the determination of blood oxygen saturation perform, for example, using at least two solid-state light sources in the range of 660 nm or emit 940 nm. Using other light sources in other suitable wavelength ranges in the visible and near-infrared spectrum can complement hemoglobin derivatives like methemoglobin or carboxyhemoglobin as well diagnostic dyes are detected. Further, when using of suitable wavelengths (for example at the isosbestic point at 800 nm) a measure of relative change in perfusion of the tissue to which the sensor is attached possible.
Unter Verwendung von Wellenlängen, die entsprechend des Absorptionsspektrums von Glukose zur Differenzierung von Glukose zu anderen Blutbestandteilen geignet sind, kann eine pulsglukometrische Bestimmung der Glukosekonzentration durchgeführt werden.Under Use of wavelengths corresponding to the absorption spectrum of glucose for the differentiation of glucose to other blood components are suitable, a pulsglucometric determination of the glucose concentration be performed.
- 11
- Flächensubstratsurface substrate
- 22
- FestkörperlichtquelleSolid state light source
- 33
- Leiterbahnenconductor tracks
- 44
- Festkörper-PhotodetektorSolid-state photodetector
- 55
- optische Barriereoptical barrier
- 66
- IC-VerstärkerkomponenteIC amplifier component
- 77
- Vergussmasse, Kapselungpotting compound encapsulation
- 7'7 '
- Aussparungrecess
- 88th
- DurchgangsöffnungenThrough openings
- 99
- Anschlussbereichterminal area
- 1010
- bandförmige Fixiermittelband-shaped fixer
- 1111
- EKG-ElektrodenoberflächeECG electrode surface
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 4427991 C2 [0003] - DE 4427991 C2 [0003]
- - DE 69930113 T2 [0004] - DE 69930113 T2 [0004]
- - WO 2006/122750 [0005] WO 2006/122750 [0005]
- - US 6106477 [0007] - US 6106477 [0007]
- - EP 1139683 B1 [0008, 0009] - EP 1139683 B1 [0008, 0009]
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