DE2741981C3

DE2741981C3 - Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung im Blut

Info

Publication number: DE2741981C3
Application number: DE2741981A
Authority: DE
Inventors: Robert F. Portola Valley Shaw; John M. San Jose Sperinde
Original assignee: Oximetrix Inc Mountain View Calif (vsta)
Current assignee: Oximetrix Inc Mountain View Calif (vsta)
Priority date: 1976-10-18
Filing date: 1977-09-17
Publication date: 1980-07-03
Also published as: NL7709465A; CA1086982A; CH627277A5; FR2368038A1; GB1586888A; DE2741981A1; JPS6111096B2; JPS5350880A; DE2741981B2; US4114604A; NL178278C; FR2368038B1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß sie eine lusätzliche Strahlungsquelle (12) zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mindestens einer dritten Wellenlänge aufweist; daß die Detektoreinrichtung (16 bis 54) mit einem Schaltkreis (206, 208) verbunden ist, in dem aus einem ersten Paar elektrischer Signale (h, I₂) ein erstes Quotientensignal und au^c einem zweiten Paar elektrischer Signale (h, I₂) ein zweites Quotientensignal erzeugt wird, und daß die Auswerte ,chaltung eine die Quotientensignale empfangende erste und zweite Einrichtung (82, 84, 86, 116 bzv 88, 90, 92, 132) tufweist. durch die mit den in vorgegebener Weise gev/ichteten Quotientensignalen eine erste und eine aweite algebraische Summe gebildet werden, sowie eine dritte Einrichtung (136, 144). durch die das Meßsignal (OS) ate Quotient der ersten und zweiten algebraischen Summen erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten und der zweiten Einrichtung (82, 84, 86, 116) die Quotientensignale (UIh. Nh) gewichtet werden, indem sie mit Koeffizienten (A_n bis A ι. B„ bis Si) versehen werden, «leren algebraische Summen im wesentlichen gleich Null sind.

i. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen (λ,,λ₂,λι) der elektromagnetischen Strahlung derart festgelegt sind, daß das erste Quotientensignal (hiI₂) bei einem ersten Wert der Sauerstoffsättigung unabhängig von physiologischen Änderungen des Blutes mit Ausnahme seiner Sauerstoffsättigung und das zweite Quotientensignal (Nh) bei einem zweiten Wert der Sauerstoffsättigung unabhängig von diesen Änderungen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quotientensignale (I₁/h, IiII₂) durch Koeffizienten (A₀ bis Aj, B₀ bis B,) derart gewichtet werden, daß der Einfluß veränderlicher physiologischer Eigenschaften des Blutes mit Ausnahme seiner Sauerstoffsättigung minimiert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerieschallung mit den Quotientensignalen algebraische

Summen der Form A₀ + A\ (I\/h) + A₂ (h/h) und B₀+Bi (I₁Ih)+ B₁ (h/h) gebildet werden, wobei A₁ und B₁ vorgegebene Wichtungskoeffizienten sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quotientensignale (I₁II₂; h/h) durch Verstärkungsfaktoren und Kenngrößen der Bauteile in der ersten und zweiten Einrichtung (82, 84, 86, 116 bzw. 88, 90, 92, 132) derart gewichtet werden, daß in der Nähr eines Endes des zu messenden Sauerstoffsättigungsbereichs die partielle Ableitung der algebraischen Summe nach einem Quotienten (Ii/h) und in der Nähe des anderen Endes des Sauerstoffsättigungsbereichs die partielle Ableitung der algebraischen Summe nach dem zweiten Quotienten (IiIIi) angenähert gleich Null sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten Wellenlängen derart gewählt sind, daß für ein erstes Paar von Wellenlängen die kumulative Abhängigkeit der Quotientensignale von einer Änderung der physiologischen Parameter mit Ausnahme der Sauerstoffsättigung nahe einem Ende des Bereichs der zu messenden Sauerstoffwerte minimiert ist und daß für ein zweites Paar von Wellenlängen die kumulative Abhängigkeit der Quotientensignale von Änderungen aer physiologischen Parameter mit Ausnahme der Sauerstoffsättigung nahe dem anderen Extremwert des Bereichs der zu messenden Sauerstoffwerte minimiert ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung von Blut gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Sauerstoffsättigung oder der Sauerstoffgehalt des Blutes ist der Anteil des oxydiertet! Hämoglobins an dem gesamten Hämoglobin des Blutes. Das Hämoglobin ist in bikonkaven Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 10 μ - den Hydrozyten — angeordnet, die üblicherweise in einer Konzentration von etwa 5 Millionen pro mm¹ vorhanden sind. Wird das Blut mit Licht bestrahlt, so streuen und reflektieren die roten Blutkörperchen einen Teil der einfallenden Strahlungsenergie zurück, während die restliche Strahlungsenergie absorbiert wird oder hindurch geht. Die Differenz der Strahlungsabsorptioi; durch ox>diertes und durch nicht oxydiertes Hämoglobin bildet die Grundlage für die Messung der Sauerstoffsättigung. Bei der herkömmlichen Katheteroximetrie wird die zur Messung verwendete Strahlung von der Oximetereinrichtung über einen optischen Katheter einer Meßstelle in vivo innerhalb des Blutes zugeführt.

Der Katheter enthält Faseroptikleiter zur Aussendung und zum Empfang von Licht. Der Empfangslichtleiter, der das vom Blut zurückgestreute Licht einem Photodetektor des Oximeters zuführt, weist üblicherweise eine zu der Austrittsöffnung des sendenden Lichtleiters köplänare Eintrittsöffnung auf. Damit stellt das zur Messung zur Verfügung stehende zurückgestreute Licht nur einen sehr kleinen Anteil der der Meßstelle zugeführten Lichtmenge dar. Die an der Meßstelle vorhandenen Streustellen wirken als Lichtquellen für den das Licht empfangenden Faserleiter. Die Stärke des zum empfangenden Faserleiter zurückgestreuten Lichtes wird durch Änderungen in der Anzahl

der Streustellen, durch deren Anordnung, Größe, Gestalt und Orientierung sowie durch die Differenz der Lichtabsorption im Oxihämoglobin und im Hämoglobin beeinflußt.

Da das untersuchte Blut innerhalb des Blutgefäßes in der Regel pulsierend fließt, bewegt sich die Katherspitze gegenüber den Wänden des Blutgefäßes in kontrollierbarer Weise. Kommt die Wand eines Blutgefäßes der Katheterspitze nahe, so bewirkt das, daß eine sehr große Menge von dicht gepackten Streustellen an der Meßstelle wirksam wird. Dabei wird eine wesentliche Änderung in der Verteilung und in der Anzahl der Streustellen verursacht, was wiederum in Abhängigkeit von der Wellenlänge wesentlich auf die Intensität des von dem empfangenden Lichtleiters erhaltenen Lichtes einwirkt, da das Hämoglobin und das Oxihämoglobin eine von der Wellenlänge abhängige Absorptionscharakteristik aufweisen.

Bekannte Vorrichtungen zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung von Blut verwenden elektromagnetische Strahlung mit zwei verschiedener Wellenlängen (DE-AS 23 04 064, US-PS 38 47 483). Die bei diesen Wellenlängen gemessenen Strahlungsintensitäten der zurückgeworfenen Energie werden zu einer Anzeige der Sauerstoffsättigung gemäß folgender Gleichung 2^ ausgewertet:

A_n + /),/,+ A₂I₂

OS =

B_n + ß, /, + B₂1₂ '

(11

wobei /ι und I₁ die bei den Wellenlängen λι bzw. Aj so gemessenen Strahlungsintensitäten darstellen.

Teilt man Zähler und Nenner in Gleichung 1 durch eine der gemessenen Lichtintensitäten, z. B. /1, so ergibt sich:

I₁ + A, +A: (I₂ I₁)

OS =

B_nIl₁ + B₁ + ß, · (/, /,)'

121

Die mit der bekannten Vorrichtung gemessene Sauerstoffsättigung des Blutes ist nicht nur eine Funktion des Verhältnisses der Lichtintensitäten selbst, sondern hängt auch von der Fließgeschwindigkeit des Blutes, von dem Hämatokrit-Wert und von den pH- und pCOrWerten ab, wobei diese Einflüsse sich multiplikativ auswirken und ihrerseits von der Wellenlänge abhängen. Damit liefern die bekannten Vorrichtungen Meßwerte, die unter ungünstigen Bedingungen unzuverlässig und zu ungenau sein können.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung des Dlutes zu schaffen, bei der der Einfluß von Störfaktoren weitgehend ausgeschaltet ist, welche die Lichtabsorption im Blut — insbesondere in Abhängigkeit von der Wellenlänge — verändern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs I gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den untergeordneten Patentansprüchen.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere daraus, daß die Sauerstoffsättigung nur als Funktion der Verhältnisse der Lichtintensitäten in ausgewählten Wellenlängenbereichen gemessen wird. Multiplikalive, von der Wellenlänge abhängige Änderungen wirken sich auf die Meßgenauigkeit aus. Da die Abhängigkeit der Satierstoffsättigung von den Verhältnissen der Lichtintensität nicht ganz linear ist, werden nicht-lineare Kennlinien abschnittsweise, durch lineare Beziehungen approximiert. Damit ist es möglich, die SauerstoffsättU gung über einen weiten dynamischen Wertbereich zuverlässig zu messen.

Da auch viele der vorgenannten Faktoren veränderlich sind, welche an der Meßstelle innerhalb eines Blutgefäßes auftreten, werden sowohl multiplikative als auch additive Aspekte bei der optischen Messung berücksichtigt; dieses erfolgt gemäß einer der folgenden Gleichungen:

₌ ^A» + ^Ai VxIh) ' B_u+"Bi(I₁Ih)

B₀TB₁ UiIh)

⁰³ = -

A₂

+⁴JRiM ,4, + B (hl1)'

B₂ (I₁II₂)² + B₃ (hl12)

Dabei bedeuten Ao, Ai, A₂, Ai und ·., sowie Bb, B\, B₂ und B₁ Gewichtungsfakioren oder Koeff'zienten, /1, I₂ und h bei den Wellenlängen Αι, λ₂ und Aj gemessene Lichtintensitäten, welche jeweils auf eine gemessene Referenzlichtintensität normiert sind, und R, das Verhaltes der normierten, bei den drei verschiedenen Wellenlängen gemessenen Lichtintensitäten.

Bei der Messung gemäß Gleichung 3 ist die Sauerstoffsättigung eine Funktion der gemessenen Lichtintensitäten, und diese Messung def Sauerstoffsättigung eignet sich über einen engen Bereich von Meßwerten. Um jedoch die Nicht-Linearitäten der verschiedenen Parameter zu berücksichtigen, welche über einen weiten dynamischen Wertebereich einen wesentlichen Einfluß haben, können der Gleichung 3 weitere Glieder zugefügt werden, die proportional dem Quadrat eines Verhältnisses von Lichiintensitäten gemäß Gleichung 4 sind. Diese Gleichungen können zu der allgemeinen Gleichung 5 erweitert werden.

Es werden wenigstens drei Wellenlängenbereiche bei der Bestrahlung des Blutes an der Meßstelie in vivo verv, endet, um die beiden erforderlichen Quotienten der Intensitätswerte für die Messung der Sauerstoffsättigung an der Meßstelie zu erhalten. Diese Wellenlängenbereiche wurden ausgewählt, um die in die Messung der Sauerstoffsättigung eingeführten Fehler infolge der von der Wellenlänge abhängigen Änderungen der einzelnen Parameter gering zu halten. Die Koeffizienten der Ausdrücke in den Gleichungen 3 und 4 sind derart auszuwählen, daß die partielle Ableitung der errechneten Sauerstoffsättigung bezüglich eines der Quotienten ungefähr Null nahe dem unteren Extremwert des Bereichs der Sauerstoffsä'tigungswerte von physiologiscHen. Interesse ist. Die partielle Ableitung der berechneten Sauerstoffsättigung bezüglich des anderen Quotienten in den Gleichungen 3 und 4 ist ftwa Null nahe dem oberen Extremwert des Bereichs der Sauerstoffsättigungswerte von physiologischem Interesse. Auch könne.i die Koeffizienten der Ausdrücke in jeder der drei Gleichungen derart gewählt werden, daß sie der Bedingung geniigen, daß die Summe aller Koeffizienten des Zählers sowie auch die Summe der Koeffizienten des Nenners gleich Null ist.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung pnhand der Zeichnungen erläutert; es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Meßanordnung gemäß der Erfindung,

Fi g. 2 schematisch einen Schaltkreis zur Berechnung der Sauerstoffsättigung als Funktion der Quotienten der Strahlungsintensitäten bei drei Wellenlängen und

F i g. 3 schematisch eine andere Ausführungsform eifief Schallung zum Messen der Sauerstoffsättigung als Funktion der Quotienten der bei drei Wellenlängen gemessenen Strahlungsintensitäten und

Fig.4 ein Diagramm, aus dem die Wirkung einer Änderung der typischen von der Wellenlänge abhängigen Kennlinie des Blutes auf das Verhältnis zwischen Sauerstoffsättigungswerten und den Quotienten der Intensitäten der bei drei Wellenlängen erhaltenen Strahlung hervorgeht.

Aus Fig. 1 geht ein Abschnitt einer schematisch dargestellten Schaltungsanordnung hervor, welche eine Strahlungsquelle, optische Kombinations- und Integrationseinrichtungen, einen Katheter, einen Detektor und Signalverarbeitungseinrichtungen aufweist. Die Strahlungsquelle enthält drei Leuchtdioden IU 12 und 4 welche abwechselnd drei Zweige 13, 14 und 3 eines Faseroptikleiters belichten. Die Leuchtdioden 11,12 und 4 werden abwechselnd während etwa 25% der Periode ohne zeitliche Überlappung durch einen Impulsgenerator 15 aktiviert. Es werden drei Perioden mit aufeinanderfolgender Speisung der Leuchtdioden sowie einer folgenden Periode berechnet, in welcher keine der Leuchtdioden 11, 12 oder 4 gespeist wird. Jeder Betriebszyklus umfaßt daher vier Perioden und es ergibt sich somit eine typische Frequenz von 250 Zyklen pro Sekunde.

Die Leuchtdioden 4, 11 und 12 geben Strahlung mit Wellenlängen Ai, A2 und Aj ab. Diese Strahlung wird durch Faseroptikleiter 13, 14 und 3 gesammelt, welche eine oder mehrere Fasern enthalten können, die räumlich zu einem Bündel mit einem minimalen Endquerschnitt 5 von ungefähr der gleichen Gestalt und Größe wie der optische Integrator 6 zusammengefaßt werden.

Der optische Integrator 6 ist kontinuierlich zur Oberfläche 5 angeordnet und ist ein einziger Lichtleiter von etwa der gleichen Gestalt wie das Ende 5, hat einen quadratischen Querschnitt und ein großes Längen/Seitenverhältnis um sicherzustellen, daß die räumlich verteilte Strahlung an der Oberfläche 5 gleichförmig über die Ausgangsöffnung 6A verteilt wird. Somit erhält 4ϊ eine einzige Übertragungsfaser 9 oder ein Bündel von mit der Apertur 6Λ verbundenen Strahlung übertragenden Fasern eine Strahlungsmenge mit jeder der drei Wellenlängen, die nicht wesentlich durch kleine seitliche Fehlausrichtungen beeinflußt wird, welche sich zwisehen dem opti-zhen Integrator 6 und der Faser 9 ergeben können.

Es ist nur eine Faser 9 des Katheters 8 erforderlich, um die Strahlung mit den drei verschiedenen Wellenlängen zum Blut am distalen Ende des Katheters 8 zu übertragen. Der sendende Lichtleiter 9 und der empfangende Lichtleiter 10 des Katheters können jeweils aus nur einer einzigen optischen Faser bestehen, wodurch ein preiswerter, nach Gebrauch nicht zur Wiederverwendung bestimmter Katheter erhalten wird, der mit der Meßanordnung an einem Grenzflächenverbindungsstück 1OA angeschlossen werden kann.

Wenn die distale Spitze des Katheters 8 in Blut in einem Blutgefäß oder einem anderen das Blut begrenzenden Behälter eingetaucht wird, wird die b5 Strahlung vom sendenden Lichtleiter 9 bei jeder der Wellenlängen durch die roten Blutkörperchen selektiv absorbiert und zurückgestreut, und ein Teil der zurüekgestreuten Strahlung tritt durch die Öffnung am distalen Ende des empfangenden Lichtleiters 10 ein. Am nahen Ende des Katheters 8 ist die öffnung des Lichtleiters 10 optisch mit dem Strahlungsdetektor 16 gekoppelt, so daß im wesentlichen die gesamte vom Lichtleiter 10 stammende Strahlung auf die aktive Fläche des Detektors 16 auftrifft.

Die durch den Detektor 16 erfaßten Slfählüngssigna-Ie werden durch den Detektorverstärker A 1 verstärkt. Während der Zeitintervalle, in denen keine der Leuchtdioden ll_s 12 oder 4 Strahlung abgibt, ist ein Schalter 51 durch ein Signal von dem Impulsgenerator 15 geschlossen. Dadurch wird ein geschlossenes Servosystem zwischen den Verstärkern A 1 und A 2 gebildet, welches eine Vorspannung am Verstärker A 1 ausbildet, die dessen Ausgangsspannung auf Null einstellt. Während der Zeitintervalle, in denen der Schalter 51 geöffnet ist, wird diese Vorspannung zur Null-Korrektur für den Verstärker A1 durch die Ladung aufrechterhalten, die auf einem Rückkopplungskondensator 18 gespeichert ist Dadurch wird sichergestellt, daß die Ausgangsspannung des Detektorverstärkers A 1 Null ist, wenn der Detektor 16 keine zurückgestreute Strahlung erhält. Es werden somit Drift-Erscheinungen des Verstärkers und Störausgangsspannungen des Detektors 16 unterdrückt.

Während der Zeitspanne, in welcher die Diode 4 Strahlung abgibt, ist der Schalter 52 durch ein Signal von dem Impulsgenerator 15 geschlossen, und die Signalspannung am Ausgang des Detektorverstärkers A 1 (aufgrund der vom Blut zurüekgestreuten Strahlung von den Leuchtdioden) wird einem Filter zugeführt, das aus einem Widerstand 17 und einem Kondensator 19 besteht. Die Wirkung des Schalters S2, des Widerstandes 17 und des Kondensators 19 besteht darin, daß eine durchschnittliche Signalspannung am Kondensator 19 erzeugt wird, welche repräsentativ für die Intensität der Strahlung bei der von der Leuchtdiode 11 erzeugten Wellenlänge ist, wobei die Strahlung vom untersuchten Blut zurückgestreut wird. Diese durchschnittliche Signalspannung wird durch einen Verstärker 50 verstärkt, der eine Gleichspannung abgibt, weiche direkt bezogen aul die von der Leuchtdiode 4 abgegebene und vom Blut zurückgestreute Intensität der Strahlung bei der Wellenlänge Ai ist.

Ähnlich wirken ein Schalter 53, ein Widerstand 22. ein Kondensator 23 und der Verstärker 52 während des Teils der Periode zusammen, in welcher die Leuchtdiode 11 zur Abgabe einer Gleichspannung an den Ausgang des Verstärkers 52 aktiviert wird, welcher Gleichspannung direkt bezogen auf die Intensität der Strah'· ng bei der Wellenlänge X^ des von der Leuchtdiode 11 abgestrahlten und vom untersuchten Blut zurüekgestreuten Lichtes ist In der gleichen Weise wirken ein Schalter 54, ein Widerstand 26, ein Kondensator 28 und ein Verstärker 54 während eines Teils der Periode zusammen, während die Leuchtdiode 12 aktiviert wird, um eine Gleichspannung am Ausgang des Verstärkers 54 abzugeben, die direkt auf die Intensität der Strahlung mit der Wellenlänge A3 bezogen ist, weiche von der Leuchtdiode 12 abgegeben und vom untersuchten Blut zurückgestreut wird.

Gemäß dem Blockdiagramm in Fig.2 ist eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen. Die Ausgangssignale von den Verstärkern 50, 52 und 54 in F i g. i werden Kremmen 60, 62 bzw. 54 in F i g. 2 zugeführt.

Die Signale an den Klemmen 60 und 62 werden einer

Teilerschaltung 66 zugeführt, die ein Ausgangssignal 70 erzeugt, das gleich dem Quotienten ItIf₂ ist. Das Signal aiii Ausgang 70 wird Eingängen 72 ürid 74 einer Muitipliz'ierscha'tung 76 zugeführt, die ein Ausgangssignal 78 erzeugt, das gleich (It/h)² ist.

Die Signale an den Klemmen 64 und 62 werden auch einer Teilerschaltung 68 zugeführt, die ein Ausgangs- »igiw^SO erzeugt, das gleich dem Verhältnis Uh ist.

Ein Verstärker 82 verstärkt das Ausgangssignal 78 mit einem geeigneten Verstärkungsfaktor und Vorzeichen Bi, um ein Signal aiii Ausgang 94 ζυ Erzeugen, das gleich Bi · (h/h)² ist. In ähnlicher Weise verstärken die Verstärker 84, 86, 88, 90 und 92 die entsprechenden Eingangssignale mit bestimmten Verstärkungsfaktoren und erzeugen Ausgangssignale, die den gewichteten Intensitätsquotienten entsprechen.

Die Verstärkersignale an den Ausgängen t)6, 98 und 102 werden einem Summierverstärker 116 zugeführt, der ein Ausgangssignal 118 erzeugt, für welches gilt:

Nummer der Signalleitung Signal

A₁(I₁ZI₂) A₁(IiIh)

10 Bi(IzIh) Bt'(hl I₂)

15

20

OS-Zähler = A₀ +A₁ U₁Il₂) + A₁ (I₁H₂)² +

(6)

230
232
234
236
238
240
242
244

Die Signale von den Leitungen 230 und von einer Spannungsquelle 254 werden einem Summierverstärker 256 zur Abgabe eines Ausgangssignals auf einer Leitung 258 zugeführt. Wenn Widerstände 246,248,250 und 252 sowie die Spannung V\ der Spannungsquelle 254 geeignet ausgewählt werden, können die gewünschten Signale gemäß dem folgenden Ausdruck erhalten werden:

OS-Zähler = A₀ +A₁ UiIh) + A₂ U₃Ih) · (9)

Eine Spannungsquelle 112 erzeugt zusammen mit 25 Entsprechend gilt für die Ausgangssignale von Widerständen 110 und 114 den Ausdruck A₀ am Verstärkern 260,264 und 268: Ausgang 118.

In ähnlicher Weise erzeugt der Summierverstärker 132 am Ausgang 134 ein Signal entsprechend der Beziehung:

Nummer der

SlUMIlI

OS-Nenner = B₀+B₁ UiIh) + B₂UiIh)² + B₃U₃Ih)-

(7)

Eine Spannungsquelle 128 erzeugt zusammen mit Widerständen 126 und 130 den Ausdruck 5b am Ausgang 134. Die sich ergebenden Signale an den Ausgängen 118 und 134 werden einer Schaltung 140 zugeführt, die den Quotienten der Signale an den Eingängen 136 und 138 und ein Ausgangssignal 142 bildet, das die Sauersioffsäüigung des untersuchten Blutes angibt Die auf einem geeigneten Sichtgerät 144 dargestellte Sauerstoffsättigung entspricht der Gleichung:

262
266
268

A₀+A[UiIh) +Ai(I₃Ih) (10)
B₀ +B₁U₁II₂)+ B₂U₃Ih) (H)
B₀ + BiUiIh) +Bi(I₃Ih) (12)

35

_{os =} A₀ + A₁ B

+ A₂UiIh)² + A₃ U₃II₂) _(g)
(IIh)'

B₀ + B₁ UiIh) + B₂ U₁Ih)² + B₃ (I₃Ih)

Aus Fig.3 geht schematisch eine andere Ausfüh-Tungsform einer Signalverarbeitungsanordnung hervor. Die Ausgangssignale von Verstärkern 50, 52 und 54 in F i g. 1 werden Klemmen 200, 202 bzw. 204 gemäß F i g. 3 zugeführt

Die Signale von den Klemmen 200 und 202 werden einer Teilerschaltung 206 zugeführt, die ein Ausgangssignal 208 erzeugt das dem Quotienten I₁II₂ entspricht. Die Signale von den Ausgängen 202 und 204 werden einer Teilerschaltung 210 zugeführt, die ein Ausgangssignal 212 erzeugt das gleich dem Quotienten I₃II₂ ist

Ein Verstärker 214 verstärkt das Signal 208 mit geeigneter Polarität und Verstärkung A 1 zur Erzeugung eines Signals am Ausgang 230, das gleich dem Wert A-, ■ LJh entspricht In ähnlicher Weise verstärken die Verstärker 216 bis 228 die Eingangssignale, so daß sich folgende Ausgangssignale ergeben:

Ein Schalter 272 wählt eine der Ausgangsleitungen 258 oder 262. Ein Schalter 274 wählt entweder die Ausgangsleitung 266 oder 270. Die Schalter 272 und 274 arbeiten synchron, jeweils beide in Position 1 oder Position 2.

Die sich ergebenden Signale auf den Leitungen 276 und 278 werden einer Schaltung 280 zugeführt, die den Quotienten dcf Signale ώϊί ucn EtrigiirigcTi 27S ϋΐϊυ 273 zur Abgabe eines Ausgangssignals auf einer Leitung 282 bildet, wodurch die Sauerstoffsättigung des untersuchten Blutes angezeigt wird. Wenn sich die Schalter 272 und 274 in der Positon 1 befinden, wird mittels eines Sichtgerätes 284 ein Signal gemäß folgendem Ausdruck angezeigt:

50 ₌ A₀ +Ji UiIh) + A₂ U₃Ih) B₀ + B₁UiIh) + B₂(I₃Ih)

(13)

Wenn sich die Schalter 272 und 274 in der Position 2 befinden, ergibt sich entsprechend:

OS =

A₀ + Aj(UIh) + AjU₃Ih) B₀ + BiUiIh) + BiU₃Ih)'

(14)

Eine Komparatorlogik 286 steuert die Position der Kontakte der Schalter 272 und 274. Falls das die Sauerstoffsättigung anzeigende Signal auf der Leitung 282 über einem bestimmten Wert von beispielsweise 85% liegt befinden sich die Schalter 272 und 274 in der Position L Falls das die Sauerstoffsättigung auf der Leitung 182 anzeigende Signal unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, befinden sich die Schalter 272 und 274 in der Position Z Durch die Anordnung kann die

gewünschte Wahl der Koeffizienten Au A% Ai, B\, Bi, Sj, Ai', Ai, Aj, B]', Bi, und Bi erfolgen, um die Genauigkeit der Messung abschnittsweise über einen weiten Bereich von Sättigungswerten zu optimieren.

im Betrieb wird ein Satz von drei Wellenlängen von etwa 670 nm, 700 mn bzw. 800 nm verwendet. Diese Wellenlängen wurden aus vielen Daten ermitteil, welche mittels itvvitro-Messungen mit Herz-Lungen-Maschinert sowie mittels in-vivo-Messungen an betäubten Untersuchungstieren und Untersuchungspersonen während der Intensivbehandlung und chirurgischen Behandlung gewonnen wurden.

Für jedes Paar von ausgewählten Wellenlängen kann der Reflexionskoeffizient als Funktion der Sauerstoffsättigung bei einem bestimmten physiologischen Parameter aufgezeichnet werden. Fig.4 stellt die unabhängig gemessene Sauerstoffsättigung über dem Verhältnis der Reflexionswerte bei 670 nm und 700 nm (R\) über dem Verhältnis der Reflexionswerte bei 800 nm und 700 nm (Rt) für zwei Hämatokritwerte 25 und 45 dar, welche nahe den Extremwerten des interessierenden Wertebereichs liegen. Von der Darstellung in Fig.4 ergibt sich, daß Ri unabhängig von dem Hämatokritwert bei ungefähr 36% Sauerstoffsättigung ist und sich wesentlich mit dem Hämatokritwert in den oberen Bereichen der Sauerstoffsättigung ändert. In ähnlicher Weise ist der Wert Rt unabhängig von dem Hämatokritwert bei einer Sauerstoffsättigung von ungefähr 90% und ändert sich wesentlich mit dem Hämatokritwert in den unteren interessierenden Bereichen der Sauerstoffsättigung.

Man kann das Verhältnis zwischen der experimentell bestimmten Sauerstoffsättigung und den Quotienten vieler verschiedener interessierender Wellenlängen für die große Anzahl der relevanten physiologischen Parameter aufzeichnen, deren Änderung die Meßgenauigkeit bei der Bestimmung der Sauerstoffsättigung beeinträchtigen. Aus einer Untersuchung vieler solcher Quotienten und der Änderungen solcher physiologischer Parameter können die geeigneten Werte der Wellenlängen behalten werden, so daß sich Intensitätsquotienten ergeben, die den kumulativen Fehler der verschiedenen Parameter nahe den bxtremwerten des interessierenden Sauerstoffsättigungsbereiches minimal machen.

Um die berechnete Sauerstoffsättigung in hohem Maß von demjenigen Quotienten der Lichtintensität abhängig zu machen, der eine minimale Änderung bei einem bestimmten Parameter (beispielsweise dem Hämatokritgehalt wie in Fig.4) in einem bestimmten Sauerstoffsättigungsbereich (beispielsweise R3 bei etwa 36% OS, R₁ bei eiiva 85% OS gemäß Fig.4) erfährt, sollten die Gewichtungsfaktoren in den Gleichungen 3, 4 und 5 derart ausgewählt werden, daß die Differenz der berechneten Sauerstoffsättigung bezüglich dem anderen Quotienten Null ist, Wenn die Änderung des ersten Quotienten sich bei einem Minimum befindet Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß beispielsweise bei einem Sauerstoffsättigungsbereich von etwa 25 bis 45% das Verhältnis Rj eine minimale Änderung und das Verhältnis R] eine große Änderung erfährt und daß andererseits bei einer Sauerstoffsättigung von etwa 75

bis 95% die Änderung von R\ minimal und diejenige von Ri groß ist. Eine Gewichtung in Richtung auf die letzte Änderung oder den letzten Fehler eliminiert somit einen Ungünstigen Wert des Quotienten. Somit sollte die Ableitung der Sauerstoffsättigung bezüglich R\ im Bereich von 25 bis 45% Sauerstoffsättigung ungefähr Null und die Ableitung der Sauerstoffsättigung bezüglich dem Wert R_s im Bereich von 75 bis 95^u/o etwa gleich Null sein. Durch diese Auswahl der Gewichtungsfaktoren werden die Fehler minimal gemacht, die bei der Messung der Sauerstoffsättigung das Meßergebnis verfälschen durch Änderungen von Parametern, die von der Wellenlänge abhängig sind und nicht selbst auf die Sauerstoffsättigung des untersuchten Blutes bezogen sind.

jo Weiterhin kann sowohl die Summe der Gewichtungsfaktoren des Zählers als auch die Summe der Gewichtungsfaktoren des Nenners jeweils gleich ungefähr Null gemacht werden, um Fehler auszuschalten, die sich durch Änderungen von additiven Parame-

-S5 tern ergäben. Diese Bedingung kann jedoch nur erfüllt werden, falls drei oder mehr Wellenlängen verwendet werden.

Zusammengefaßt werden also die Quotienten von durch das untersuchte Blut bei wenigstens drei Wellenlängen zurückgestreuten Lichtintensitäten verwendet, um die Sauerstoffsättigung des Blutes in vivo zu bestimmen. Dabei können die Wellenlängen, bei denen die Messungen ausgeführt werden, deran ausgewählt werden, daß eine Anzeige der Sauerstoffsättigung erhalten wird, die relativ unempfindlich gegenüber Änderungen von wellenlängenabhängigen Parametern, multiplikativen und additiven Störfaktoren der Meßanordnung und der Umgebung sind.

I licr/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung von Blut, die versehen ist mit:

(a) Strahlungsquellen zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung mindestens zweier verschiedener Wellenlängen;

(b) einer Leiteinrichtung, durch die die Strahlung dem zu untersuchenden Blut zugeführt wird;

(c) einer Detektoreinrichtung zum Empfangen der von dem Blut zurückgeworfenen Strahlung, deren Intensitäten bei den verschiedenen Wellenlängen entsprechend der optischen Eigenschaften des Blutes verändert worden sind, und zum Erzeugen von den empfangenen Intensitäten entsprechenden elektrischen Signalen, sowie

(d) einer Auswerteschaltung, durch die aus aen elektrischen Signalen durch Quotientenbildung ein die Saucrsloffsäitigung darstellendes Mcßsignal erzeugt wird,