DE3152963A1

DE3152963A1 - Measuring cardiac blood oxygen saturation for pacemaker regulation - using measurement probe with lead and phototransistor in parallel

Info

Publication number: DE3152963A1
Application number: DE19813152963
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Pacesetter AB
Priority date: 1981-02-26
Filing date: 1981-02-26
Publication date: 1983-10-20

Abstract

The appts. determines the degree of oxygen saturation in blood within the heart, using the principle of reflective oximetry, so as to regulate the frequency of a cardiac pacemaker. An opto-electronic measurement probe is integrated in the stimulation catheter and a measurement amplifier in the pacemaker, the probe containing merely a single l.e.d. (32) and a phototransistor (37) switched in parallel. Light emitted from the diode is reflected back to the phototransistor by blood (44) depending on the degree of oxygen saturation. The current (GK delta Is) generated by the phototransistor is superimposed on the forward current (Is) through the l.e.d. so that a change in the voltage or current flowing through the probe is effected. The measurement amplifier in the pacemaker processes the magnitudes so as to separate and amplify the signal components not conditioned by blood reflection.

Description

Meßvorrichtung zur intrakardialen Erfassung der Blutsauerstoff-Measuring device for intracardiac detection of blood oxygen

sättigung Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur intrakardialen Erfassung der Blutsauerstoffsättigung nach dem Prinzip der Reflexionsoximetrie für die Regelung der Stimulationsfrequenz eines Herzschrittmachers, bei der die optische Meßsonde im Stimulationskatheter und der Meßverstärker im Herzschrittmacher integriert sind.saturation The invention relates to a measuring device for intracardiac Detection of blood oxygen saturation according to the principle of reflection oximetry for the regulation of the stimulation frequency of a pacemaker, with which the optical The measuring probe is integrated in the stimulation catheter and the measuring amplifier is integrated in the pacemaker are.

Die Erfindung dient dem Ziel, unter Ausnützung der bewährten Herzschrittmacher-Technologie eine optische Meßsonde in einem bipolaren Stimulationskatheter und einen dazugehörigen Meßverstärker in den Herzschrittmacher derart zu integrierten, daß über die beiden elektrischen Zuleitungen zu den Elektroden nicht nur die Herzmuskelstimulation und die Messung des intrakardialen EA>'s, sondern zusätzlich die Messung der zentralvenösen Blutsauerstoffsättigung möglich wird.The aim of the invention is to utilize the tried and tested cardiac pacemaker technology an optical probe in a bipolar stimulation catheter and an associated one Measuring amplifier integrated into the pacemaker in such a way that over the two electrical leads to the electrodes not only stimulate the heart muscle and the measurement of the intracardiac EA> 's, but also the measurement of the central venous Blood oxygen saturation becomes possible.

Es ist bereits bekannt, die Blutsauerstoffsättigung S02 mit einem Sensor zu messen, der zwei lichtemittierende Dioden (LED) und einen lichtempfindlichen Halbleiter (Fotodiode oder Fototransistor)enthält: DE-OS 211 3247.It is already known that the blood oxygen saturation S02 with a Sensor to measure, the two light emitting diodes (LED) and one light sensitive Semiconductor (photodiode or phototransistor) contains: DE-OS 211 3247.

Bei diesem Sensor sendet die eine LED ein rotes Licht mit 660 nm Wellenlänge als Meßsignal, das vom Blut abhängig von seiner Sauerstoffsättigung S02 reflektiert wird, während die andere LED infrarotes Licht mit 800 nm Wellenlänge als Referenzsignal sendet, dessen Reflexion im Blut nicht von der Blutsauerstoffsättigung So2 abhängt.With this sensor, one LED sends a red light with a wavelength of 660 nm as a measurement signal that reflects S02 from the blood depending on its oxygen saturation while the other LED uses infrared light with a wavelength of 800 nm as a reference signal sends whose reflection in the blood does not depend on the blood oxygen saturation So2.

Der Quotient aus den beiden vom Lichtempfänger aufgenommenen Reflexionssignalen R 660 und R800 liefert den S02-Meßwert: Weiterhin ist bekannt, diesen Sensor zur Erfassung der intrakorporalen - etwa der zentralvenösen - Blutsauerstoffsättigung mit einem Lichtleiterkatheter zu kombinieren: DE-OS 211 3247 oder den Sensor direkt in der Spitze eines mit elektrischen Zuleitungen ausgestatteten Katheters zu integrieren: IEEE-Trans. on Biomedical Engineering Band BME-24, Nr. 2, März 77, Seite 195-197 Darüberhinaus ist bekannt, den Sensor mit-Lichtleiterkatheter in einem Stimulationskatheter und den Meßverstärker in einem Herzschrittmacher derart zu integrieren, daß er für die Regelung der Stimulationsfrequenz des Herzschrittmachers in Abhängigkeit von der Blutsauerstoffsättigung genutzt werden kann: DE-OS 271 7659 Die bekannten S02-Sensortypen haben bei Integration in den Stimulationskatheter eines Herzschrittmachers, dessen Frequenz der Zentralvenösen Sauerstoffsättigung angepaßt wird, Mängel, die einem langfristigen, störungsfreien Einsatz im Wege stehen: - Der S02-Sensor mit Lichtleiter wird langfristig instabil, da die Lichtleiter den im Stimulationskatheter auftretenden hohen Zug- und Biegebelastungen nicht standhalten.The quotient of the two reflection signals R 660 and R800 recorded by the light receiver provides the S02 measured value: It is also known to combine this sensor for detecting the intracorporeal - such as the central venous - blood oxygen saturation with a fiber optic catheter: DE-OS 211 3247 or to integrate the sensor directly in the tip of a catheter equipped with electrical leads: IEEE-Trans. on Biomedical Engineering Volume BME-24, No. 2, March 77, pages 195-197 In addition, it is known to integrate the sensor with fiber optic catheter in a stimulation catheter and the measuring amplifier in a pacemaker in such a way that it is used for regulating the stimulation frequency of the pacemaker can be used depending on the blood oxygen saturation: DE-OS 271 7659 The known S02 sensor types have, when integrated into the stimulation catheter of a pacemaker, the frequency of which is adapted to the central venous oxygen saturation, deficiencies that stand in the way of long-term, trouble-free use: - The S02 sensor with light guide becomes unstable in the long term because the light guide cannot withstand the high tensile and bending loads that occur in the stimulation catheter.

- Das optische Koppelsystem zwischen Lichtleiter-Katheter und Herzschrittmacher ist um ein Vielfaches aufwendiger in der Herstellung, empfindlicher im Einsatz und größer als bei konventioneller Kathetertechnik.- The optical coupling system between the fiber optic catheter and the pacemaker is many times more complex to manufacture, more sensitive in use and larger than with conventional catheter technology.

- Der S02-Sensor mit im Stimulationskatheter integrierten Halbleitern benötigt mindestens vier elektrische Zuleitungen, so daß die gesamte Ausfallwahrscheinlichkeit gegenüber konventionellen Stimulationskathetern sich mindestens verdoppelt.- The S02 sensor with semiconductors integrated in the stimulation catheter requires at least four electrical leads, so that the total probability of failure compared to conventional stimulation catheters is at least doubled.

- Der Stimulationskatheter mit mehr als zwei elektrischen Leitungen wird bei Verwendung der bewährten Materialien und Techniken entsprechend größer und unflexibler, was vor allem beim notwendigen Einsatz weiterer Katheter zu Komplikationen führen kann.- The stimulation catheter with more than two electrical lines becomes correspondingly larger when using proven materials and techniques and more inflexible, which leads to complications, especially if additional catheters are used can lead.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der die Meßsonde mit nur zwei elektrischen Zuleitungen auskommt und der Meßverstärker das von dieser Sonde gelieferte, additiv aus Lichtsende- und Lichtempfangssignal zusammengesetzte Signal derart auswertet, daß eine der Blutsauerstoffsättigung proportionale Meßgröße So2 entsteht.The invention is based on the object of a measuring device to create the preamble of claim 1, in which the measuring probe with only two electrical leads and the measuring amplifier that of this probe supplied signal, additively composed of light transmission and light reception signals evaluates in such a way that a measured variable So2, which is proportional to the blood oxygen saturation arises.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Meßvorrichtung gelöst, - bei der die Meßsonde mindestens eine Kombination von nur einer Leuchtdiode und einem Fototransistor enthält, die derart parallel geschaltet sind, daß der Durchlaßstrom IS durch die Leuchtdiode additiv überlagert wird von dem durch Lichte in wirkung verursachten Strom Als durch den Fototransistor, so daß bei Ansteuerung der Meßsonde mit einem konstanten Strom 1K oder einer konstanten Spannung UK das von der Leuchtdiode ausgestrahlte und vom Blut reflektierte Licht im Fototransistor einen Stromfluß auslöst, der bei konstantem Strom IK eine Spannungsänderung AUS der an der Meßsonde abfallenden Spannung US oder bei konstanter Spannung UK eine Stromänderung A15 des durch die Meßsonde fließenden Stromes IS bewirkt, und daß die Signalwandlerschaltung des Meßverstärkers die Spannung U5 bzw. den Strom IS derart weiterverarbeitet, daß die Meßgrößen AUS bzw. A15 von den nicht durch die Blutreflexion bedingten Signalanteilen getrennt und verstärkt werden.This object is achieved according to the invention by a measuring device, - In which the measuring probe has at least one combination of only one light emitting diode and contains a phototransistor, which are connected in parallel so that the forward current IS is additively superimposed by the light emitting diode from that in effect caused current than through the phototransistor, so that when driving the measuring probe with a constant current 1K or a constant voltage UK that of the light-emitting diode light emitted and reflected by the blood causes a current to flow in the phototransistor which triggers a voltage change OFF at the measuring probe at a constant current IK decreasing voltage US or with constant voltage UK a current change A15 des causes the current IS flowing through the measuring probe, and that the signal converter circuit of the measuring amplifier processes the voltage U5 or the current IS in such a way that the measured variables AUS and A15 from the signal components not caused by the blood reflection be separated and reinforced.

Beschreibung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung eines Herzschrittmachers, dessen bipolarer Stimulationskatheter mit integrierter S02-Meßsonde in die rechte Herzkasmer führt Fig. 2 eine Schaltung der Meßsonde Fig. 3 ein Diagramm der Strom-Spannungskennlinien der Meßsonde Fig. 4 eine Ansteuerschaltung der Meßsonde Fig. 5 ein Blockschaltbild für eine analoge Signalwandlerschaltung Fig. 6 ein Längsschnitt durch eine Meßsonde mit konzentrisch angeordneten Drahtwendeln Fig. 7 ein Längsschnitt durch eine Meßsonde mit parallel angeordneten Drahtwendeln Gemäß Fig. 1 enthält der Herzschrittmacher HS den Stromversorgungsteil Ba, den elektronischen Schaltungsteil Sch mit dem Meßverstärker MV und die zweipolige elektrische Kupplung EK. In der Kupplung EK ist der zweipolige elektrische Stecker ES des Stimulationskatheters K festgeschraubt. Der Katheter führt über die obere Hohlvene HV in den rechten Vorhof RV, in dem die indifferente Sensingelektrode E2 positioniert ist, und dann in die rechte Herzkammer RHK, so daß dort von der Meßsonde M die Blutsauerstoffsättigung gemessen und durch die Stimulationselektrode E1 der HerzmuskelH gereizt wird. Die Meßsonde M ist im Katheter K so angeordnet, daß sie sich im Bereich der Segelklappen SK,dem Bereich der größten Blutströmung befindet.Description An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below. 1 shows an arrangement a pacemaker whose bipolar stimulation catheter with integrated S02 measuring probe in the right cardiac chamber leads Fig. 2 a circuit of the measuring probe Fig. 3 shows a diagram of the current-voltage characteristics of the measuring probe. FIG. 4 shows a control circuit of the measuring probe Fig. 5 is a block diagram for an analog signal converter circuit 6 shows a longitudinal section through a measuring probe with concentrically arranged wire coils 7 shows a longitudinal section through a measuring probe with wire coils arranged in parallel According to FIG. 1, the pacemaker HS contains the power supply part Ba, the electronic one Circuit part Sch with the measuring amplifier MV and the two-pole electrical coupling EK. The two-pole electrical plug ES of the stimulation catheter is in the coupling EK K screwed tight. The catheter leads into the right atrium via the superior vena cava HV RV, in which the indifferent sensing electrode E2 is positioned, and then into the right ventricle RHK, so that there from the measuring probe M the blood oxygen saturation and the heart muscle H is stimulated by the stimulation electrode E1. the Measuring probe M is arranged in catheter K in such a way that it is in the area of the leaflet flaps SK, the area of greatest blood flow.

Fig. 2 zeigt die Schaltung der Meßsonde bestehend aus einer Leuchtdiode 32, einem npn-Phototransistor 37 und einer Überbrückungsdiode Do.Fig. 2 shows the circuit of the measuring probe consisting of a light emitting diode 32, an npn phototransistor 37 and a bypass diode Do.

In Fig. 3 ist das Funktionsprinzip der Meßsonde M anhand ihrer Strom-Spannungskennlinien 42 und 43 zu erkennen. Fehlt ein Reflexionskörper 44 in der Meßanordnung Fig. 2, dann ergibt sich die I-U-Kennlinie 42. Trifft jedoch Licht von einem Reflexionskörper 44 (im Anwendungsfall Blut) auf den Phototransistor 37, so ergibt sich die I-U-Kennlinie 43.In Fig. 3, the functional principle of the measuring probe M is based on its current-voltage characteristics 42 and 43 to be recognized. If a reflection body 44 is missing in the measuring arrangement Fig. 2, this then results in the I-U characteristic curve 42. However, if light hits a reflection body 44 (in the application case blood) to the phototransistor 37, the I-U characteristic is obtained 43.

Die Intensität des reflektierten Lichtes ist somit bei konstantem Strom IK proportional der Änderung der Spannung AuS und entsprechend bei konstanter Spannung UK proportional der Stromänderung Al5.The intensity of the reflected light is thus constant Current IK proportional to the change in voltage AuS and correspondingly at constant Voltage UK proportional to the change in current Al5.

Die angegebene Kombination von Sende- und Empfangselement behält auch bei Parallelschaltung mit ein oder zwei weiteren Kombinationen ihre prinzipielle Funktionsweise.The specified combination of sending and receiving elements also keeps when connected in parallel with one or two other combinations, their principle Functionality.

Fig. 4 zeigt das Auführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung der MeßsondeN,die einen Impuls mit konstantem Spannungsverlauf UK an den Zuleitungen 30,36 zur Meßsonde erzeugt, so daß der Verlauf des Stromes IS durch die Meßsonde abhängig wird von dem durch die Meßsonde aufgenommenen Reflexionslicht. Damit wird der Spannungsverlauf UM am Arbeitswiderstand Rv: UM v wobei IS 1 50+AI5 so daß UM = 1so Rv + Als Rv Das Produkt hIS Rv enthält die eigentliche Meßinformationwdh.Fig. 4 shows the exemplary embodiment of a control circuit of the measuring probe N, the a pulse with a constant voltage curve UK on the leads 30,36 to the measuring probe generated so that the course of the current IS through the measuring probe is dependent on the reflected light picked up by the measuring probe. This becomes the voltage curve UM at the working resistance Rv: UM v where IS 1 50 + AI5 so that UM = 1so Rv + Als Rv Das Product hIS Rv contains the actual measurement information.

die Aussage, wie groß die Rotverschiebung des Blutes also seine Sauerstoffsättigung S02 ist, denn entsprechend stark ist das reflektierte Licht und damit der Stromanteil hIs.the statement of how big the redshift of the blood, i.e. its oxygen saturation S02 is, because the reflected light and thus the current component is correspondingly strong hIs.

Zur Kompensation des nicht spezifischen Meßsignalanteils Iso Rv von UM erzeugt die Ansteuerschaltung 7 einen weiteren Impuls mit gleicher konstanter Spannung aber umgekehrterern Vorzeichen -UK, so daß die Meßspannung ebenfalls negativ wird. Da hierbeider Strom -ISo durch die Diode Do fließt, ist eine Kompensation des Anteils +1 50#Rv am einfachsten wenn die Kennlinien von D 0 und der LED 32 identisch sind.To compensate for the non-specific measurement signal component Iso Rv of UM the control circuit 7 generates a further pulse with the same constant Voltage but reversed sign -UK, so that the measuring voltage is also negative will. Since the current -ISo flows through the diode Do here, there is a compensation of the +1 50 # Rv component is easiest when the characteristics of D 0 and LED 32 are identical are.

In Figur 5 ist das Blockschaltbild für eine analoge Signalwandlerschaltung 8 dargestellt. Mit dieser Schaltung wird das aus einem positiven, in der Taktphase T1 ankommenden Meßimpuls +UM und einem negativen, in der Taktphase T2 ankommenden Kompensationsimpuls #UM bestehende Meßsignal UM von zwei Sample-and Hold-Schaltungen (S+H)1/2 aufgenommen, so daß der eine Speicher (S+H)1 über den in der Taktphase T1 geschlossenen Schalter die Amplitude des Meßimpulses UM und der andere Speicher (S+H)2 über den in der Taktphase T2 geschlossenen Schalter S2 die Amplitude des Kompensationsimpulses UM speichert. In dem anschliessenden Summationsschaltkreis werden die SignalwertesUM und UM derart ausgewertet, daß der Null-Signalanteil (Iso Rv) und damit der im Meßimpuls mitenthaltene, vor allem durch Widerstandsänderungen auf den Ubertragungsleitungen 30,36 und Temperaturdrift der optischen Meßsonde M entstandene Meßfehler beseitigt wird.In Figure 5 is the block diagram for an analog signal converter circuit 8 shown. With this circuit, this becomes a positive in the clock phase T1 incoming measuring pulse + UM and a negative, incoming in the clock phase T2 Compensation pulse #UM existing measurement signal UM from two sample and hold circuits (S + H) 1/2 added, so that the one memory (S + H) 1 over the in the clock phase T1 closed switch the amplitude of the measuring pulse UM and the other memory (S + H) 2 via the switch S2, which is closed in the clock phase T2, the amplitude of the Compensation pulse UM stores. In the subsequent summation circuit the signal values UM and UM are evaluated in such a way that the zero signal component (Iso Rv) and thus the one included in the measuring pulse, mainly due to changes in resistance on the transmission lines 30,36 and temperature drift of the optical measuring probe M resulting measurement errors are eliminated.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Meßsonde im Schnittbild Von den heute im Einsatz befindlichen bipolaren Stimulationskathetern gibt es im wesentlichen zwei Ausführungsformen. Bei beiden sind die zwei elektrischen Leitungen Drahtwendeln 30, 36, die in der einen Ausführung (Fig. 6) parallel nebeneinander liegen und in der anderen Form (Fig. 5) konzentrisch zueinander angeordnet sind.Fig. 5 and Fig. 6 show two embodiments of the invention Measuring probe in cross-section Of the bipolar stimulation catheters in use today there are essentially two embodiments. With both, the two are electric Lines wire coils 30, 36, which in one embodiment (FIG. 6) are parallel to one another lie and in the other form (Fig. 5) are arranged concentrically to one another.

In der Ausführung mit integrierter Meßsonde M dienen die Drahtwendeln 30, 36, sowohl als Zuleitung zur Stimulationselektrode E1 und E2 als auch als Stromzuführung zur Meßsonde M. Der Kontakt zur Meßsonde geschieht über die Ringelemente 31 und 34.In the version with an integrated measuring probe M, the wire coils are used 30, 36, both as a supply line to the stimulation electrodes E1 and E2 and as a power supply to the measuring probe M. The contact to the measuring probe takes place via the ring elements 31 and 34.

Das Ringelement 31 dient gleichzeitig als Träger für die rotstrahlenden LED's 32, die kathodenseitig mit dem Ringelement 31 kontaktiert sind. Die Drahtwendel 33 ist zur Stimulationssicherung redundant ausgeführt. Zwischen dem steckerseitigen Teil des 1. Ringelementes 31 und dem 2. Ringelement 34 ist eine Isolierung 35 angebracht. Das 2. Ringelement 34 hat Kontakt mit der Drahtwendel 36 und dient als Träger für die Fototransistoren 37.The ring element 31 also serves as a carrier for the red-radiating LEDs 32 which are in contact with the ring element 31 on the cathode side. The wire coil 33 is designed redundantly to safeguard stimulation. Between the plug-side Insulation 35 is attached to part of the 1st ring element 31 and the 2nd ring element 34. The 2nd ring element 34 is in contact with the wire coil 36 and serves as a carrier for the phototransistors 37.

Sofern die in den Fig. 5, 6 nicht dargestellte überbrückungsdiode Do nicht in der LED 32 bzw. dem Fototransistor 37 integriert ist, muß sie zusätzlich als Einzelelement auf einem der beiden Ringelemente 31 oder 34 angebracht werden. Die zweite Zuleitung zu den LED's 32 bzw. den Fototransistoren 37 (und zur Diode Do) ist jeweils ein Bonddraht 38 vom gegenüberliegenden Ringelement.If the bridging diode not shown in FIGS If it is not integrated in the LED 32 or the phototransistor 37, it must also be attached as a single element on one of the two ring elements 31 or 34. The second lead to the LEDs 32 or the phototransistors 37 (and to the diode Do) is a bond wire 38 from the opposite ring element.

Der Langsschnitt V-V in Fig. 7 zeigt die Ebene in der die Halbleiterelemente 32 und 37 angeordnet sind.The longitudinal section V-V in Fig. 7 shows the plane in which the semiconductor elements 32 and 37 are arranged.

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Claims

Measuring device for intracardiac detection of blood oxygen saturation So2 according to the principle of reflection oximetry to regulate the frequency of a pacemaker, in which the optoelectronic measuring probe in the stimulation catheter and the eating amplifier are integrated in the pacemaker, characterized in that the measuring probe (M) at least one combination of only one light emitting diode (32) and one phototransistor (37), which are preferably connected in parallel in such a way that the forward current IS is additively overlaid by the light emitting diode (32) from that caused by the action of light caused current hIS through the phototransistor (37), so that when the Measuring probe (M) via the control (7) of the measuring amplifier (MV) with a constant Current IK or a constant voltage UK that emitted by the light emitting diode (32) and light reflected from the blood in the phototransistor, depending on its oxygen saturation So2 (37) triggers a current flow which changes the voltage at a constant current IK OFF the voltage Us falling at the measuring probe (M) or at constant voltage UK causes a change in current # I # of the current IS flowing through the measuring probe, and that the signal converter circuit (8) of the measuring amplifier (MV) supplies the voltage US or the current IS further processed in such a way that the measured variables AuS and ATS are not of the signal components caused by the blood reflection are separated and amplified.

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the Control circuit (7) the constant current IK or the constant voltage UK for the measuring probe (.M) is generated in pulse form in short measuring intervals.

3. Measuring device according to claim 1 and 2, characterized in that that the body of the measuring probe (M) consists of two mutually insulated, metallic, preferably ring-shaped elements (31,34) is composed as a carrier the light-emitting diode (32) or the phototransistor (37) are used and the probe leads (30,36) are electrically connected.

4. Measuring device according to claim 1 to 3, characterized in that a plurality of light emitting diodes (32) and phototransistors (37) around the axis of the catheter are arranged so that the measuring angle in the cross-sectional plane of the catheter to can amount to 360 °.

5. Measuring device according to claims 1 to 4, characterized in that the two probe leads (30, 36) are identical to the electrode leads of the bipolar stimulation catheter, preferably the stimulation electrode (E) is connected to the cathode of the light-emitting diode (32) and via the supply line (30) the indifferent electrode (E #) is connected to the anode via the lead (36) the light emitting diode (32).

6. Measuring device according to claim 1 to 5, characterized in that a further semiconductor diode (Do) is integrated into the measuring probe (M) in such a way that its cathode is connected to the anode and its anode is connected to the cathode of the light emitting diode (32) is.

7. Measuring device according to claim 1 to 6, characterized in that the measuring probe (M) by a transparent protective jacket (39), preferably made of glass is surrounded.